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

應用微顆粒增強培養提高土曲霉ATCC 20542菌絲體氧氣可及性并強化批次和連續補料分批攪拌罐生物反應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

 

摘要：

這篇論文的摘要討論了應用微顆粒增強培養（MPEC）技術來改善土曲霉（Aspergillus terreus）生產洛伐他汀的過程。研究通過添加滑石粉微顆粒到預培養中，改變真菌的pellet形態，使pellet更小、更松散，從而改善氧氣 access。結果顯示，MPEC能顯著提高洛伐他汀滴度，在最佳連續補料分批運行中達到250 mg/L，比對照高3.5倍。摘要強調氧氣可及性對洛伐他汀生產的關鍵作用，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技術控制土曲霉的形態（如pellet大小和結構），以改善氧氣向菌絲體的傳輸，從而強化洛伐他汀的生物合成。具體目的包括研究氧氣飽和度、pellet內氧氣濃度以及MPEC應用對洛伐他汀生產的影響，并優化生物反應器操作條件（如批次和連續補料分批模式）。

 

研究思路：

研究采用多系列實驗設計，首先探討氧氣飽和度對洛伐他汀生產的影響，包括批次和連續補料分批模式下的不同pO2設置（20%、35%、40%）。其次，通過改變預培養方法（如孢子數量）來調整pellet形態。然后，應用MPEC技術，在預培養中添加不同濃度（9、12、15 g/L）的滑石粉微顆粒，以控制pellet大小。最后，結合氧氣微傳感器（丹麥Unisense電極）測量pellet內氧氣濃度剖面，并與形態和生產數據關聯。研究思路強調通過形態工程優化氧氣傳輸，從而提高代謝物產量。

 

測量的數據及研究意義：

1 氧氣飽和度相關數據：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）和底物濃度隨時間的變化。研究意義：這些數據顯示氧氣飽和度對洛伐他汀生產有顯著影響，例如pO2=35%時滴度較高，但過高pO2（如40%）可能導致形態破壞和產量下降。結果幫助優化生物反應器的aeration策略，表明氧氣供應需與碳源利用平衡以避免生產抑制。

 

 

2 pellet內氧氣濃度數據：來自表1和圖2，使用丹麥Unisense電極測量pellet內氧氣濃度剖面，包括pellet直徑、表面氧氣濃度和內部濃度下降值。研究意義：數據直接證明pellet結構影響氧氣滲透，松散pellet（如實驗T02）允許氧氣更深穿透，避免內部缺氧，從而關聯形態與洛伐他汀生產優化。這為形態工程提供了量化依據，顯示小、松pellet能改善細胞活性和代謝。

 

 

3 MPEC應用數據：來自圖4、5、6、7，包括添加微顆粒后洛伐他汀滴度、形態變化（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變為微觀pellet），提高氧氣可及性，從而在批次和連續補料分批模式下顯著提升產量（最高3.5倍）。數據證明MPEC是一種低成本且高效的形態控制方法，可避免高剪切應力導致的形態破壞，穩定生產性能。

 

 

 

 

 

結論：

本研究得出四個關鍵結論：第一，培養液氧氣飽和度是影響洛伐他汀生產的重要因素，但需避免過高pO2導致的形態破壞；第二，pellet內氧氣濃度更直接地影響生產，優化氧氣滲透能提高滴度；第三，真菌形態（pellet大小和結構）是主導因素，小、松pellet利于氧氣傳輸；第四，MPEC技術通過形成穩定微觀pellet，能顯著提高洛伐他汀產量（尤其在連續補料分批模式下），且優于傳統剪切應力控制方法。總體表明，形態工程是優化好氧發酵過程的核心。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量pellet內氧氣濃度數據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條件下測量pellet內部氧氣梯度，能準確識別缺氧區域（如表1中顯示部分pellet中心氧氣濃度降至零）。這些數據揭示了形態與氧氣傳輸的因果關系：松散pellet（如實驗T02）允許氧氣更深穿透，減少內部細胞缺氧，從而維持更高代謝活性和洛伐他汀合成。相比間接參數（如培養液pO2），這種直接測量幫助驗證了MPEC的有效性，證明小pellet能改善擴散限制。此外，數據支持了形態工程的理論基礎，為優化工業發酵過程提供了實證依據，強調內部控制優于外部條件調整。