Influence of oxygen on lovastatin biosynthesis by Aspergillus terreus ATCC 20542 quantitatively studied on the level of individual pellets

氧對土曲霉ATCC 20542洛伐他汀生物合成的影響在單個菌絲球水平上的定量研究

來源：Bioprocess and Biosystems Engineering, Volume 38, Pages 1251-1266, 2015

《生物過程與生物系統工程》，第38卷，第1251-1266頁，2015年

 

摘要

本研究首次在單個菌絲球水平上定量探討了氧對土曲霉洛伐他汀生物合成的影響。通過使用氧微探針測量菌絲球內部的氧濃度剖面，結合不同菌絲球大小（直徑1400至6200微米）和初始乳糖濃度（2.5至40 g/L）的實驗，量化了氧傳遞過程。結果表明，只有小直徑菌絲球（約1400微米）能被氧完全滲透，有效擴散系數在643至1342微米2/秒之間變化。洛伐他汀的高效生產需協調菌絲球表面氧濃度和乳糖濃度，避免氧不足或碳底物缺乏。

 

研究目的

本研究旨在定量分析氧傳遞對土曲霉菌絲球生長和洛伐他汀生物合成的影響，重點關注單個菌絲球水平的氧擴散和碳底物利用關聯，以填補以往研究中對氧傳遞定量描述的空白。

 

研究思路

研究通過控制預培養(yǎng)孢子數獲得不同大小菌絲球，在搖瓶培養(yǎng)中施加不同初始乳糖濃度。使用丹麥Unisense氧微探針測量菌絲球內部氧濃度剖面，同時監(jiān)測洛伐他汀、乳糖、生物量等濃度變化。應用數學模型計算有效擴散系數、傳質系數和效率參數，結合氧濃度數據評估氧傳遞限制對代謝的影響。

 

測量的數據及研究意義

1. 氧濃度剖面數據：來自圖2、圖3和圖6。數據顯示菌絲球內部氧濃度隨深度增加而降低，小菌絲球（直徑1400微米）氧滲透更完全，而大菌絲球（直徑6200微米）內部氧濃度接近零。研究意義：直接證明氧擴散限制在菌絲球中心區(qū)域導致微氧環(huán)境，影響微生物代謝活性，為優(yōu)化菌絲球大小提供實驗依據。

 

 

 

 

 

2. 有效擴散系數數據：來自表1。有效擴散系數值在643至1342微米2/秒之間，隨菌絲球大小和培養(yǎng)時間變化，小菌絲球和后期培養(yǎng)階段擴散系數較高。研究意義：量化氧在菌絲球內的擴散能力，揭示菌絲球結構（如密度和孔隙度）對傳質效率的影響，幫助理解形態(tài)工程在改善氧傳遞中的作用。

 

3. 外部傳質系數和效率數據：來自圖5和表1。外部傳質系數kS a隨菌絲球減小而增加，外部效率在氧充足時超過90%。研究意義：表明邊界層傳質限制在靜置條件下顯著，但在實際攪拌系統中可優(yōu)化，強調控制菌絲球大小和表面氧濃度對緩解傳質限制的重要性。

 

 

結論

1. 菌絲球直徑是洛伐他汀生產的關鍵因素，直徑小于1500微米的小菌絲球有利于氧完全滲透和高效代謝。

2. 菌絲球表面氧濃度需與乳糖濃度協調優(yōu)化；乳糖濃度過高會導致表面氧濃度趨零，而過低則無法驅動生物反應。

3. 氧傳遞限制在菌絲球培養(yǎng)中占主導，需通過形態(tài)工程控制菌絲球大小來改善洛伐他汀產率。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧微探針測量菌絲球內部氧濃度剖面具有重要研究意義。該探針具有高靈敏度（檢測限0.3μM）和快速響應能力，能實時定量獲取氧在菌絲球內的空間分布數據。通過直接測量氧濃度梯度，研究得以精確計算有效擴散系數和傳質參數，驗證擴散-反應模型的準確性。這種微尺度測量揭示了氧傳遞限制的微觀機制，如菌絲球中心區(qū)域的缺氧現象，為理解微生物在異質環(huán)境中的代謝行為提供了直接證據。此外，數據支持了形態(tài)工程策略（如控制菌絲球大小）在優(yōu)化工業(yè)發(fā)酵過程中的應用，增強了生物過程設計的科學基礎。