利用中空纤维膜从发酵液中连续萃取中链脂肪酸

Kayode J. Taiwo; Hubert Nguyen; Joseph  G. Usack

doi:10.3791/66956

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利用中空纤维膜从发酵液中连续萃取中链脂肪酸

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DOI：

10.3791/66956

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2024年8月9日

Kayode J. Taiwo¹ , Hubert Nguyen¹ , Joseph G. Usack¹^,²^,³

¹Department of Food Science and Technology, University of Georgia, ²New Materials Institute, University of Georgia, ³Institute for Integrative Agriculture, Office of Research, University of Georgia

本文内容

摘要

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且选择性地萃取中链脂肪酸（MCFAs）。该LLE系统能够从含有短链脂肪酸和醇类的发酵液中实现高特异性的MCFA分离。同时，MCFAs被浓缩于 stripping 溶液中，以促进产物的回收。

摘要

中链脂肪酸（MCFAs；碳链长度：C6–C12）是一类高价值的平台化学品，广泛应用于多个工业领域，包括绿色抗菌剂、食品成分、动物饲料添加剂、化妆品、香料、药品以及结构化脂质。目前，大多数MCFAs来源于东南亚和南美洲的棕榈油和椰子油。传统的棕榈和椰子果实采收方式对这些地区的生态环境造成了显著破坏。因此，研究人员正在开发基于生物技术的方法（例如精准发酵和开放培养发酵），利用低价值底物（如甲醇、乙醇、乳酸）或有机废弃物作为原料，以更可持续的方式生产MCFAs。微生物链延伸（CE）是一种快速发展的开放培养发酵技术平台，能够以工业上可接受的速率将短链脂肪酸（SCFAs；碳链长度：C1–C5）转化为部分MCFAs。然而，连续原位提取中链脂肪酸（MCFA）产物不仅有助于避免产物抑制，还能促进以纯净且可利用的形式回收MCFAs。使用中空纤维膜和靶向萃取剂混合物的液-液萃取（LLE）已被证实是一种从含有短链脂肪酸（SCFAs）的发酵液中选择性提取中链脂肪酸（MCFA）产物的可靠方法。本文以毛细管电泳（CE）作为参考发酵系统，以矿物油中3%（w/v）三辛基氧化膦为萃取体系，展示了LLE在连续去除MCFA中的应用。该方法可选择性地从含SCFA的发酵液中去除戊酸（C5）至辛酸（C8）范围内的脂肪酸，并将其浓缩至半连续式碱性反萃取液中，达到较高的滴度，便于后续处理。

引言

中链脂肪酸（MCFAs）是一类高价值的平台化学品，其碳链长度介于六个（C6）至十二个碳原子（C12）之间。MCFAs 在食品、动物饲料、药品、化妆品、香料、抗菌剂以及化学合成等领域具有广泛的工业应用。¹^,²^,³目前，大多数中链脂肪酸来源于东南亚和南美洲的棕榈油和椰子油。⁴^,⁵棕榈油和椰子油生产所导致的严重生态破坏已广受利益相关方和公众认可。研究人员正在探索利用低价值底物或有机废弃物作为原料，通过生物方法（例如精准发酵和开放式培养发酵）更可持续地生产中链脂肪酸（MCFAs）。⁶^,⁷一种可持续生产中链脂肪酸（MCFAs）的方法是利用一种称为微生物链延长（chain elongation, CE）的过程对有机废物流进行升级回收。这种二次发酵生物过程类似于厌氧消化，均利用厌氧开放培养微生物群落的多功能性，但与促进甲烷生成的厌氧消化不同，CE系统有意抑制产甲烷途径。在碳无法被最大程度还原为CH₄的微生物群落中，₄，也不含 H₂ 保持在10以下^-4 由耗氢古菌消耗氢气的情况下，通常将长链羧酸盐分解为乙酸的β-氧化反应（例如 C6 → C4 → C2）可以被逆转（例如 C2 → C4 → C6 等），只要存在一种还原性化合物（即，提供电子供体（如乙醇或乳酸）⁸在此代谢过程中，发生延长的脂肪酸分子作为电子受体。因此，不会生成碳链长度为一（CH₄）与厌氧消化类似，CE 工艺可生成碳链长度为六至八的中链脂肪酸（MCFAs）。目前已有规模庞大且不断增长的市场准备接纳这些绿色平台化学品。然而迄今为止，CE 工艺尚未实现碳链长度超过八个碳原子的中链脂肪酸在可观速率下的生产。

高效提取这些中链脂肪酸（MCFA）不仅对于目标产物的回收至关重要，而且有助于防止产物抑制，并推动微生物群落持续生成更多的MCFA¹。随着MCFA浓度的升高，其代谢过程会受到抑制，热力学上也不再有利。通过持续移除MCFA，可维持较高的产率。此外，由于短链脂肪酸（SCFA）是链延伸过程的前体结构，因此不应将其从发酵液中去除。目标萃取剂混合物应能够选择性地从含有SCFA的发酵液中提取MCFA产物。

本文展示了一种稳健且实用的方法，通过液-液萃取（LLE）系统连续从含有短链脂肪酸（SCFA）的发酵液中提取中链脂肪酸（MCFA）。该系统包括一个疏水性聚丙烯正向中空纤维膜萃取器、一种选择性有机萃取剂溶液（三辛基氧化膦 [TOPO]⁹^,¹⁰^,¹¹）以及一个反向中空纤维膜萃取器。在LLE系统上游安装了细胞保护过滤器，用于截留生物量并减轻膜污染。MCFA以其质子化形式从水相发酵液（通常设定pH值<5.8）中正向萃取至有机萃取剂溶液（即矿物油中含3% TOPO w/v）中，随后反向萃取进入碱性解吸液（pH = 9），在其中去质子化并浓缩至较高滴度，以便后续处理。特定的pH设定值至关重要，因为它们决定了LLE过程中各相之间的浓度梯度，从而确保MCFA从发酵液向解吸液的净转移。采用正向与反向萃取膜的LLE方法可在实现高萃取率的同时，最大限度减少醇类和SCFA的共萃取。有机溶剂助剂TOPO可促进MCFA络合物的形成，这些络合物在有机相中的溶解度高于水相，因而实现了对MCFA的高选择性。该LLE过程还避免了现有方法所伴随的多种缺点，相关内容将在讨论部分进行阐述。多项研究已证实，该LLE方法可长期稳定运行⁹^,¹⁰^,¹¹。尽管该方法特别适用于通过微生物链延伸途径生产MCFA的应用场景，但也可用于其他需要选择性分离具有相似化学性质化合物的场合，因为有机萃取体系可根据需要进行定制。

方案

本研究所用的试剂、耗材和仪器列于材料表中。

1. 构建并整合生物反应器与液-液萃取系统

准备有机相萃取溶液和储液器。
1. 使用磁力搅拌器和搅拌子，将60 g三辛基膦氧化物（TOPO）溶解于矿物油中，配制2 L有机相萃取溶液。
2. 将萃取溶液加入2 L玻璃储液瓶（例如Schott瓶）中。
3. 将储液瓶置于磁力搅拌器上（图1A）。连续液-液萃取（LLE）操作期间推荐的搅拌速度为150–250 rpm。
为萃取溶液储液器准备三通盖。
1. 在第一个端口连接浸入管，作为向正向萃取膜（FEM）供料的出液口（图1B）。
2. 在第二个端口安装连接件，作为从反向萃取膜（BEM）返回萃取溶液的回流口（图1C）。
3. 增加第三个与大气相通的端口，以缓冲隔膜泵引起的压力波动。
将隔膜泵连接至萃取膜组件。
1. 在储液器旁放置一台配备聚四氟乙烯（PTFE）隔膜泵头的100 rpm可调速泵驱动装置（图1D）。
2. 使用柔性泵管（例如16号、18号）将萃取溶液储液器的出液口（图1A）连接至隔膜泵的入口，再将隔膜泵的出口连接至FEM底部的壳程入口（图1B）。
3. 使用柔性泵管（例如18号）将FEM顶部的壳程出口连接至BEM底部的壳程入口（图1C）。
4. 使用柔性泵管（例如16号、18号）将BEM顶部的壳程出口连接至萃取溶液储液器的回流口（图1A）。
  注：该系统组件将FEM中从发酵液中萃取出的中链脂肪酸（MCFA）转移至BEM中的脱除液中。
准备水相脱除溶液和储液器。
1. 取0.5 M硼酸溶液，用NaOH调节至pH 9，配制3.25 L水相脱除溶液。
2. 将溶液倒入带有磁力搅拌子的3.5 L玻璃储液瓶中。
3. 将储液瓶置于磁力搅拌器上（图1E）。
为脱除溶液储液器准备四通盖。
1. 在第一个端口连接浸入管，作为向BEM供料的出液口。
2. 在第二个端口安装Y型接头，用于：（1）作为脱除溶液从BEM返回的回流口；（2）作为pH控制系统中NaOH添加的进液流道。
3. 增加第三个与大气相通的端口，以容纳因NaOH添加和MCFA积累引起的体积增加。
4. 预留第四个端口，用于安装pH控制器的pH探针。
在脱除溶液储液器上安装pH控制系统。
1. 将pH控制系统（设定pH值为9）与脱除溶液储液器集成（图1F）。使用5 M NaOH作为pH控制器的碱液，以中和收集的MCFA。
2. 将pH探针插入脱除溶液储液器的端口，并悬置于脱除溶液中。
  注：该pH控制系统无需酸性溶液。
准备生物反应器连接端口。
1. 在生物反应器上指定两个端口，分别为出液口和回流口，用于与液-液萃取（LLE）系统连接（图1G、H）。
2. 在出液口连接浸入管。富含MCFA的发酵液将从该出液口泵入LLE系统。
  注：发酵液首先进入中空纤维膜过滤器，再进入萃取膜，以去除细胞和其他固体，防止膜污染。
3. 在回流口安装三通接头，用于接收：（1）从FEM循环返回的MCFA贫化发酵液；（2）来自中空纤维膜过滤器的含细胞截留液。
安装中空纤维膜过滤器。
1. 在生物反应器旁放置一台300 rpm可调速泵驱动装置（图1I）。
2. 将亲水性中空纤维膜（图1J）固定在蠕动泵上方的铁架台上。
3. 在泵驱动装置上堆叠两个蠕动泵头，分别为大尺寸（例如17号）和小尺寸（例如16号）。
  注：较大的泵头连接至中空纤维膜过滤器，以确保渗透液流速高于进入FEM的进料流速。否则，渗透液消耗速度将超过其生成速度，导致真空形成。
4. 使用柔性泵管（例如17号）将生物反应器的出液口连接至大泵头的入口。
5. 使用柔性泵管（例如17号）将大泵头的出口连接至过滤器底部的管程入口。
6. 封闭过滤器顶部的壳程端口，防止空气进入。
  注：富含MCFA的发酵液（含细胞）将沿中空纤维管向上流动并返回生物反应器。澄清的发酵液（无细胞）将穿过0.2 µm亲水性聚醚砜（PES）膜，收集于过滤器的壳程侧。
连接FEM。
1. 将第一个疏水性中空纤维膜组件（FEM）固定在泵上方的铁架台上（图1B）。
2. 使用柔性泵管（例如16号、18号）将亲水性中空纤维膜过滤器（图1J）的壳程出口连接至小泵头的入口。
3. 使用柔性泵管（例如16号、18号）将小泵头的出口连接至FEM模块底部的管程入口。
4. 使用连接接头和三通接头将压力表（图1K）和限流阀（图1L）连接至FEM的管程出口。
5. 使用柔性泵管（例如18号）将FEM的管程出口连接至生物反应器的回流口。
  注：该系统组件将MCFA从澄清的发酵液转移至萃取溶液中，再将澄清的发酵液返回生物反应器。
连接BEM。
1. 在生物反应器旁放置一台配备蠕动泵头（例如16号）的300 rpm可调速泵驱动装置（图1M）。
2. 将第二个疏水性中空纤维膜组件固定在蠕动泵上方的铁架台上（图1C）。
3. 使用柔性泵管（例如16号、18号）将脱除溶液储液器的出液口连接至蠕动泵的入口，再将泵的出口连接至BEM底部的管程入口。
4. 使用连接接头和三通接头将压力表和限流阀连接至BEM的管程出口。
5. 使用柔性泵管（例如16号、18号）将BEM顶部的管程出口连接至脱除溶液储液器的回流口。
  注：该系统组件将MCFA从萃取溶液转移至BEM中的脱除溶液，再将脱除溶液返回其储液器。

2. 启动液-液萃取系统的操作

启动并循环水相管线。
1. 开启剥离液蠕动泵/BEM（图1M）并将泵速设定为实现 25–250 mL·min 的恒定流速^-1BEM 可以适应相对较宽的流速范围。初始时应采用保守的较高流速，以确保充分提取中链脂肪酸（MCFA）。在后续运行过程中可逐步降低流速，以延长泵设备和管路的使用寿命。
  注意：流速不应过低，以免导致生物反应器培养液中中链脂肪酸（MCFAs）积累（见代表性结果）。
2. 缓慢关闭BEM壳程出口的针型阀图1C以建立约 5 psig 的背压。
3. 打开生物反应器/FEM蠕动泵（图1I）并将泵速设置为实现 25–250 mL·min 之间的恒定流速^-1有限元法（FEM）可适应相对较宽的流速范围。初始时应采用保守的较高流速，以确保充分提取中链脂肪酸（MCFA）。在后续运行过程中可逐步降低流速，以延长泵设备和管路的使用寿命。
  注意：流速不应过低，以免导致生物反应器培养液中中链脂肪酸（MCFAs）积累（参见代表性结果部分）。
4. 缓慢关闭FEM壳程出口的针型阀图1B) 以建立约 5 psig 的背压。
5. 目视检查回流管路，确保液体流动稳定且管路已充分预充。
6. 验证在中空纤维膜滤器的壳程一侧是否收集到澄清的液体图1J).
  注意：填充FEM并在中空纤维膜过滤器与FEM之间建立稳定流速需要数小时。流速不应过低，以免导致生物反应器培养液中中链脂肪酸（MCFAs）积聚（参见代表性结果部分）。
引出并循环有机相管线。
1. 打开有机相萃取液隔膜泵图1D）并将泵速设定为实现 5.0–50 mL·min 之间的恒定流速^-1初始时应采用保守的较低流速，以降低有机相萃取中的压力，并尽量减少交叉污染的风险。如有必要，可在后续操作中逐步提高流速，以提升萃取效率
2. 等待有限元法（FEM）和边界元法（BEM）填充完成。
3. 目视检查提取液储液罐的回流口，以确保液体持续流动。
4. 确认有机相溶液未进入反萃取液或发酵 broth 管路。若发生交叉污染，可在管路中观察到有机相的微小液滴。一旦出现此情况，应降低隔膜泵转速，并根据实际情况适当增加 FEM 或 BEM 处的背压，但不得超过 10 psig。
  注意：为防止膜交叉，在启动有机相管路之前，必须先在水相管路中建立流动和背压。
持续从生物反应器中提取中链脂肪酸。
1. 液液萃取系统应处于完全运行状态。在生物反应器运行期间，需让该系统持续连续运转。
2. 每日检测生物反应器中中链脂肪酸（MCFA）的浓度，以确保充分提取MCFA。若生物反应器中MCFA浓度升高，通常表明发酵液通过FEM的流速不足，也可能提示膜通量因污染而下降，需要进行维护（参见步骤2.6）。
  注意：可测定 SCFA 和 MCFA 浓度通过气相色谱法，依据 Ge 等人所述方法进行¹¹.
监测剥离溶液储液器中中链脂肪酸的积累情况。
1. 在批次运行期间，每天测定萃取液中的中链脂肪酸（MCFA）浓度。液-液萃取（LLE）系统持续将MCFA从生物反应器转移至萃取液中，使MCFA浓度随时间逐渐升高。该过程可长时间运行以实现高滴度的MCFA生产。MCFA的体积生产速率（mM C·L⁻¹·d⁻¹）可通过以下公式计算。^-1·d^-1）可使用公式 1 进行估算¹¹.
  注：体积生产速率 = $化学反应器动力学方程，[C_{b,n}*V_{b,n}/HRT_n + ((C_{S,n}-C_{S,n-1})*V_{S,n})/(t_n-t_{n-1})]*[1/V_{b,n}]。$ (公式 1)
  其中：
  C_b,n第 n 天发酵液中中链脂肪酸（MCFA）的浓度，mM C
  C_s,n第 n 天萃取液中的中链脂肪酸（MCFA）浓度，mM C
  C_s,n-1= 第 n-1 天反萃液中 MCFA 的浓度，mM C
  V_s,n第n天剥离液的体积，L
  V_b,n第n天发酵液（生物反应器）体积，L
  HRT_n第n天生物反应器的水力停留时间，d
  T_n第n天，d
  T_n-1= 第n-1天，d
2. 为确保稳定运行，需定期计算提取速率（mM C·d^-1通过测量不同时间点MCFA浓度的变化并应用公式2，来确定液-液萃取系统（LLE系统）的值¹¹.
  注意： (公式 2)
  其中：
  C_s,n第 n 天反萃液中的中链脂肪酸浓度，mM C
  C_s，n-1第 n-1 天反萃取液中的中链脂肪酸浓度，mM C
  V_s,n第n天剥离液的体积，L
  T_n第n天，d
  T_n-1= 第n-1天，d
3. 为保持从萃取溶液中充分的转移速率，在中链脂肪酸浓度达到80%饱和度之前，需用新鲜批次的反萃取溶液替换原有反萃取溶液。
  注意：正己酸的最大溶解度为 10.3 g·L⁻¹。^-1 在 25 °C，以及 n-辛酸为 0.67 g·L^-1 在 25 °C.
更换剥离溶液。
1. 关闭隔膜泵（图1D).
2. 关闭剥离液蠕动泵（图1M).
3. 使用软管夹夹紧BEM的管侧入口和管侧出口。
4. 关闭 pH 控制系统，在保持端口连接不变（如果可能）的情况下，取下萃取液储液罐的盖子。
5. 移除剥脱溶液储液槽（图1E).
6. 将 stripping 溶液储液罐更换为新配制的 0.5 M 硼酸水溶液（用 NaOH 调节至 pH 9，参见步骤 1.4）。重新盖上储液罐盖子。
7. 从BEM的管侧入口和管侧出口上拆下软管夹。
8. 打开剥离液蠕动泵（图1M），随后连接隔膜泵（图1D系统运行现已恢复。
膜维护
1. 每三个月需对液液萃取（LLE）系统中的FEM和BEM进行一次拆卸清洗。三个月是较为保守的预估清洗频率。
  注意：根据具体应用情况，用户可酌情增减膜的清洗频率。膜性能下降的表现详见“代表性结果”部分。维护期间应关闭泵和pH控制器。膜的清洗方法应遵循膜制造商提供的说明。
2. 将液液萃取系统中的液体排入不同的容器中，顺序依次为：先排有机相萃取液管路，然后排发酵 broth 管路，最后排 stripping 溶液管路。
3. 膜清洗并重新安装后，将液体倒回各自的储液槽中。
4. 采用上述方法重新启动液-液萃取系统（参见步骤 2.1–2.2）。

结果

中链脂肪酸（MCFA）提取效果良好的结果表现为：在碱性水相萃取液中，MCFA产物持续稳定地积累（图2），同时发酵液中的MCFA浓度相对稳定（数据未显示）。图2展示了连续液-液萃取（LLE）运行过程中萃取液的三个半间歇循环周期。每个循环包含两个阶段：批量更换阶段（图2：第24天、第46天和第68天）以及MCFA积累阶段（图2：第0–24天、第25–46天、第47–68天）。对于本研究中的特定发酵与LLE系统，每个循环周期持续约20–24天。然而，循环周期的长度在不同应用中会有所变化，因其取决于多个因素，包括生物反应器体积、生物产率、萃取液体积、中空纤维膜面积以及LLE系统内的液体循环速率。在一个批量循环过程中，由于发酵液中存在少量其他小分子有机酸（例如腐殖酸、富里酸）被低程度共萃取，萃取液的颜色可能从无色变为淡黄色至棕色（图3）。MCFA提取效果不佳的表现为：萃取液中MCFA产物积累缓慢，且发酵液中MCFA浓度较既定基线水平显著升高。

在这些发酵过程中，己酸的生物产率通常高于辛酸；因此，与辛酸相比，己酸在 stripping 溶液中积累的速度往往更快。此外，短链脂肪酸（如乙酸和丁酸）也会在 stripping 溶液中少量积聚，这一点在实验中较为常见图2矿物油中的TOPO对中链脂肪酸（MCFAs）的亲和力高于短链脂肪酸（SCFAs），从而导致MCFAs的选择性去除。Saboe等人开展的研究¹²，Kaur 等¹³，Carvajal-Arroyo 等¹⁴，以及 Ge 等人¹¹，展示了TOPO在涉及水溶液的多种应用中对脂肪酸的高选择性。第二次批次循环中MCFAs与SCFAs的分配比例如下所示图4预计在批次运行数天后，中链脂肪酸与短链脂肪酸（MCFA:SCFA）的分配比例可超过40:1。随着萃取过程接近拟稳态，MCFA:SCFA分配比例将趋于平稳。如果比例 >若数天后仍无法达到40的比值，表明TOPO萃取剂可能已降解或流失。若出现此情况，应重新配制萃取溶液（见步骤1.1）。若比值在平台期后下降，表明中链脂肪酸（MCFAs）的积累已超过其饱和点的80%。若出现此情况，应重新配制反萃取溶液（见步骤1.4）。

低的中链脂肪酸（MCFA）提取效率可能是由液液萃取（LLE）系统中流速不足引起的。图5中降低了发酵液和萃取液循环管路的泵送速度，以说明液体循环速率降低对MCFA提取效率的影响。提取效率定义为进入萃取液中的MCFA占生物反应器产生的总MCFA与LLE提取的MCFA之和的百分比。在正常运行期间，预期提取效率可超过85%（图5，第1–14天）。当泵速降低时（图5，第14天），提取效率随之下降。当恢复适当的泵速后，提取效率可能需要数天时间才能恢复。这可能是由于萃取液中MCFA的稳态浓度降低所致，原因是萃取液（较高）从发酵液（较低）中提取MCFA的速率差异所致。

其他多个因素也可能导致提取效率降低，包括：（1）膜污染，（2）由于堵塞导致液液萃取（LLE）系统各阶段流体流动受限，（3）膜接触器中形成气穴，以及（4）使萃取液中的中链脂肪酸（MCFA）浓度接近其饱和点。膜污染的迹象表现为膜通量随时间推移相对于初始条件下降。尽管在前端膜（FEM）中生物膜的形成可能性较低，但细胞碎片和其他悬浮固体的积累仍可能导致污染。此外，尽管后端膜（BEM）处于无菌状态，但随时间推移，脂肪酸盐可能在膜接触器或管路中析出，从而阻碍流体流动。然而，定期对膜接触器进行维护和清洗（见步骤2.6）应可防止污染和盐析问题的发生。由于安装位置不当，膜接触器壳程顶部有时会形成气穴。膜接触器应略微倾斜安装，使其壳程出口位于最高点，以便产生的气体能够顺利排出接触器。液液萃取（LLE）系统的流体流向设计为从接触器底部流向顶部，有助于冲出气穴。最后，当萃取液中中链脂肪酸（MCFA）浓度非常高时，MCFA从前端萃取液向后端萃取液的传质效率会下降。该问题可通过更频繁地更换萃取液来解决。

发酵液-液萃取系统示意图，显示细胞提取装置、管道、传感器和溶液流向。
图 1：液-液萃取系统的总体示意图。该示意图展示了系统的主要组件、各种流体回路及流动方向。主要系统组件标注如下：(A) 有机相萃取液储罐，(B) 正向交换膜，(C) 反向交换膜，(D) 萃取液隔膜泵，(E) 水相反萃液储罐，(F) pH 控制系统，(G) 生物反应器流出端口，(H) 生物反应器回流端口，(I) 正向交换膜与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，以及 (M) 反萃液蠕动泵。请点击此处查看此图的放大版本。

脂肪酸浓度随时间变化图，显示乙酸、丁酸、己酸、辛酸的趋势。
图 2：萃取液中脂肪酸的积累情况。 数据展示了在连续液-液萃取操作过程中，三个批次循环期间萃取液中短链脂肪酸和中链脂肪酸的浓度变化。请点击此处查看该图的放大版本。

化学过程对比，批次前后样品，瓶中实验结果。
图3：萃取后 stripping 溶液的颜色变化。一张展示水相 stripping 溶液在批次循环前（即批次前）和批次循环后（即批次后）颜色变化的照片。请点击此处查看该图的放大版本。

MCFA:SCFA 比值随时间变化，天数 vs. mM C⁻¹，折线图，代谢分析结果。
图 4：萃取液中脂肪酸的比值。 数据显示在连续液-液萃取操作过程中，一个批次周期内萃取液中中链脂肪酸与短链脂肪酸的比值变化情况。请点击此处查看该图的放大版本。

MCFA 提取效率随时间变化的曲线图；分析泵速降低和恢复的影响。
图 5：膜流速对提取效率的影响。数据显示，在运行过程中，正向和反向交换膜的流速不足对中链脂肪酸提取效率的影响。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

生物法生产的中链脂肪酸通常与多种有机化合物（包括短链脂肪酸和醇类）共同存在于混合物中²因此，有必要采用选择性分离工艺，以有效回收和利用这些物质。本研究开发的液-液萃取（LLE）系统能够从上述混合物中连续选择性地提取中链脂肪酸（MCFAs），同时保留短链脂肪酸（SCFAs）和醇类。这一特性使该LLE系统特别适用于发酵过程，例如微生物链延长反应，其中MCFAs、SCFAs和醇类是主要的代谢产物。⁸具体而言，液-液萃取系统通过移除中链脂肪酸（MCFAs）来促进链延伸过程，从而避免产物抑制¹，同时将短链脂肪酸和醇类反应物保留在发酵液中以进行后续的生物转化。通过调整特定的萃取溶液，该液-液萃取系统可针对其他应用进行定制。例如，可实现对发酵过程中产生的短链脂肪酸进行连续萃取通过从萃取剂溶液混合物中去除TOPO，可使用相同的液-液萃取系统实现发酵。

因此，与其它方法相比，液液萃取（LLE）方法的重要性在于为这些生物加工和生物技术应用提供了一种更为稳健的中链脂肪酸（MCFA）提取技术。原位双相萃取使用不互溶液体是另一种从发酵液中提取中链脂肪酸的方法¹⁵。然而，该方法效率相对较低。在水相（即发酵液）与有机相之间会形成乳化层，严重限制传质速率。相层之间界面流体混合程度极低，也限制了传质效率。另一个缺点是微生物细胞直接接触有机相，导致夹带、抑制生长甚至细胞死亡¹⁵。最后，原位双相萃取需要频繁维护，以去除并更换有机相。

在生物反应器中采用高稀释率是避免产物抑制的另一种方法¹⁶。高稀释率可通过维持生物反应器内较高的反应物浓度来实现高生产率。然而，这种方法存在缺点，会导致生物质流失、产生大量出水以及底物损失严重（即短链脂肪酸和醇类），从而导致产率较低。这些缺点可通过固定化生物质和出水回用加以缓解，但这些措施会增加系统的复杂性¹⁷。最后，产物流中的中链脂肪酸（MCFA）浓度较低，使得MCFA的提取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中链脂肪酸（MCFAs），该膜在物理上分离有机相和水相，从而保留并保护微生物生物量。中链脂肪酸将被选择性地萃取到有机相中，然后进行蒸馏。萃余相可连续循环至萃取膜。然而，连续蒸馏在技术上具有挑战性，尤其是在实验室条件下，长期运行可能导致化学萃取剂的劣化或损失。蒸馏还可能引起有机相及中链脂肪酸产物的热降解¹⁸。

液液萃取（LLE）过程通过整合多个关键特性和处理步骤，避免了这些替代方法相关的诸多缺点。首先，亲水性中空纤维膜过滤器具有双重作用：既可保护生物量细胞（即生物催化剂）免于接触萃取相中的萃取剂溶液，同时提供富含中链脂肪酸（MCFA）的澄清滤液，从而减少LLE系统中的膜污染和固体积累。其次，为防止液体交叉渗透，我们在每个膜接触器的管侧安装了针阀，以产生背压。该措施可维持轻微的跨膜压差，防止疏水性有机溶剂从壳侧向FEM和BEM中的水相管侧发生不期望的泄漏。此外，液体流路设计为在FEM和BEM中自底部至顶部平行流动，以避免气体气泡滞留在膜组件内部，从而提高传质效率并防止夹带现象。此外，该方法采用隔膜泵，并配备耐化学腐蚀的聚四氟乙烯（PTFE）泵头，用于输送含腐蚀性MCFA的萃取剂溶液，从而保护系统免受腐蚀和故障影响，确保萃取过程的稳定性。最后，pH控制的碱性反萃取溶液维持了pH梯度，使MCFA能够以高效率持续地从生物反应器经LLE系统转移至反萃取液储罐中，在此MCFA发生去质子化并积累至高浓度，便于后续产物回收。

该液-液萃取（LLE）方法适用于从小规模生物反应器（工作体积不超过6 L）中连续提取中链脂肪酸（MCFA），并在多项研究中验证了其长期运行的可行性¹^,⁹^,¹¹^,¹⁹。该LLE方法也可用于更大规模的应用¹⁴（例如中试规模生物反应器），但需要相应放大尺寸的膜组件和流体处理设备。然而，该方法也存在一些局限性，主要体现在维护和系统复杂性方面。由于该过程设计为连续运行，膜组件和泵需要频繁维护，导致较长的停机时间。另一个缺点是，萃取液需要消耗相对大量的氢氧化钠（NaOH）和硼酸。此外，中链脂肪酸具有腐蚀性，会随时间推移导致LLE系统的某些部件老化降解。例如，塑料接头和膜外壳可能变脆，需在运行过程中更换。最后，LLE系统的流体管路网络较为复杂，包含多个连接点，容易发生泄漏。然而，上述大多数局限性和缺点在连续膜分离工艺中较为常见，属于可预期问题。

总体而言，该液液萃取（LLE）方案为选择性提取中链脂肪酸（MCFA）提供了一种稳健且高效的方法，在推动多个领域的研究方面具有重要意义。该方法在精准发酵领域具有广泛的应用前景，可用于发酵过程中胞外代谢产物的原位回收。与传统的下游处理（DSP）方法（如运行后的离心、微滤和超滤，或分批进行的溶剂萃取）相比，LLE可能是一种成本更低的替代方案。事实上，下游处理通常是工业发酵过程中的主要成本驱动因素。采用LLE进行连续产物提取还可能实现连续发酵，与传统的分批或流加批式方法相比，可显著提高生产效率和运行时间效率。此外，未来的研究可探索除有机溶剂以外的其他萃取介质，如深共熔溶剂或离子液体。最后，本方案中描述的LLE系统旨在实验室环境下用于实验目的，因此在降低能耗、膜面积以及进一步优化整体萃取产率和速率方面，仍有较大的研究与优化空间。

致谢

作者谨此感谢佐治亚大学农业实验站提供的技术与资金支持。此外，作者还要感谢 Samuel Ogundipe、Ronald Pegg 博士和 Joon Hyuk Suh 博士在分析工艺样品过程中提供的帮助。

材料

本文使用的材料清单
姓名	公司	目录编号	评论
10 升培养基瓶	Duran	218018658
3.5 升培养基瓶	Duran	218016957
硼酸，99.5%，	ThermoScientific (Fisher Scientific)	327132500
亲水性 MINIKROS 20 厘米 0.2 微米 PES 1 毫米 1.5 英寸管接头 × 3/4 英寸管接头	Repligen	N02-P20U-10-N
L/S 可调速泵驱动器；100 转/分钟	MasterFlex (VWR)	MFLX07528-10
L/S 可调速泵驱动器；300 转/分钟	MasterFlex (VWR)	MFLX07528-20
轻质矿物油，NF（4 升）（CAS：8042-47-5）	Thomas Scientific	C761Z18
Liqui-Cel 2.5x8 X50 膜式 CO2 脱气器，聚丙烯外壳，Viton 密封圈（流量范围 0.5–3 加仑/分钟（0.1–0.7 立方米/小时）），1/4 英寸 FNPT 接口	3M	LC-02508X50-G453
磁力搅拌器，20 升容量，110 伏	Cole-Parmer	EW-04661-29
Masterflex L/S 精密泵管，Tygon 材质，尺寸 14	MasterFlex (VWR)	MFLX06402-14	具体泵管尺寸需根据应用确定。
Masterflex L/S 精密泵管，Tygon 材质，尺寸 16	MasterFlex (VWR)	MFLX06402-16	具体泵管尺寸需根据应用确定。
Masterflex L/S 精密泵管，Tygon 材质，尺寸 17	MasterFlex (VWR)	MFLX06402-17	具体泵管尺寸需根据应用确定。
Masterflex L/S 精密泵管，Tygon 材质，尺寸 18	MasterFlex (VWR)	MFLX06402-18	具体泵管尺寸需根据应用确定。
MasterFlex L/S 标准泵头，适用于 L/S 14 精密泵管，聚碳酸酯外壳，CRS 转子	MasterFlex (VWR)	MFLX07014-20	具体泵头尺寸需根据应用确定。
MasterFlex L/S 标准泵头，适用于 L/S 14 精密泵管，聚碳酸酯外壳，CRS 转子	MasterFlex (VWR)	MFLX07014-20	具体泵头尺寸需根据应用确定。
MasterFlex L/S 标准泵头，适用于 L/S 16 精密泵管，聚碳酸酯外壳，CRS 转子	MasterFlex (VWR)	MFLX07016-20	具体泵头尺寸需根据应用确定。
MasterFlex L/S 标准泵头，适用于 L/S 17 精密泵管，聚碳酸酯外壳，CRS 转子	MasterFlex (VWR)	MFLX07017-20	具体泵头尺寸需根据应用确定。
MasterFlex L/S 标准泵头，适用于 L/S 18 精密泵管，聚碳酸酯外壳，CRS 转子	MasterFlex (VWR)	MFLX07018-20	具体泵头尺寸需根据应用确定。
MasterFlex PTFE 隔膜泵头，流量范围 10 至 100 毫升/分钟	MasterFlex (VWR)	MFLX07090-62
Oakton 220 pH/ORP/温度控制器，1/8 DIN 尺寸	Spectrum Laboratory Products	664-12595-E1
Oakton 220 pH/ORP/温度控制器，1/8 DIN 尺寸	Spectrum Laboratory Products	664-12595-E1
Oakton BNC 母头转裸线适配器	Spectrum Laboratory Products	664-12592-E1
带 BNC 接头的 pH 探头	ThermoScientific	10010-788	任何带 BNC 接头的 pH 探头均可满足要求。
精密流量调节阀，白色聚丙烯材质，1/4 英寸 NPT 阳螺纹 × 阳螺纹	McMaster-Carr	7792K57
ProConnex 接头套件 - A	Repligen	ACPX-KT2-01N	与亲水性 MINIKROS 滤器兼容
ProConnex 接头套件 - B	Repligen	ACPX-KT1-01N	与亲水性 MINIKROS 滤器兼容
分析用氢氧化钠颗粒	Sigma Aldrich	1.06498
不锈钢压力表，0–60 psi，不锈钢材质，1/4" NPT 接口，表盘直径 2.5"	NA	XJ-219	任何量程覆盖 0–60 psig 的同类压力表均可满足要求。
三辛基氧化膦（TOPO）	Sigma-Aldrich	346187-100G

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利用中空纤维膜从发酵液中连续萃取中链脂肪酸

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