[发明专利]扩张床吸附原位提取琥珀酸发酵分离的耦合装置和工艺

说明书

技术领域

本发明属于扩张床吸附原位提取琥珀酸发酵分离的耦合装置和工艺，具体地说是采用发酵方法生产琥珀酸的工艺、扩张床分离琥珀酸的工艺以及发酵分离耦合过程。

技术背景

琥珀酸是合成大宗日用品和重要化学品的平台化学物质，有着巨大的经济价值。目前，只有食品市场的琥珀酸是发酵法生产的，其余都是石化方法合成。随着能源紧缺，利用生物发酵和生物催化法生产琥珀酸的前景非常广阔。而琥珀酸发酵就是一个典型的产物抑制性发酵过程，如果不及时将产物中和或分离，发酵反应进程将无法持续下去。琥珀酸发酵过程中，琥珀酸的积累严重抑制了琥珀酸放线杆菌的生长和琥珀酸的合成，甚至使菌体停止生长。

目前琥珀酸发酵产量最高的微生物是琥珀酸放线杆菌(Actinobacillussuccinogenes)，又名130Z^T，保存于美国菌种保藏中心(ATCC)，编号ATCC55618(Int.J Syst.Bacteriol.，1999，49，207，1999)。此外，属于假丝酵母属(genus Candida)的微生物(JP 56～17077B)、产琥珀酸厌氧螺菌(Anaerobiospirllum succiniproducens)(USP5143834)，重组大肠杆菌(CP96198547.X)都具有相当的产酸能力。

传统发酵法生产琥珀酸，为了消除产物抑制作用，发酵液中加入Ca(OH)₂中和琥珀酸并结晶出琥珀酸的钙盐(USP5143833)，然后用浓硫酸回收提取琥珀酸。将钙离子加入含有琥珀酸的盐溶液中并收集琥珀酸钙作为沉淀的方法中(JP62-294090A)，大量钙盐副产物除去的过程复杂。其缺点是要处理大量的固体和浆液，产生于琥珀酸等量的石膏副产物；发酵过程中气味和颜色的污染影响了琥珀酸的商业应用。目前从琥珀酸发酵液中提取纯化琥珀酸的费用占整个生物质转化过程费用的60％(Metab.Eng.，7，229，2005)；电渗析的方法(JP02-283289A，JP03-151884A，USP5143834，USP5958744)难以除去所述发酵液中包含的其它短链有机酸，因为它们与琥珀酸的性质相似；操作过程中产生的热量容易导致菌种失活，而且较强的反向对流使得该过程不能达到高收率。萃取技术(Enzyme.Microb.Tech.，39，352，2006)选择性强、适用范围广，是目前最有可能取代钙盐法进行有机酸大批量提取的工艺，反应萃取过程基于萃取剂和中短链有机酸的可逆反应，通过根据酸的pKa值调节混合酸液的pH达到选择性地分离有机酸，利用疏水的胺基萃取剂回收琥珀酸多数具有很好的选择性和萃取率，同真空蒸馏一样可以基本去除副产物有机酸(乙酸)，但是目前萃取的方法还是停留在模型阶段，而且反萃问题尚未得到很好的解决。离子交换、吸附的方法与萃取相比对微生物细胞不存在毒性，经济性优于上述方法，但是现有的层析柱都是固定床层析柱，料液进样之前要经过液固分离和复杂的预处理；分离的方法都是间歇性的，这样就无法实现连续发酵，也无法消除发酵过程中的产物抑制，从而限制了产量。现有的琥珀酸提取方法都是发酵过程与分离过程分离的，即发酵结束以后才能从发酵液中分离、精制琥珀酸，基质的转化率和产率都很低，提取步骤冗繁，而发酵和扩张床分离耦和的方法就可以克服这一缺点，迅速地原位分离目标产物或在线移除抑制物。原位产物分离技术可以解除发酵过程中产物抑制(Adv.Biochem.Eng.Biotechnol，80，150，2003)，而且越来越趋向于一级反应(发酵分离耦合)，来取代多级反应(发酵放罐再分离)。

传统的吸附过程都是在固定床中进行的，乳酸菌固定化细胞原位分离发酵生产乳酸(CN200310106657.8)中就是将发酵液先经过筛网过滤以后进入固定床层析柱；但绝大多数微生物发酵过程无法进行细胞固定化，这样发酵液带着细胞流入固定床层析柱很容易发生堵塞，无法实现原位分离过程。而扩张床技术的出现开始于上世纪九十年代初(Adv.Biochem.Eng.Biotechnol，92，101，2005)，本身就是一个集成的过程，作为一个单元操作，它整合了固液分离和产物回收。其特点是它具有流化床的特性，能处理含悬浮颗粒的液体，又具有固定床的优点，流动接近活塞流，返混程度低，分离效率高；还具有提高收率、降低投资费用、缩短操作时间等优点。扩张床的动力学原则基于介质和装置设计，从而找到目标产物在扩张床中的行为和方法论。

发明内容

本发明的目的在于提供扩张床吸附原位提取琥珀酸发酵分离的耦合装置。