摘要
本研究开发了一种将可再生电力间接用作发酵底物，协同作用减少第一代碳源葡萄糖的消耗和温室气体CO2排放的新型发酵工艺。具体是以葡萄糖为基础同甲酸共培养，其中甲酸是用可再生电力电化学还原从发酵废气中捕获的CO2来产生。这一“封闭碳环”的概念用共培养甲酸的案例进行研究，结果表明其可以显著提高工业相关菌株解脂耶氏酵母在葡萄糖上的生物量。首先，利用恒化器发酵确定了共培养甲酸和葡萄糖的最佳配比。随后，在动态发酵过程模型的指导下，开发了补料分批发酵工艺并在实验室规模上进行了验证。最后，开发的补料分批发酵过程被证明可扩展到中试规模。
图1：A.传统发酵工艺，葡萄糖部分氧化成CO2提供代谢能源，其余部分用作生物合成的碳源；B.“碳闭环发酵”工艺，CO2衍生的甲酸作为能源，葡萄糖作为唯一碳源。
内容
1.解脂耶氏酵母W29摇瓶分批培养中葡萄糖和甲酸的共消耗能力
将解脂耶氏酵母菌株W29、酿酒酵母菌株CEN.PK-7D(FDH1,FDH2)以及双敲FDH酿酒酵母菌株CEN.PK-7B(fdh1[?],fdh2[?])培养在葡萄糖或葡萄糖和甲酸的合成培养基中以验证消耗甲酸的能力。在24h所有培养基中葡萄糖均耗尽，其中菌株W29的甲酸浓度降低了9.7±0.2mM，CEN.PK-7B培养基中甲酸浓度降低同无菌培养基中甲酸浓度降低一致。
2.葡萄糖限制恒化器培养确定最适甲酸与葡萄糖的比例
当甲酸：葡萄糖(F:G)比在0~5mol/mol范围时，解脂耶氏酵母生物量对葡萄糖的产率从0.50±0.02增加到0.60±0.01gbiomass/gglucose，表明在此范围内甲酸异化可以有效地取代葡萄糖异化。进一步提高F:G比不会增加生物量，显然在F:G为5的情况下，甲酸的进一步消耗与额外的ATP形成是脱钩的。
图2：恒化器培养不同F:G比解脂耶氏酵母生物量情况。
3.实验室规模补料分批培养
在实验室规模测试四种不同的补料批次方案：F:G为0(实验LF1)、3(LF2)、5(LF3)到7(LF4)，并开发一个动态发酵过程模型以定量预测发酵液重量趋势、OUR以及其他发酵变量。这四组实验中在消耗完初始碳源葡萄糖后，后续的葡萄糖/甲酸混合补料被很容易的消耗，并且残留甲酸的浓度始终很低(0.06g/L或低于检测下限)。表1总结了LF1-4的生物量，结果同恒化器实验的结果一致，甲酸与葡萄糖共培养可使葡萄糖生成的菌体生物量效价提高直至F:G到约5:1的摩尔比，进一步增加F:G的比例对菌体生物量效价没有效果且甲酸异化会使ATP的形成脱钩。
表1：实验室规模和中试规模发酵从葡萄糖获得的平均生物量(Yxs)。
4.中试规模补料分批培养
将实验室规模补料分批发酵中F:G比为0(实验LF1放大为PF1)和5(LF3放大为PF2)扩大发酵到中试规模并测定发酵参数。L中试规模的补料分批发酵过程表明，解脂耶氏酵母同样容易消耗葡萄糖/甲酸摩尔比为1：5的混合底物。发酵过程中对上清液进行甲酸浓度测定，发现甲酸残留浓度始终很低(0.05g/L或低于检测下限)。表1总结了中试规模PF1-2发酵的结果，L中试规模的流加过程得到了很好的发酵结果。在中试规模上得到的发酵生物量产量比在实验室规模上发现的略低，但是在实验室规模发酵和中试规模发酵上Yxs都增加了21±1%。
总结
本研究得到了解脂耶氏酵母以葡萄糖为碳源甲酸共培养提供能源的原理证明。结果表明，解脂耶氏酵母能够消耗甲酸与葡萄糖的摩尔比高达10以上，且甲酸与葡萄糖的摩尔比约为5时能从甲酸中提取代谢能量。该研究进一步展示了补料分批工艺的开发和中试规模(L)的成功实施，其中甲酸与葡萄糖摩尔比为5时的甲酸共发酵可使生物质对葡萄糖的产率提高20%以上。
孙涛摘译
合成生物制造工程
