Modeling of an integrated fermentation/membrane extraction process for the production of 2-phenylethanol and 2-phenylethylacetate
- 作者
- Philipp Adler, Thorsten Hugen, Marzena Wiewiora, Benno Kunz
- 单位
- Department of Nutrition and Food Sciences, Division of Food Technology and Biotechnology, University of Bonn, Roemerstrasse 164, 53117 Bonn, Germany
- 杂志
- Enzyme and Microbial Technology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.enzmictec.2010.12.003
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
基于仅从常规发酵和分离过程获得的数据，预测集成发酵/膜萃取过程（原位产物移除）的可行性，避免大量实验。
研究策略
将集成过程分解为发酵与膜萃取子过程，分别建立非结构化动力学模型（包括Monod动力学、Luong产物抑制模型、Jerusalimsky生物量产率模型及乙醇产率经验公式），拟合各子过程参数，再耦合成集成过程模型，并通过集成发酵实验验证。
核心内容
本研究针对2-苯乙醇（2-PE）及其乙酸酯（2-PEA）的集成发酵/膜萃取过程，提出了一种基于子过程数据预测集成原位产物移除（ISPR）可行性的建模策略。研究者将集成过程分解为发酵和膜萃取两个子过程，分别建立非结构化动力学模型，涵盖Monod生长动力学、Luong产物抑制模型、Jerusalimsky生物量产率模型及乙醇产率经验公式，拟合子过程参数后耦合成集成过程模型，并通过集成发酵实验验证。实验测得2-PE和2-PEA的分配系数分别为7.7和361.0，总传质系数分别为2.08×10⁻⁶ m/s和1.48×10⁻⁵ m/s。常规发酵产物总量为1.4 g/L，模型预测1.7 g/L；集成过程实际产物总量达4.0 g/L（产率0.29 g/L·h），高于原模型预测的2.7 g/L。经常规和ISPR数据修正后，模型预测集成产物总量3.6 g/L、产率0.25 g/L·h，与实验吻合。集成过程中2-PEA几乎被立即萃取，水相浓度接近于零，而2-PE因分配系数较低仍部分残留。该模型能基于子过程数据合理预测集成ISPR过程，并可通过纳入ISPR数据进一步改进，为早期过程开发评估ISPR可行性提供了省时省力的工具。
创新点
（1）提出了仅利用子过程数据即可粗略预测集成ISPR过程的建模策略；（2）将2-PE和2-PEA的混合产物抑制效应同时纳入比生长速率和生物量产率模型；（3）采用中空纤维膜萃取实现原位产物移除，显著提高产物总浓度和产率。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Kluyveromyces marxianus CBS 600 | — | — | — | 催化 | 生产2-PE和2-PEA的宿主酵母 |
| Kluyveromyces marxianus CBS 600 | Ehrlich途径 | — | — | 催化 | L-苯丙氨酸生物转化为2-苯乙醇 |
| Kluyveromyces marxianus CBS 600 | 2-苯乙醇酯化途径 | — | — | 催化 | 2-苯乙醇转化为2-苯乙基乙酸酯（2-PEA） |
关键发现
- 通过膜萃取实验得到2-PE和2-PEA的分配系数分别为7.7和361.0，总传质系数分别为2.08×10^-6 m/s和1.48×10^-5 m/s。常规发酵中产物总量为1.4 g/L（2-PE+2-PEA），模型预测1.7 g/L
- 集成过程实际产物总量达4.0 g/L（产率0.29 g/L·h），高于原模型预测的2.7 g/L。用常规和ISPR数据修正后，模型预测集成产物总量3.6 g/L、产率0.25 g/L·h，与实验吻合。集成过程中2-PEA在水相几乎立即被萃取（水相浓度接近于0），2-PE因分配系数较低仍部分残留。动力学参数：最大比生长速率μmax,Glc=0.42 h^-1，2-PE和2-PEA的最大抑制浓度分别为2.4 g/L和0.5 g/L。
研究结论
所建模型能够基于子过程数据对集成发酵/膜萃取过程进行合理预测，并可通过纳入ISPR实验数据进一步改进；该模型可用于早期过程开发中评估ISPR可行性，减少实验工作量。