Authors
Contact Us

Sign In

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • Representative Results
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

מערכת מיצוי נוזלי-נוזלי (LLE) הכוללת קרומי סיבים חלולים פותחה כדי לחלץ באופן רציף וסלקטיבי חומצות שומן בינוניות שרשרת (MCFAs) מציר התסיסה. מערכת LLE משיגה סגוליות MCFA גבוהה ממרקים המכילים חומצות שומן קצרות שרשרת ואלכוהולים. כמו כן, MCFAs מרוכזים בתמיסת הפשטה כדי להקל על התאוששות המוצר.

Abstract

חומצות שומן בעלות שרשרת בינונית (MCFAs; אורכי פחמן: C6-C12) הן כימיקלים פלטפורמה בעלי ערך גבוה המשרתים מגוון יישומים תעשייתיים, כולל אנטי-מיקרוביאלים ירוקים, רכיבי מזון, תוספי מזון לבעלי חיים, קוסמטיקה, חומרי ריח, תרופות ושומנים מובנים. כיום, רוב MCFAs מיוצרים משמן דקלים וקוקוס שמקורם בדרום מזרח אסיה ודרום אמריקה. הגישה המקובלת לקטיף פירות דקל וקוקוס גורמת לנזק אקולוגי ניכר באזורים אלה. לכן, חוקרים מפתחים גישות ביולוגיות (למשל, תסיסה מדויקת ותסיסה של תרבית פתוחה) כדי לייצר MCFA באופן בר-קיימא יותר באמצעות מצעים בעלי ערך נמוך (למשל, מתנול, אתנול, לקטט) או פסולת אורגנית כחומרי הזנה. התארכות שרשרת מיקרוביאלית (CE) היא פלטפורמת תסיסה בתרבית פתוחה המתבגרת במהירות וממירה חומצות שומן קצרות שרשרת (SCFAs; אורכי פחמן: C1-C5) לתת-קבוצה של MCFA אלה בשיעורים רלוונטיים מבחינה תעשייתית. עם זאת, מיצוי רציף באתרו של מוצרי MCFA נחוץ לא רק כדי למנוע עיכוב המוצר, אלא גם כדי להקל על ההתאוששות של MCFA בצורה טהורה ושמישה. מיצוי נוזלי-נוזלי (LLE) באמצעות קרומי סיבים חלולים ותערובות מיצוי ממוקדות הוכיח גישה איתנה למיצוי סלקטיבי של מוצרי MCFA ממרקי תסיסה המכילים SCFA. כאן, היישום של LLE לסילוק MCFA מתמשך מודגם באמצעות CE כמערכת תסיסה ייחוס ו 3% (w/v) תחמוצת trioctylphosphine בשמן מינרלי כמו מערכת מיצוי. חומצות שומן החל מחומצה ולרית (C5) ועד חומצה קפרילית (C8) מוסרות באופן סלקטיבי ממרקים המכילים SCFA ומרוכזות לטיטרים גבוהים בתמיסת הפשטת אלקליין באצווה למחצה לעיבוד במורד הזרם.

Introduction

חומצות שומן בינוניות שרשרת (MCFAs) הן כימיקלים בעלי ערך גבוה של אבני בניין המורכבות באורכי שרשרת הנעים בין שישה (C6) לשנים עשר (C12) פחמנים. ל-MCFA יש יישומים תעשייתיים במזון, מזון לבעלי חיים, תרופות, קוסמטיקה, חומרי ריח, חומרים אנטי-מיקרוביאליים וסינתזה כימית 1,2,3. כיום, רוב MCFAs מופקים משמן דקלים וקוקוס שמקורו בדרום מזרח אסיה ודרום אמריקה 4,5. הנזק האקולוגי החמור הכרוך בייצור שמן דקלים וקוקוס מוכר היטב על ידי בעלי העניין והציבור הרחב. חוקרים בוחנים גישות ביולוגיות (למשל, תסיסה מדויקת ותסיסה בתרבות פתוחה) כדי ליצור MCFAs באופן בר-קיימא יותר באמצעות מצעים בעלי ערך נמוך או פסולת אורגנית כחומרי הזנה 6,7. אחת הדרכים בנות הקיימא לייצר MCFAs היא על ידי מחזור זרמי פסולת אורגנית באמצעות תהליך שנקרא התארכות שרשרת מיקרוביאלית (CE). תהליך ביולוגי זה של תסיסה שניונית דומה לעיכול אנאירובי בכך שהוא מנצל את הרבגוניות של מיקרוביום אנאירובי של תרבית פתוחה, אך במקום לקדם היווצרות מתאן, מערכות CE מדכאות במכוון את המסלול המתאנוגני. במיקרוביום שבו לא ניתן להפחית פחמן באופן מקסימלי ל-CH4, וגם לא H2נשמר מתחת ל-10-4 אטמוספירה על ידי ארכאה צורכת מימן, תגובת החמצון β שבדרך כלל מפרקת קרבוקסילטים בעלי שרשרת ארוכה יותר לאצטט (למשל, C6 →-C4 →-C2) יכולה להתהפך (למשל, C2 → C4 →-C6 וכו'), כל עוד תרכובת מופחתת (כלומר, תורם אלקטרונים) כגון אתנול או לקטט מסופק8. במטבוליזם זה, מולקולת חומצת השומן העוברת התארכות משמשת כקולטת אלקטרונים. לכן, במקום לייצר מוצר עם אורך פחמן של אחד (CH4) כמו בעיכול אנאירובי, תהליך CE מייצר MCFAs עם אורכי פחמן הנעים בין שישה לשמונה. שוק גדול וצומח מוכן לקבל את הכימיקלים של הפלטפורמה הירוקה. עם זאת, עד כה, תהליך CE לא הוכח לייצר MCFAs עם אורכי פחמן העולים על שמונה פחמן בשיעורים ניכרים.

מיצוי יעיל של MCFAs אלה חשוב לא רק להתאוששות המוצר הרצוי, אלא גם כדי למנוע עיכוב המוצר ולדחוף את המיקרוביום לייצור MCFA נוסף1. ככל שהריכוז של MCFA עולה, חילוף החומרים של MCFA מעוכב והופך לפחות חיובי מבחינה תרמודינמית. על ידי הסרת MCFA ברציפות, שיעורי הייצור נשמרים. כמו כן, מכיוון ש-SCFA משמשים כתת-מבנים לתהליך התארכות השרשרת, אין להסיר אותם מציר התסיסה. תערובות מיצוי ממוקדות צריכות לחלץ באופן סלקטיבי מוצרי MCFA ממרקי תסיסה המכילים SCFA.

כאן, הודגמה גישה חזקה ומעשית למיצוי רציף של MCFA מציר תסיסה המכיל SCFA באמצעות מערכת מיצוי נוזלי-נוזלי (LLE) הכוללת מחלץ קרום הידרופובי, פוליפרופילן קדמי מסיבים חלולים, תמיסת מיצוי אורגנית סלקטיבית (תחמוצת טריוקטילפוספין [TOPO]9,10,11), ומחלץ קרום סיבים חלולים לאחור. מסנן מגן התא במעלה הזרם של מערכת LLE מותקן כדי לשמור על ביומסה ולהפחית את עכירת הממברנה. MCFAs מופקים קדימה, בצורתם הפרוטונית, מציר התסיסה המימית (בדרך כלל עם נקודת pH מוגדרת <5.8) לתמיסת מיצוי אורגנית (כלומר, 3% TOPO (w/v) בשמן מינרלי) ולאחר מכן מופקים לאחור לתמיסת הפשטה בסיסית (pH = 9), שם הם מתפרקים ומתרכזים לטיטרים גבוהים לעיבוד במורד הזרם. נקודות קביעת ה- pH הספציפיות חיוניות מכיוון שהן מכתיבות את שיפוע הריכוז בין כל שלב בתהליך LLE, ומבטיחות העברה נטו של MCFA מציר התסיסה לתמיסת ההפשטה. LLE באמצעות ממברנות מיצוי קדימה ואחורה משיג שיעורי מיצוי גבוהים תוך מזעור אלכוהולים ומיצוי משותף של SCFAs. האדג'ובנט הממס האורגני, TOPO, מאפשר יצירת קומפלקסים של MCFA. קומפלקסים אלה מסיסים יותר בפאזות אורגניות מאשר מים, וכתוצאה מכך סלקטיביות MCFA גבוהה. תהליך LLE גם מונע את החסרונות הרבים הקשורים לגישות קיימות, אשר יידונו בחלק הדיון. יישום ארוך טווח באמצעות גישת LLE זו הוכח במספר מחקרים 9,10,11. בעוד שגישה זו מתאימה במיוחד ליישומים הכוללים ייצור MCFA באמצעות התארכות שרשרת מיקרוביאלית, היא שימושית גם ביישומים אחרים הדורשים הפרדה סלקטיבית של תרכובות בעלות תכונות כימיות דומות, מכיוון שניתן להתאים אישית את מערכת המיצוי האורגני.

Protocol

הריאגנטים, החומרים המתכלים והציוד ששימשו במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.

1. הקמה ואינטגרציה של הביוריאקטור ומערכת מיצוי נוזל-נוזל

  1. הכינו את תמיסת המיצוי והמאגר בשלב האורגני.
    1. הכינו 2 ליטר של תמיסת מיצוי בשלב אורגני על ידי המסת 60 גרם של תחמוצת טריוקטילפוספין (TOPO) בשמן מינרלי באמצעות צלחת ערבוב מגנטית ובוחש.
    2. מוסיפים את תמיסת המיצוי למאגר זכוכית בנפח 2 ליטר (כלומר, בקבוק שוט).
    3. הניחו את המכל על צלחת ערבוב מגנטית (איור 1A). מהירות הערבוב המומלצת במהלך פעולת LLE רציפה היא 150-250 סל"ד.
  2. הכינו מכסה בעל שלוש יציאות למאגר תמיסות החילוץ.
    1. חברו צינור טבילה ליציאה הראשונה כדי שישמש כיציאת זרימה החוצה המספקת תמיסת מיצוי לקרום השאיבה הקדמי (FEM) (איור 1B).
    2. הצמידו יציאה שנייה שתשמש כיציאה חוזרת לתמיסת החילוץ מממברנת החילוץ לאחור (BEM) (איור 1C).
    3. הוסף יציאה שלישית, פתוחה לאטמוספירה, כדי להפחית את תנודות הלחץ הנגרמות על ידי משאבת הסרעפת.
  3. חברו את משאבת הסרעפת לקרומי החילוץ.
    1. הניחו כונן משאבה במהירות משתנה במהירות משתנה של 100 סל"ד המצויד בראש משאבת דיאפרגמה פוליטטרה-פלואוראתילן (PTFE) בסמוך למאגר (איור 1D).
    2. חברו את יציאת הזרימה החוצה של מאגר תמיסת השאיבה (איור 1A) לכניסה של משאבת הסרעפת, ולאחר מכן את היציאה של משאבת הסרעפת לכניסה בצד המעטפת בבסיס ה-FEM (איור 1B) באמצעות צינור המשאבה הגמיש (לדוגמה, גודל 16, 18).
    3. חברו את השקע בצד המעטפת בחלק העליון של ה-FEM לכניסה בצד המעטפת בבסיס ה-BEM (איור 1C) באמצעות צינורות משאבה גמישים (לדוגמה, גודל 18).
    4. חברו את השקע בצד המעטפת בחלק העליון של ה-BEM ליציאה החוזרת במאגר תמיסת השאיבה (איור 1A) באמצעות צינורות משאבה גמישים (לדוגמה, גודל 16, 18).
      הערה: רכיב מערכת זה מעביר MCFA שהופקו מציר התסיסה ב-FEM לתמיסת הפשטה ב-BEM.
  4. הכינו את תמיסת ההפשטה והמאגר בפאזה המימית.
    1. הכינו 3.25 ליטר של תמיסת הפשטה מימית על ידי לקיחת תמיסת חומצה בורית באורך 0.5 מ' והתאמתה ל-pH 9 באמצעות NaOH.
    2. יוצקים את התמיסה לתוך מאגר זכוכית 3.5 ליטר עם מוט ערבוב מגנטי.
    3. הניחו את המכל על לוח ערבוב מגנטי (איור 1E).
  5. הכינו מכסה בעל ארבע יציאות למאגר תמיסת ההפשטה.
    1. חבר צינור טבילה ליציאה הראשונה שתשמש כיציאת זרימה החוצה המספקת פתרון הפשטה ל- BEM.
    2. הצמדת יציאה שנייה הכוללת התאמת Y ל-(1) לשמש כיציאת זרימה חוזרת של פתרון ההפשטה מה-BEM ו-(2) לשמש כזרם אילוף לתוספות NaOH ממערכת בקרת ה-pH.
    3. הוסף יציאה שלישית, פתוחה לאטמוספירה, כדי להסביר את הגידול בנפח שנגרם על ידי תוספות NaOH והצטברות MCFA.
    4. ספק יציאה רביעית כדי להכיל את בדיקת ה- pH של בקר ה- pH.
  6. התקן מערכת בקרת pH במאגר פתרון ההפשטה.
    1. שלבו מערכת בקרת pH עם נקודה מוגדרת של pH 9 עם מאגר תמיסת ההפשטה (איור 1F). השתמש ב- 5 M NaOH כפתרון בסיס עם בקר ה- pH כדי לנטרל את ה- MCFA שנאספו.
    2. הכנס את בדיקת ה- pH דרך יציאת מאגר תמיסת ההפשטה והשהה אותה בתמיסת ההפשטה.
      הערה: מערכת בקרת pH זו אינה דורשת תמיסת חומצה.
  7. הכינו את יציאות החיבור של הביוריאקטור.
    1. הקצו שתי יציאות, יציאת זרימה החוצה ויציאת זרימה חוזרת, בביוריאקטור לחיבור עם מערכת מיצוי נוזל-נוזל (LLE) (איור 1G,H).
    2. חבר צינור טבילה ליציאת היציאה. המרק העשיר ב-MCFA יישאב מהביוריאקטור ביציאה החוצה למערכת LLE.
      הערה: המרק נכנס תחילה למסנן קרום הסיבים החלולים לפני קרומי המיצוי כדי להסיר את התאים ומוצקים אחרים כדי למנוע עכירות.
    3. הכנס התאמת טי ביציאת זרימת החזרה כדי לקבל: (1) מרק מדולדל MCFA ממוחזר מה-FEM ו-(2) רטרטט המכיל תאים ממסנן קרום הסיבים החלולים.
  8. התקן את מסנן קרום הסיבים החלולים.
    1. מקמו כונן משאבה במהירות משתנה במהירות משתנה של 300 סל"ד בסמוך לביוריאקטור (איור 1I).
    2. הצמידו את קרום הסיבים החלולים ההידרופיליים (איור 1J) למעמד טבעתי מעל המשאבה הפריסטלטית.
    3. ערמו שני ראשי משאבה פריסטלטיים על כונן המשאבה, גדולים (לדוגמה, גודל 17) וקטנים (לדוגמה, גודל 16).
      הערה: ראש המשאבה הגדול יותר מחובר למסנן קרום הסיבים החלולים כדי להבטיח שקצב זרימת החלחול גדול יותר מקצב הזרימה המזין ל- FEM. אם זה לא היה המקרה, החלחול היה נצרך מהר יותר ממה שהוא מיוצר, מה שגורם להיווצרות ואקום.
    4. חבר את יציאת הזרימה החוצה בביוריאקטור לכניסת ראש המשאבה הגדולה באמצעות צינורות משאבה גמישים (לדוגמה, גודל 17).
    5. חבר את שקע ראש המשאבה הגדול למסנן הממברנה הידרופילי בעל סיבים חלולים בכניסה בצד הצינור בבסיס המסנן באמצעות צינורות משאבה גמישים (לדוגמה, גודל 17).
    6. מכסים את היציאה העליונה בצד המעטפת של המסנן כדי למנוע זרימת אוויר.
      הערה: המרק העשיר ב-MCFA (המכיל תאים) יזרום למעלה דרך צינורות הסיבים החלולים ויחזור לביוריאקטור. מרק שקוף (ללא תאים) יעבור דרך קרום הפוליאתרסולפון הידרופילי (PES) בגודל 0.2 מיקרומטר וייאסף בצד הקליפה של המסנן.
  9. חבר את FEM.
    1. הצמידו את מודול הממברנה ההידרופובי הראשון מסיבים חלולים (FEM) למעמד טבעתי מעל המשאבה (איור 1B).
    2. חברו את מסנן הסיבים החלולים ההידרופילי (איור 1J) בשקע בצד המעטפת לפתחי ראש המשאבה הקטן באמצעות צינורות משאבה גמישים (לדוגמה, גודל 16, 18).
    3. חבר את שקע ראש המשאבה הקטן ל- FEM בכניסה בצד הצינור בבסיס המודול באמצעות צינורות משאבה גמישים (לדוגמה, גודל 16, 18).
    4. חברו את מד הלחץ (איור 1K) ואת שסתום הגבלת הזרימה (איור 1L) לשקע בצד הצינור של ה-FEM באמצעות התאמת צימוד והתאמת טי.
    5. חבר את השקע בצד הצינור של ה- FEM ליציאה החוזרת בביוריאקטור באמצעות צינורות משאבה גמישים (לדוגמה, גודל 18).
      הערה: רכיב מערכת זה מעביר את MCFAs מציר התסיסה השקוף לתמיסת המיצוי ולאחר מכן מחזיר את המרק השקוף לביוריאקטור.
  10. חבר את ה- BEM.
    1. הניחו כונן משאבה במהירות משתנה במהירות משתנה של 300 סל"ד המצויד בראש משאבה פריסטלטי (לדוגמה, גודל 16) בסמוך לביוריאקטור (איור 1M).
    2. הצמידו את מודול הקרום ההידרופובי השני של סיבים חלולים למעמד טבעתי מעל המשאבה הפריסטלטית (איור 1C).
    3. חבר את יציאת הזרימה החוצה של מאגר פתרון ההפשטה לכניסת המשאבה הפריסטלטית ואת יציאת המשאבה לכניסה בצד הצינור בבסיס ה- BEM באמצעות צינורות משאבה גמישים (לדוגמה, גודל 16, 18).
    4. חבר את מד הלחץ ושסתום הגבלת הזרימה לשקע בצד הצינור של ה- BEM באמצעות התאמת צימוד והתאמת טי.
    5. חבר את השקע בצד הצינור בחלק העליון של ה- BEM ליציאת זרימת החזרה של מאגר פתרון ההפשטה באמצעות צינורות משאבה גמישים (לדוגמה, גודל 16, 18).
      הערה: רכיב מערכת זה מעביר את ה- MCFA מתמיסת החילוץ לתמיסת ההפשטה ב- BEM ולאחר מכן מחזיר את תמיסת ההפשטה למאגר שלה.

2. ייזום הפעלת מערכת מיצוי נוזל-נוזל

  1. ראשונים ומזרימים את קווי הפאזה המימית.
    1. הפעילו את המשאבה הפריסטלטית של תמיסת ההפשטה/BEM (איור 1M) וכוונו את מהירות המשאבה להשגת קצב זרימה קבוע בין 25-250 מ"ל·min-1. ה- BEM יכול להכיל טווח גדול יחסית של קצבי זרימה. התחל עם קצב זרימה גבוה באופן שמרני תחילה כדי להבטיח מיצוי MCFA מספיק. ניתן להפחית את קצב הזרימה בהדרגה מאוחר יותר במהלך הפעולה כדי להאריך את חיי השירות של ציוד המשאבה והצינורות.
      הערה: מהירות הזרימה לא צריכה להיות נמוכה עד כדי כך שתאפשר הצטברות של MCFA בציר הביוריאקטור (ראה תוצאות מייצגות).
    2. סגור באיטיות את שסתום המחט במוצא בצד המעטפת של ה-BEM (איור 1C) כדי ליצור לחץ אחורי של ~5 psig.
    3. הפעילו את המשאבה הפריסטלטית ביוריאקטור/FEM (איור 1I) וכוונו את מהירות המשאבה להשגת קצב זרימה קבוע בין 25-250 מ"ל·min-1. ה- FEM יכול להכיל טווח גדול יחסית של קצבי זרימה. התחל עם קצב זרימה גבוה באופן שמרני תחילה כדי להבטיח מיצוי MCFA מספיק. ניתן להפחית את קצב הזרימה בהדרגה מאוחר יותר במהלך הפעולה כדי להאריך את חיי השירות של ציוד המשאבה והצינורות.
      הערה: מהירות הזרימה לא צריכה להיות נמוכה עד כדי כך שתאפשר הצטברות של MCFA בציר הביוריאקטור (ראה סעיף תוצאות מייצגות).
    4. סגרו באיטיות את שסתום המחט במוצא בצד המעטפת של ה-FEM (איור 1B) כדי ליצור לחץ אחורי של ~5 psig.
    5. בדוק חזותית את קווי הזרימה החוזרת כדי להבטיח זרימה קבועה ושהקווים היו דרוכים.
    6. ודאו שמרק שקוף נאסף בתוך צד הקליפה של מסנן קרום הסיבים החלולים (איור 1J).
      הערה: יידרשו מספר שעות כדי למלא את ה-FEM וליצור זרימה קבועה בין מסנן קרום הסיבים החלולים לבין ה-FEM. מהירות הזרימה לא צריכה להיות נמוכה כל כך כדי לאפשר הצטברות של MCFA בציר הביוריאקטור (ראה סעיף תוצאות מייצגות).
  2. ראשונים ומפיצים את קווי הפאזה האורגנית.
    1. הפעל את משאבת דיאפרגמת פתרון החילוץ בשלב אורגני (איור 1D) והגדר את מהירות המשאבה להשגת קצב זרימה קבוע בין 5.0-50 מ"ל·min-1. התחל עם קצב זרימה נמוך באופן שמרני בתחילה כדי למזער את הלחץ במיצוי בשלב האורגני ולמזער את הסיכון להצלבה. במידת הצורך, ניתן להגדיל את קצב הזרימה בהדרגה מאוחר יותר במהלך הפעולה כדי לשפר את יעילות החילוץ
    2. המתן עד שה- FEM וה- BEM יתמלאו.
    3. בדוק חזותית את יציאת זרימת החזרה במאגר פתרון השאיבה כדי להבטיח זרימה קבועה.
    4. ודאו שאף תמיסת פאזה אורגנית אינה עוברת לתמיסת ההפשטה או לקווי ציר התסיסה. אם מתרחשת הצלבה, ניתן לראות טיפות קטנות של הפאזה האורגנית. במקרה כזה, הפחיתו את מהירות משאבת הסרעפת והגבירו מעט את לחץ הגב ב-FEM או ב-BEM לפי הצורך. אין לחרוג מ-10 psig.
      הערה: כדי למנוע הצלבה של הממברנה, חשוב לקבוע זרימה ולחץ אחורי בתוך קווי הפאזה המימית לפני תחילת קווי הפאזה האורגנית.
  3. יש לחלץ ברציפות MCFA מהביוריאקטור.
    1. מערכת LLE צריכה לפעול באופן מלא. לאפשר למערכת לפעול ברציפות במהלך פעולת הביוריאקטור.
    2. מדדו את ריכוזי MCFA בביוריאקטור מדי יום כדי להבטיח מיצוי מספיק של MCFAs. אם מתרחשים ריכוזי MCFA גבוהים בביוריאקטור, זה בדרך כלל מצביע על קצבי זרימה לא מספיקים של ציר התסיסה דרך ה-FEM. זה עשוי גם להצביע על שטף ממברנה מופחת עקב עכירות והצורך בתחזוקה (ראה שלב 2.6).
      הערה: ריכוזי SCFA ו- MCFA ניתנים למדידה באמצעות כרומטוגרפיית גז בהתאם לשיטה שתוארה על ידי Ge et al.11.
  4. עקוב אחר הצטברות MCFA במאגר תמיסת ההפשטה.
    1. מדדו את ריכוז MCFA בתמיסת ההפשטה מדי יום במהלך מחזור האצווה. מערכת LLE מעבירה באופן רציף MFCA מהביוריאקטור לתמיסת ההפשטה, ומגדילה את ריכוז MCFA לאורך זמן. התהליך יכול לרוץ לפרקי זמן ממושכים כדי לייצר טיטרים MCFA גבוהים. ניתן להעריך את קצב הייצור הנפחי של MCFA (mM C·L-1·d-1) באמצעות משוואה1 11.
      הערה: קצב ייצור נפחי = figure-protocol-10654 (Eq. 1)
      איפה:
      Cb,n = ריכוז MCFA בציר התסיסה ביום n, mM C
      Cs,n = ריכוז MCFA בתמיסת ההפשטה ביום n, mM C
      Cs,n-1= ריכוז MCFA בתמיסת ההפשטה ביום n-1, mM C
      Vs,n = נפח תמיסת ההפשטה ביום n, L
      Vb,n = נפח ציר התסיסה (נפח ביוריאקטור) ביום n, L
      HRTn = זמן שימור הידראולי של ביוריאקטור ביום n, d
      Tn = יום n, d
      Tn-1= יום n-1, d
    2. כדי להבטיח פעולה יציבה, חשב מעת לעת את קצב החילוץ (mM C·d-1) של מערכת LLE על ידי מדידת השינוי בריכוז MCFA בין נקודות זמן מדידה והחלת משוואה 211.
      הערה: figure-protocol-11372 (Eq. 2)
      איפה:
      Cs,n = ריכוז MCFA בתמיסת ההפשטה ביום n, mM C
      Cs,n-1= ריכוז MCFA בתמיסת ההפשטה ביום n-1, mM C
      Vs,n = נפח תמיסת ההפשטה ביום n, L
      Tn = יום n, d
      Tn-1= יום n-1, d
    3. כדי לשמור על קצבי העברה נאותים מתמיסת המיצוי, החלף את תמיסת ההפשטה באצווה טרייה לפני שריכוז MCFA מגיע לרוויה של 80%.
      הערה: המסיסות המרבית של חומצה n-קפרואית היא 10.3 גרם· L-1 ב 25 ° C, וזה של חומצה n-קפרילית הוא 0.67 גרם · L-1 ב-25 °C.
  5. החלף את תמיסת ההפשטה.
    1. כבו את משאבת הסרעפת (איור 1D).
    2. כבו את המשאבה הפריסטלטית של תמיסת ההפשטה (איור 1M).
    3. השתמש במהדקי צינור כדי להדק את הכניסה בצד הצינור ואת היציאה בצד הצינור של ה- BEM.
    4. כבה את מערכת בקרת ה- pH והסר את מכסה המאגר של תמיסת ההפשטה תוך שמירה על חיבורי היציאה מחוברים (במידת האפשר).
    5. הסר את מאגר תמיסת ההפשטה (איור 1E).
    6. החלף את מאגר תמיסת ההפשטה באצווה טרייה של תמיסת חומצה בורית מימית באורך 0.5 מ' המותאמת ל- pH 9 באמצעות NaOH (ראה שלב 1.4). הצמידו מחדש את הפקק למאגר.
    7. הסר את מהדקי הצינור מהכניסה בצד הצינור ומהשקע בצד הצינור של ה- BEM.
    8. הפעילו את המשאבה הפריסטלטית של תמיסת ההפשטה (איור 1M), ואחריה את משאבת הסרעפת (איור 1D). פעולת המערכת משוחזרת כעת.
  6. תחזוקת ממברנה.
    1. הסר את FEM ו- BEM ממערכת LLE אחת לשלושה חודשים לניקוי. שלושה חודשים הם תדירות ניקוי משוערת שמרנית.
      הערה: בהתאם ליישום, משתמשים יכולים לנקות את הממברנות בתדירות גבוהה יותר או פחות. סימנים של ירידה בביצועי הממברנה מתוארים בסעיף תוצאות מייצגות. במהלך התחזוקה, יש לכבות את המשאבות ואת בקר ה- pH. הוראות ניקוי צריכות להינתן על ידי יצרן הממברנה.
    2. סננו את הנוזלים ממערכת LLE למיכלים נפרדים, החל מקווי תמיסת המיצוי בשלב האורגני, לאחר מכן קווי ציר התסיסה וקווי תמיסת ההפשטה.
    3. לאחר ניקוי הממברנות והתקנתם מחדש, החזירו את הנוזלים למאגרים המתאימים.
    4. הפעל מחדש את מערכת LLE באמצעות הגישה המתוארת לעיל (ראה שלבים 2.1-2.2).

Representative Results

תוצאות מיצוי MCFA חיוביות מסומנות על-ידי הצטברות קבועה של תוצרי MCFA בתמיסת הפשטה מימית בסיסית (איור 2) וריכוזי MCFA יציבים יחסית בציר התסיסה (הנתונים לא מוצגים). איור 2 מדגים שלושה מחזורי אצווה למחצה של תמיסת ההפשטה במהלך פעולת LLE רציפה. מחזור מורכב משני שלבים: שלב החלפת האצווה (איור 2: יום 24, יום 46 ויום 68) ושלב הצטברות MCFA (איור 2: ימים 0-24, ימים 25-46, ימים 47-68). עבור מערכת תסיסה ו-LLE מסוימת זו, משך המחזור היה כ-20-24 ימים. עם זאת, משך המחזור ישתנה בין יישומים שונים, מכיוון שהוא תלוי במספר גורמים, כולל נפח ביוריאקטור, פרודוקטיביות ביולוגית, נפח תמיסת הפשטה, אזור קרום סיבים חלולים ושיעורי מחזור נוזלים במערכת LLE. במהלך מחזור אצווה, תמיסת ההפשטה עשויה לשנות את צבעה מבהיר לחום-צהבהב עקב מיצוי משותף ברמה נמוכה של חומצות אורגניות קטנות שונות (למשל, חומצה הומית, חומצות פולביות) הקיימות בציר התסיסה (איור 3). תוצאות מיצוי MCFA שליליות מסומנות על ידי הצטברות איטית של מוצרי MCFA בתמיסת ההפשטה וריכוזי MCFA גבוהים בציר התסיסה ביחס לקו הבסיס שנקבע מראש.

התפוקה הביולוגית של קפרואט היא בדרך כלל גבוהה יותר מאשר קפרילט במהלך תהליכי תסיסה אלה; לכן, מקובל שקפרואט מצטבר בקצב מהיר יותר בתמיסת ההפשטה בהשוואה לקפרילט. כמו כן, זה נורמלי ש-SCFAs, כמו אצטט ובוטיראט, נאספים בתמיסת ההפשטה בכמויות נמוכות יותר, כפי שניתן לראות באיור 2. ל-TOPO בשמן המינרלי יש זיקה גבוהה יותר ל-MCFA מאשר ל-SCFA, מה שגורם להסרה סלקטיבית של ה-MCFAs. מחקרים שנערכו על ידי Saboe et al.12, Kaur et al.13, Carvajal-Arroyo et al.14 ו- Ge et al.11, הדגימו את הסלקטיביות הגבוהה של TOPO עבור חומצות שומן ביישומים מרובים הכוללים תמיסות מימיות. יחס החלוקה של MCFA ל-SCFA במהלך מחזור האצווה השני מוצג באיור 4. ניתן לצפות ליחסי חלוקה של MCFA:SCFA גדולים מ- 40:1 מספר ימים לתוך מחזור אצווה. יחס החלוקה MCFA:SCFA יגיע לרמה ככל שתהליך החילוץ יתקרב למצב פסאודו-יציב. אם לא ניתן להשיג יחסים >40 לאחר מספר ימים, הדבר מצביע על כך שמיצוי TOPO התפרקה או נפלט. במקרה כזה, יש להכין פתרון חילוץ חדש (ראה שלב 1.1). אם היחס יורד בעקבות שלב הרמה, הדבר מצביע על כך שה-MCFAs הצטברו מעבר ל-80% מנקודת הרוויה שלהם. במקרה כזה, יש להכין פתרון הפשטה חדש (ראה שלב 1.4)

יעילות מיצוי MCFA נמוכה יכולה להיגרם על ידי קצבי זרימה לא מספיקים במערכת LLE. באיור 5, מהירות השאיבה הופחתה בציר התסיסה ובקו הסירקולציה של תמיסת ההפשטה כדי להמחיש את ההשפעה של ירידה בשיעורי מחזור הנוזלים על יעילות מיצוי MCFA. יעילות מיצוי מוגדרת כאחוז ה-MCFA המופק בתמיסת ההפשטה ביחס לסך כל ה-MCFA המיוצרים על ידי הביוריאקטור בתוספת ה-MCFA המופקים על ידי ה-LLE. ניתן לצפות ליעילות מיצוי גבוהה מ-85% במהלך פעולה רגילה (איור 5, ימים 1-14). כאשר מהירות המשאבה נמוכה (איור 5, יום 14), יעילות החילוץ יורדת בתגובה. כאשר מהירות משאבה נאותה משוחזרת, עשויים לחלוף מספר ימים עד שיעילות החילוץ תתאושש. זה יכול להיגרם על ידי ירידה בריכוז המצב היציב של MCFA בתמיסת המיצוי הנגרמת על ידי הפרש בשיעורי המיצוי של תמיסת ההפשטה (גבוה יותר) מאשר מרק התסיסה (נמוך יותר).

מספר גורמים אחרים יכולים לתרום לירידה ביעילות השאיבה, כולל (1) עכירת ממברנה, (2) זרימת נוזלים מוגבלת בכל שלב של מערכת LLE עקב חסימות, (3) היווצרות כיסי גז במגעי הממברנה, ו-(4) מתן אפשרות לריכוזי MCFA בתמיסת ההפשטה להתקרב לנקודות הרוויה שלהם. עכירות הממברנה מסומנת על ידי הפחתה של שטף הממברנה לאורך זמן ביחס לתנאים הראשוניים. בעוד היווצרות ביופילם אינה סבירה ב- FEM, עכירות יכולה להתרחש עקב הצטברות של פסולת תאים ומוצקים מרחפים אחרים. כמו כן, בעוד BEM הוא אספטי, זרימה יכולה להיות חסומה עקב משקעים של מלחי חומצות שומן בתוך מגע הממברנה או צינורות לאורך זמן. עם זאת, תחזוקה וניקוי שגרתיים של מגעי הממברנה (ראה שלב 2.6) אמורים למנוע התפתחות של משקעים ומלח. כיסי גז נוצרים לעיתים בצד הקליפה העליון של מגעי הממברנה עקב מיקום לא נכון. מגעי הממברנה צריכים להיות מוטים מעט מאנכית כדי להבטיח שיציאת היציאה בצד המעטפת נמצאת בנקודה הגבוהה ביותר, ומאפשרת לכל גז שנוצר לברוח מהמגע. זרימת נוזלים במערכת LLE מוגדרת לזרום מלמטה לחלק העליון של הקבלנים כדי לסייע בשטיפת כיסי גז. לבסוף, העברת MCFA מתמיסת המיצוי לתמיסת ההפשטה ב- BEM מופחתת בריכוזי MCFA גבוהים מאוד בתמיסת ההפשטה. ניתן לתקן בעיה זו על ידי החלפת תמיסת ההפשטה בתדירות גבוהה יותר.

figure-representative results-4467
איור 1: סקירה כללית של מערכת מיצוי נוזל-נוזל. עיבוד דיאגרמטי המציג את רכיבי המערכת העיקריים, את מעגלי הנוזלים השונים ואת כיווני הזרימה. רכיבי המערכת העיקריים מסומנים באופן הבא: (A) מאגר תמיסת מיצוי בשלב אורגני, (B) קרום חליפין קדמי, (C) קרום חליפין לאחור, (D) משאבת דיאפרגמה של תמיסת מיצוי, (E) מאגר תמיסת הפשטה מימית, (F) מערכת בקרת pH, (G) יציאת זרימה החוצה של ביוריאקטור, (H) יציאת זרימה חוזרת של ביוריאקטור, (I) קרום חליפין קדמי ומשאבה פריסטלטית של מסנן קרום סיבים חלולים, (J) מסנן קרום סיבים חלולים, (K) מד לחץ, (L) שסתום מחט, ו-(M) משאבה פריסטלטית של תמיסת הפשטה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-representative results-5385
איור 2: הצטברות חומצות שומן בתמיסת הפשטה. נתונים המציגים את חומצות השומן קצרות השרשרת וריכוזי חומצות השומן בשרשרת בינונית במהלך שלושה מחזורי אצווה של תמיסת ההפשטה במהלך פעולת מיצוי נוזל-נוזל רציפה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-representative results-5930
איור 3: שינוי צבע התמיסה לאחר החילוץ. תצלום המראה את שינוי הצבע של תמיסת הפשטת הפאזה המימית לפני (כלומר, לפני אצווה) ואחרי (כלומר, אחרי אצווה) מחזור אצווה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-representative results-6433
איור 4: יחסי חומצות שומן בתמיסת הפשטה. נתונים המציגים את היחס בין חומצות שומן בינוניות שרשרת לחומצות שומן קצרות שרשרת במהלך מחזור אצווה של תמיסת ההפשטה במהלך פעולת מיצוי נוזל-נוזל רציפה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-representative results-6967
איור 5: השפעת קצבי זרימת הממברנה על יעילות החילוץ. נתונים המראים את ההשפעה של קצבי זרימה לא מספיקים דרך קרום החליפין קדימה ואחורה על יעילות מיצוי חומצות שומן בינוניות שרשרת במהלך הפעולה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

MCFAs המיוצרים ביולוגית נמצאים בדרך כלל בתערובות לצד תרכובות אורגניות שונות, כולל SCFA ואלכוהולים2. כתוצאה מכך, יש צורך בתהליך הפרדה סלקטיבי כדי להתאושש ולנצל אותם ביעילות. מערכת LLE שפותחה כאן מחלצת באופן סלקטיבי MCFA מתערובות אלה ברציפות תוך שימור SCFA ואלכוהול. פונקציונליות זו הופכת את מערכת LLE למתאימה במיוחד ליישומי תסיסה, כגון התארכות שרשרת מיקרוביאלית, שבה MCFAs, SCFA ואלכוהולים מהווים את המטבוליטים העיקריים8. באופן ספציפי, מערכת LLE מאפשרת לתהליך הארכת השרשרת להתקדם על ידי הסרת MCFAs, מניעת עיכוב המוצר1, תוך השארת מגיבי SCFA ואלכוהול בציר התסיסה להמרה ביולוגית עוקבת. ניתן להתאים את מערכת LLE ליישומים אחרים על ידי שינוי פתרון החילוץ הספציפי. לדוגמה, מיצוי רציף של SCFA המיוצר במהלך התסיסה יכול להיות מושג באמצעות אותה מערכת LLE על ידי הסרת TOPO מתערובת תמיסת החילוץ.

לפיכך, חשיבותה של שיטת LLE טמונה במתן טכניקת מיצוי MCFA חזקה יותר עבור יישומי עיבוד ביולוגי וביוטכנולוגיה אלה בהשוואה לשיטות אחרות. מיצוי דו-פאזי באתרו עם נוזלים שאינם ניתנים לערבוב הוא גישה נוספת למיצוי MCFA מציר תסיסה15. עם זאת, גישה זו אינה יעילה יחסית. שכבות תחליב נוצרות בין הפאזה המימית (כלומר, ציר התסיסה) לבין הפאזה האורגנית, ומגבילות מאוד את קצב העברת המסה. ערבוב מינימלי של נוזל בין שכבות הפאזה מגביל גם הוא את העברת המסה. חסרון נוסף הוא שתאים מיקרוביאליים נמצאים במגע ישיר עם הפאזה האורגנית, מה שגורם לאילוף, עיכוב ומוות תאי15. לבסוף, מיצוי דו-פאזי באתרו דורש תחזוקה תכופה כדי להסיר ולהחליף את השלב האורגני.

החלת שיעורי דילול גבוהים בתוך הביוריאקטור היא שיטה נוספת למניעת עיכוב המוצר16. שיעורי דילול גבוהים יכולים להשיג פרודוקטיביות גבוהה על ידי שמירה על ריכוזי מגיבים גבוהים בביוריאקטור. עם זאת, גישה זו היא חיסרון מכיוון שהיא תורמת לשטיפת ביומסה, ליצירת נפחי קולחים גדולים, ולהפסדי מצע גבוהים (כלומר, SCFA ואלכוהולים), וכתוצאה מכך יבולים נמוכים. ניתן למתן חסרונות אלה באמצעות ביומסה משותקת ומיחזור קולחים, אך התערבויות אלה מוסיפות למורכבות המערכת17. לבסוף, ריכוז MCFA בזרם המוצרים מדולל, מה שהופך את MCFA ללא יעיל ויקר.

גישת מיצוי חדשה יכולה לכלול זיקוק רציף של MCFA עם קרום מיצוי קדמי יחיד המפריד פיזית בין הפאזה האורגנית והמימית, ובכך שומר ומגן על הביומסה המיקרוביאלית. ה-MCFAs יופקו באופן סלקטיבי לשלב האורגני ואז יזוקקו. ניתן היה למחזר את הרפינאט ברציפות לקרום השאיבה. זיקוק רציף, לעומת זאת, הוא מאתגר מבחינה טכנית, במיוחד בתנאי מעבדה, ועלול לגרום להידרדרות או אובדן של המיצוי הכימי במהלך פעולה ארוכת טווח. זיקוק עלול גם לגרום לפירוק תרמי של הפאזה האורגנית ומוצרי MCFA18.

תהליך LLE נמנע מרבים מהחסרונות הקשורים לגישות חלופיות אלה על ידי שילוב מספר תכונות קריטיות ושלבי עיבוד. ראשית, מסנן ממברנת הסיבים החלולים ההידרופיליים משרת את המטרה הכפולה של הגנה על תאי ביומסה (הזרזים הביולוגיים) מפני חשיפה לתמיסת המיצוי ב- FEB תוך מתן תסנין שקוף עשיר ב- MCFA המפחית עכירות והצטברות מוצקה במערכת LLE. שנית, כדי למנוע הצלבה נוזלית, שילבנו שסתומי מחט כדי ליצור לחץ אחורי בצד הצינור של כל מגע בממברנה. אמצעי זהירות זה שומר על שיפוע לחץ טרנסממברנה קל, ומונע דליפה בלתי רצויה של הממס האורגני ההידרופובי מצד הקליפה לצד הצינור המימי ב- FEM וב- BEM. בנוסף, זרמי הנוזל מוגדרים לזרום במקביל מהבסיס לראש ה-FEM וה-BEM כדי למנוע לכידה של בועות גז שעלולות להצטבר בתוך מודולי הממברנה, מה שמקטין את יעילות ההעברה וגורם לנשיאה. יתר על כן, שיטה זו משתמשת במשאבת דיאפרגמה עם ראש משאבת PTFE עמיד כימית כדי לשאוב את תמיסת המיצוי הקורוזיבית המכילה MCFA, ולהגן על המערכת מפני קורוזיה ותקלות שעלולות לסכן את תהליך החילוץ. לבסוף, תמיסת הפשטת אלקליין מבוקרת pH שומרת על שיפוע pH המאפשר העברה רציפה של MCFA דרך מערכת LLE בשיעורים גבוהים מהביוריאקטור למאגר תמיסת ההפשטה, שם ה- MCFA מתפרקים ומצטברים לטיטרים גבוהים, מה שמקל על התאוששות המוצר במורד הזרם.

שיטת LLE זו מתאימה למיצוי MCFA רציף מביוריאקטורים בקנה מידה מעבדתי (עד נפח עבודה של 6 ליטר) ואומתה לפעולה ארוכת טווח במספר מחקרים 1,9,11,19. שיטת LLE יכולה להיות מיושמת גם עבור יישומים בקנה מידה גדול יותר14 (כלומר, ביוריאקטורים בקנה מידה פיילוט), אך דורשת ממברנות בקנה מידה יחסי וציוד לטיפול בנוזלים. עם זאת, לשיטה יש כמה מגבלות, בעיקר בתחום התחזוקה ומורכבות המערכת. מכיוון שהתהליך מתוכנן לפעול ברציפות, יש לטפל במודולי הממברנה ובמשאבות לעתים קרובות, וכתוצאה מכך זמני השבתה ניכרים. חסרון נוסף הוא שתמיסת ההפשטה דורשת כמויות גדולות יחסית של NaOH וחומצה בורית. יתר על כן, MCFAs הם קורוזיביים וגורמים לרכיבי מערכת LLE מסוימים להתדרדר עם הזמן. לדוגמה, מחברי פלסטיק ובית הממברנה עלולים להיות שבירים, ודורשים החלפה במהלך הפעולה. לבסוף, רשת הטיפול בנוזלים במערכת LLE היא מורכבת, וכוללת נקודות חיבור רבות העלולות לפתח דליפות. עם זאת, רוב המגבלות והחסרונות הללו אופייניים לתהליכי הפרדת קרום רציפים ויש לצפות להם.

בסך הכל, פרוטוקול LLE זה מציע גישה חזקה ויעילה למיצוי MCFA סלקטיבי, שיש לו השלכות על קידום המחקר בתחומים מגוונים. השיטה יכולה למצוא יישומים רלוונטיים רבים בתחום התסיסה המדויקת להתאוששות ממוקדת של תוצרי מטבוליטים חוץ-תאיים במהלך התסיסה. LLE יכולה להיות חלופה בעלות נמוכה יותר לגישות עיבוד קונבנציונליות במורד הזרם (DSP), כגון צנטריפוגה לאחר הפעלה, סינון מיקרו ואולטרה, או מיצוי ממס המבוצע בקבוצות. ואכן, DSP מייצג לעתים קרובות מנוע עלות מרכזי בתהליכי תסיסה תעשייתיים. מיצוי מוצרים רציף באמצעות LLE עשוי גם לאפשר תסיסה מתמשכת, ולשפר באופן דרמטי את הפרודוקטיביות של התפעול ואת יעילות זמן הריצה בהשוואה לגישות אצווה קונבנציונליות או אצווה מוזנת. כמו כן, מחקר עתידי יכול לחקור מדיומים מיצוי שאינם ממיסים אורגניים, כגון ממיסים אאוטקטיים עמוקים או נוזלים יוניים. לבסוף, מערכת LLE המתוארת בפרוטוקול זה נועדה למטרות ניסוי בתנאי מעבדה; לפיכך, יש עדיין מקום רב למחקרי אופטימיזציה כדי להפחית את דרישות האנרגיה, את שטח הממברנה, ואת התפוקה הכוללת ואת שיעורי השאיבה.

Disclosures

אין ניגוד עניינים.

Acknowledgements

המחברים מבקשים להכיר בתמיכה הטכנית והכספית שמספקת תחנת הניסויים החקלאיים באוניברסיטת ג'ורג'יה. בנוסף, המחברים רוצים להודות לסמואל אוגונדיפ, ד"ר רונלד פג וד"ר ג'ון היוק סו על עזרתם בניתוח דגימות תהליך.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
10 L Media BottleDuran218018658
3.5 L Media BottleDuran218016957
Boric acid, 99.5%, ThermoScientific (Fisher Scientific)327132500
Hydrophilic MINIKROS 20CM 0.2UM PES 1MM 1.5TC X 3/4TCRepligenN02-P20U-10-N
L/S Variable-Speed Pump Drive; 100 rpmMasterFlex (VWR)MFLX07528-10
L/S Variable-Speed Pump Drive; 300 rpmMasterFlex (VWR)MFLX07528-20
Light Mineral Oil, NF (4 Liters) (CAS: 8042-47-5)Thomas ScientificC761Z18
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 connections3MLC-02508X50-G453
Magnetic Stirrer, 20 L Capacity, 110 VCole-ParmerEW-04661-29
Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 14MasterFlex (VWR)MFLX06402-14Specific tubing size will depend on application.
Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 16MasterFlex (VWR)MFLX06402-16Specific tubing size will depend on application.
Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 17MasterFlex (VWR)MFLX06402-17Specific tubing size will depend on application.
Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Tygon, Size 18MasterFlex (VWR)MFLX06402-18Specific tubing size will depend on application.
MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 14, Polycarbonate Housing, CRS RotorMasterFlex (VWR)MFLX07014-20Specific pump head size will depend on application.
MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 14, Polycarbonate Housing, CRS RotorMasterFlex (VWR)MFLX07014-20Specific pump head size will depend on application.
MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 16, Polycarbonate Housing, CRS RotorMasterFlex (VWR)MFLX07016-20Specific pump head size will depend on application.
MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 17, Polycarbonate Housing, CRS RotorMasterFlex (VWR)MFLX07017-20Specific pump head size will depend on application.
MasterFlex L/S Standard Pump Head for Precision Tubing L/S 18, Polycarbonate Housing, CRS RotorMasterFlex (VWR)MFLX07018-20Specific pump head size will depend on application.
MasterFlex PTFE-diaphragm pump head, 10 to 100 mL/minMasterFlex (VWR)MFLX07090-62
Oakton 220 pH/ORP/Temperature Controller, 1/8 DINSpectrum Laboratory Products664-12595-E1
Oakton 220 pH/ORP/Temperature Controller, 1/8 DINSpectrum Laboratory Products664-12595-E1
Oakton Female BNC-to-Stripped Wire AdapterSpectrum Laboratory Products664-12592-E1
pH Probe with BNC ConnectorThermoScientific10010-788Any pH probe with a BNC connector will suffice. 
Precision Flow-Adjustment Valve, White Polypropylene, 1/4 NPT Male x MaleMcMaster-Carr7792K57
ProConnex  Fittings Kits - ARepligenACPX-KT2-01NCompatible with Hydrophilic MINIKROS Filter
ProConnex Fittings Kits - BRepligenACPX-KT1-01NCompatible with Hydrophilic MINIKROS Filter
Sodium Hydroxide Pellets for AnalysisSigma Aldrich1.06498
Stainless-Steel Pressure Gauge 0-60 psi Stainless Steel 1/4" NPT 2.5" Face DialNAXJ-219Any comparable pressure gauge covering 0-60 psig range will suffice. 
Trioctylphosphine oxide (TOPO) Sigma-Aldrich346187-100G

References

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

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

JoVE210

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved