如果降低生产成本,细菌纤维素(BNC)的应用可以广泛扩展。这项研究旨在确定同时影响新设计的表面气流生物反应器(SAF)中BNC的屈服和拉伸强度的因素。为此,进行了两个阶段的研究。首先,根据Plackett-Burman设计确定了高产的最重要因素。其次,在广泛的因子值中评估了所选变量对两种响应的影响。空气流量比,葡萄糖浓度和培养时间等因素对产量和机械强度的影响最大。在空气流量比受控的SAF生物反应器中,生产率提高了65%。在机械性能方面,BNC膜的应力从0.8到6不等,执行的测试结果为将来的优化提供了有用的基础。


相关论文以题为“BNC Biosynthesis with Increased Productivity in a Newly Designed Surface Air-Flow Bioreactor”发表在《Applied Sciences》上。


新研发的SAF生物反应器,可高效生产细菌纤维素!


细菌纤维素(BNC)是一种具有独特特性的材料。它是由许多细菌合成的,如Komagataeibacter, Sarcina,农杆菌和根瘤菌。研究最广泛的是Komagataeibacter,与植物纤维素相比,它能有效地生产化学纯聚合物,不含木质素或半纤维素。BNC呈凝胶状,由宽度约为8纳米、长度约为50-80纳米的超薄纤维组成,形成三维网络。细菌纤维素的特点是结晶度高,达到85%以上,具有优异的机械强度。由于其理化性质,BNC可用于食品工业、声学膜片、高强度纸制品和酶或药物固定化。细菌纤维素高达99%的持水能力和生物相容性,使BNC在医用敷料、临时皮肤替代物、人工血管、组织工程支架等领域极具吸引力。


细菌纤维素的生物合成率、形态和物理性质可以通过培养方法的选择而受到影响。在振荡条件下,BNC在培养基中以球状或小球的形式积累,在静态培养中形成膜。细菌细胞存在于合成的BNC的好氧区,在空气/介质界面上一层一层地合成了BNC膜。虽然这两种培养方法通常用于各种目标产品,但大多数应用,特别是在医药和化妆品工业,要求有明确形状的纤维素材料,如薄膜、薄片或试管。到目前为止,只有静态区域性满足这个需求。重要的是要了解化学、生物和物理因素,这些因素可以影响生物合成过程和BNC的性质。


许多文献描述了不同方法对BNC收率的优化。最常见的方法是一次一个因素的方法,即在一系列的实验中只有一个因素在变化。此外,统计优化方法被越来越多地使用,例如,Plackett-Burman设计(PBD),中心复合设计(CCD),或因子设计(FD),它需要较少的实验,并显示变量对研究响应的全局影响。另一方面,缺乏针对不同培养条件的力学性能研究。过去许多研究显示,各种添加剂原位或非原位,如羧甲基纤维素poly-3-hydroxybutyrate,聚(乙烯醇),к卡拉胶、聚硅氧烷,氟碳聚合物或聚乙二醇丙烯酸制成的结构会影响BNC导致抗拉强度的变化。然而,只有少数的报告讨论了共同的文化条件的影响。Ebrahimi等人研究了不同菌株、培养时间和表面体积比对力学性能的影响,但作者对每个变量只使用了两个水平。本文的研究重点是详细分析培养条件与屈服和拉伸强度之间的关系。为此,研究人员设计了一个表面空气流动(SAF)生物反应器,并使用Plackett-Burman设计确定了影响BNC干重的因素。在统计分析的基础上,选择了6个因素进行进一步调查,分别是气流比、接种量和接种龄期、pH值、葡萄糖浓度和培养时间。研究人员评估了这些因素对屈服和力学性能的影响,如应变、应力和杨氏模量。所获得的数据允许确定静态培养中输入因子变异的合理区域。这些结果为进一步同时优化成品率和抗拉强度提供了坚实的背景,这将导致在不损失BNC质量的情况下获得最高的生产率。


气流生物反应器组


纤维素膜的固定生产是在不同形状的塑料或玻璃托盘中完成的。在研究人员的研究中,研究人员修改了生物反应器设置,以实现更高的生产力的BNC。图1显示了新的生物反应器集的模式。尺寸为164 mm×116 mm×70 mm和560 mm×370 mm×70 mm的玻璃托盘上设有喷嘴,便于在培养过程中将空气引入生物反应器内。空气进入压缩机,通过装有流量计的自动阀,测量和调节流量比。空气通过无菌过滤器(聚四氟乙烯,0.22硝酸钠)净化,通过两个阀门进入生物反应器。空气入口相对放置,并平行于生长膜的表面,而两个出口放置在顶盖上。这种生物反应器设计允许在不移动膜的情况下对培养物进行通风。在PBD研究中使用了SAF生物反应器,并确定了气流比对BNC产率和力学性能的影响。


新研发的SAF生物反应器,可高效生产细菌纤维素!


图1.表面气流(SAF)生物反应器。实验装置包括3个玻璃托盘,面积为2070或190平方厘米,视培养的不同而定。空气由压缩机供给,通过自动转子流量计,允许测量和调节空气流量比。在转子流量计和生物反应器之间,设有两个切断供气的安全阀。空气通过无菌过滤器(聚四氟乙烯,0.22异丁胺m)净化,通过两侧壁上的两个阀门进入生物反应器。空气通过位于上盖的两个出风口离开生物反应器。


工艺参数对生物合成BNC收率的影响


Plackett-Burman设计被用来确定在BNC生产方面最重要的因素。这种统计方法是一种有用的工具,用于确定哪些因素会显著影响过程,而无需详细分析它们之间的相关性。根据文献,本研究将生物反应器面积、表面积体积比、空气流量比、空气湿度、葡萄糖浓度、pH值、接种龄期和体积、培养时间等9个因素进行了分类。根据表1所示的结果计算检验输入变量的影响,并在图2中以帕累托图和图3中以主要影响图的形式显示。


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图2.工艺参数对(a)纤维素干重和(b)葡萄糖转化为纤维素的标准化影响的帕累托图表。X符号代表因子,其中X1为生物反应器面积,x2为培养时间,x3为接种龄期,X4-s/v比值,x5 -葡萄糖浓度,x7 -气流比,x9为接种体积,X10-pH, x11为空气湿度。红线是2.056处的参考线。


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图3.纤维素干重(蓝线)和葡萄糖转化为纤维素(绿线)研究参数的主效应图。


表1.Plackett-Burman设计的百分比贡献和参数的p值。


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接种条件对细菌纳米纤维素产量和力学性能的影响


接种率(%)、接种龄期等接种参数应在各生物工艺流程前考虑。在研究人员的研究中,研究人员测试了接种量在2-10%的范围内,间隔2%(图4),接种龄期在1 - 5天(图5)。


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图4.接种量对细菌纳米纤维素生物合成产量和张力参数的影响。


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图5.接种龄期对细菌纳米纤维素生物合成产量和张力参数的影响。


培养条件对细菌纳米纤维素产量和力学性能的影响


PBD研究后,pH值对纤维素的干重的影响微不足道,与它对葡萄糖转化率的影响(图2)。在接下来的步骤中,研究人员确定在BNC产量和pH值的影响广泛的机械强度值(图6)。


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图6.pH对细菌纳米纤维素生物合成产率和张力参数的影响。


从图6a可以看出,pH值在4.5 - 6.0之间时,BNC产量最高,且没有特定的最大值。在较高的pH值下,产量略有下降,而在较酸性的培养基(pH 3.5)下,产量降低到0.68 g/L。同时,在ph值低于3.5和高于7.5时,木霉E25不产生纤维素。pH值对拉伸参数的影响类似(图6b)。在pH为3.5的培养基中制备的膜,其应力和杨氏模量分别降低了2倍和3倍。菌株有显著差异,但没有发现任何特定的趋势。对于pH值较高的培养基,机械强度不受影响。


结论


细菌纳米纤维素在医药上有广泛的应用,如伤口敷料、支架和假体,在食品工业中,作为包装成分、低热量添加剂和乳化剂,以及在电子设备和许多其他的应用。BNC产品在市场上实施的瓶颈是生产BNC的高成本。解决这一问题的方法之一是发展新的生产策略,提高BNC的产量和生产力。另一方面,保持膜的质量也很重要。在研究人员的研究中,研究人员提出了一种新的表面空气流动生物反应器的BNC,使生产力提高65%通过控制培养通风。BNC的质量可以通过力学参数来评估,如抗拉强度和杨氏模量。在SAF生物反应器中产生的BNC的机械强度得到了提高,这可能与生物材料质量的提高有关。此外,研究人员还研究了可以改变细菌纳米纤维素产率或机械参数的各种工艺参数。风量比、葡萄糖浓度和培养时间等因素对两种研究的反应都有最大的影响。最高产量为4.11 g/L,最高产量为0.91 g/L/day。在机械强度方面,BNC膜的应力随培养条件的变化在0.8 ~ 6.39 MPa之间,杨氏模量在1.92 ~ 23.52 MPa之间。该数据确定了木本菌株E25静态培养中输入因子变异的合理区域,为进一步同时优化产量和抗拉强度提供了有益的依据。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3850/htm



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