Oxygen Limitation on L-Serine Production in a Hollow-Fiber Bioreactor
- 作者
- J. Klier, J. M. S. Cabral, C. L. Cooney
- 单位
- 麻省理工学院化学工程系；里斯本高等技术学院生化工程实验室
- 杂志
- Applied Biochemistry and Biotechnology（1985）
- DOI
- 10.1007/BF02798456
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
在中空纤维生物反应器中，氧气扩散限制导致甲醇消耗和L-丝氨酸产量远低于摇瓶对照。
研究策略
比较摇瓶对照与中空纤维反应器（静态和循环细胞悬液）的L-丝氨酸产量、甲醇和氧气消耗速率，并建立圆柱坐标径向扩散模型（含Bessel函数）定量预测氧气扩散限制。
核心内容
本研究以Pseudomonas AM1温度敏感突变株为对象，在中空纤维生物反应器中考察氧气扩散限制对L-丝氨酸生产的影响。通过对比摇瓶对照、静态及循环细胞悬液两种反应器操作模式，并建立基于圆柱坐标径向扩散的数学模型（含Bessel函数）定量预测氧气消耗。结果显示，摇瓶对照L-丝氨酸产量达65 mM，而中空纤维静态和循环模式下仅分别为2 mM和3 mM；按甘氨酸消耗的摩尔产率从对照的60%降至中空纤维的20%。初始比速率测定表明，中空纤维静态组的L-丝氨酸、甲醇和氧气消耗速率分别仅为对照的0.34、1.05和0.53 mmol/g cell/h，循环组虽略有提升但仍远低于对照，溶解氧水平仅为饱和度的67%。模型预测的氧气消耗速率为0.88 mmol/g cell/h，与实验值吻合。研究证实氧气扩散是中空纤维反应器中L-丝氨酸合成的首要限制因素，即使循环细胞悬液也无法克服，所建模型可准确描述氧气浓度分布，为反应器结构优化和供氧策略设计提供了定量预测工具。
创新点
建立中空纤维生物反应器中氧气扩散限制的数学模型，定量预测甲醇消耗速率，为反应器设计提供依据。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pseudomonas AM1（温度敏感突变株） | L-丝氨酸生物合成（涉及甘氨酸和甲醇） | — | — | 催化 | 静息细胞悬液，用于转化甘氨酸和甲醇为L-丝氨酸 |
关键发现
- 控制实验（摇瓶）L-丝氨酸产量为65 mM，而中空纤维反应器静态和循环细胞悬液分别仅2 mM和3 mM
- 按甘氨酸消耗的摩尔产率控制为60%，中空纤维为20%
- 初始比速率（mmol/g cell/h）：控制组L-丝氨酸0.94、甲醇16.1、氧气8.05
- 中空纤维静态组分别为0.34、1.05、0.53
- 循环组为0.36、1.36、0.68
- 溶解氧水平仅为饱和度的67%。模型预测氧气消耗速率为0.88 mmol/g cell/h，与实验值相当。
研究结论
中空纤维生物反应器中氧气扩散是限制L-丝氨酸生产的主要因素，即使循环细胞悬液也不能克服该限制；所建模型可准确描述中空纤维周围的氧气浓度分布并作为预测工具用于改进反应器设计。