Application of microparticle-enhanced cultivation to increase the access of oxygen to Aspergillus terreus ATCC 20542 mycelium and intensify lovastatin biosynthesis in batch and continuous fed-batch stirred tank bioreactors

應(yīng)用微顆粒增強(qiáng)培養(yǎng)提高土曲霉ATCC 20542菌絲體氧氣可及性并強(qiáng)化批次和連續(xù)補(bǔ)料分批攪拌罐生物反應(yīng)器中的洛伐他汀生物合成

來源：Biochemical Engineering Journal, Volume 109, 2016, Pages 178-188

《生化工程雜志》，第109卷，2016年，第178-188頁(yè)

 

摘要：

這篇論文的摘要討論了應(yīng)用微顆粒增強(qiáng)培養(yǎng)（MPEC）技術(shù)來改善土曲霉（Aspergillus terreus）生產(chǎn)洛伐他汀的過程。研究通過添加滑石粉微顆粒到預(yù)培養(yǎng)中，改變真菌的pellet形態(tài)，使pellet更小、更松散，從而改善氧氣 access。結(jié)果顯示，MPEC能顯著提高洛伐他汀滴度，在最佳連續(xù)補(bǔ)料分批運(yùn)行中達(dá)到250 mg/L，比對(duì)照高3.5倍。摘要強(qiáng)調(diào)氧氣可及性對(duì)洛伐他汀生產(chǎn)的關(guān)鍵作用，并指出MPEC因微顆粒低成本而成為有吸引力的替代方法。

 

研究目的：

本研究旨在通過MPEC技術(shù)控制土曲霉的形態(tài)（如pellet大小和結(jié)構(gòu)），以改善氧氣向菌絲體的傳輸，從而強(qiáng)化洛伐他汀的生物合成。具體目的包括研究氧氣飽和度、pellet內(nèi)氧氣濃度以及MPEC應(yīng)用對(duì)洛伐他汀生產(chǎn)的影響，并優(yōu)化生物反應(yīng)器操作條件（如批次和連續(xù)補(bǔ)料分批模式）。

 

研究思路：

研究采用多系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，首先探討氧氣飽和度對(duì)洛伐他汀生產(chǎn)的影響，包括批次和連續(xù)補(bǔ)料分批模式下的不同pO2設(shè)置（20%、35%、40%）。其次，通過改變預(yù)培養(yǎng)方法（如孢子數(shù)量）來調(diào)整pellet形態(tài)。然后，應(yīng)用MPEC技術(shù)，在預(yù)培養(yǎng)中添加不同濃度（9、12、15 g/L）的滑石粉微顆粒，以控制pellet大小。最后，結(jié)合氧氣微傳感器（丹麥Unisense電極）測(cè)量pellet內(nèi)氧氣濃度剖面，并與形態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。研究思路強(qiáng)調(diào)通過形態(tài)工程優(yōu)化氧氣傳輸，從而提高代謝物產(chǎn)量。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1 氧氣飽和度相關(guān)數(shù)據(jù)：來自圖1，包括洛伐他汀濃度、攪拌速度、空氣流速、氧氣攝取率（OUR）和底物濃度隨時(shí)間的變化。研究意義：這些數(shù)據(jù)顯示氧氣飽和度對(duì)洛伐他汀生產(chǎn)有顯著影響，例如pO2=35%時(shí)滴度較高，但過高pO2（如40%）可能導(dǎo)致形態(tài)破壞和產(chǎn)量下降。結(jié)果幫助優(yōu)化生物反應(yīng)器的aeration策略，表明氧氣供應(yīng)需與碳源利用平衡以避免生產(chǎn)抑制。

 

 

2 pellet內(nèi)氧氣濃度數(shù)據(jù)：來自表1和圖2，使用丹麥Unisense電極測(cè)量pellet內(nèi)氧氣濃度剖面，包括pellet直徑、表面氧氣濃度和內(nèi)部濃度下降值。研究意義：數(shù)據(jù)直接證明pellet結(jié)構(gòu)影響氧氣滲透，松散pellet（如實(shí)驗(yàn)T02）允許氧氣更深穿透，避免內(nèi)部缺氧，從而關(guān)聯(lián)形態(tài)與洛伐他汀生產(chǎn)優(yōu)化。這為形態(tài)工程提供了量化依據(jù)，顯示小、松pellet能改善細(xì)胞活性和代謝。

 

 

3 MPEC應(yīng)用數(shù)據(jù)：來自圖4、5、6、7，包括添加微顆粒后洛伐他汀滴度、形態(tài)變化（pellet大小）、空氣流速和底物濃度。研究意義：MPEC能有效減小pellet尺寸（如從宏觀pellet變?yōu)槲⒂^pellet），提高氧氣可及性，從而在批次和連續(xù)補(bǔ)料分批模式下顯著提升產(chǎn)量（最高3.5倍）。數(shù)據(jù)證明MPEC是一種低成本且高效的形態(tài)控制方法，可避免高剪切應(yīng)力導(dǎo)致的形態(tài)破壞，穩(wěn)定生產(chǎn)性能。

 

 

 

 

 

結(jié)論：

本研究得出四個(gè)關(guān)鍵結(jié)論：第一，培養(yǎng)液氧氣飽和度是影響洛伐他汀生產(chǎn)的重要因素，但需避免過高pO2導(dǎo)致的形態(tài)破壞；第二，pellet內(nèi)氧氣濃度更直接地影響生產(chǎn)，優(yōu)化氧氣滲透能提高滴度；第三，真菌形態(tài)（pellet大小和結(jié)構(gòu)）是主導(dǎo)因素，小、松pellet利于氧氣傳輸；第四，MPEC技術(shù)通過形成穩(wěn)定微觀pellet，能顯著提高洛伐他汀產(chǎn)量（尤其在連續(xù)補(bǔ)料分批模式下），且優(yōu)于傳統(tǒng)剪切應(yīng)力控制方法。總體表明，形態(tài)工程是優(yōu)化好氧發(fā)酵過程的核心。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測(cè)量pellet內(nèi)氧氣濃度數(shù)據(jù)的研究意義在于提供了直接、高分辨率的氧氣分布量化工具。電極通過微探針在靜態(tài)條件下測(cè)量pellet內(nèi)部氧氣梯度，能準(zhǔn)確識(shí)別缺氧區(qū)域（如表1中顯示部分pellet中心氧氣濃度降至零）。這些數(shù)據(jù)揭示了形態(tài)與氧氣傳輸?shù)囊蚬P(guān)系：松散pellet（如實(shí)驗(yàn)T02）允許氧氣更深穿透，減少內(nèi)部細(xì)胞缺氧，從而維持更高代謝活性和洛伐他汀合成。相比間接參數(shù)（如培養(yǎng)液pO2），這種直接測(cè)量幫助驗(yàn)證了MPEC的有效性，證明小pellet能改善擴(kuò)散限制。此外，數(shù)據(jù)支持了形態(tài)工程的理論基礎(chǔ)，為優(yōu)化工業(yè)發(fā)酵過程提供了實(shí)證依據(jù)，強(qiáng)調(diào)內(nèi)部控制優(yōu)于外部條件調(diào)整。