基于纤维床固定化布赫纳乳杆菌与膜耦合分离的过程强化连续山梨醇生物制造

《Systems Microbiology and Biomanufacturing》：Process-intensified continuous biomanufacturing of mannitol via fiber-bed immobilized Lactobacillus buchneri and membrane-coupled separation

　　

摘要

D-甘露醇是一种广泛用于食品、医药和化工领域的高价值功能性糖醇，但生物法生产需要提高生产效率和操作稳定性，以便更好地与催化加氢工艺竞争。乳酸菌作为甘露醇生产的潜在全细胞催化剂颇具前景，因为它们通过甘露醇脱氢酶（MDH）将果糖还原为甘露醇。本研究以从发酵蔬菜中分离的野生型食源性布赫纳乳杆菌（Lactobacillus buchneri）CGMCC 7300为出发菌株，构建了一种整合棉纤维床固定化与膜分离技术的连续生物转化系统。该菌株无需基因改造即可实现稳定的全细胞果糖转化为甘露醇，其工艺性能的提升是通过工程集成而非微生物菌株工程实现的。该工艺结合了果糖-葡萄糖氧化还原平衡、0.1 μm微滤介导的细胞截留与产物采出、棉纤维床固定化以及弱碱阴离子交换脱酸。优化的果糖-葡萄糖比值为1.25，平衡了还原力供给与需求，使摇瓶转化中果糖转化率可达95%。在7 L系统中，微滤辅助细胞截留和培养基更新将生物量提升至OD₆₀₀ = 8.3，并支持游离细胞连续稳定运行，甘露醇浓度达到51.50 g/L。进一步整合棉纤维床反应器后，可在更高稀释速率（0.06 h?1）下运行，甘露醇浓度维持在52.05 g/L，果糖转化率超过90%，体积生产强度达3.12 g/(L·h)，约为游离细胞连续工艺的2倍。该系统在120 h连续运行窗口期内保持转化稳定，并采用了廉价可重复使用的载体。这些结果表明，将固定化细胞工程与膜辅助操作相结合可提高连续甘露醇生物转化的生产效率和操作稳定性。

图文摘要