Biotechnology and Bioengineering

Ba mươi chủng vi sinh tảo đã được sàng lọc trong phòng thí nghiệm để đánh giá năng suất sinh khối và hàm lượng lipid của chúng. Bốn chủng (hai chủng biển và hai chủng nước ngọt), được lựa chọn vì tính ổn định, năng suất cao và hàm lượng lipid tương đối cao, đã được nuôi cấy trong điều kiện thiếu nitơ trong ống khí 0.6L. Chỉ có hai chủng vi sinh tảo biển tích lũy lipid dưới những điều kiện như vậy. Một trong số đó, tảo eustigmatophyte Nannochloropsis sp. F&M-M24, đã đạt được 60% hàm lượng lipid sau khi thiếu nitơ, được nuôi trong photobioreactor phẳng 20L để nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ bức xạ và sự thiếu hụt dinh dưỡng (nitơ hoặc phốt pho) đến sự tích lũy axit béo. Hàm lượng axit béo tăng lên với cường độ bức xạ cao (đến 32.5% sinh khối khô) và theo cả sự thiếu hụt nitơ và phốt pho (lên đến khoảng 50%). Để đánh giá tiềm năng sản xuất lipid dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên, chủng này đã được nuôi ngoài trời trong các photobioreactor tấm xanh 110L ở cả điều kiện cung cấp và thiếu hụt dinh dưỡng. Năng suất lipid tăng từ 117 mg/L/ngày trong môi trường cung cấp dinh dưỡng (với năng suất sinh khối trung bình 0.36 g/L/ngày và 32% hàm lượng lipid) lên 204 mg/L/ngày (với năng suất sinh khối trung bình 0.30 g/L/ngày và hơn 60% hàm lượng lipid cuối cùng) trong môi trường thiếu nitơ. Trong một quy trình nuôi cấy hai giai đoạn (một giai đoạn cung cấp dinh dưỡng để sản xuất giống sau đó là một giai đoạn thiếu hụt nitơ để thúc đẩy tổng hợp lipid), tiềm năng sản xuất dầu có thể được dự đoán là hơn 90 kg trên mỗi hectare mỗi ngày. Đây là báo cáo đầu tiên ghi nhận sự gia tăng cả hàm lượng lipid và năng suất lipid theo diện tích đạt được thông qua việc thiếu hụt dinh dưỡng trong một nền văn hóa tảo ngoài trời. Các thí nghiệm cho thấy eustigmatophyte biển này có tiềm năng sản xuất hàng năm đạt 20 tấn lipid mỗi hectare trong khí hậu Địa Trung Hải và hơn 30 tấn lipid mỗi hectare ở các khu vực nhiệt đới nắng gắt. Biotechnol. Bioeng. 2009;102: 100–112. © 2008 Wiley Periodicals, Inc.

Thông tin liên quan đến quá trình thủy phân enzym của cellulose bằng các hệ thống enzyme cellulase không phức tạp được xem xét với trọng tâm đặc biệt về việc phát triển một hiểu biết tổng hợp, bao gồm cả các đặc điểm của cơ chất bên cạnh nồng độ và nhiều thành phần cellulase. Các chủ đề được xem xét bao gồm các đặc tính của cellulose, sự hấp phụ, quá trình thủy phân cellulose và các mô hình định lượng. Một sơ đồ phân loại được đề xuất cho các mô hình định lượng cho quá trình thủy phân enzym của cellulose dựa trên số lượng các hoạt động hòa tan và các biến trạng thái của cơ chất được đưa vào. Chúng tôi cho rằng thời điểm hiện tại là thời điểm thích hợp để xem xét và làm sống lại mô hình chức năng của quá trình thủy phân cellulose, và rằng điều này sẽ mang lại lợi ích lớn, nếu không nói là cần thiết, để kết nối khối lượng thông tin lớn có sẵn về các thành phần cellulase với các ứng dụng chính thúc đẩy sự quan tâm đến chủ đề này. © 2004 Wiley Periodicals, Inc.

Các quy tắc chung cho việc tối ưu hóa các hệ thống biocatalytic khác nhau trong nhiều loại dung môi chứa dung môi hữu cơ được rút ra bằng cách kết hợp dữ liệu từ tài liệu, và logarithm của hệ số phân bố, log P, như một thước đo định lượng độ phân cực của dung môi. (1) Biocatalysis trong dung môi hữu cơ có hiệu quả thấp ở các dung môi phân cực có log P < 2, có hiệu quả trung bình ở các dung môi có log P giữa 2 và 4, và hiệu quả cao ở các dung môi phân cực có log P > 4. Kết quả nghiên cứu cho thấy mối liên hệ giữa độ phân cực và hoạt tính phù hợp với khả năng của các dung môi hữu cơ trong việc làm biến dạng lớp nước thiết yếu giúp ổn định các biocatalysts. (2) Việc tối ưu hóa thêm biocatalysis trong các dung môi hữu cơ đạt được khi độ phân cực của vi môi trường của biocatalyst (log P_i) và pha hữu cơ liên tục (log P_cph) được điều chỉnh theo độ phân cực của cả chất nền (log P_s) và sản phẩm (log P_p) theo các quy tắc sau: |log P_i − log P_s| và |log P_cph − log P_p| nên là tối thiểu và |log P_cph − log P_s| và |log P_i − log P_p| nên là tối đa, với ngoại lệ rằng trong trường hợp ức chế chất nền, log P_i, nên được tối ưu hóa liên quan đến log P_s. Ngoài các quy tắc tối ưu hóa đơn giản này, các phát triển trong tương lai của biocatalysis trong dung môi hữu cơ cũng được thảo luận.

Phương pháp phản ứng chuỗi polymerase theo thời gian thực (PCR) là một phương pháp nhạy cảm cao có thể được sử dụng để phát hiện và định lượng quần thể vi sinh vật mà không cần nuôi cấy chúng trong các quy trình kỵ khí và mẫu môi trường. Công việc này được thực hiện nhằm thiết kế các bộ mồi và đầu dò để phát hiện vi khuẩn sản xuất metan bằng phương pháp PCR thời gian thực với hệ thống TaqMan. Sáu bộ mồi và đầu dò đặc hiệu cho từng nhóm đã được thiết kế. Các bộ này phát hiện riêng biệt bốn bộ (Methanococcales, Methanobacteriales, Methanomicrobiales, và Methanosarcinales) cùng với hai họ (Methanosarcinaceae và Methanosaetaceae) thuộc bộ Methanosarcinales. Chúng tôi cũng đã thiết kế các bộ mồi và đầu dò phổ quát mà phát hiện cụ thể 16S rDNA của prokaryote và của miền Bacteria và Archaea, và hoàn toàn tương thích với hệ thống PCR thời gian thực TaqMan. Đặc hiệu nhóm mục tiêu của từng bộ mồi và đầu dò đã được xác nhận một cách thực nghiệm bằng cách thử nghiệm DNA tách chiết từ 28 văn hóa vi khuẩn cổ và bằng cách phân tích các kết quả sai lệch tiềm ẩn. Nói chung, mỗi bộ mồi và đầu dò rất đặc hiệu với nhóm mục tiêu. Các bộ mồi và đầu dò được thiết kế trong nghiên cứu này có thể được sử dụng để phát hiện và định lượng các nhóm sản xuất metan ở cấp độ bộ (cấp độ họ trong trường hợp Methanosarcinales) trong các quá trình sinh học kỵ khí và các môi trường khác nhau. © 2005 Wiley Periodicals, Inc.

Trong những năm gần đây, Hà Lan đã nỗ lực đáng kể trong việc phát triển một quy trình xử lý kị khí tinh vi hơn, phù hợp cho việc xử lý các loại chất thải có độ mạnh thấp và cho các ứng dụng với thời gian lưu nước từ 3-4 giờ. Những nỗ lực này đã dẫn đến một loại quy trình bùn hoạt tính lên (UASB) mới, trong các thí nghiệm tại nhà máy thí điểm 6 m³ gần đây, cho thấy khả năng xử lý tải lượng không gian hữu cơ từ 15-40 kg nhu cầu oxy hóa học (COD)·m⁻³/ngày tại thời gian lưu nước 3-8 giờ. Trong nhà máy lớn quy mô 200 m³ đầu tiên của khái niệm UASB, các tải lượng không gian hữu cơ lên đến 16 kg COD·m⁻³/ngày đã có thể được xử lý một cách thỏa đáng với thời gian lưu 4 giờ, sử dụng chất thải củ cải đường làm đầu vào. Các kết quả chính obtained được từ quy trình trong phòng thí nghiệm cũng như trong các thí nghiệm nhà máy thí điểm 6 m³ và quy mô đầy đủ 200 m³ được trình bày và đánh giá trong bài báo này. Sự chú ý đặc biệt được dành cho các đặc điểm vận hành chính của khái niệm phản ứng UASB. Hơn nữa, một số kết quả tạm thời được trình bày từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm liên quan đến việc sử dụng khái niệm phản ứng USB cho quá trình khử nitrat cũng như cho bước hình thành axit trong xử lý kị khí. Đối với cả hai mục đích, quy trình này có vẻ khả thi vì những kết quả rất thỏa đáng liên quan đến khử nitrat và hình thành axit có thể đạt được với các tải lượng thủy lực rất cao (12 ngày⁻¹) và tỷ lệ tải lượng hữu cơ cao, tức là, 20 kg COD·m⁻³/ngày trong các thí nghiệm khử nitrat và 60-80 kg COD·m⁻³/ngày trong các thí nghiệm hình thành axit.

Một mô hình toán học được trình bày cho cả văn hóa lô (batch) và liên tục của các vi sinh vật sử dụng các chất nền ức chế. Đặc điểm chính của mô hình là sử dụng một hàm ức chế để liên hệ giữa nồng độ chất nền và tỷ lệ phát triển đặc trưng. Các nghiên cứu mô phỏng cho thấy rằng kết quả chính của sự ức chế do chất nền trong một văn hóa lô là sự gia tăng thời gian trễ (lag time), trong khi trong văn hóa liên tục, sự ức chế do chất nền có thể dẫn đến sự không ổn định của quá trình. Mô hình này có thể có giá trị trong các nghiên cứu về tính ổn định của các quá trình sinh học được sử dụng để xử lý một số loại chất thải công nghiệp nhất định như những chất chứa phenol, thiocyanat, nitrat, amoniac, acid bay hơi, v.v., được biết đến là có tính ức chế đối với nhiều loại vi sinh vật chuyển hóa chúng.

Việc phủ bạc nano lên bọt polyurethane (PU) thông dụng có thể được thực hiện bằng cách ngâm bọt trong dung dịch hạt nano qua đêm. Việc rửa và làm khô trong không khí nhiều lần dẫn đến bọt PU được phủ đồng nhất, có thể được sử dụng như một bộ lọc nước uống trong bối cảnh ô nhiễm vi sinh vật của nguồn nước bề mặt là một nguy cơ sức khỏe. Các hạt nano rất ổn định trên bọt và không bị rửa trôi bởi nước. Hình thái của bọt được duy trì sau khi phủ. Sự liên kết của hạt nano là do sự tương tác với nguyên tử nitơ của PU. Các thử nghiệm trực tuyến đã được thực hiện với một bộ lọc nước mẫu. Tại lưu lượng 0.5 L/phút, trong đó thời gian tiếp xúc khoảng một giây, số lượng Escherichia coli đầu ra là không có khi nước đầu vào có tải trọng vi khuẩn 10⁵ đơn vị hình thành thuộc địa (CFU) trên mỗi mL. Kết hợp với chi phí thấp và hiệu quả trong các ứng dụng, công nghệ này có thể có những tác động lớn đến các nước đang phát triển. © 2005 Wiley Periodicals, Inc.

Các hạt gel alginate calci đã được chuẩn bị từ một loạt các alginate đã được đặc trưng tốt. Tính chất vật lý của các hạt phụ thuộc mạnh vào thành phần, cấu trúc tuần tự, và kích thước phân tử của các polymer. Các hạt với độ bền cơ học cao nhất, độ co ngót thấp nhất, độ ổn định tốt nhất đối với các cation đơn hóa trị, và độ xốp cao nhất được tạo ra từ alginate có hàm lượng axit L‐guluronic cao hơn 70% và chiều dài trung bình của các khối G cao hơn 15. Đối với những alginate “g cao” này, độ nhớt nội tại tại điểm trùng lặp quan trọng đã được xác định, và đối với trọng lượng phân tử cao hơn 2,4 × 10⁵, độ bền của gel không phụ thuộc vào trọng lượng phân tử.

Mục tiêu của nghiên cứu nhằm hiểu biết về đóng góp của enzyme đối với chi phí của nhiên liệu sinh học lignocellulosic, chúng tôi đã xây dựng một mô hình kinh tế kỹ thuật cho việc sản xuất cellulase từ nấm. Chúng tôi phát hiện ra rằng chi phí sản xuất enzyme cao hơn nhiều so với mức thường được giả định trong tài liệu hiện có. Ví dụ, đóng góp chi phí của enzyme vào lượng ethanol sản xuất từ quá trình chuyển đổi thân cây ngô được tính là 0,68 đô la Mỹ/gallon nếu như đường trong sinh khối có thể được chuyển đổi với hiệu suất lý thuyết tối đa, và 1,47 đô la Mỹ/gallon nếu hiệu suất dựa trên hiệu suất đường hóa và lên men đã được báo cáo trước đó trong tài liệu khoa học. Chúng tôi đã thực hiện phân tích độ nhạy để nghiên cứu tác động của giá nguyên liệu cũng như thời gian lên men đến phần đóng góp của enzyme vào giá ethanol. Chúng tôi kết luận rằng một nỗ lực đáng kể vẫn cần thiết để giảm chi phí đóng góp của enzyme vào chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học. Biotechnol. Bioeng. 2012; 109:1083–1087. © 2011 Wiley Periodicals, Inc.