Production, optimization, scale up and characterization of polyhydroxyalkanoates copolymers utilizing dairy processing waste
- 作者
- Tejaswini Dhanaji Patil, Saptaneel Ghosh, Aparna Agarwal, Sanjay Kumar Singh Patel, Abhishek Dutt Tripathi, Dipendra Kumar Mahato, Pradeep Kumar, Petr Slama, Ales Pavlik, Shaful Haque
- 杂志
- Scientific Reports（2024）
- DOI
- 10.1038/s41598-024-52098-0
- 所属领域
- 发酵工程
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解决的核心问题
PHA生产成本高，需寻找低成本原料并优化生产条件；利用乳品加工废弃物（乳清）作为廉价碳源生产PHA。
研究策略
筛选高效PHA产生菌，采用中心复合旋转设计（CCRD）优化色氨酸与吐温-80浓度，在3L生物反应器中进行放大，并通过ESI-MS、FTIR和TEM对PHA进行表征。
核心内容
该研究以乳品加工废弃物——脱蛋白乳清为廉价碳源，探索低成本生产聚羟基脂肪酸酯（PHA）的可行性。通过对比Ralstonia eutropha与Bacillus megaterium的产PHA能力，发现前者更具优势。研究采用中心复合旋转设计优化色氨酸和吐温-80浓度，并结合pH、温度和转速调控，在摇瓶基础上进一步于3L生物反应器中进行放大验证。摇瓶优化后，R. eutropha生物量达6.80 g/L，PHB产量为4.71 g/L，PHB质量分数从预测的62.8%提升至69.3%。在3L放大实验中，PHA产量达到4.19 g/L，含量为74.2%，底物消耗率79.0%，PHA产率（YP/X）为0.72，生产力为0.19 g/L/h，与摇瓶水平相当。通过ESI-MS、FTIR和TEM表征确认共聚物包含3-羟基丁酸（86 Da）、3-羟基戊酸（100 Da）和3-羟基己酸（114 Da）单体。上述结果表明，乳清可作为高效生产PHA共聚物的可行原料，推动了废弃物资源化利用及PHA工业化进程。
创新点
利用乳清水解液（脱蛋白乳清）作为低成本碳源；通过响应面法优化色氨酸和吐温-80，显著提高PHA产量；在3L规模实现PHA含量和产率与摇瓶相当；首次从乳清补充培养基中鉴定出HB-HV和HB-HH共聚物。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Ralstonia eutropha | PHA合成途径 | — | — | — | MTCC 8320，高产PHA菌株，以乳清为碳源 |
| Bacillus megaterium | PHA合成途径 | — | — | — | MTCC 428，对比菌株，PHA产量较低 |
| Ralstonia eutropha | PHA合成途径 | — | PHA synthase | 催化 | 催化PHA聚合，底物抑制可能影响产量 |
关键发现
- R. eutropha产PHA能力优于B. megaterium
- 以脱蛋白乳清为碳源时，R. eutropha生物量达6.05 g/L，PHA产量3.84 g/L，PHA含量61.1-63.5%
- pH 7、37°C、150 rpm为最优条件
- 色氨酸50 mg/L和吐温-80 3 mL/L条件下，R. eutropha生物量达6.80 g/L，PHB含量4.71 g/L
- 优化后PHB质量分数达69.3%（预测62.8%）
- 3L放大时PHA产量4.19 g/L，含量74.2%，底物消耗79.0%，PHA产率（YP/X）为0.72，生产力0.19 g/L/h
- ESI-MS证实PHA含3-羟基丁酸（86 Da）、3-羟基戊酸（100 Da）和3-羟基己酸（114 Da）共单体。
研究结论
乳品加工废弃物（乳清）可作为廉价原料生产高含量PHA，实现废物的可持续管理；R. eutropha在优化条件下可高效积累PHA共聚物，具有工业化潜力。