加压深喷射气体生物反应器规模化生产Cupriavidus necator H16单细胞蛋白(SCP)的工艺突破与性能验证

【编辑推荐】本研究首次在300-L加压深喷射生物反应器中实现Cupriavidus necator H16的化学自养(chemolithoautotrophic)高密度培养，揭示接种体类型对发酵效率的关键影响：化学自养接种体可消除10小时滞后期，使细胞湿重(CWW)在35小时内达300 g·L-1，气体转化率(H2 0.82 kg·h-1/O2 4.1 kg·h-1)证实该反应器设计对工业化SCP生产的重大价值。

　　

Highlight

本研究首次在300升加压深喷射气体生物反应器中实现Cupriavidus necator H16的化学自养(chemolithoautotrophic)高密度培养。通过特殊设计的文丘里喷嘴循环系统，该ATEX认证反应器突破了爆炸极限对气体供应的限制，使野生型菌株达到理论最大生长速率。研究比较了异养(heterotrophic)与自养接种体的性能差异——前者导致10小时滞后期，而后者直接进入指数生长期，最终细胞湿重(CWW)达360 g·L^-1（相当于90 g·L^-1干重CDW），蛋白质含量高达80%，氨基酸谱与商业鱼粉相当。

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菌株与培养基

实验采用Cupriavidus necator H16野生型菌株(DSM 428)。异养预培养使用含8 g·L^-1果糖的NBF培养基，自养培养采用改良矿物培养基A（含关键无机盐成分）。高压培养时通过精确控制H₂/O₂/CO₂比例（表1）实现代谢导向。

General results

质量平衡分析显示，自养接种的发酵过程在35小时达到气体消耗峰值：H₂ 0.82 kg·h^-1、O₂ 4.1 kg·h^-1、CO₂ 1.95 kg·h^-1。通过定期移除较大体积培养液，成功实现准连续操作，最终生物量浓度较传统批次培养提升20%。浊度传感器数据与离线测量结果高度吻合（R²>0.98）。

Conclusions

该深喷射反应器设计通过气体循环机制实现了前所未有的质量传递效率。研究证实化学自养接种策略能完全消除代谢适应期，这对工业化SCP生产的经济性具有决定性意义。获得的蛋白质产物符合水产饲料标准，为替代传统鱼粉提供了可持续解决方案。