專利名稱：一種厭氧發(fā)酵耦合裝置及其發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種厭氧發(fā)酵耦合裝置及其生產(chǎn)有機(jī)酸的方法，屬于生物技術(shù)中的發(fā)酵工程 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
厭氧發(fā)酵技術(shù)因其能耗低、收率高、環(huán)境友好的特點(diǎn)受到越來越廣泛的關(guān)注。然而目前 有關(guān)厭氧發(fā)酵理論基礎(chǔ)較為薄弱，厭氧發(fā)酵過程由于缺乏控制參數(shù)而難以優(yōu)化，因此厭氧發(fā) 酵過程有待于采用新型厭氧反應(yīng)方法和裝置進(jìn)行深入的研究。由于微生物厭氧代謝過程中的還原力必須用于還原中間代謝產(chǎn)物，從而可以維持體系平 衡，因此，厭氧發(fā)酵過程副產(chǎn)物較多。氧化還原平衡在厭氧發(fā)酵過程中起著至關(guān)重要的作用。氧化還原電位(ORP)作為一種控制參數(shù)，可以影響發(fā)酵液中的氧化還原平衡，從而可以影 響菌體的代謝，若將其成功應(yīng)用于厭氧發(fā)酵體系則可以大大減少副產(chǎn)物。發(fā)酵體系中氧化還 原電位是pH值、溶解氧濃度、平衡常數(shù)和大量溶解培養(yǎng)基中物質(zhì)的氧化還原電位的綜合反映。 在好氧發(fā)酵過程中，如木糖醇、檸檬酸、L-賴氨酸、重組蛋白等發(fā)酵，氧化還原電位已經(jīng)被 用作發(fā)酵過程的一種控制參數(shù)，通過控制發(fā)酵過程通氣與攪拌可以控制體系的氧化還原電位 在適宜值，達(dá)到產(chǎn)物的高收率制備。韓國專利KR 175497公開了控制木糖醇發(fā)酵體系，其氧化 還原電位在50 100 mV可提高木糖醇的產(chǎn)量；韓國專利KR 9707922公開了通過改變?nèi)芙庋醯?水平控制L-賴氨酸發(fā)酵體系，其氧化還原電位在-110 -55mV，可提高L-賴氨酸收率。有機(jī)酸發(fā)酵體系中，產(chǎn)物有機(jī)酸對(duì)發(fā)酵過程的抑制作用是發(fā)酵過程中最常見的現(xiàn)象，這 主要受到有機(jī)酸的濃度、解離常數(shù)以及pH值的影響。在發(fā)酵過程中，產(chǎn)物有機(jī)酸的積累會(huì)造 成菌體的生長受到抑制，從而影響發(fā)酵正常進(jìn)行。例如，在發(fā)酵生產(chǎn)乳酸、丙酸、丁二酸等 過程中都存在產(chǎn)物抑制現(xiàn)象。而目前未見氧化還原電位(ORP)成功用于有機(jī)酸厭氧發(fā)酵體 系的應(yīng)用。目前的厭氧發(fā)酵過程中普遍采用機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐，但這種發(fā)酵罐具有功率消耗大，投 資高，維修麻煩，軸封易泄漏，易染菌，攪拌剪切力大，對(duì)菌絲體及動(dòng)植物細(xì)胞生長不利， 大型化后混合不均勻，傳熱面積不足，傳質(zhì)效率下降，難于超大型化等不足。因此，近年來 非機(jī)械攪拌反應(yīng)器的研究和應(yīng)用得到迅速發(fā)展，其中以氣升式反應(yīng)器為最為矚目。氣升式內(nèi) 循環(huán)反應(yīng)器一般以壓縮氣體為主要的能量輸入形式，因其具有傳質(zhì)效率高、能耗低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、裝料系數(shù)高、可靠性好、易放大等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于微生物好氧發(fā)酵 方面，而其在厭氧發(fā)酵中的應(yīng)用還未有報(bào)道。對(duì)于微生物厭氧發(fā)酵特別是代謝中需要補(bǔ)充惰 性氣體的發(fā)酵，如采用機(jī)械攪拌，其氣體損失較大、能耗較高，而采用氣升式內(nèi)循環(huán)生物反 應(yīng)器可大大增加氣液傳輸面積，增大氣體溶解度。傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝為各搡作單元分離的模式，大致可分為上游生產(chǎn)和下游分離的幾步分批 發(fā)酵。整個(gè)生產(chǎn)工藝過程與由超濾、離子交換、超濾、電滲析、儲(chǔ)罐或納濾等組合而成的原 位分離過程相耦合，是一種將上下游技術(shù)結(jié)合在一起的新技術(shù)。目前反應(yīng)分離耦合在酶反應(yīng)、 微生物發(fā)酵、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)等領(lǐng)域都有應(yīng)用，如在乳酸、醋酸、丙酸發(fā)酵等體系中都取得 了較好的效果。目前已公開并應(yīng)用的耦合過程包括膜分離、萃取、電滲析、吸附和離子交換 等，而對(duì)于膜分離中微濾、超濾膜可以使細(xì)胞和發(fā)酵液原位分離，卻難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物和底物的 原位分離，不可避免的造成發(fā)酵液中未消耗底物和其它營養(yǎng)元素的損失。近年來，隨著納濾 技術(shù)的發(fā)展，納濾膜分離生物小分子的研究已成為熱點(diǎn)，但還未成功應(yīng)用于發(fā)酵體系的反應(yīng) 分離耦合工藝。將不同的分離方法與反應(yīng)器耦合，在消除產(chǎn)物抑制，提高產(chǎn)物產(chǎn)率和生產(chǎn)效 率，簡化后續(xù)分離工程等方面均具有優(yōu)越性。相對(duì)于分批分步發(fā)酵程序而言，將發(fā)酵單元、補(bǔ)料單元、調(diào)節(jié)系統(tǒng)和分離系統(tǒng)耦合將大 大提高發(fā)酵生產(chǎn)過程的產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量。通過將多種控制裝置耦合，并結(jié)合氧化還原電位 (ORP)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)底物的高效利用生產(chǎn)，減少副產(chǎn)物的生產(chǎn)，降低生產(chǎn)能 耗，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種厭氧發(fā)酵耦合裝置，另一個(gè)目的是提供一種利用該厭氧發(fā) 酵耦合裝置生產(chǎn)有機(jī)酸的方法，通過該耦合裝置及該生產(chǎn)方法，可以使利用微生物產(chǎn)有機(jī)酸 的發(fā)酵實(shí)現(xiàn)底物的高效利用，副產(chǎn)物的減少，并能降低生產(chǎn)能耗，提高生產(chǎn)效率，簡化后續(xù) 分離工程。本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一、厭氧發(fā)酵耦合裝置包括氣體壓縮機(jī)、氣體除菌裝置、氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐、分離操作單元、氧化還原電位 控制裝置、底物濃度控制裝置，其中氣體壓縮機(jī)與氣體除菌裝置前后串聯(lián)，再與氣升式內(nèi)循 環(huán)發(fā)酵罐串聯(lián)形成閉合回路；氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐與分離操作單元串聯(lián)成閉合回路；氧化還 原電位控制裝置、底物濃度控制裝置分別單獨(dú)與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐連接。5本發(fā)明所述耦合裝置的氧化還原電位控制裝置包括氧化還原電位檢測(cè)控制器、氧化劑儲(chǔ) 存罐、還原劑儲(chǔ)存罐；本發(fā)明所述耦合裝置的底物濃度控制裝置包括底物濃度檢測(cè)控制器、底物儲(chǔ)存罐；本發(fā)明所述耦合裝置的分離搡作單元包括泵、微濾裝置、儲(chǔ)罐、納濾裝置、過濾除菌裝 置，其中微濾裝置包括進(jìn)料端、微濾膜、濾渣出口端和出料端，微濾裝置進(jìn)料端通過泵與氣 升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐連接，而濾渣出口端與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐形成閉合回路；納濾裝置包括 進(jìn)料端、納濾膜、余濾液出口端和出料端，微濾裝置出料端與儲(chǔ)罐、泵連接后，再與納濾裝 置進(jìn)料端連接，納濾裝置出料端與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐形成閉合回路，余濾液出口端放空。本發(fā)明所述的耦合裝置通過反應(yīng)器控制、氧化還原電位調(diào)節(jié)、底物濃度控制以及抑制性 產(chǎn)物的移出的組合優(yōu)化，本發(fā)明可為任何存在代謝產(chǎn)物抑制、副產(chǎn)物較多的厭氧發(fā)酵過程中 微生物的代謝提供良好的環(huán)境。二、使用本發(fā)明所述耦合裝置發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸的方法在厭氧發(fā)酵過程中，向氣升式發(fā)酵罐中循環(huán)通入惰性氣體實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)，利用氧化還原電位 控制裝置測(cè)定并調(diào)節(jié)發(fā)酵體系維持最佳氧化還原電位值，利用底物濃度控制裝置調(diào)控使底物 濃度保持不變，發(fā)酵液通過微濾裝置實(shí)現(xiàn)菌體細(xì)胞與發(fā)酵液的分離，濾渣為菌體細(xì)胞重新進(jìn) 入發(fā)酵液發(fā)酵，微濾濾出液進(jìn)一步通過納濾裝置實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)成分與代謝產(chǎn)物的分離，濾出的營 養(yǎng)成分重新進(jìn)入發(fā)酵液中被菌體利用，余濾液為粗產(chǎn)物進(jìn)行收集。本發(fā)明提供的利用厭氧發(fā)酵耦合裝置生產(chǎn)有機(jī)酸的方法，其中所述的循環(huán)通入氣體的方 法是將排出發(fā)酵罐的氣體通過氣體壓縮機(jī)、氣體除菌裝置壓縮并過濾除菌后，重新進(jìn)入發(fā)酵 罐傳質(zhì)；本發(fā)明提供的利用厭氧發(fā)酵耦合裝置生產(chǎn)有機(jī)酸的方法，其中所述的調(diào)節(jié)發(fā)酵體系氧化 還原電位值的具體方法為利用氧化還原電位檢測(cè)器測(cè)量發(fā)酵液的氧化還原電位值，通過自動(dòng) 添加氧化劑儲(chǔ)存罐中的氧化劑、或自動(dòng)添加還原劑儲(chǔ)存罐中的還原劑使發(fā)酵體系的氧化還原 電位值保持在設(shè)定的發(fā)酵體系的最佳氧化還原電位值；本發(fā)明提供的利用厭氧發(fā)酵耦合裝置生產(chǎn)有機(jī)酸的方法，其中所述的調(diào)節(jié)發(fā)酵體系的底 物濃度的具體方法為利用底物濃度檢測(cè)控制器測(cè)定發(fā)酵液中的底物濃度，并通過自動(dòng)添加底 物儲(chǔ)存罐中的底物控制發(fā)酵液中底物濃度保持不變。本發(fā)明的耦合裝置和發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比其有益效果在于(1)釆用氧化還原電位值作為厭氧發(fā)酵過程中的控制參數(shù)，減少了厭氧發(fā)酵過程中代謝 副產(chǎn)物的生成，提高產(chǎn)物濃度；(2) 采用對(duì)底物濃度控制可以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液中底物濃度實(shí)時(shí)在線的控制，避免發(fā)酵過程中底物濃度的過多積累或者底物濃度的過度消耗造成的發(fā)酵體系的不穩(wěn)定；(3) 釆用氣升式厭氧發(fā)酵罐可以實(shí)現(xiàn)厭氧發(fā)酵過程中pH、壓力等參數(shù)的綜合控制，并 可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)氣體的回收利用；(4) 采用分離單元可以達(dá)到對(duì)發(fā)酵過程有抑制作用的代謝產(chǎn)物與發(fā)酵液的分離，同時(shí)可 以實(shí)現(xiàn)菌體細(xì)胞、營養(yǎng)成分的回收利用；(5) 耦合了氧化還原電位控制、底物濃度控制、反應(yīng)器控制以及分離操作，可以達(dá)到對(duì) 發(fā)酵體系的控制控制而不是單一的，可以達(dá)到厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)物的高效率制備。


以下結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明所述厭氧發(fā)酵耦合裝置及其發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸的方法的技 術(shù)特征作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖i本發(fā)明的厭氧發(fā)酵耦合裝置總結(jié)構(gòu)示意l中的標(biāo)記為1-氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐，2-氣體壓縮機(jī)，3-氣體除菌裝置，4-氧化還原 電位控制裝置，5-氧化還原電位檢測(cè)控制器，6-氧化劑儲(chǔ)存罐，7-還原劑儲(chǔ)存罐，8-底物濃度 控制裝置，9-底物濃度檢測(cè)控制器，10-底物儲(chǔ)存罐，ll-分離操作單元，12-泵，13-微濾裝置， 14-儲(chǔ)罐，15-泵，16-納濾裝置，17-過濾除菌裝置。圖2厭氧發(fā)酵耦合裝置的分離搡作單元示意2中的標(biāo)記為12-泵，13-微濾裝置，14-儲(chǔ)罐，15-泵，16-納濾裝置，17-過濾除菌裝 置，18-微濾進(jìn)料端，19-微濾膜，20-微濾濾渣出口端，21-微濾出料端，22-納濾進(jìn)料端，23-納濾膜，24-納濾余濾液出口端，25-納濾出料端。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如附圖1和2所示本發(fā)明的厭氧發(fā)酵耦合裝置包括氣體壓縮機(jī)2、氣體除菌裝置3、氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐1 、 分離操作單元ll、氧化還原電位控制裝置4、底物濃度控制裝置8。其中氣體壓縮機(jī)2與氣 體除菌裝置3前后串聯(lián)，再與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐l串聯(lián)形成閉合回路；氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵 罐l與分離搡作單元ll串聯(lián)成閉合回路；氧化還原電位控制裝置4、底物濃度控制裝置8分 別單獨(dú)與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐l連接。耦合裝置中的氧化還原電位控制裝置4包括氧化還原電位檢測(cè)控制器5、氧化劑儲(chǔ)存罐6、還原劑儲(chǔ)存罐7;底物濃度控制裝置8包括底物濃度檢 測(cè)控制器9、底物儲(chǔ)存罐10;分離操作單元I1包括泵12、 15、微濾裝置13、儲(chǔ)罐14、納濾 裝置16、過濾除菌裝置17,其中微濾裝置13包括進(jìn)料端18、微濾膜19、濾渣出口端20和 出料端21，微濾裝置進(jìn)料端18通過泵12與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐1連接，而濾渣出口端20 與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐l形成閉合回路；納濾裝置16包括進(jìn)料端22、納濾膜23、余濾液出 口端24和出料端25，微濾裝置出料端21與儲(chǔ)罐14、泵15連接后，再與納濾裝置進(jìn)料端22 連接，納濾裝置出料端25與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐1形成閉合回路，余濾液出口端24放空。 將種子液按照一定的接種量接種于氣升式發(fā)酵罐l中，穩(wěn)定發(fā)酵溫度后，以一定通氣量 循環(huán)通入惰性氣體實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)，排出氣升式發(fā)酵罐1的惰性氣體通過氣體壓縮機(jī)2和氣體除菌 裝置3壓縮并過濾除菌后，重新進(jìn)入氣升式發(fā)酵罐l傳質(zhì)；發(fā)酵過程中，利用氧化還原電位 控制裝置4測(cè)定并調(diào)節(jié)發(fā)酵體系維持最佳氧化還原電位值，具體方法為利用氧化還原電位檢 測(cè)器5測(cè)量發(fā)酵液的氧化還原電位值，通過自動(dòng)添加氧化劑儲(chǔ)存罐6中的氧化劑、或自動(dòng)添 加還原劑儲(chǔ)存罐7中的還原劑使發(fā)酵體系的氧化還原電位值保持在設(shè)定的發(fā)酵體系的最佳氧 化還原電位值；同時(shí)，發(fā)酵過程中還利用底物濃度控制裝置8調(diào)控使底物濃度保持不變，具 體方法為利用底物濃度檢測(cè)控制器9測(cè)定發(fā)酵液中的底物濃度，并通過自動(dòng)添加底物儲(chǔ)存罐 10中的底物控制發(fā)酵液中底物濃度保持不變；發(fā)酵液通過泵11從氣升式發(fā)酵罐1中流出并 泵入微濾裝置13的進(jìn)料端18在微濾膜19上實(shí)現(xiàn)菌體細(xì)胞與發(fā)酵液的分離，菌體細(xì)胞通過 濾渣出口端20回到氣升式發(fā)酵罐1繼續(xù)參與發(fā)酵，保證了發(fā)酵體系的穩(wěn)定，微濾濾出液從 出料端21流出送到儲(chǔ)罐14收集，到儲(chǔ)罐中微濾濾出液收集到一定量時(shí)，用泵15送往納濾 裝置16實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)成分與代謝產(chǎn)物的分離，即微濾濾出液通過進(jìn)料端22在納濾膜23上實(shí)現(xiàn) 納濾后，從出料端25流出的發(fā)酵液成分流回氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐1,余濾液出口端24流出 液即為粗產(chǎn)物收集。本實(shí)施例以產(chǎn)琥珀酸放線桿菌CGMCC1716厭氧發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的過程為例 采用有效體積為7.5 L的普通機(jī)械式攪拌發(fā)酵罐進(jìn)行厭氧發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸的研究為對(duì) 比，發(fā)酵參數(shù)為葡萄糖濃度為100g/L，種子液接種量5%,發(fā)酵溫度37i:,由于產(chǎn)丁二酸 過程需要利用一定的C02,故通入惰性氣體，通氣量為3L/min,采用Na2C03中和劑，發(fā)酵 時(shí)間64小時(shí)中止發(fā)酵。發(fā)酵結(jié)東后丁二酸產(chǎn)量達(dá)到40g/L，乙酸含量15g/L，甲酸含量6g/L, 產(chǎn)物(丁二酸)與代謝副產(chǎn)物(甲酸加乙酸)的質(zhì)量濃度比為1.9:1,仍殘余葡萄糖，其濃度 為36g/L,消耗CO2 0.82kg。采用本耦合裝置及發(fā)明方法，發(fā)酵參數(shù)為種子液接種量5%,發(fā)酵溫度37。C，通入惰性氣體C02，每升發(fā)酵液通氣量為0.5 L 。發(fā)酵過程中通過底物濃度控制裝置8設(shè)定并自動(dòng) 控制發(fā)酵液中葡萄糖濃度為10 g/L，通過氧化還原電位控制裝置4設(shè)定并自動(dòng)控制發(fā)酵液的 最佳氧化還原電位值為-350 mV土10mV，發(fā)酵36h后，100 g/L葡萄糖即可耗完，丁二酸產(chǎn) 量達(dá)到72g/L,乙酸含量為10g/L,甲酸含量為3g/L,產(chǎn)物(丁二酸)與代謝副產(chǎn)物(甲酸 加乙酸)的質(zhì)量濃度比為5.5:1,消耗C。2 0.10kg。
與現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)酵方法相比，丁二酸產(chǎn)量提高了 80%, C02用量減少了 88%，產(chǎn)物(丁 二酸)與代謝副產(chǎn)物(甲酸加乙酸)的質(zhì)量濃度比提高了 2.9倍，節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間，提高了 生產(chǎn)效率。
實(shí)施例2
本實(shí)施例的實(shí)施步驟和實(shí)施例l相同，改變相關(guān)參數(shù)條件，以尸ra; /ow'6a"en'ww adt^ra/ /om'd ATCC 25562厭氧發(fā)酵生產(chǎn)丙酸過程為例
采用有效體積為7.5L的普通機(jī)械攪拌罐進(jìn)行厭氧發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸的研究為對(duì)比，發(fā)酵參 數(shù)為葡萄糖濃度為80 g/L，種子液接種量5%，發(fā)酵溫度37'C，由于發(fā)酵丙酸的過程不消 耗C02,故通入惰性氣體N2，通氣量3L/min，采用NaOH中和劑，發(fā)酵時(shí)間78小時(shí)中止發(fā) 酵。發(fā)酵結(jié)東后丙酸產(chǎn)量達(dá)到18g/L,琥珀酸含量6g/L,乙酸含量4g/L,產(chǎn)物(丙酸)與代 謝副產(chǎn)物(琥珀酸加乙酸)的質(zhì)量濃度比為1.8，仍殘余葡萄糖，其濃度為32g/L。
釆用本發(fā)明方法及耦合裝置，發(fā)酵參數(shù)為種子液接種量5%,發(fā)酵溫度37'C，通入惰 性氣體N2傳質(zhì)，每升發(fā)酵液通氣量為1L。發(fā)酵過程中通過底物濃度控制裝置8設(shè)定并自動(dòng) 控制發(fā)酵液中葡萄糖濃度為10 g/L,通過氧化還原電位控制裝置4設(shè)定并自動(dòng)控制發(fā)酵液的 氧化還原電位值為-300 mV± 10 mV，發(fā)酵56 h后，80 g/L葡萄糖即可耗完，丙酸產(chǎn)量達(dá)到 34.6g/L，琥珀酸含量為4g/L,乙酸含量為3g/L，產(chǎn)物(丙酸)與代謝副產(chǎn)物(琥珀酸加乙 酸)的質(zhì)量濃度比為4.9。
與現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)酵方法相比，丙酸產(chǎn)量提高了 92%,產(chǎn)物(丙酸)與代謝副產(chǎn)物(琥珀 酸加乙酸)的質(zhì)量濃度比提高了 2.7倍，節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。
實(shí)施例3
本實(shí)施例的實(shí)施步驟和實(shí)施例l相同，改變相關(guān)參數(shù)條件，以C/o欲Www Aemoac幼'cww ATCC 39289厭氧發(fā)酵生產(chǎn)乙酸過程為例。
采用有效體積為7.5L的普通機(jī)械攪拌罐進(jìn)行厭氧發(fā)酵法生產(chǎn)乙酸的研究為對(duì)比，發(fā)酵參數(shù)為葡萄糖濃度為80g/L，種子液接種量5%，發(fā)酵溫度37'C，由于發(fā)酵乙酸的過程不消 耗C02，故通入惰性氣體N2，通氣量3L/min，采用CaCCb中和劑，發(fā)酵時(shí)間64小時(shí)中止發(fā) 酵。發(fā)酵結(jié)東后乙酸產(chǎn)量達(dá)到38g/L。
采用本發(fā)明方法及耦合裝置，發(fā)酵參數(shù)為種子液接種量5%，發(fā)酵溫度37。C,通入惰 性氣體N2，每升發(fā)酵液通氣量為1 L。發(fā)酵過程中通過底物濃度控制裝置8設(shè)定并自動(dòng)控制 發(fā)酵液中葡萄糖濃度為10 g/L，通過氧化還原電位控制裝置4設(shè)定并自動(dòng)控制發(fā)酵液的氧化 還原電位值為-280 mV ± 10 mV，發(fā)酵45 h后，80 g/L葡萄糖即可耗完，乙酸產(chǎn)量達(dá)到51.3 g/L, 乙酸產(chǎn)量提高了35%，節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。
實(shí)施例4
本實(shí)施例的實(shí)施步驟和實(shí)施例l相同，改變相關(guān)參數(shù)條件，以Zflcto6flcz7/附Aflm/"oyw;y NRRLB445厭氧發(fā)酵生產(chǎn)乳酸過程為例。
采用有效體積為7.5L的普通機(jī)械攪拌罐進(jìn)行厭氧發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸的研究為對(duì)比，發(fā)酵參 數(shù)為葡萄糖濃度為140g/L,種子液接種量5%，發(fā)酵溫度38'C,由于發(fā)酵乳酸的過程不消 耗C02，故通入惰性氣體N2，通氣量3L/min，采用CaC03中和劑，發(fā)酵時(shí)間95小時(shí)中止發(fā) 酵。發(fā)酵結(jié)東后乙酸產(chǎn)量達(dá)到98.3g/L。
采用本發(fā)明方法及耦合裝置，發(fā)酵參數(shù)為種子液接種量5%,發(fā)酵溫度38'C,通入惰 性氣體N2，每升發(fā)酵液通氣量為1 L。發(fā)酵過程中通過底物濃度控制裝置8設(shè)定并自動(dòng)控制 發(fā)酵液中葡萄糖濃度為5g/L,通過氧化還原電位控制裝置4設(shè)定并自動(dòng)控制發(fā)酵液的氧化還 原電位值為-330 mV ± 10 mV,發(fā)酵64 h后，140 g/L葡萄糖即可耗完，乳酸產(chǎn)量達(dá)到120.5 g/L， 乳酸產(chǎn)量提髙了 22.6%,節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。
權(quán)利要求
1、一種厭氧發(fā)酵耦合裝置，其特征在于包括氣體壓縮機(jī)、氣體除菌裝置、氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐、分離操作單元、氧化還原電位控制裝置、底物濃度控制裝置，其中氣體壓縮機(jī)與氣體除菌裝置前后串聯(lián)，再與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐串聯(lián)形成閉合回路；氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐與分離操作單元串聯(lián)成閉合回路；氧化還原電位控制裝置、底物濃度控制裝置分別單獨(dú)與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厭氧發(fā)酵耦合裝置，其特征在于所述的氧化還原電位控 制裝置包括氧化還原電位檢測(cè)控制器、氧化劑儲(chǔ)存罐、還原劑儲(chǔ)存罐。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厭氧發(fā)酵耦合裝置，其特征在于所述的底物濃度控制裝 置包括底物濃度檢測(cè)控制器、底物儲(chǔ)存罐。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厭氧發(fā)酵耦合裝置，其特征在于所述的分離操作單元包 括泵、微濾裝置、儲(chǔ)罐、納濾裝置、過濾除菌裝置，其中微濾裝置包括進(jìn)料端、微濾膜、 濾渣出口端和出料端，微濾裝置進(jìn)料端通過泵與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐連接，而濾渣出口 端與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐形成閉合回路；納濾裝置包括進(jìn)料端、納濾膜、余濾液出口端 和出料端，微濾裝置出料端與儲(chǔ)罐、泵連接后，再與納濾裝置進(jìn)料端連接，納濾裝置出 料端與氣升式內(nèi)循環(huán)發(fā)酵罐形成閉合回路，余濾液出口端放空。
5、 一種使用權(quán)利要求1所述厭氧發(fā)酵耦合裝置生產(chǎn)有機(jī)酸的方法，其特征在于在 厭氧發(fā)酵過程中，向氣升式發(fā)酵罐中循環(huán)通入惰性氣體實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)，利用氧化還原電位控 制裝置測(cè)定并調(diào)節(jié)發(fā)酵體系維持最佳氧化還原電位值，利用底物濃度控制裝置調(diào)控使底 物濃度保持不變，發(fā)酵液通過微濾裝置實(shí)現(xiàn)菌體細(xì)胞與發(fā)酵液的分離，濾渣為菌體細(xì)胞 重新進(jìn)入發(fā)酵液發(fā)酵，微濾濾出液進(jìn)一步通過納濾裝置實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)成分與代謝產(chǎn)物的分 離，濾出的營養(yǎng)成分重新進(jìn)入發(fā)酵液中被菌體利用，余濾液為粗產(chǎn)物進(jìn)行收集。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸的方法，其特征在于所述的循環(huán)通入氣 體的方法是將排出發(fā)酵罐的氣體通過氣體壓縮機(jī)、氣體除菌裝置壓縮并過濾除菌后，重 新進(jìn)入發(fā)酵罐傳質(zhì)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸的方法，其特征在于所述的調(diào)節(jié)發(fā)酵體 系氧化還原電位值的具體方法為利用氧化還原電位檢測(cè)器測(cè)量發(fā)酵液的氧化還原電位 值，通過自動(dòng)添加氧化劑儲(chǔ)存罐中的氧化劑、或自動(dòng)添加還原劑儲(chǔ)存罐中的還原劑使發(fā) 酵體系的氧化還原電位值保持在設(shè)定的發(fā)酵體系的最佳氧化還原電位值。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸的方法，其特征在于調(diào)節(jié)發(fā)酵體系的底 物濃度的具體方法為利用底物濃度檢測(cè)控制器測(cè)定發(fā)酵液中的底物濃度，并通過自動(dòng)添加底物儲(chǔ)存罐中的底物控制發(fā)酵液中底物濃度保持不變。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用微生物厭氧發(fā)酵的耦合裝置以及使用該耦合裝置發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸的方法。在厭氧發(fā)酵過程中，向氣升式發(fā)酵罐中循環(huán)通入惰性氣體實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)，利用氧化還原電位控制裝置測(cè)定并調(diào)節(jié)發(fā)酵體系維持最佳氧化還原電位值，利用底物濃度控制裝置調(diào)控使底物濃度保持不變，發(fā)酵液通過微濾裝置實(shí)現(xiàn)菌體細(xì)胞與發(fā)酵液的分離，濾渣為菌體細(xì)胞重新進(jìn)入發(fā)酵液發(fā)酵，微濾濾出液進(jìn)一步通過納濾裝置實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)成分與代謝產(chǎn)物的分離，濾出的營養(yǎng)成分重新進(jìn)入發(fā)酵液中被菌體利用，余濾液為粗產(chǎn)物進(jìn)行收集。通過該耦合裝置及該生產(chǎn)方法，可以使利用微生物產(chǎn)有機(jī)酸的發(fā)酵實(shí)現(xiàn)底物的高效利用，副產(chǎn)物的減少，并能降低生產(chǎn)能耗，提高生產(chǎn)效率，簡化后續(xù)分離工程。
文檔編號(hào)C12P7/40GK101260365SQ20081002384
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者昊 吳, 岷 姜, 建 李, 歐陽平凱, 陳可泉, 萍 韋, 馬江鋒 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)