A High Gas Fraction, Reduced Power, Syngas Bioprocessing Method Demonstrated With a Clostridium ljungdahlii OTA1 Paper Biocomposite
- 作者
- Mark J. Schulte, Jeff Wiltgen, John Ritter, Charles B. Mooney, Michael C. Flickinger
- 单位
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, North Carolina State University; Analytical Instrumentation Facility, North Carolina State University; Golden- LEAF Biomanufacturing Training and Education Center, North Carolina State University
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2016）
- DOI
- 10.1002/bit.25966
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决气体生物加工（合成气 fermentation）中气液传质能耗高、液体需求大、底物消耗慢、产物浓度低等问题，尤其针对Clostridium ljungdahlii利用CO/H2生产乙醇和乙酸过程中悬浮细胞反应器的局限性。
研究策略
提出一种高气体分率的纸基生物复合物气体吸收器：将浓缩的Clostridium ljungdahlii OTA1细胞通过挤涂法固定在3MM色谱纸上，无需粘合剂，在水平厌氧管中缓慢摇动，使涂覆纸位于液面上方，以薄膜形式接触气相，减少液体体积并增大气液界面面积，从而强化CO传质和细胞反应。
研究路线图
核心内容
该研究开发了一种高气体分率、低功率输入的合成气生物加工方法，将浓缩的Clostridium ljungdahlii OTA1细胞通过无粘合剂挤涂法固定于3MM色谱纸上，制成纸基生物复合物。在水平厌氧管中缓慢摇动，使涂覆纸位于液面上方以薄膜形式接触气相，液体体积可降至管体积的15%而不损失CO反应性。结果显示，在25 rpm极低功率下，生物复合物的CO吸收速率比悬浮细胞高2.5倍，功率较100 rpm降低97%，表观kLa约100 h⁻¹，归一化CO吸收达94 mmol CO m⁻² h⁻¹，较前工作强化14倍。在4 mL液体体积下最终乙酸浓度为4.3 g/L，比产率23 mM h⁻¹。该策略通过增大气液界面并减少液体需求，显著降低能耗同时维持高效乙酸生产，为合成气生物加工提供了低能耗的过程强化途径，可作为连续降膜式气体生物反应器的概念验证。
创新点
1. 使用无粘合剂挤涂法将细胞直接吸附在纤维素纤维上，简化制备并保持反应性；2. 水平管配置允许更大的涂覆面积与气体接触，并显著降低液体体积（至管体积的15%）而不损失CO反应性；3. 在极低功率输入（如25 rpm）下实现比悬浮细胞高2.5倍的CO吸收，功率较100 rpm降低97%；4. 表观kLa约100 h⁻¹，功率输入比其他合成气发酵系统低1到4个数量级；5. 酸产量和CO吸收速率随涂覆面积线性放大。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium ljungdahlii OTA1 | Wood-Ljungdahl通路 | — | — | 催化 | 利用CO和H2合成乙酸和乙醇，细胞浓缩后经挤涂吸附于3MM色谱纸上形成生物复合物 |
| Whatman 3MM chromatography paper | — | — | — | 区室化 | 作为细胞固定化载体，提供高界面面积和薄液膜，减小传质阻力并支撑细胞涂层 |
关键发现
- 最佳细胞载量为6.5 g_DCW m⁻²，在100 rpm（7.7 W m⁻³）下保持高CO吸收活性且细胞不脱落
- 液体体积从10 mL降至4 mL（管体积15%）不降低CO反应性，且产物浓度提高80%
- 25 rpm时生物复合物CO吸收比悬浮细胞高2.5倍，功率降低97%
- 生物复合物比CO消耗速率约14 mmol g_DCW⁻¹ h⁻¹，比表面积归一化CO吸收达94 mmol CO m⁻² h⁻¹（较前工作强化14倍）
- 乙酸比产率23 mM h⁻¹或46 mmol m⁻² h⁻¹
- 在4 mL液体体积下最终乙酸浓度为4.3±0.21 g/L，乙醇/乙酸摩尔比0.052±0.0054
- 20 cm²生物复合物反应器体积产率为47 mmol L_reactor⁻¹ h⁻¹，乙酸产率23 mmol L_liquid⁻¹ h⁻¹。
研究结论
纸基生物复合物在低功率输入下显著强化了CO吸收和乙酸生产，且比悬浮细胞更高效，可作为连续降膜式气体生物反应器的概念验证，为合成气生物加工提供了一种低能耗、高气体分率的过程强化途径。