Calorespirometric Feeding Control Enhances Bioproduction From Toxic Feedstocks—Demonstration for Biopolymer Production Out of Methanol
- 作者
- Maria-Teresa Rohde, Sven Paufler, Hauke Harms, Thomas Maskow
- 单位
- Department of Environmental Microbiology, Helmholtz Centre for Environmental Research—UFZ, Leipzig, Germany
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2016）
- DOI
- 10.1002/bit.25986
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
开发一种适用于有毒且易挥发底物的补料补料策略，以甲醇为例，需避免底物毒性同时优化生长和产物形成。
研究策略
基于量热呼吸法（同步测量热产生速率和CO2释放速率）的前馈补料控制策略，在线估算比生长速率和底物消耗率，并通过周期性校准循环（停止补料至底物耗尽）修正产量系数，以适应不同生长阶段。
研究路线图
核心内容
该研究开发了一种基于量热呼吸法的前馈补料控制策略，用于有毒且易挥发底物（以甲醇为例）的补料分批发酵过程。该方法同步测量热产生速率与CO2释放速率，在线估算比生长速率和底物消耗率，并通过周期性停止补料至底物耗尽的校准循环修正产量系数，从而适应不同生长阶段并避免误差积累。以Methylobacterium extorquens AM1利用甲醇生产聚羟基丁酸酯（PHB）为模型，该策略使最大比生长速率达0.209 h^-1，接近理论最大值0.21 h^-1，总生物量达17.55 g/L，PHB浓度达6.54 g/L，含量为37.3%，而甲醇浓度始终低于1.8 g/L（毒性阈值为8 g/L）。相比之下，无过程控制时最高生物量仅8.30–10.37 g/L，PHB最高2.89 g/L，甲醇浓度一度高达56.47 g/L；仅控制比生长速率时生物量最高12.70 g/L，PHB最高1.86 g/L。此外，指数生长期和产物形成期的热产率系数分别为-50300 J/g和-5400 J/g，反映了代谢状态的切换。结果表明，该策略能有效维持底物浓度低于抑制水平，同时显著促进生长和产物合成，为有毒底物的工业化发酵提供了一种通用且可扩展的过程控制方案。
创新点
['首次将量热呼吸法应用于有毒底物的补料分批过程控制', '利用热/CO2比值实时区分生长阶段与产物形成阶段', '自校正产量系数，避免误差积累和过补/欠补']
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Methylobacterium extorquens AM1 | 甲醇同化（丝氨酸循环）和聚羟基丁酸酯（PHB）生物合成 | — | — | 能量供给 | 以甲醇为唯一碳源和能源，在氮限制下积累PHB |
关键发现
- 应用新策略后，Methylobacterium extorquens最大比生长速率达0.209 h^-1（接近理论最大值0.21 h^-1），总生物量达17.55 g/L，PHB浓度达6.54 g/L，PHB含量为37.3%；甲醇浓度始终低于1.8 g/L（毒性阈值8 g/L）。相比无过程控制（最高生物量8.30-10.37 g/L，PHB
- 31-2.89 g/L，甲醇最高56.47 g/L）和仅控制比生长速率（最高生物量11.94-12.70 g/L，PHB
- 80-1.86 g/L，甲醇最高18.8 g/L），新策略显著提高生长和PHB产量。此外，指数生长期热产率系数为-50300 J/g，产物形成期为-5400 J/g。
研究结论
量热呼吸法补料控制能有效维持有毒底物浓度低于抑制水平，同时促进生长和产物形成，是一种具有工业应用潜力的通用过程控制策略。