H.E.L BioXplorer 助力合成生物学：生物废物发酵液生产 DHA，成本直降！

DHA（二十二碳六烯酸，Docosahexaenoic acid）是一种重要的ω-3多不饱和脂肪酸，主要存在于海洋生物中，是人视网膜和大脑灰质的主要结构脂肪酸，对人类健康有多种益处。

DHA在营养保健品、特殊食品和医药领域应用广泛，传统获取方式依赖于海洋渔业资源，但这种方式面临资源短缺和环境问题。工农业废弃物数量庞大，直接排放会造成环境污染。利用这些废弃物作为发酵原料，不仅可以降低成本，还能实现资源的可持续利用。通过利用廉价的生物废物作为发酵原料，降低DHA的生产成本，使其更具经济可行性。同时开发一种可持续的DHA生产方法，减少对传统渔业资源的依赖。

目前研究中面临一些挑战：需要筛选和改造高产DHA的微生物菌株，以提高生产效率；发酵过程中需要精确控制溶解氧、温度等条件，以确保DHA的高效合成。但利用生物废物发酵液生产DHA的研究不仅有助于解决传统生产方式的资源和环境问题，还具有显著的经济和环境效益，未来发展前景广阔。

案例：利用暗发酵液通过Crypthecodinium cohnii生产DHA并降低工艺成本

Chalima, A., Boukouvalas, C., Oikonomopoulou, V., & Topakas, E. (2022). Crypthecodinium cohnii and reduction in process cost by using a dark fermentation effluent. Chemical Engineering Journal Advances, 11(2022), 100345.

背景: 近年来，生物系统因其环境友好性和对目标产物的特异性生产而受到广泛关注。特别是利用微藻生产ω-3脂肪酸（如DHA）作为一种可持续的替代方案，逐渐受到重视。DHA（二十二碳六烯酸）是一种重要的ω-3脂肪酸，广泛应用于婴儿配方奶粉中。目前，DHA主要通过微藻Crypthecodinium cohnii（C. cohnii）的异养发酵生产。然而，传统的DHA生产依赖于食用碳源，这不符合循环经济的理念。因此，研究者探索利用生物废物发酵产生的挥发性脂肪酸（VFAs）作为碳源，以提高DHA生产的可持续性。

研究方法：本研究旨在通过优化C. cohnii的培养条件，提高从生物废物发酵液（DF effluent）中生产DHA的效率。

·使用BioXplorer 100 mini生物反应器系统进行流加培养，研究不同温度、氮源和C/N比对DHA产量的影响。

·采用响应面方法学RSM优化DHA生产，考察初始C/N比和空气流量（AF）对DHA产量的影响。

·使用中心复合设计（CCD）进行实验设计，考察C/N比（5-25 g C/g N）和AF（50-100 mL/min）对DHA产量的影响。

实验结果：

温度和氮源的影响

·温度：23℃是细胞生长的最佳温度，而27℃和15℃则有利于脂质积累。两阶段发酵（如23℃到27℃）未能显著提高DHA产量。

·氮源：YE作为氮源比硫酸铵（Am）更有利于细胞生长和脂质积累。

DF发酵液的影响

·VFAs浓度：高VFAs浓度的发酵液（如DF effluent #4）显著提高了细胞生物量和DHA产量。

·不同发酵液的比较：DF effluent #3由于含有较高比例的丙酸，表现出更好的DHA积累效果。

RSM优化结果

·模型建立：通过RSM建立了描述DHA产量的数学模型，模型拟合度良好（R² = 0.8648）。

·优化条件：模型预测在高AF和低C/N比条件下DHA产量最高，但实际实验中受限于设备和成本，未能达到理想条件。

成本评估

·变量成本：主要受YE和SA的购买成本以及通气系统的运行成本影响。

·规模扩大：从1 m³到20 m³的生物反应器规模扩大显著降低了DHA的生产成本，预计在10 m³以上规模时，DHA的生产成本可降至2700 €/kg以下，与市场价（5000 €/kg）相当。

结论：

·本研究通过优化C. cohnii的培养条件，成功提高了从生物废物发酵液中生产DHA的效率，并降低了生产成本。

·未来的研究方向包括进一步优化培养条件、探索更高效的VFAs发酵液组成以及扩大生产规模以降低成本。

·可持续性：本研究展示了利用生物废物发酵液生产DHA的可行性，符合循环经济和可持续发展的理念。

·成本效益：通过优化培养条件和扩大生产规模，显著降低了DHA的生产成本，使其在工业应用中更具竞争力。

生物合成培养：使用H.E.L BioXplorer用于优化C. cohnii的培养条件

流加培养准备：

·使用BioXplorer 100 mini生物反应器系统进行流加培养。

·初始培养基包含25 g/L海盐、15 g/L乙酸钠（SA）和酵母提取物（YE）或硫酸铵（Am），具体取决于所需的C/N比。

·培养体积为100 mL，温度维持在23℃，搅拌速度为160 rpm。

温度和氮源优化：

·考察了不同温度（23℃、27℃）和氮源（YE、Am）对DHA产量的影响。

·通过“一次一变”（OVAT）方法，确定了23℃和YE作为最佳条件。

流加培养过程：

·流加培养持续6天，使用33%（v/v）的乙酸作为碳源。

·在OVAT实验中，温度保持在23℃或按照两阶段温度变化（23℃到27℃或15℃）进行。

·在RSM实验中，使用合成的DF发酵液（与DF effluent #4的VFAs和氮组成相同）作为流加培养的碳源。

响应面方法学（RSM）：

·采用中心复合设计（CCD）进行实验设计，考察初始C/N比（5-25 g C/g N）和空气流量（AF，50-100 mL/min）对DHA产量的影响。

·通过RSM建立了描述DHA产量的数学模型，并优化了培养条件。

数据记录与分析：

·使用Design Expert软件进行实验设计和数据分析。

·通过GC-MS分析细胞中的脂肪酸组成，确定DHA含量。

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