南京工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)：新型矩形動(dòng)態(tài)膜氣升式生物反應(yīng)器的傳質(zhì)、氣含率及分批和連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型丨Engineering
南京工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)：新型矩形動(dòng)態(tài)膜氣升式生物反應(yīng)器的傳質(zhì)、氣含率及分批和連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中國(guó)工程院院刊主刊，工程類綜合性期刊，旨在為全球提供一個(gè)高水平的工程科技重大成果發(fā)布交流平臺(tái)，報(bào)道全球工程前沿，促進(jìn)工程科技進(jìn)步，服務(wù)社會(huì)、造福人類。中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃領(lǐng)軍期刊。 中英文出版，全文開放獲取。
引言
相較于形成大氣泡的傳統(tǒng)圓柱形氣升式生物反應(yīng)器（CCAB），實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了新型矩形動(dòng)態(tài)膜氣升式生物反應(yīng)器（RDMAB），通過產(chǎn)生微小氣泡增強(qiáng)體積氧傳質(zhì)系數(shù)（ k L a ）和氣含率，進(jìn)而改善生物反應(yīng)過程。在本研究中，南京工業(yè)大學(xué)李輝研究團(tuán)隊(duì)比較了CCAB和RDMAB的傳質(zhì)、氣含率，以及發(fā)酵合成RNA的分批和連續(xù)過程，并建立微生物生長(zhǎng)、底物利用和 核糖核酸（ RNA）合成的非結(jié)構(gòu)化動(dòng)力學(xué)模型。在分批發(fā)酵過程中，RDMAB的生物量、RNA產(chǎn)量和底物利用率均高于CCAB，表明動(dòng)態(tài)膜曝氣微小氣泡形成高的 k L a ，更利于好氧發(fā)酵。RDMAB的連續(xù)發(fā)酵起始時(shí)間比CCAB提前20 h，顯著改善了生物過程。在連續(xù)發(fā)酵過程中，維持相同的溶解氧水平和恒定的稀釋率，RDMAB的生物量和RNA濃度分別比CCAB高9.71%和11.15%。在保持相同通氣量的情況下，連續(xù)發(fā)酵RDMAB的稀釋率比CCAB高16.7%。總之，RDMAB更適合于連續(xù)發(fā)酵過程，開發(fā)氣升式生物反應(yīng)器的新型曝氣和幾何結(jié)構(gòu)以提高 k L a 和氣含率，對(duì)強(qiáng)化生物反應(yīng)過程變得越來越重要。
氣升式生物反應(yīng)器因操作簡(jiǎn)單、能耗低、剪切力低和機(jī)械形狀簡(jiǎn)單等獨(dú)特的特點(diǎn)，常用于生物過程中生產(chǎn)各種化學(xué)品、酶和藥物。據(jù)報(bào)道，內(nèi)循環(huán)氣升式生物反應(yīng)器是一種比傳統(tǒng)攪拌式生物反應(yīng)器更適合于黏紅酵母生長(zhǎng)的發(fā)酵設(shè)備。 傳統(tǒng)氣升式生物反應(yīng)器采用多孔板、多孔管、孔口或靜態(tài)膜作為曝氣元件，產(chǎn)生普通大氣泡，導(dǎo)致較低的體積氧傳質(zhì)系數(shù)（ k L a ）和氣體利用效率，因此，需要高的通氣量來滿足微生物的需氧量。
在攪拌式和氣升式生物反應(yīng)器中，針對(duì)以甘油作為底物生產(chǎn)生物柴油的產(chǎn)油酵母菌株的生物量和脂質(zhì)產(chǎn)量的研究表明，在不控制pH值的情況下，3.0 L氣升式生物反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)較高的生物量和脂質(zhì)產(chǎn)量。然而， 提高通氣量仍然無法滿足氧氣需求，因此將純氧氣通入氣升式生物反應(yīng)器以維持發(fā)酵過程 。部分研究人員開發(fā)了一種新型的用于產(chǎn)生微小氣泡的動(dòng)態(tài)膜，以提高生物反應(yīng)器中的 k L a 和產(chǎn)品產(chǎn)量。因此，針對(duì)氣升式生物反應(yīng)器開發(fā)新的曝氣結(jié)構(gòu)，以減小氣泡尺寸和提高 k L a ，這對(duì)于強(qiáng)化生物過程變得越來越重要。
核糖核酸（RNA）是生物體內(nèi)基因表達(dá)過程中產(chǎn)生的一種非常重要的大分子，可水解產(chǎn)生單核苷酸。RNA及其水解核苷酸具有多種生理功能，如增強(qiáng)免疫功能、改善自我修復(fù)、抗衰老和抗病毒活性，常用于食品、飼料、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和輕工業(yè)領(lǐng)域。目前RNA的主要生產(chǎn)菌是子囊菌芽胞酵母、釀酒酵母和熱帶假絲酵母（ Candida tropicalis ）。近年來，發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型是用于研究微生物生長(zhǎng)、底物利用和產(chǎn)物合成的一種重要手段，一直是生物過程的研究重點(diǎn)。有研究報(bào)道，非結(jié)構(gòu)化動(dòng)力學(xué)模型可用于描述滲透汽化膜生物反應(yīng)器連續(xù)閉環(huán)發(fā)酵過程中乙醇發(fā)酵的主要?jiǎng)恿W(xué)，而且模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。采用微生物生長(zhǎng)的Logistic-Monod 模型、產(chǎn)品合成的Luedeking-Piret模型和底物消耗的Luedeking-Piret修正模型，成功構(gòu)建了50 L氣升式生物反應(yīng)器分批合成RNA的非結(jié)構(gòu)化動(dòng)力學(xué)模型。然而， 針對(duì)高氣-液傳質(zhì)系數(shù)的氣升式生物反應(yīng)器中的高耗氧發(fā)酵過程的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型的研究少有報(bào)道 。
在本研究中， 南京工業(yè)大學(xué)李輝研究團(tuán)隊(duì)以一株大量生產(chǎn)RNA的熱帶假絲酵母為出發(fā)菌株，以糖蜜和葡萄糖為碳源，建立非結(jié)構(gòu)化動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行分析 。在分批和連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)RNA的過程中，對(duì)傳統(tǒng)圓柱形氣升式生物反應(yīng)器（CCAB）和矩形動(dòng)態(tài)膜氣升式生物反應(yīng)器（RDMAB）的 k L a 進(jìn)行了比較。 此研究為動(dòng)態(tài)膜氣升式生物反應(yīng)器在工業(yè)發(fā)酵過程的應(yīng)用提供了理論依據(jù)（圖1） 。
圖1. （a）矩形動(dòng)態(tài)膜氣升式生物反應(yīng)器示意圖。（b）動(dòng)態(tài)膜；（c）矩形蓋；（d）傳統(tǒng)圓柱式氣升式生物反應(yīng)器。（1——罐體；2——導(dǎo)流筒；3——蒸汽入口或冷卻水出口；4——取樣口；5——空氣進(jìn)口；6——連續(xù)發(fā)酵進(jìn)口；7——連續(xù)發(fā)酵出口；8——下降區(qū)溫度計(jì)、pH值測(cè)定計(jì)和溶氧（DO）測(cè)定儀；9——冷凝水或冷卻水進(jìn)口；10——?jiǎng)討B(tài)膜葉片；11——接種口；12——尾氣出口；13——進(jìn)料口；14——上升區(qū)DO測(cè)定儀）。
研究結(jié)果表明，研究開發(fā)的一種新型RDMAB，通過產(chǎn)生微小氣泡， 提高了 k L a 和氣含率，并改善了生物反應(yīng)器中的生物反應(yīng)過程 。此外，本研究建立了熱帶假絲酵母菌生長(zhǎng)、底物利用和RNA合成的非結(jié)構(gòu)化動(dòng)力學(xué)模型。在分批發(fā)酵過程中， RDMAB的生物量、RNA產(chǎn)量和底物利用率均高于CCAB所對(duì)應(yīng)的值 。研究發(fā)現(xiàn) RDMAB的連續(xù)發(fā)酵起始時(shí)間比CCAB的提前20 h，顯著改善了生物過程 。RDMAB的生物量積累比CCAB的高9.71%，RNA產(chǎn)量比CCAB的高11.15%。最后，RDMAB的稀釋率比CCAB的高39.6%。綜上所述， RDMAB在分批和連續(xù)發(fā)酵模式下均優(yōu)于CCAB，表明改進(jìn)CCAB的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)生物過程具有重要意義，同時(shí)也為其他類型生物反應(yīng)器的改進(jìn)提供了參考 。
關(guān)鍵詞：氣升式反應(yīng)器；動(dòng)態(tài)膜；動(dòng)力學(xué)模型；分批發(fā)酵；連續(xù)發(fā)酵
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原文鏈接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.07.025
以上內(nèi)容來自：Ganlu Li, Kequan Chen, Yanpeng Wei, Jinlei Zeng, Yue Yang, Feng He, Hui Li, Pingkai Ouyang. Mass Transfer, Gas Holdup, and Kinetic Models of Batch and Continuous Fermentation in a Novel Rectangular Dynamic Membrane Airlift Bioreactor [J]. Engineering, 2022, 13(6): 153-163.