QU25を用いた乳酸生産のための細胞保持時間を増加させた連続混合糖発酵の動的シミュレーション

Dynamic simulation of continuous mixed sugar fermentation with increasing cell retention time for lactic acid production using QU 25.

• Ying Wang
• Ka-Lai Chan
• Mohamed Ali Abdel-Rahman
• Kenji Sonomoto
• Shao-Yuan Leu

抄録

背景:

発酵におけるペントースとヘキソースの同時かつ効果的な変換は、リグノセルロース経済の実現に向けた重要かつ挑戦的な課題である。本研究では、混合糖利用のためのセルリサイクルユニット（CF/CR）を用いた革新的な共発酵プロセスの実現可能性を調査することを目的としている。乳酸産生菌株QU25を連続発酵プロセスに適用し、流動条件を変化させて混合糖の利用率を変化させた。これらの実験をもとに数理モデルを構築し、生物学的プロセスを最適化するとともに、速度論的解析により細胞の代謝を明らかにした。この構造化されたモデル、動態パラメータ、発酵戦略の達成は、プロセス制御と最適化のためのリアルタイムモニタリングを通じ、全糖発酵の新たな知見を提供するものである。

Background: The simultaneous and effective conversion of both pentose and hexose in fermentation is a critical and challenging task toward the lignocellulosic economy. This study aims to investigate the feasibility of an innovative co-fermentation process featuring with a cell recycling unit (CF/CR) for mixed sugar utilization. A l-lactic acid-producing strain QU 25 was applied in the continuous fermentation process, and the mixed sugars were utilized at different productivities after the flowing conditions were changed. A mathematical model was constructed with the experiments to optimize the biological process and clarify the cell metabolism through kinetics analysis. The structured model, kinetic parameters, and achievement of the fermentation strategy shall provide new insights toward whole sugar fermentation via real-time monitoring for process control and optimization.

結果:

グルコース/キシロース混合糖を用いた共発酵では、グルコースをセロビオースに置換することで大幅な炭素異化抑制効果が得られ、消費されるペントースと消費されるヘキソースの比率は質量比で0.096から0.461へと大幅に増加した。50gLのセロビオースと30gLのキシロースを最適化した希釈率0.2hで使用した場合、傑出した生成物濃度65.2gL、生産性13.03gLhを達成し、細胞保持時間が徐々に増加した。全乳酸生産量のうち、キシロースは混合糖の34%以上を占めており、農業残渣中の関連含有量に近い値であった。このモデルは、バッチ式、連続プロセス式、CF/CR 式の糖消費量、細胞増殖、乳酸生産量の推移をシミュレーションすることに成功した。

Results: Significant carbon catabolite repression in co-fermentation using a glucose/xylose mixture was overcome by replacing glucose with cellobiose, and the ratio of consumed pentose to consumed hexose increased significantly from 0.096 to 0.461 by mass. An outstanding product concentration of 65.2 g L and productivity of 13.03 g L h were achieved with 50 g L cellobiose and 30 g L xylose at an optimized dilution rate of 0.2 h, and the cell retention time gradually increased. Among the total lactic acid production, xylose contributed to more than 34% of the mixed sugars, which was close to the related contents in agricultural residuals. The model successfully simulated the transition of sugar consumption, cell growth, and lactic acid production among the batch, continuous process, and CF/CR systems.

結論:

細胞保持時間は、CF/CRプロセスにおけるペントースとヘキソースの消費、細胞崩壊、乳酸生産のバランスをとる上で重要な役割を果たした。細胞濃度の増加に伴い、混合糖の消費量は最終製品の生産性に応じて増加し、基質阻害の影響は減少した。検証されたパラメータでは、モデルは CF/CR プロセスをシミュレートする最高の精度を示し、水圧保持時間と比較して有意に長いセル保持時間がテストされた。

Conclusion: Cell retention time played a critical role in balancing pentose and hexose consumption, cell decay, and lactic acid production in the CF/CR process. With increasing cell concentration, consumption of mixed sugars increased with the productivity of the final product; hence, the impact of substrate inhibition was reduced. With the validated parameters, the model showed the highest accuracy simulating the CF/CR process, and significantly longer cell retention times compared to hydraulic retention time were tested.

© The Author(s) 2020.