Kinetic study on succinic acid and acetic acid formation during continuous cultures of Anaerobiospirillum succiniciproducens grown on glycerol
- 作者
- Pyung Cheon Lee, Sang Yup Lee, Ho Nam Chang
- 杂志
- Bioprocess and Biosystems Engineering（2009）
- DOI
- 10.1007/s00449-009-0355-4
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究以甘油为碳源的严格厌氧菌 Anaerobiospirillum succiniciproducens 在连续培养过程中，不同pH值和稀释速率下细胞生长及琥珀酸和乙酸形成的动力学规律。
研究策略
在不同pH（5.9、6.2、6.5）和一系列稀释速率下进行厌氧单级连续培养，测定稳态参数（细胞、底物、产物浓度）、产率、碳回收率，并基于Pirt方程计算比速率、维持能系数和理论产率等动力学参数。
核心内容
该研究以严格厌氧菌Anaerobiospirillum succiniciproducens为对象，在甘油为唯一碳源的单级连续培养体系中，系统考察了pH（5.9、6.2、6.5）和稀释速率对细胞生长及琥珀酸、乙酸生成动力学的影响。通过稳态参数测定和基于Pirt方程的动力学解析，揭示了关键工艺参数的作用规律。结果表明，pH对甘油消耗和产物分配影响显著：pH 6.2时，稀释速率不超过0.14 h⁻¹可完全消耗甘油，琥珀酸浓度最高达16.0 g/L，乙酸仅0.41 g/L，琥珀酸与乙酸比高达40:1，较葡萄糖批次培养提升约10倍；当稀释速率升至0.19 h⁻¹以上时，甘油开始累积，琥珀酸降至8.0 g/L，乙酸升至0.51 g/L，S/A比降至15.7:1。pH 5.9下S/A比稳定在29:1至31:1，而pH 6.5在低稀释率即出现底物累积。最大琥珀酸生产率为2.1 g L⁻¹h⁻¹，较甘油批次培养提高14倍。理论琥珀酸产率在三种pH下均接近1.5 g/g甘油。研究证实甘油是生产琥珀酸的优质底物，兼具高产量、高生产率与低副产物特征，且未检测到丁二醇等其它代谢物。这些动力学参数为基于废甘油的琥珀酸生物过程设计提供了定量依据。
创新点
首次定量研究了A. succiniciproducens以甘油为碳源在连续培养中的生长及有机酸形成动力学，揭示了pH对甘油消耗、乙酸生成和S/A比的显著影响。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Anaerobiospirillum succiniciproducens ATCC 29305 | 甘油厌氧代谢途径（琥珀酸和乙酸生成） | — | — | 能量供给 | 乙酸生成伴随ATP合成，为快速生长的细胞提供能量；研究涉及不同pH和稀释速率下的连续培养动力学。 |
关键发现
- pH
- 9时，稀释率0.022-0.042 h^-1，细胞浓度0.42-0.48 g DCW/L，琥珀酸浓度14.0-16.1 g/L，乙酸浓度0.48-0.50 g/L，S/A比29:1-31:1；pH
- 2时，D≤0.14 h^-1甘油完全消耗，D≥0.19 h^-1时甘油累积，琥珀酸浓度从16.0 g/L降至8.0 g/L，乙酸浓度从0.41升至0.51 g/L，S/A比从40:1降至15.7:1；pH
- 5时，D=0.027 h^-1即出现甘油累积，琥珀酸浓度从16.0降至9.4 g/L。最高琥珀酸/乙酸比达40:1，比葡萄糖批次培养高10倍；最大琥珀酸生产率为2.1 g L^-1 h^-1，比甘油批次培养高14倍。理论琥珀酸产率分别为pH
- 9时1.54 g/g、pH
- 2时1.55 g/g、pH
- 5时1.48 g/g；理论最大生物量产率0.045-0.048 g DCW/g甘油。
研究结论
甘油是A. succiniciproducens生产琥珀酸的优良底物，可获得高产量、高生产率和低的乙酸副产物；pH对甘油消耗影响显著，pH 6.2最适，快速生长（D≥0.15 h^-1）时乙酸生成增加以满足ATP需求；连续培养中未检测到丁二醇或丙二醇等其他副产物。该动力学数据对设计利用废甘油生产琥珀酸的生物过程具有重要指导意义。