一氧化碳供给对血清瓶气体发酵的影响：基于气体传输速率在线监测的系统研究

为解决血清瓶气体发酵过程中底物利用率低、缺乏在线监测技术的问题，研究人员开发了集成绝对压力在线监测与散射光测量的新型装置，以产乙酸菌Clostridium ljungdahlii为模型，揭示了分批补气、连续通气等策略对气体传输速率(kLa)和微生物形态的影响，为优化厌氧气体发酵工艺提供了关键数据支撑。

　　

在应对气候变化的全球背景下，利用工业废气中的一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)进行气体发酵，正成为绿色生物制造的重要方向。产乙酸菌如Clostridium ljungdahlii通过Wood-Ljungdahl通路将温室气体转化为燃料和化学品，兼具环境与经济效益。然而，实验室常用的血清瓶培养系统存在显著瓶颈：气体底物溶解度低、传输效率差，且缺乏实时监测手段，导致培养过程如同"黑箱"，严重制约工艺优化。

针对这一挑战，德国研究团队在《Biochemical Engineering Journal》发表研究，创新性地将绝对压力传感器与散射光检测技术(CGQ)整合，首次实现了血清瓶内气体传输速率和生物量的同步在线监测。以C. ljungdahlii的CO发酵为模型，系统考察了分批补气、连续通气等策略对培养动力学的影响。

关键技术方法
研究采用自主设计的压力监测装置（精度±0.3 hPa）结合商用散射光检测系统，实时追踪培养瓶内压力变化与生物量。实验设置包含三种气体供给模式：初始单次充气（分批）、中途补气（再充气）和持续通气（连续），同时探究了振荡频率（80-200 rpm）对k_La的影响。所有培养均使用改良ATCC 1754培养基，接种来自DSMZ保藏的C. ljungdahlii DSM13528菌株。

研究结果

气体传输速率的极限特征
通过无细胞体系的纯物理吸收实验，证实CO传输速率与振荡频率呈正相关（200 rpm时k_La达最高8.5 h^-1）。但在微生物存在时，随着CO消耗导致的压力下降，实际传输速率可降低至初始值的20%，形成典型的底物限制。

在线监测技术的验证
压力数据成功转化为CO消耗速率，与离线气相色谱(GC)检测结果高度一致（R²>0.98）。散射光信号与光学密度(OD₆₀₀)的线性关系（R²=0.99）表明其可作为生物量替代指标。

不同通气策略的影响
分批培养中，微生物经历典型的指数生长期后，因CO耗尽进入"饥饿状态"，伴随细胞形态改变（散射光信号突增）。再充气策略可暂时逆转这种形态变化，而连续通气则完全避免了底物限制，使细胞比生长速率(μ)稳定在0.15 h^-1。

结论与意义
该研究突破了血清瓶气体发酵的监测瓶颈，首次实现压力-生物量的双参数在线关联分析。关键发现包括：1）绝对压力变化是评估气体底物利用率的直接指标；2）散射光信号能灵敏捕捉饥饿诱导的细胞形态改变；3）连续通气可维持稳定的k_La值，避免底物限制。这些成果为高通量筛选气体发酵菌株、优化培养参数提供了方法论基础，尤其对实现工业废气到化学品的规模化转化具有重要指导价值。研究团队特别指出，该监测系统可进一步拓展至其他微量气体（如H₂、CH₄）的发酵过程研究。