开发了一种涉及中空纤维膜的液-液萃取 (LLE) 系统,用于从发酵液中连续选择性地提取中链脂肪酸 (MCFA)。LLE 系统从含有短链脂肪酸和醇类的肉汤中实现了高 MCFA 特异性。此外,MCFA 浓缩在剥离溶液中,以促进产品回收。
中链脂肪酸 (MCFA;碳长度:C6-C12) 是高价值的平台化学品,服务于各种工业应用,包括绿色抗菌剂、食品配料、动物饲料添加剂、化妆品、香料、药品和结构脂质。目前,大多数 MCFA 由源自东南亚和南美洲的棕榈油和椰子油制成。传统的棕榈和椰子果实收获方法在这些地区造成了相当大的生态破坏。因此,研究人员正在开发生物学方法(例如,精确和开放培养发酵),以使用低价值底物(例如甲醇、乙醇、乳酸盐)或有机废物作为原料,更可持续地生产 MCFA。微生物链延伸 (CE) 是一种快速成熟的开放培养发酵平台,它以工业相关的速率将短链脂肪酸 (SCFA;碳长度:C1-C5) 转化为这些 MCFA 的一个子集。然而,MCFA 产物的连续 原位 提取是必要的,不仅是为了避免产品抑制,而且是为了促进 MCFA 以纯净和可用的形式回收。使用中空纤维膜和靶向萃取剂混合物的液-液萃取 (LLE) 已被证明是从含有 SCFA 的发酵液中选择性提取 MCFA 产品的可靠方法。在这里,以 CE 作为参考发酵系统,以 3% (w/v) 矿物油中的三辛基氧化膦作为萃取系统,展示了 LLE 在连续去除 MCFA 中的应用。从含 SCFA 的肉汤中选择性地去除从含 SCFA 的肉汤中去除从戊酸 (C5) 到辛酸 (C8) 的脂肪酸,并在半间歇碱性汽提溶液中浓缩至高滴度,用于下游加工。
中链脂肪酸 (MCFA) 是高价值的合成砌块化学品,由链长从 6 个 (C6) 到 12 个 (C12) 碳组成。MCFA 在食品、动物饲料、制药、化妆品、香料、抗菌剂和化学合成中具有工业应用 1,2,3。目前,大多数 MCFA 来自来自东南亚和南美洲的棕榈油和椰子油 4,5。与棕榈油和椰子油生产相关的严重生态破坏已得到利益相关者和公众的广泛认可。研究人员正在探索生物学方法(例如,精确和开放培养发酵),以使用低价值底物或有机废物作为原料更可持续地生成MCFA6,7。生产 MCFA 的一种可持续方法是使用称为微生物链伸长 (CE) 的工艺升级回收有机废物流。这种二次发酵生物过程类似于厌氧消化,因为它利用了厌氧开放培养微生物组的多功能性,但 CE 系统不是促进甲烷形成,而是故意抑制产甲烷途径。在碳不能被最大程度还原为 CH4 的微生物组中,H2 也不能被消耗氢的古细菌维持在 10-4 个大气压以下,通常将长链羧酸盐分解成乙酸盐的β氧化反应(例如,C6 → C4 → C2)可以逆转(例如,C2 → C4 → C6 等),只要还原化合物(即 电子供体),例如乙醇或乳酸8.在这种新陈代谢中,经过伸长的脂肪酸分子充当电子受体。因此,CE 工艺生成的碳长度为 1 (CH4) 的产品不是厌氧消化中,而是产生碳长度为 6 到 8 的 MCFA。一个庞大且不断增长的市场已准备好接收这些绿色平台化学品。然而,到目前为止,尚未证明 CE 工艺可以以可观的速率产生碳长度超过 8 个碳的 MCFA。
这些 MCFA 的高效提取不仅对于所需产品的回收很重要,而且对于防止产品抑制和推动微生物组产生更多的 MCFA也很重要 1。随着 MCFA 浓度的增加,MCFA 代谢受到抑制,热力学上变得不那么有利。通过连续移除 MCFA,可以保持生产率。此外,由于 SCFA 是链伸长过程的子结构,因此不应将其从发酵液中取出。靶向萃取剂混合物应选择性地从含有 SCFA 的发酵液中提取 MCFA 产品。
在这里,展示了一种稳健而实用的方法,可以使用液液萃取 (LLE) 系统从含 SCFA 的发酵液中连续提取 MCFA,该系统包括疏水性聚丙烯正向中空纤维膜萃取器、选择性有机萃取剂溶液 (三辛基膦氧化物 [TOPO]9,10,11)和反向中空纤维膜提取器。在 LLE 系统上游安装了细胞保护过滤器,以保留生物量并减少膜污染。MCFA 以质子化形式从水性发酵液(通常具有 pH 设定点 <5.8)中正向提取到有机萃取剂溶液(即 3% TOPO (w/v) 矿物油中),然后反向提取到碱性汽提溶液 (pH = 9) 中,在那里它们去质子化并浓缩至高滴度用于下游加工。特定的 pH 设定点是必不可少的,因为它们决定了 LLE 过程每个阶段之间的浓度梯度,确保 MCFA 从发酵液到汽提液的净转移。使用正向和反向萃取膜的 LLE 可实现高萃取率,同时最大限度地减少醇类和 SCFA 的共萃取。有机溶剂佐剂 TOPO 能够形成 MCFA 复合物。这些复合物比水更易溶于有机相,因此具有较高的 MCFA 选择性。LLE 过程还避免了与现有方法相关的许多缺点,这些将在讨论部分讨论。使用这种 LLE 方法的长期实施已在多项研究中得到证明 9,10,11。虽然这种方法特别适用于通过微生物链延伸生产 MCFA 的应用,但它也适用于需要选择性分离具有相似化学性质的化合物的其他应用,因为有机萃取剂系统可以定制。
本研究中使用的试剂、耗材和设备列于 材料表中。
1. 生物反应器、液-液萃取系统的构建和集成
2. 启动液-液萃取系统的运行
MCFA 产物在碱性水相剥离溶液中的稳定积累(图 2)和发酵液中相对稳定的 MCFA 浓度(数据未显示)表明积极的 MCFA 提取结果。 图 2 显示了连续 LLE 操作期间剥离溶液的三个半批量循环。一个周期包括两个阶段:批次更换阶段(图 2:第 24 天、第 46 天和第 68 天)和 MCFA 积累阶段(图 2:第 0-24 天、第 25-46 天、第 47-68 天)。对于这种特殊的发酵和 LLE 系统,周期持续时间约为 20-24 天。然而,循环持续时间因应用而异,因为它取决于多种因素,包括生物反应器体积、生物生产率、剥离液体积、中空纤维膜面积和 LLE 系统内的液体再循环速率。在批处理循环中,由于发酵液中存在的各种小有机酸(例如腐植酸、黄腐酸)的低水平共提取,剥离溶液的颜色可能会从透明变为黄棕色(图 3)。MCFA 提取的阴性结果表现为 MCFA 产物在剥离液中的缓慢积累和发酵液中 MCFA 浓度相对于预先设定的基线升高。
在这些发酵过程中,己酸盐的生物生产率通常高于辛酸盐;因此,与辛酸盐相比,己酸酯在剥离溶液中以更快的速度积累是很常见的。此外,短链脂肪酸(如乙酸盐和丁酸盐)以较低的量聚集在剥离溶液中是正常的,如图 2 所示。矿物油中的 TOPO 对 MCFA 的亲和力高于 SCFA,这会导致 MCFA 的选择性去除。Saboe 等人12、Kaur 等人13、Carvajal-Arroyo 等人14 和 Ge 等人11 的研究表明,TOPO 在涉及水溶液的多种应用中对脂肪酸具有高选择性。 图 4 显示了第二个批次周期期间 MCFA 与 SCFA 的分区比率。可以预期 MCFA:SCFA 分区比率在一个批处理周期中的几天内大于 40:1。MCFA:SCFA 分区比率将随着提取过程接近伪稳态而趋于稳定。如果几天后仍未达到 >40 的比率,则表明 TOPO 萃取剂已降解或洗脱。如果发生这种情况,应制备新的提取溶液(参见步骤 1.1)。如果该比率在平台期之后降低,则表明 MCFA 已积累超过其饱和点的 80%。如果发生这种情况,应准备新的剥离溶液(参见步骤 1.4)
MCFA 萃取效率低可能是由于 LLE 系统内的流速不足造成的。 在图 5 中,发酵液和汽提液循环管线中的抽速降低,以说明液体再循环速率降低对 MCFA 提取效率的影响。提取效率定义为剥离溶液中提取的 MCFA 相对于生物反应器产生的总 MCFA 加上 LLE 提取的 MCFA 的百分比。在正常操作期间,可以预期提取效率大于 85%(图 5,第 1-14 天)。当泵速较低时(图 5,第 14 天),提取效率会相应地降低。当泵速恢复足够时,萃取效率可能需要几天时间才能恢复。这可能是由于剥离液(较高)的提取速率差异(低于发酵液)导致提取液中 MCFA 的稳态浓度降低引起的。
其他几个因素也会导致萃取效率降低,包括 (1) 膜污染,(2) 由于堵塞,LLE 系统每个阶段的流体流动受限,(3) 膜接触器中形成气穴,以及 (4) 使汽提溶液中的 MCFA 浓度接近其饱和点。膜污染表现为膜通量相对于初始条件随时间推移而减少。虽然在 FEM 中不太可能形成生物膜,但由于细胞碎片和其他悬浮固体的积累,可能会发生结垢。此外,虽然 BEM 是无菌的,但由于脂肪酸盐随着时间的推移在膜接触器或管道内沉淀,流动可能会受阻。但是,膜接触器的日常维护和清洁(参见步骤 2.6)应防止结垢和盐沉淀问题的发展。由于定位不当,膜式接触器的顶壳侧有时会形成气穴。膜式接触器应从垂直方向略微倾斜,以确保壳侧出口位于最高点,从而允许形成的任何气体从接触器中逸出。LLE 系统中的流体流动配置为从承包商的底部流向顶部,以帮助冲洗气穴。最后,当汽提液中 MCFA 浓度非常高时,BEM 中 MCFA 从提取液到汽提液的转移会减少。可以通过更频繁地更换剥离解决方案来解决此问题。
图 1:液-液萃取系统概述。 显示主要系统组件、各种流体回路和流向的图解。主要系统组件标记如下:(A) 有机相萃取溶液储液器,(B) 正向交换膜,(C) 后向交换膜,(D) 萃取溶液隔膜泵,(E) 水相汽提液储液器,(F) pH 控制系统,(G) 生物反应器流出口,(H) 生物反应器回流端口,(I) 正向交换膜和中空纤维膜过滤器蠕动泵,(J) 中空纤维膜过滤器, (K) 压力表、(L) 针阀和 (M) 汽提液蠕动泵。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 2:剥离溶液中的脂肪酸积累。 数据显示了连续液-液萃取操作期间汽提溶液三个批次循环期间的短链脂肪酸和中链脂肪酸浓度。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 3:萃取后剥离液的颜色变化。 显示水相剥离溶液在批次循环之前(即批次前)和之后(即批次后)的颜色变化的照片。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 4:剥离溶液中的脂肪酸比例。 数据显示了在连续液-液萃取操作期间汽提溶液的批量循环中,中链脂肪酸与短链脂肪酸的比率。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 5:膜流速对萃取效率的影响。 数据显示了运行过程中通过前向和后向交换膜的流速不足对中链脂肪酸提取效率的影响。 请单击此处查看此图的较大版本。
生物生产的 MCFA 通常与各种有机化合物(包括 SCFA 和醇类)一起存在于混合物中2。因此,需要选择性分离过程来有效回收和利用它们。这里开发的 LLE 系统从这些混合物中选择性地连续提取 MCFA,同时保留 SCFA 和醇类。此功能使 LLE 系统特别适用于发酵应用,例如微生物链伸长,其中 MCFA、SCFA 和醇构成主要代谢物8。具体来说,LLE 系统允许通过去除 MCFA 来进行链延伸过程,防止产品抑制1,同时将 SCFA 和醇反应物留在发酵液中用于随后的生物转化。通过修改特定的萃取溶液,可以针对其他应用定制 LLE 系统。例如,通过从萃取剂溶液混合物中去除 TOPO,可以使用相同的 LLE 系统连续提取发酵过程中产生的 SCFA。
因此,与其他方法相比,LLE 方法的意义在于为这些生物加工和生物技术应用提供更强大的 MCFA 提取技术。用不混溶液体进行 原 位双相萃取是从发酵液中提取 MCFA 的另一种方法15。但是,这种方法相对效率较低。在水相(即发酵液)和有机相之间形成乳化层,严重限制了传质速率。相层之间最小的界面流体混合也限制了传质。另一个缺点是微生物细胞与有机相直接接触,导致夹带、抑制和细胞死亡15。最后, 原位 双相萃取需要频繁维护以去除和更换有机相。
在生物反应器内应用高稀释率是避免产品抑制的另一种方法16。高稀释率可以通过在生物反应器中保持高反应物浓度来实现高生产率。然而,这种方法是不利的,因为它会导致生物质冲刷、产生大量流出物和高底物损失(即 SCFA 和醇类),从而导致产量低。这些缺点可以通过固定化生物质和污水回收来缓解,但这些干预措施增加了系统的复杂性17。最后,产品流中的 MCFA 浓度被稀释,使 MCFA 效率低下且成本高昂。
一种新的提取方法可能涉及使用单个正向萃取膜连续蒸馏 MCFA,该膜将有机相和水相物理分离,从而保留和保护微生物生物量。MCFA 将被选择性提取到有机相中,然后进行蒸馏。抽余液可以连续循环到提取膜上。然而,连续蒸馏在技术上具有挑战性,尤其是在实验室环境中,并且可能导致化学萃取剂在长期运行期间变质或损失。蒸馏还可能导致有机相和 MCFA 产物的热降解18.
LLE 工艺通过结合几个关键特征和加工步骤,避免了与这些替代方法相关的许多缺点。首先,亲水性中空纤维膜过滤器具有双重目的,即保护生物质细胞(生物催化剂)免受 FEB 中的萃取剂溶液的影响,同时提供富含 MCFA 的透明滤液,从而减少 LLE 系统中的结垢和固体积累。其次,为了防止液体交叉,我们采用了针阀,在每个膜接触器的管侧产生背压。这种预防措施保持了轻微的跨膜压力梯度,防止疏水性有机溶剂在 FEM 和 BEM 中从壳侧意外泄漏到水性管侧。此外,液体流配置为从 FEM 和 BEM 的底部平行流向顶部,以防止气泡滞留,这些气泡可能聚集在膜组件内,从而降低传输效率并导致残留。此外,该方法使用带有耐化学腐蚀的 PTFE 泵头的隔膜泵来泵送含有腐蚀性 MCFA 的萃取剂溶液,从而保护系统免受腐蚀和故障的影响,从而影响萃取过程。最后,pH 控制的碱性汽提液保持 pH 梯度,允许 MCFA 通过 LLE 系统以高速率从生物反应器连续转移到汽提液储液罐,MCFA 在那里去质子化并积累至高滴度,促进下游产品回收。
这种 LLE 方法适用于从实验室规模的生物反应器(高达 6 L 工作体积)中连续提取 MCFA,并已在多项研究中验证了长期操作 1,9,11,19。LLE 方法也可用于更大规模的应用14(即中试规模的生物反应器),但需要按比例缩放的膜和流体处理设备。但是,该方法确实存在一些局限性,主要是在维护和系统复杂性方面。由于该工艺设计为连续运行,因此必须经常维护膜组件和泵,从而导致相当长的停机时间。另一个缺点是剥离溶液需要相对大量的 NaOH 和硼酸。此外,MCFA 具有腐蚀性,会导致某些 LLE 系统组件随着时间的推移而劣化。例如,塑料连接器和膜外壳可能会变脆,需要在运行过程中更换。最后,LLE 系统中的流体处理网络很复杂,涉及许多容易产生泄漏的连接点。然而,这些限制和缺点中的大多数是连续膜分离过程的典型特征,应该预料到。
总体而言,该 LLE 协议为选择性 MCFA 提取提供了一种稳健而有效的方法,这对推进不同领域的研究具有重要意义。该方法在发酵过程中对细胞外代谢产物的原位回收的精密发酵领域有许多相关应用。LLE 可能是传统下游加工 (DSP) 方法的低成本替代方案,例如运行后离心、微过滤和超滤或批量进行的溶剂萃取。事实上,DSP 通常是工业发酵过程中的主要成本驱动因素。使用 LLE 进行连续产品提取还可以实现连续发酵,与传统的分批或补料分批方法相比,可显著提高操作的生产率和运行时间效率。此外,未来的研究可以研究有机溶剂以外的萃取介质,例如深共熔溶剂或离子液体。最后,本协议中描述的 LLE 系统旨在用于实验室环境中的实验目的;因此,仍有相当大的优化研究空间,以降低能源需求、膜面积以及总体提取产量和速率。
没有利益冲突。
作者要感谢佐治亚大学农业实验站提供的技术和财政支持。此外,作者还要感谢 Samuel Ogundipe、Ronald Pegg 博士和 Joon Hyuk Suh 博士在分析过程样品方面提供的帮助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 L Media Bottle | Duran | 218018658 | |
3.5 L Media Bottle | Duran | 218016957 | |
Boric acid, 99.5%, | ThermoScientific (Fisher Scientific) | 327132500 | |
Hydrophilic MINIKROS 20CM 0.2UM PES 1MM 1.5TC X 3/4TC | Repligen | N02-P20U-10-N | |
L/S Variable-Speed Pump Drive; 100 rpm | MasterFlex (VWR) | MFLX07528-10 | |
L/S Variable-Speed Pump Drive; 300 rpm | MasterFlex (VWR) | MFLX07528-20 | |
Light Mineral Oil, NF (4 Liters) (CAS: 8042-47-5) | Thomas Scientific | C761Z18 | |
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 | 3M | LC-02508X50-G453 | |
Magnetic Stirrer, 20 L Capacity, 110 V | Cole-Parmer | EW-04661-29 | |
Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 14 | MasterFlex (VWR) | MFLX06402-14 | Specific tubing size will depend on application. |
Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 16 | MasterFlex (VWR) | MFLX06402-16 | Specific tubing size will depend on application. |
Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 17 | MasterFlex (VWR) | MFLX06402-17 | Specific tubing size will depend on application. |
Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 18 | MasterFlex (VWR) | MFLX06402-18 | Specific tubing size will depend on application. |
MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 14, Polycarbonate Housing, CRS Rotor | MasterFlex (VWR) | MFLX07014-20 | Specific pump head size will depend on application. |
MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 14, Polycarbonate Housing, CRS Rotor | MasterFlex (VWR) | MFLX07014-20 | Specific pump head size will depend on application. |
MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 16, Polycarbonate Housing, CRS Rotor | MasterFlex (VWR) | MFLX07016-20 | Specific pump head size will depend on application. |
MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 17, Polycarbonate Housing, CRS Rotor | MasterFlex (VWR) | MFLX07017-20 | Specific pump head size will depend on application. |
MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 18, Polycarbonate Housing, CRS Rotor | MasterFlex (VWR) | MFLX07018-20 | Specific pump head size will depend on application. |
MasterFlex PTFE-diaphragm pump head, 10 to 100 mL/min | MasterFlex (VWR) | MFLX07090-62 | |
Oakton 220 pH/ORP/Temperature Controller, 1/8 DIN | Spectrum Laboratory Products | 664-12595-E1 | |
Oakton 220 pH/ORP/Temperature Controller, 1/8 DIN | Spectrum Laboratory Products | 664-12595-E1 | |
Oakton Female BNC-to-Stripped Wire Adapter | Spectrum Laboratory Products | 664-12592-E1 | |
pH Probe with BNC Connector | ThermoScientific | 10010-788 | Any pH probe with a BNC connector will suffice. |
Precision Flow-Adjustment Valve, White Polypropylene, 1/4 NPT Male x Male | McMaster-Carr | 7792K57 | |
ProConnex Fittings Kits - A | Repligen | ACPX-KT2-01N | Compatible with Hydrophilic MINIKROS Filter |
ProConnex Fittings Kits - B | Repligen | ACPX-KT1-01N | Compatible with Hydrophilic MINIKROS Filter |
Sodium Hydroxide Pellets for Analysis | Sigma Aldrich | 1.06498 | |
Stainless-Steel Pressure Gauge 0-60 psi Stainless Steel 1/4" NPT 2.5" Face Dial | NA | XJ-219 | Any comparable pressure gauge covering 0-60 psig range will suffice. |
Trioctylphosphine oxide (TOPO) | Sigma-Aldrich | 346187-100G |
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