يود المؤلفون أن يشكروا الدعم التقني والمالي الذي قدمته محطة التجارب الزراعية في جامعة جورجيا. بالإضافة إلى ذلك ، يريد المؤلفون أن يشكروا صموئيل أوغونديب والدكتور رونالد بيغ والدكتور جون هيوك سوه على مساعدتهم في تحليل عينات العملية.

إنتاج MCFA المستدام عن طريق استطالة السلسلة واستخراج السائل السائل

<ol>
	<li>Palomo-Briones, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Near-neutral+ph+increased+n-caprylate+production+in+a+microbiome+with+product+inhibition+of+methanogenesis.">Near-neutral ph increased n-caprylate production in a microbiome with product inhibition of methanogenesis.</a> Chem Eng J. 446, 137170 (2022).</li><li>Wang, J., Yin, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+production+of+medium-chain+carboxylates+through+chain+elongation:+An+overview.">Biological production of medium-chain carboxylates through chain elongation: An overview.</a> Biotechnol Adv. 55, 107882 (2022).</li><li>Watanabe, S., Tsujino, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+medium-chain+triglycerides+in+foods.">Applications of medium-chain triglycerides in foods.</a> Front Nutr. 9, 802805 (2022).</li><li>Meijaard, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+environmental+impacts+of+palm+oil+in+context.">The environmental impacts of palm oil in context.</a> Nat Plants. 6 (12), 1418-1426 (2020).</li><li>Meijaard, E., Abrams, J. F., Juffe-Bignoli, D., Voigt, M., Sheil, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coconut+oil,+conservation+and+the+conscientious+consumer.">Coconut oil, conservation and the conscientious consumer.</a> Curr Bio. 30 (13), R757-R758 (2020).</li><li>Angenent, L. T., Magdalena, J. A., Jeon, B. S., Usack, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Eco-mimicry+opens+new+doors+for+bioprocess+engineers.">Eco-mimicry opens new doors for bioprocess engineers.</a> Joule. 4 (10), 2074-2077 (2020).</li><li>Shahab, R. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+heterogeneous+microbial+consortium+producing+short-chain+fatty+acids+from+lignocellulose.">A heterogeneous microbial consortium producing short-chain fatty acids from lignocellulose.</a> Science. 369 (6507), eabb1214 (2020).</li><li>Magdalena, J. A., Angenent, L. T., Usack, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+measurement,+application,+and+effect+of+oxygen+in+microbial+fermentations:+Focusing+on+methane+and+carboxylate+production.">The measurement, application, and effect of oxygen in microbial fermentations: Focusing on methane and carboxylate production.</a> Fermentation. 8 (4), 138 (2022).</li><li>Agler, M. T., Spirito, C. M., Usack, J. G., Werner, J. J., Angenent, L. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+highly+specific+and+productive+process+for+n-caproic+acid+production:+Applying+lessons+from+methanogenic+microbiomes.">Development of a highly specific and productive process for n-caproic acid production: Applying lessons from methanogenic microbiomes.</a> Water Sci Technol. 69 (1), 62-68 (2013).</li><li>Gildemyn, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Upgrading+syngas+fermentation+effluent+using+Clostridium+kluyveri+in+a+continuous+fermentation.">Upgrading syngas fermentation effluent using Clostridium kluyveri in a continuous fermentation.</a> Biotechnol Biofuels. 10 (1), 83 (2017).</li><li>Ge, S., Usack, J. G., Spirito, C. M., Angenent, L. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+n-caproic+acid+production+from+yeast-fermentation+beer+in+an+anaerobic+bioreactor+with+continuous+product+extraction.">Long-term n-caproic acid production from yeast-fermentation beer in an anaerobic bioreactor with continuous product extraction.</a> Env Sci Technol. 49 (13), 8012-8021 (2015).</li><li>Saboe, P. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+recovery+of+bio-based+carboxylic+acids.">In situ recovery of bio-based carboxylic acids.</a> Green Chem. 20 (8), 1791-1804 (2018).</li><li>Kaur, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactive+extraction+for+in-situ+carboxylate+recovery+from+mixed+culture+fermentation.">Reactive extraction for in-situ carboxylate recovery from mixed culture fermentation.</a> Biochem Eng J. 160, 107641 (2020).</li><li>Carvajal-Arroyo, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+and+extraction+of+medium-chain+carboxylic+acids+at+a+semi-pilot+scale.">Production and extraction of medium-chain carboxylic acids at a semi-pilot scale.</a> Chem Eng J. 416, 127886 (2021).</li><li>Choi, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+biphasic+extractive+fermentation+for+hexanoic+acid+production+from+sucrose+by+Megasphaera+elsdenii+NCIMB+702410.">In situ biphasic extractive fermentation for hexanoic acid production from sucrose by Megasphaera elsdenii NCIMB 702410.</a> Appl Biochem Biotechnol. 171 (5), 1094-1107 (2013).</li><li>Grootscholten, T., Steinbusch, K., Hamelers, H., Buisman, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+medium+chain+fatty+acid+productivity+using+chain+elongation+by+reducing+the+hydraulic+retention+time+in+an+upflow+anaerobic+filter.">Improving medium chain fatty acid productivity using chain elongation by reducing the hydraulic retention time in an upflow anaerobic filter.</a> Bioresour Technol. 136, 735-738 (2013).</li><li>Grootscholten, T., Dal Borgo, F. K., Hamelers, H., Buisman, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Promoting+chain+elongation+in+mixed+culture+acidification+reactors+by+addition+of+ethanol.">Promoting chain elongation in mixed culture acidification reactors by addition of ethanol.</a> Biomass Bioenergy. 48, 10-16 (2013).</li><li>Cermak, S. C., Evangelista, R. L., Kenar, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distillation+of+natural+fatty+acids+and+their+chemical+derivatives.">Distillation of natural fatty acids and their chemical derivatives.</a> Distillation-Advances from Modeling to Applications Chapter. 5, 109-142 (2012).</li><li>Agler, M. T., Spirito, C. M., Usack, J. G., Werner, J. J., Angenent, L. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chain+elongation+with+reactor+microbiomes:+Upgrading+dilute+ethanol+to+medium-chain+carboxylates.">Chain elongation with reactor microbiomes: Upgrading dilute ethanol to medium-chain carboxylates.</a> Energy Environ Sci. 5 (8), 8189-8192 (2012).</li></ol>

لا يوجد تضارب في المصالح.

توجد MCFAs المنتجة بيولوجيا بشكل شائع في مخاليط جنبا إلى جنب مع المركبات العضوية المختلفة ، بما في ذلك SCFAs والكحول2. وبالتالي ، فإن عملية الفصل الانتقائي ضرورية لاستعادتها واستخدامها بفعالية. يستخرج نظام LLE الذي تم تطويره هنا بشكل انتقائي MCFAs من هذه الخلائط بشكل مستمر مع الحفاظ على SCFAs والكحول. هذه الوظيفة تجعل نظام LLE مناسبا بشكل خاص لتطبيقات التخمير ، مثل استطالة السلسلة الميكروبية ، حيث تشكل MCFAs و SCFAs والكحوليات المستقلبات الأولية8. على وجه التحديد ، يسمح نظام LLE لعملية استطالة السلسلة بالمضي قدما عن طريق إزالة MCFAs ، ومنع تثبيط المنتج1 ، مع ترك SCFA والمواد المتفاعلة الكحولية في مرق التخمير للتحويل البيولوجي اللاحق. يمكن تخصيص نظام LLE لتطبيقات أخرى عن طريق تعديل حل الاستخراج المحدد. على سبيل المثال ، يمكن تحقيق الاستخراج المستمر ل SCFAs المنتجة أثناء التخمير باستخدام نفس نظام LLE عن طريق إزالة TOPO من خليط محلول المستخرج.
ومن ثم ، تكمن أهمية طريقة LLE في توفير تقنية استخراج MCFA أكثر قوة لتطبيقات المعالجة الحيوية والتكنولوجيا الحيوية هذه مقارنة بالطرق الأخرى. يعد الاستخراج ثنائي الطور في الموقع بالسوائل غير القابلة للامتزاج طريقة أخرى لاستخراج MCFAs من مرق التخمير15. ومع ذلك ، فإن هذا النهج غير فعال نسبيا. تتشكل طبقات المستحلب بين الطور المائي (أي مرق التخمير) والمرحلة العضوية ، مما يحد بشدة من معدلات نقل الكتلة. الحد الأدنى من خلط السوائل البينية بين طبقات الطور يحد أيضا من نقل الكتلة. عيب آخر هو أن الخلايا الميكروبية على اتصال مباشر بالمرحلة العضوية ، مما يتسبب في الانحباس والتثبيط وموت الخلايا15. أخيرا ، يتطلب الاستخراج ثنائي الطور في الموقع صيانة متكررة لإزالة واستبدال المرحلة العضوية.
يعد تطبيق معدلات تخفيف عالية داخل المفاعل الحيوي طريقة أخرى لتجنب تثبيط المنتج16. يمكن أن تحقق معدلات التخفيف العالية إنتاجية عالية من خلال الحفاظ على تركيزات عالية من المواد المتفاعلة في المفاعل الحيوي. ومع ذلك ، فإن هذا النهج غير موات لأنه يساهم في غسل الكتلة الحيوية ، وتوليد كميات كبيرة من النفايات السائلة ، وخسائر عالية في الركيزة (أي SCFAs والكحول) ، مما يؤدي إلى انخفاض الغلة. يمكن التخفيف من هذه العيوب باستخدام الكتلة الحيوية المجمدة وإعادة تدوير النفايات السائلة ، لكن هذه التدخلات تضيف إلى تعقيد النظام17. أخيرا ، يتم تخفيف تركيز MCFA في تيار المنتج ، مما يجعل MCFA غير فعال ومكلف.
يمكن أن يتضمن نهج الاستخراج الجديد التقطير المستمر ل MCFAs بغشاء استخراج أمامي واحد يفصل فيزيائيا بين المرحلتين العضوية والمائية ، وبالتالي الاحتفاظ بالكتلة الحيوية الميكروبية وحمايتها. سيتم استخراج MCFAs بشكل انتقائي في المرحلة العضوية ثم تقطيرها. يمكن إعادة تدوير الرافينات باستمرار إلى غشاء الاستخراج. ومع ذلك ، فإن التقطير المستمر يمثل تحديا تقنيا ، خاصة في البيئات المختبرية ، وقد يتسبب في تدهور أو فقدان المستخرج الكيميائي أثناء التشغيل على المدى الطويل. قد يتسبب التقطير أيضا في تدهور حراري للمرحلة العضوية ومنتجات MCFA18.
تتجنب عملية LLE العديد من العيوب المرتبطة بهذه الأساليب البديلة من خلال دمج العديد من الميزات الهامة وخطوات المعالجة. أولا ، يخدم مرشح الغشاء المصنوع من الألياف المجوفة المحبة للماء الغرض المزدوج المتمثل في حماية خلايا الكتلة الحيوية (المحفزات الحيوية) من التعرض لمحلول الاستخراج في FEB مع توفير ترشيح واضح غني ب MCFA يقلل من التلوث والتراكم الصلب في نظام LLE. ثانيا ، لمنع تقاطع السائل ، قمنا بدمج صمامات إبرة لخلق ضغط خلفي على جانب الأنبوب لكل قواطع غشاء. يحافظ هذا الاحتياط على تدرج طفيف في الضغط عبر الغشاء ، مما يمنع التسرب غير المرغوب فيه للمذيب العضوي الكارهة للماء من جانب القشرة إلى جانب الأنبوب المائي في FEM و BEM. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تكوين تيارات السائل لتتدفق بالتوازي من القاعدة إلى أعلى FEM و BEM لمنع انحباس فقاعات الغاز التي يمكن أن تتجمع داخل وحدات الغشاء ، مما يقلل من كفاءة النقل ويسبب الترحيل. علاوة على ذلك ، تستخدم هذه الطريقة مضخة غشائية برأس مضخة PTFE مقاومة كيميائيا لضخ محلول المستخرج المحتوي على MCFA المسبب للتآكل ، مما يحمي النظام من التآكل والأعطال التي قد تعرض عملية الاستخراج للخطر. أخيرا ، يحافظ محلول التجريد القلوي الذي يتم التحكم فيه بالأس الهيدروجيني على تدرج الأس الهيدروجيني الذي يسمح بالنقل المستمر ل MCFAs عبر نظام LLE بمعدلات عالية من المفاعل الحيوي إلى خزان محلول التجريد ، حيث تتحلل بروتونات MCFAs وتتراكم إلى عيارات عالية ، مما يسهل استعادة المنتج النهائي.
طريقة LLE هذه مناسبة للاستخراج المستمر MCFA من المفاعلات الحيوية على نطاق المختبر (حتى حجم عمل 6 لتر) وقد تم التحقق من صحتها للتشغيل طويل الأمد في العديد من الدراسات1،9،11،19. يمكن أيضا تطبيق طريقة LLE للتطبيقات واسعة النطاق14 (أي المفاعلات الحيوية على نطاق تجريبي) ولكنها تتطلب أغشية متدرجة نسبيا ومعدات مناولة السوائل. ومع ذلك ، فإن الطريقة لها بعض القيود ، خاصة في مجال الصيانة وتعقيد النظام. نظرا لأن العملية مصممة للعمل بشكل مستمر ، يجب صيانة وحدات الغشاء والمضخات بشكل متكرر ، مما يؤدي إلى فترات تعطل كبيرة. عيب آخر هو أن محلول التجريد يتطلب كميات كبيرة نسبيا من هيدروكسيد الصوديوم وحمض البوريك. علاوة على ذلك ، فإن MCFAs أكالة وتتسبب في تدهور بعض مكونات نظام LLE بمرور الوقت. على سبيل المثال ، قد تصبح الموصلات البلاستيكية ومبيت الغشاء هشة ، مما يتطلب الاستبدال أثناء التشغيل. أخيرا ، شبكة معالجة السوائل في نظام LLE معقدة ، وتشمل العديد من نقاط الاتصال المعرضة لحدوث تسربات. ومع ذلك ، فإن معظم هذه القيود والعيوب نموذجية لعمليات الفصل المستمر للأغشية ويجب توقعها.
بشكل عام ، يقدم بروتوكول LLE هذا نهجا قويا وفعالا لاستخراج MCFA الانتقائي ، والذي له آثار على تطوير البحث في مجالات متنوعة. يمكن أن تجد الطريقة العديد من التطبيقات ذات الصلة في مجال التخمير الدقيق لاستعادة منتجات الأيض خارج الخلية في الموقع أثناء التخمير. يمكن أن يكون LLE بديلا أقل تكلفة لنهج المعالجة النهائية التقليدية (DSP) ، مثل الطرد المركزي بعد التشغيل ، أو الترشيح الدقيق والفائق، أو عمليات استخراج المذيبات التي يتم إجراؤها على دفعات. في الواقع ، غالبا ما يمثل DSP محركا رئيسيا للتكلفة في عمليات التخمير الصناعي. قد يؤدي الاستخراج المستمر للمنتج باستخدام LLE أيضا إلى تمكين عمليات التخمير المستمرة ، مما يحسن بشكل كبير إنتاجية العمليات وكفاءات وقت التشغيل مقارنة بنهج الدفعات التقليدية أو الدفعات المغذية. أيضا ، يمكن للبحوث المستقبلية التحقيق في الوسائط المستخرجة بخلاف المذيبات العضوية ، مثل المذيبات سهلة الانصهار العميقة أو السوائل الأيونية. وأخيرا، فإن نظام LLE الموصوف في هذا البروتوكول مخصص للأغراض التجريبية في بيئة مختبرية؛ وبالتالي ، لا يزال هناك مجال كبير لدراسات التحسين لتقليل متطلبات الطاقة ، ومنطقة الغشاء ، وعوائد ومعدلات الاستخراج الإجمالية.

الأحماض الدهنية متوسطة السلسلة (MCFAs) هي مواد كيميائية لبنة بناء عالية القيمة تتكون من أطوال سلسلة تتراوح من ستة (C6) إلى اثني عشر (C12) كربون. MCFAs لها تطبيقات صناعية في الأغذية والأعلاف الحيوانية والمستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل والعطور والعوامل المضادة للميكروبات والتخليق الكيميائي1،2،3. حاليا ، تستمد معظم MCFAs من زيت النخيل وجوز الهند الذي يتم الحصول عليه من جنوب شرق آسيا وأمريكا الجنوبية 4,5. إن الضرر البيئي الشديد المرتبط بإنتاج زيت النخيل وجوز الهند معترف به جيدا من قبل أصحاب المصلحة وعامة الناس. يستكشف الباحثون النهج البيولوجية (على سبيل المثال ، الدقة وتخمير الثقافة المفتوحة) لتوليد MCFAs بشكل أكثر استدامة باستخدام ركائز منخفضة القيمة أو نفايات عضوية كمواد وسيطة 6,7. تتمثل إحدى الطرق المستدامة لإنتاج MCFAs في إعادة تدوير تيارات النفايات العضوية باستخدام عملية تسمى استطالة السلسلة الميكروبية (CE). تشبه هذه العملية الحيوية للتخمير الثانوي الهضم اللاهوائي من حيث أنها تستغل تنوع الميكروبات اللاهوائية المفتوحة ، ولكن بدلا من تعزيز تكوين الميثان ، تقوم أنظمة CE بقمع مسار الميثان عمدا. في الميكروبيوم حيث لا يمكن تقليل الكربون إلى الحد الأقصى إلى CH4 ، ولا H2 الذي يتم الحفاظ عليه أقل من 10-4 ضغط جوي بواسطة العتائق المستهلكة للهيدروجين ، يمكن عكس تفاعل الأكسدة β الذي من شأنه عادة تكسير الكربوكسيلات ذات السلسلة الأطول إلى أسيتات (على سبيل المثال ، C6 → C4 → C2) (على سبيل المثال ، C2 → C4 → C6 ، إلخ) ، طالما أن المركب المختزل (أي ، يتم توفير مانح الإلكترون) مثل الإيثانول أو اللاكتات8. في هذا التمثيل الغذائي ، يعمل جزيء الأحماض الدهنية الذي يخضع للاستطالة كمستقبل للإلكترونات. وبالتالي ، بدلا من توليد منتج بطول كربون واحد (CH4) كما هو الحال في الهضم اللاهوائي ، تولد عملية CE MCFAs بأطوال كربون تتراوح من ستة إلى ثمانية. سوق كبير ومتنامي جاهز لاستقبال هذه المواد الكيميائية ذات المنصات الخضراء. ومع ذلك ، حتى الآن ، لم يثبت أن عملية CE تنتج MCFAs بأطوال كربون تتجاوز ثمانية كربون بمعدلات ملموسة.
يعد الاستخراج الفعال ل MCFAs مهما ليس فقط لاستعادة المنتج المطلوب ولكن أيضا لمنع تثبيط المنتج ودفع الميكروبيوم نحو إنتاج المزيد من MCFAs1. مع زيادة تركيز MCFAs ، يتم تثبيط استقلاب MCFA ويصبح أقل ملاءمة من الناحية الديناميكية الحرارية. عن طريق إزالة MCFAs بشكل مستمر ، يتم الحفاظ على معدلات الإنتاج. أيضا ، نظرا لأن SCFAs تعمل كهياكل تحتية لعملية استطالة السلسلة ، فلا ينبغي إزالتها من مرق التخمير. يجب أن تستخرج مخاليط المستخلص المستهدفة منتجات MCFA بشكل انتقائي من مرق التخمير التي تحتوي على SCFAs.
هنا ، يتم إظهار نهج قوي وعملي لاستخراج MCFAs باستمرار من مرق التخمير المحتوي على SCFA باستخدام نظام استخراج السائل السائل (LLE) الذي يشتمل على مستخرج غشاء مجوف من مادة البولي بروبيلين الأمامية الكارهة للماء ، وهو محلول مستخلص عضوي انتقائي (أكسيد ثلاثي أوكتيل فوسفين [TOPO] 9،10،11) ، ومستخرج غشاء من الألياف المجوفة للخلف. يتم تركيب مرشح واقي خلوي في المنبع لنظام LLE للاحتفاظ بالكتلة الحيوية وتخفيف تلوث الغشاء. يتم استخراج MCFAs إلى الأمام ، في شكلها البروتوني ، من مرق التخمير المائي (عادة مع نقطة ضبط الأس الهيدروجيني <5.8) إلى محلول مستخرج عضوي (أي 3٪ TOPO (w / v) في الزيوت المعدنية) ثم يتم استخراجها للخلف في محلول تجريد قلوي (pH = 9) ، حيث يتم إزالة البروتون والتركيز على التتر العالي للمعالجة النهائية. تعد نقاط ضبط الأس الهيدروجيني الخاصة ضرورية لأنها تملي تدرج التركيز بين كل مرحلة من مراحل عملية LLE ، مما يضمن نقلا صافيا ل MCFAs من مرق التخمير إلى محلول التجريد. يحقق LLE باستخدام أغشية الاستخراج الأمامية والخلفية معدلات استخراج عالية مع تقليل الكحول والاستخراج المشترك ل SCFAs. تمكن مادة المذيبات العضوية المساعدة ، توبو ، من تكوين مجمعات MCFA. هذه المجمعات أكثر قابلية للذوبان في المراحل العضوية من الماء ، مما يؤدي إلى انتقائية MCFA عالية. تتجنب عملية LLE أيضا العديد من العيوب المرتبطة بالنهج الحالية ، والتي ستتم مناقشتها في قسم المناقشة. تم إثبات التنفيذ طويل الأجل باستخدام نهج LLE هذا في دراسات متعددة9،10،11. في حين أن هذا النهج مناسب بشكل خاص للتطبيقات التي تنطوي على إنتاج MCFA عن طريق استطالة السلسلة الميكروبية ، إلا أنه مفيد أيضا في التطبيقات الأخرى التي تتطلب فصلا انتقائيا للمركبات التي تمتلك خواص كيميائية مماثلة لأنه يمكن تخصيص نظام الاستخراج العضوي.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>10 L Media Bottle</td>
			<td>Duran</td>
			<td>218018658</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3.5 L Media Bottle</td>
			<td>Duran</td>
			<td>218016957</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Boric acid, 99.5%,&#160;</td>
			<td>ThermoScientific (Fisher Scientific)</td>
			<td>327132500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrophilic MINIKROS 20CM 0.2UM PES 1MM 1.5TC X 3/4TC</td>
			<td>Repligen</td>
			<td>N02-P20U-10-N</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L/S Variable-Speed Pump Drive; 100 rpm</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX07528-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L/S Variable-Speed Pump Drive; 300 rpm</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX07528-20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light Mineral Oil, NF (4 Liters) (CAS: 8042-47-5)</td>
			<td>Thomas Scientific</td>
			<td>C761Z18</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Liqui-Cel 2.5x8 X50 membrane CO2, PP Housing Viton O-rings (0.5-3 gpm (0.1-0.7 m3/h)), 1/4-in FNPT connections</td>
			<td>3M</td>
			<td>LC-02508X50-G453</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic Stirrer, 20 L Capacity, 110 V</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-04661-29</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 14</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX06402-14</td>
			<td>Specific tubing size will depend on application.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 16</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX06402-16</td>
			<td>Specific tubing size will depend on application.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 17</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX06402-17</td>
			<td>Specific tubing size will depend on application.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 18</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX06402-18</td>
			<td>Specific tubing size will depend on application.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 14, Polycarbonate Housing, CRS Rotor</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX07014-20</td>
			<td>Specific pump head size will depend on application.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 14, Polycarbonate Housing, CRS Rotor</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX07014-20</td>
			<td>Specific pump head size will depend on application.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 16, Polycarbonate Housing, CRS Rotor</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX07016-20</td>
			<td>Specific pump head size will depend on application.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 17, Polycarbonate Housing, CRS Rotor</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX07017-20</td>
			<td>Specific pump head size will depend on application.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 18, Polycarbonate Housing, CRS Rotor</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX07018-20</td>
			<td>Specific pump head size will depend on application.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MasterFlex PTFE-diaphragm pump head, 10 to 100 mL/min</td>
			<td>MasterFlex (VWR)</td>
			<td>MFLX07090-62</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oakton 220 pH/ORP/Temperature Controller, 1/8 DIN</td>
			<td>Spectrum Laboratory Products</td>
			<td>664-12595-E1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oakton 220 pH/ORP/Temperature Controller, 1/8 DIN</td>
			<td>Spectrum Laboratory Products</td>
			<td>664-12595-E1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oakton Female BNC-to-Stripped Wire Adapter</td>
			<td>Spectrum Laboratory Products</td>
			<td>664-12592-E1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pH Probe with BNC Connector</td>
			<td>ThermoScientific</td>
			<td>10010-788</td>
			<td>Any pH probe with a BNC connector will suffice.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Precision Flow-Adjustment Valve, White Polypropylene, 1/4 NPT Male x Male</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>7792K57</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ProConnex&#160; Fittings Kits - A</td>
			<td>Repligen</td>
			<td>ACPX-KT2-01N</td>
			<td>Compatible with Hydrophilic MINIKROS Filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ProConnex Fittings Kits - B</td>
			<td>Repligen</td>
			<td>ACPX-KT1-01N</td>
			<td>Compatible with Hydrophilic MINIKROS Filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Hydroxide Pellets for Analysis</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>1.06498</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless-Steel Pressure Gauge 0-60 psi Stainless Steel 1/4&#34; NPT 2.5&#34; Face Dial</td>
			<td>NA</td>
			<td>XJ-219</td>
			<td>Any comparable pressure gauge covering 0-60 psig range will suffice.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trioctylphosphine oxide (TOPO)&#160;</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>346187-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

continuous liquid-liquid extraction of medium-chain fatty acids from fermentation broth using hollow-fiber membranes

الأحماض الدهنية متوسطة السلسلة (MCFAs ؛ أطوال الكربون: C6-C12) هي مواد كيميائية عالية القيمة تخدم مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية ، بما في ذلك مضادات الميكروبات الخضراء والمكونات الغذائية ومضافات الأعلاف الحيوانية ومستحضرات التجميل والعطور والمستحضرات الصيدلانية والدهون المهيكلة. حاليا ، يتم إنتاج معظم MCFAs من زيت النخيل وجوز الهند من جنوب شرق آسيا وأمريكا الجنوبية. النهج التقليدي لحصاد النخيل وجوز الهند يسبب أضرارا بيئية كبيرة في هذه المناطق. لذلك ، يقوم الباحثون بتطوير مناهج بيولوجية (مثل الدقة وتخمير الاستزراع المفتوح) لتوليد MCFAs بشكل أكثر استدامة باستخدام ركائز منخفضة القيمة (مثل الميثانول والإيثانول واللاكتات) أو النفايات العضوية كمواد وسيطة. استطالة السلسلة الميكروبية (CE) هي منصة تخمير مفتوحة النضج بسرعة تحول الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة (SCFAs ؛ أطوال الكربون: C1-C5) إلى مجموعة فرعية من MCFAs بمعدلات ذات صلة صناعية. ومع ذلك ، فإن الاستخراج المستمر في الموقع لمنتجات MCFA ضروري ليس فقط لتجنب تثبيط المنتج ولكن أيضا لتسهيل استعادة MCFAs في شكل نقي وقابل للاستخدام. أثبت استخراج السائل السائل (LLE) باستخدام أغشية الألياف المجوفة ومخاليط الاستخراج المستهدفة نهجا قويا لاستخراج منتجات MCFA بشكل انتقائي من مرق التخمير الذي يحتوي على SCFAs. هنا ، يتم توضيح تطبيق LLE لإزالة MCFA المستمرة باستخدام CE كنظام تخمير مرجعي و 3٪ (وزن / حجم) أكسيد ثلاثي أوكتيل فوسفين في الزيوت المعدنية كنظام استخراج. تتم إزالة الأحماض الدهنية التي تتراوح من حمض الفاليريك (C5) إلى حمض الكابريليك (C8) بشكل انتقائي من المرق المحتوي على SCFA وتتركز إلى التتر العالي في محلول تجريد قلوي شبه دفعي للمعالجة النهائية.

Medium-chain fatty acids (MCFAs) are high-value building block chemicals comprising chain lengths ranging from six (C6) to twelve (C12) carbons. MCFAs have industrial applications in foods, animal feeds, pharmaceuticals, cosmetics, fragrances, antimicrobial agents, and chemical synthesis1,2,3. Currently, most MCFAs derive from palm and coconut oil sourced from Southeast Asia and South America4,5. The severe ecological damage associated with palm and coconut oil production is well-recognized by stakeholders and the general public. Researchers are exploring biological approaches (e.g., precision and open-culture fermentations) to generate MCFAs more sustainably using low-value substrates or organic wastes as feedstock6,7. One sustainable way to produce MCFAs is by upcycling organic waste streams using a process called microbial chain elongation (CE). This secondary fermentation bioprocess is similar to anaerobic digestion in that it exploits the versatility of anaerobic open-culture microbiomes, but instead of promoting methane formation, CE systems deliberately suppress the methanogenic pathway. In a microbiome where carbon cannot be maximally reduced to CH4, nor H2 maintained below 10-4 atm by hydrogen-consuming archaea, the &#946;-oxidation reaction that would normally break down longer chain carboxylates to acetate (e.g., C6 &#8594; C4 &#8594; C2) can be reversed (e.g., C2 &#8594; C4 &#8594; C6, etc.), so long as a reduced compound (i.e., electron donor) such as ethanol or lactate is supplied8. In this metabolism, the fatty acid molecule undergoing elongation serves as the electron acceptor. Thus, instead of generating a product with a carbon length of one (CH4) as in anaerobic digestion, the CE process generates MCFAs with carbon lengths ranging from six to eight. A large and growing market is ready to receive these green platform chemicals. However, thus far, the CE process has not been shown to produce MCFAs with carbon lengths exceeding eight carbons at appreciable rates.
Efficient extraction of these MCFAs is important not only for the recovery of the desired product but also to prevent product inhibition and push the microbiome toward producing more MCFAs1. As the concentration of MCFAs increases, MCFA metabolism is inhibited and becomes less thermodynamically favorable. By removing the MCFAs continuously, production rates are maintained. Also, because SCFAs serve as the substructures for the chain-elongation process, they should not be removed from the fermentation broth. Targeted extractant mixtures should selectively extract MCFA products from fermentation broths containing SCFAs.
Here, a robust and practical approach is demonstrated to continuously extract MCFAs from SCFA-containing fermentation broth using a liquid-liquid extraction (LLE) system comprising a hydrophobic, polypropylene forward hollow-fiber membrane extractor, a selective organic extractant solution (trioctylphosphine oxide [TOPO]9,10,11), and a backward hollow-fiber membrane extractor. A cell-guard filter upstream of the LLE system is installed to retain biomass and mitigate membrane fouling. The MCFAs are forward extracted, in their protonated form, from the aqueous fermentation broth (typically with a pH set point &#60;5.8) into an organic extractant solution (i.e., 3% TOPO (w/v) in mineral oil) and then backward extracted into an alkaline stripping solution (pH = 9), where they deprotonate and concentrate to high titers for downstream processing. The particular pH set points are essential because they dictate the concentration gradient between each phase of the LLE process, ensuring a net transfer of MCFAs from the fermentation broth to the stripping solution. LLE using forward and backward extraction membranes achieve high extraction rates while minimizing alcohols and SCFAs co-extraction. The organic solvent adjuvant, TOPO, enables the formation of MCFA complexes. These complexes are more soluble in organic phases than water, resulting in high MCFA selectivity. The LLE process also avoids the many disadvantages associated with existing approaches, which will be discussed in the Discussion section. Long-term implementation using this LLE approach has been demonstrated in multiple studies9,10,11. While this approach is particularly suitable for applications involving MCFA production via microbial chain elongation, it is also useful in other applications that require selective separation of compounds possessing similar chemical properties because the organic extractant system can be customized.

تسليط الضوء على المؤلف: تحسين أغشية الألياف المجوفة للاستخراج المستمر للأحماض الدهنية متوسطة السلسلة

الاستخراج السائل السائل المستمر للأحماض الدهنية متوسطة السلسلة من مرق التخمير باستخدام أغشية الألياف المجوفة

My research aimed to evaluate the efficiency of hollow-fiber membrane and the continuous liquid-liquid extraction of medium-chain fatty acid from fermentation broth. I seek to understand how this membrane differs from traditional techniques by optimizing the extraction process and determination of the scalability of this method for industrial use. Current experimental challenge include inefficient extraction of medium-chain fatty acid from fermentation broth, which often lead to the inhibition of the chain-elongation microbes.Traditional techniques often face issues like batch-processing limitation, high energy consumption, and high solvent usage. Our protocol offers several advantages over traditional techniques. These include high selectivity and efficiency in extracting the medium-chain fatty acids from fermentation broths which leads to reduced solvent usage and continuous operation from batch processing.Additionally, this method can easily be replicated for diverse applications.

يشار إلى نتائج استخراج MCFA الإيجابية من خلال تراكم ثابت لمنتجات MCFA في محلول تجريد الطور المائي القلوي (الشكل 2) وتركيزات MCFA مستقرة نسبيا في مرق التخمير (البيانات غير معروضة). يوضح الشكل 2 ثلاث دورات شبه دفعية لمحلول التجريد أثناء التشغيل المستمر ل LE. تتكون الدورة من مرحلتين: مرحلة استبدال الدفعات (الشكل 2: اليوم 24 واليوم 46 واليوم 68) ومرحلة تراكم MCFA (الشكل 2: الأيام 0-24 ، الأيام 25-46 ، الأيام 47-68). بالنسبة لنظام التخمير ونظام LLE الخاص هذا ، كانت مدة الدورة حوالي 20-24 يوما. ومع ذلك ، ستختلف مدة الدورة بين التطبيقات ، لأنها تعتمد على عوامل متعددة ، بما في ذلك حجم المفاعل الحيوي ، والإنتاجية البيولوجية ، وحجم محلول التجريد ، ومنطقة غشاء الألياف المجوفة ، ومعدلات إعادة تدوير السائل داخل نظام LLE. أثناء دورة الدفعات ، قد يتغير لون محلول التجريد من شفاف إلى بني مصفر بسبب الاستخراج المشترك منخفض المستوى للعديد من الأحماض العضوية الصغيرة (مثل حمض الهيوميك وأحماض الفولفيك) الموجودة في مرق التخمير (الشكل 3). يشار إلى نتائج استخراج MCFA السلبية من خلال التراكم البطيء لمنتجات MCFA في محلول التجريد وتركيزات MCFA المرتفعة في مرق التخمير بالنسبة إلى خط الأساس المحدد مسبقا.
الإنتاجية البيولوجية للكابروات أعلى بشكل عام من الكابريلات خلال عمليات التخمير هذه. لذلك ، من الشائع أن يتراكم الكابروات بمعدل أسرع في محلول التجريد مقارنة بالكابريلات. أيضا ، من الطبيعي أن تتجمع SCFAs ، مثل الأسيتات والزبدة ، في محلول التجريد بكميات أقل ، كما هو موضح في الشكل 2. يحتوي TOPO الموجود في الزيت المعدني على تقارب أعلى مع MCFAs مقارنة ب SCFAs ، مما يؤدي إلى إزالة انتقائية ل MCFAs. أظهرت الدراسات التي أجراها Saboe et al.12 و Kaur et al.13 و Carvajal-Arroyo et al.14 و Ge et al.11 انتقائية TOPO العالية للأحماض الدهنية في تطبيقات متعددة تتضمن محاليل مائية. يظهر الشكل 4 نسبة تقسيم MCFAs إلى SCFAs خلال دورة الدفعة الثانية. يمكن للمرء أن يتوقع نسب تقسيم MCFA: SCFA أكبر من 40: 1 عدة أيام في دورة الدفعة. سوف تستقر نسبة تقسيم MCFA: SCFA مع اقتراب عملية الاستخراج من حالة شبه مستقرة. إذا تعذر تحقيق النسب >40 بعد عدة أيام ، فهذا يشير إلى أن مستخرج TOPO قد تدهور أو انخفض. في حالة حدوث ذلك ، يجب إعداد محلول استخراج جديد (انظر الخطوة 1.1). إذا انخفضت النسبة بعد مرحلة الهضبة ، فهذا يشير إلى أن MCFAs قد تراكمت بعد 80٪ من نقطة تشبعها. في حالة حدوث ذلك ، يجب إعداد حل تجريد جديد (انظر الخطوة 1.4)
يمكن أن يكون سبب انخفاض كفاءة استخراج MCFA هو عدم كفاية معدلات التدفق داخل نظام LLE. في الشكل 5 ، تم تقليل سرعة الضخ في مرق التخمير وخط دوران محلول التجريد لتوضيح تأثير انخفاض معدلات إعادة تدوير السائل على كفاءة استخراج MCFA. يتم تعريف كفاءة الاستخراج على أنها النسبة المئوية ل MCFA المستخرجة في محلول التجريد بالنسبة إلى إجمالي MCFAs التي ينتجها المفاعل الحيوي بالإضافة إلى MCFAs المستخرجة بواسطة LLE. يمكن للمرء أن يتوقع كفاءات استخراج أكبر من 85٪ أثناء التشغيل العادي (الشكل 5 ، اليوم 1-14). عندما تكون سرعة المضخة منخفضة (الشكل 5 ، اليوم 14) ، تنخفض كفاءة الاستخراج استجابة لذلك. عند استعادة سرعة المضخة المناسبة ، قد يستغرق الأمر عدة أيام حتى تتعافى كفاءة الاستخراج. يمكن أن يحدث هذا بسبب انخفاض تركيز الحالة المستقرة ل MCFAs في محلول الاستخراج الناجم عن التفاضل في معدلات استخراج محلول التجريد (أعلى) من مرق التخمير (أقل).
يمكن أن تساهم عدة عوامل أخرى في تقليل كفاءة الاستخراج ، بما في ذلك (1) تلوث الغشاء ، (2) تدفق السوائل المقيد في كل مرحلة من مراحل نظام LLE بسبب الانسداد ، (3) تكوين جيوب الغاز في قواطع الغشاء ، و (4) السماح لتركيزات MCFA في محلول التجريد بالاقتراب من نقاط التشبع. يشار إلى تلوث الغشاء من خلال تقليل تدفق الغشاء بمرور الوقت بالنسبة للظروف الأولية. في حين أن تكوين الأغشية الحيوية غير مرجح في FEM ، يمكن أن يحدث القاذورات بسبب تراكم بقايا الخلايا والمواد الصلبة العالقة الأخرى. أيضا ، في حين أن BEM معقم ، يمكن إعاقة التدفق بسبب ترسيب أملاح الأحماض الدهنية داخل قواطع الغشاء أو الأنابيب بمرور الوقت. ومع ذلك ، فإن الصيانة والتنظيف الروتينيين للموصلات الغشائية (انظر الخطوة 2.6) يجب أن تحول دون حدوث مشاكل التلوث وترسيب الملح. تتشكل جيوب الغاز أحيانا على الجانب العلوي من قواطع الغشاء بسبب الوضع غير الصحيح. يجب إمالة قواطع الغشاء قليلا من الوضع الرأسي لضمان أن يكون منفذ مخرج جانب الغلاف في أعلى نقطة ، مما يسمح لأي غاز يتشكل بالهروب من الموصل. يتم تكوين تدفق السوائل في نظام LLE للتدفق من أسفل إلى أعلى المقاولين للمساعدة في طرد جيوب الغاز. أخيرا ، يتضاءل نقل MCFA من محلول الاستخراج إلى محلول التجريد في BEM عند تركيزات MCFA عالية جدا في محلول التجريد. يمكن معالجة هذه المشكلة عن طريق استبدال حل التجريد بشكل متكرر.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66956/66956fig01.jpg"> الشكل 1: نظرة عامة على نظام استخلاص السائل والسائل. عرض تخطيطي يوضح مكونات النظام الرئيسية ودوائر السوائل المختلفة واتجاهات التدفق. يتم تمييز مكونات النظام الرئيسية على النحو التالي: (أ) خزان محلول استخراج الطور العضوي ، (ب) غشاء التبادل الأمامي ، (ج) غشاء التبادل الخلفي ، (د) مضخة الحجاب الحاجز بمحلول الاستخراج ، (ه) خزان محلول تجريد الطور المائي ، (F) نظام التحكم في الأس الهيدروجيني ، (G) منفذ التدفق الخارجي للمفاعل الحيوي ، (H) منفذ تدفق عودة المفاعل الحيوي ، (I) غشاء التبادل الأمامي والمضخة التمعجية لمرشح غشاء الألياف المجوفة ، (J) مرشح غشاء الألياف المجوفة ، (K) مقياس الضغط ، (L) صمام إبرة ، و (M) مضخة تمعجية بمحلول التجريد. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66956/66956fig01large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66956/66956fig02.jpg"> الشكل 2: تراكم الأحماض الدهنية في محلول التجريد. تظهر البيانات الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة وتركيزات الأحماض الدهنية متوسطة السلسلة خلال ثلاث دورات دفعية من محلول التجريد أثناء عملية الاستخلاص المستمر للسائل والسائل. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66956/66956fig02large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66956/66956fig03.jpg"> الشكل 3: تجريد المحلول يتغير لونه بعد الاستخراج. صورة توضح تغير لون محلول تجريد الطور المائي قبل (أي ما قبل الدفعة) وبعد (أي بعد الدفعة) دورة الدفعة. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66956/66956fig03large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66956/66956fig04.jpg"> الشكل 4: نسب الأحماض الدهنية في محلول التجريد. تظهر البيانات نسبة الأحماض الدهنية متوسطة السلسلة إلى الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة خلال دورة دفعية لمحلول التجريد أثناء عملية الاستخلاص المستمر للسائل والسائل. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66956/66956fig04large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66956/66956fig05.jpg"> الشكل 5: تأثير معدلات تدفق الغشاء على كفاءة الاستخراج. تظهر البيانات تأثير معدلات التدفق غير الكافية من خلال غشاء التبادل الأمامي والخلفي على كفاءة استخلاص الأحماض الدهنية متوسطة السلسلة أثناء التشغيل. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66956/66956fig05large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

تم تطوير نظام استخراج السائل السائل (LLE) الذي يتضمن أغشية الألياف المجوفة لاستخراج الأحماض الدهنية متوسطة السلسلة (MCFAs) بشكل مستمر وانتقائي من مرق التخمير. يحقق نظام LLE خصائص MCFA عالية من المرق الذي يحتوي على الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة والكحول. أيضا ، تتركز MCFAs في حل تجريد لتسهيل استعادة المنتج.

Medium-chain fatty acids (MCFAs; carbon-lengths: C6-C12) are high-value platform chemicals that serve a variety of industrial applications, including ...

continuous-liquid-liquid-extraction-medium-chain-fatty-acids-from

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Continuous Liquid-Liquid Extraction of Medium-Chain Fatty Acids from Fermentation Broth Using Hollow-Fiber Membranes

548 Views.  University of Georgia. يهدف بحثي إلى تقييم كفاءة غشاء الألياف المجوف والاستخراج المستمر للسائل السائل للأحماض الدهنية متوسطة السلسلة من مرق التخمير. أسعى إلى فهم كيف يختلف هذا الغشاء عن التقنيات التقليدية من خلال تحسين عملية الاستخراج وتحديد قابلية التوسع لهذه الطريقة للاست?...

Video: تسليط الضوء على المؤلف: تحسين أغشية الألياف المجوفة للاستخراج المستمر للأحماض الدهنية متوسطة السلسلة

Medium-chain fatty acids (MCFAs; carbon-lengths: C6-C12) are high-value platform chemicals that serve a variety of industrial applications, including green antimicrobials, food ingredients, animal feed additives, cosmetics, fragrances, pharmaceuticals, and structured lipids. Currently, most MCFAs are produced from palm and coconut oil originating from Southeast Asia and South America. The conventional approach to harvesting palm and coconut fruits causes considerable ecological damage in these regions. Therefore, researchers are developing biological approaches (e.g., precision and open-culture fermentations) to generate MCFAs more sustainably using low-value substrates (e.g., methanol, ethanol, lactate) or organic wastes as feedstock. Microbial chain-elongation (CE) is a rapidly maturing open-culture fermentation platform that converts short-chain fatty acids (SCFAs; carbon lengths: C1-C5) into a subset of these MCFAs at industrially relevant rates. However, continuous in situ extraction of MCFA products is necessary not only to avoid product inhibition but also to facilitate the recovery of MCFAs in a pure and usable form.&#160;Liquid-liquid extraction (LLE) using hollow-fiber membranes and targeted extractant mixtures has proven a robust approach to selectively extract MCFA products from fermentation broths containing SCFAs. Here, the application of LLE for continuous MCFA removal is demonstrated using CE as the reference fermentation system and 3% (w/v) trioctylphosphine oxide in mineral oil as the extractant system. Fatty acids ranging from valeric acid (C5) to caprylic acid (C8) are selectively removed from SCFA-containing broths and concentrated to high titers in a semi-batch alkaline stripping solution for downstream processing.

A liquid-liquid extraction (LLE) system involving hollow-fiber membranes was developed to continuously and selectively extract medium-chain fatty acids (MCFAs) from the fermentation broth. The LLE system achieves high MCFA specificities from broths containing short-chain fatty acids and alcohols. Also, MCFAs are concentrated in a stripping solution to facilitate product recovery.

Constructing and Integrating the Bioreactor and the Liquid-Liquid Extraction System

To begin, prepare the organic phase extraction solution and reservoir by adding the extraction solution to a two liter glass reservoir and placing it on a magnetic stir plate. Next, position a 100 RPM variable speed pump drive with a polytetrafluoroethylene diaphragm pump head next to the reservoir. Using flexible pump tubing, connect the outflow port of the extraction solution reservoir to the diaphragm pump inlet.Then connect the pump outlet to the shell-side inlet at the base of the forward extraction membrane. Now, connect the shell-side outlet at the top of the forward extraction membrane to the shell-side inlet located at the base of the backward extraction membrane. Then connect the shell-side outlet at the top of the backward extraction membrane to the return port on the extraction solution reservoir.To prepare the aqueous phase stripping solution and reservoir, pour the solution into a four liter glass reservoir with a magnetic stir bar and place it on a magnetic stir plate. Integrate a pH control system with a set point of pH nine with the stripping solution reservoir. Insert the pH probe through the stripping solution reservoir port and suspend it in the stripping solution.To install the hollow fiber membrane filter, place a 300 RPM variable speed pump drive adjacent to the bioreactor. Affix the hydrophilic hollow fiber membrane to a ring stand above the peristaltic pump. Stack two peristaltic pump heads, large and small, on the pump drive.Now using flexible tubing, connect the outflow port at the bioreactor to the large pump head inlet. Then connect the large pump head outlet to the hydrophilic hollow fiber membrane filter at the tube-side inlet located at the base of the filter. Cap the top shell-side port of the filter to prevent the influx of air.To connect the forward extraction membrane, affix the first hydrophobic hollow fiber membrane module to a ring stand above the pump. Using flexible pump tubing, connect the hydrophilic hollow fiber membrane filter at the shell-side outlet to the small pump head inlet. Then connect the small pump head outlet to the forward extraction membrane at the tube-side inlet located at the base of the module.Now using a coupling fitting and T fitting, connect the pressure gauge and flow restriction valve to the tube-side outlet of the forward extraction membrane. Next, connect the tube-side outlet of the forward extraction membrane to the return port at the bioreactor. To connect the backward extraction membrane, place a 300 RPM variable speed pump drive adjacent to the bioreactor.Affix the second hydrophobic hollow fiber membrane module to a ring stand above the peristaltic pump. Then using flexible pump tubing, connect the stripping solution reservoir outflow port to the peristaltic pump inlet and the pump outlet to the tube-side inlet at the base of the backward extraction membrane. Afterward, using a coupling fitting and T fitting, connect the pressure gauge and flow restriction valve to the tube-side outlet of the backward extraction membrane.Using flexible pump tubing, connect the tube-side outlet at the top of the backward extraction membrane to the stripping solution reservoir return flow port.

بناء ودمج المفاعل الحيوي ونظام استخلاص السائل والسائل

Initiating the Operation of the Liquid-Liquid Extraction System for Continuous Medium Chain Fatty Acid Removal

To begin, integrate the bioreactor and liquid-liquid extraction system. Turn on the stripping solution peristaltic pump, or backward extraction membrane, and set the pump speed to achieve a constant flow rate between 25 to 250 milliliters per minute. Slowly close the needle valve at the shell-side outlet of the backward extraction membrane to establish a back pressure.Then, turn on the first hydrophobic hollow-fiber membrane module peristaltic pump, and set the pump speed to achieve a constant flow rate between 25 to 250 milliliters per minute. Afterward, slowly close the needle valve at the shell-side outlet of the first hydrophobic hollow-fiber membrane module to establish a back pressure of approximately five pounds per square inch gauge. Now, turn on the organic phase extraction solution diaphragm pump, and set the pump speed to achieve a constant flow rate between five to 50 milliliters per minute.Lastly, check the system for continuous flow. A steady accumulation of short and medium-chain fatty-acid products was observed in the alkaline aqueous phase stripping solution. A reduction in pump speed lowered the extraction efficiency.After restoring adequate pump speed, efficiency may take several days to recover.