[发明专利]应用动态扩张式吸附反应器系统生产生物有机酸的方法

说明书

技术领域

本发明属于发酵工程技术领域，特别涉及应用动态扩张式吸附反应器系统生产生物有机酸的方法。

背景技术

用微生物细胞发酵生产各种产品时遇到的一个难题是细胞代谢产物的反馈抑制，其现象是：在微生物细胞发酵过程中，菌体以特定的底物为营养生长繁殖的同时向细胞内或细胞外分泌代谢产物，某些细胞代谢产物的浓度达到一定范围后，目标产品不再增加，而杂质则大量增加，导致发酵产率无法提高，同时大量杂质还会干扰后续的分离。如果采用过程工程手段将反馈物质及时从发酵罐中除去，就有可能解除反馈抑制，增加发酵产率，创造巨大的经济效益。已有的研究表明，解除反馈抑制后，微生物细胞发酵的产率可以大幅度提高，产量甚至可以增加50％以上甚至更多。

从工程的角度解决反馈抑制现象，需要研究新型微生物细胞发酵过程。目前微生物细胞发酵过程分为三种方式：批次发酵、半连续发酵、连续发酵。生产上多采用批次发酵方式，一般都是一次性投料，一次性收获产品。其中必然有反馈抑制存在。虽然已经有人进行过连续发酵的研究，但由于生物反应远远不如一些化学反应迅速，加上连续发酵容易受污染，产物浓度低、原料浪费多，所以连续发酵难以被发酵工业接受。

相比连续发酵方式，采用半连续发酵方式更具有前景。它不是像化工反应那样恒定不断地进料和出料，而是在微生物细胞发酵到达一定阶段后才进行发酵罐(即生物反应器)的进料和出料。目前半连续发酵大多数只是在间歇发酵一段时间后流加一些原料和前体，而不移走产物。这种“半连续”发酵又称为补料式发酵或流加式发酵，已经广泛应用于抗生素等次生代谢产物的大规模发酵过程，取得了十分显著的成功，有的过程提高产量达到几倍以上。

人们也探索了在流加原料的基础上，移走一些产物，以达到真正半连续发酵，这对减少反馈抑制最为有效，而流加补料常常是为了控制发酵罐中的代谢。尽管做了大量工作，移走产物的尝试并没有流加原料那样成功。存在的问题是移走产物的操作必然产生对微生物细胞和酶活性的影响，移走产物时也必须用到分离介质，而分离介质本身也可能产生对微生物细胞发酵的影响；还有，分离产物的过程常常包含剧烈的物理化学变化，要保持在发酵的温和条件如常温常压，温和的pH下实现分离产物是有难度的。

基于以上原因，以反应和分离相耦合的新型微生物细胞发酵工艺就成为国内外研究的热点。近年来国内外已经研究了萃取发酵、膜反应器发酵、离子交换吸附发酵等过程。例如，中国和法国的学者分别研究了用超滤膜反应器和萃取法解除丙酸抑制，实现了丙酸与发酵液的分离。但添加仲胺和氢氧化钠作为萃取剂和反萃取剂又使成本增加。尽管超滤膜反应器法结果令人鼓舞，但膜的污染使过滤速率迅速下降是令人头痛的难题。

扩张床吸附(Expanded Bed Adsorption，EBA)技术是上世纪90年代初发展起来的非常有前景的分离手段，在扩张床层析柱中装填有分离介质，料液经分离介质后，分离介质适度膨胀，分离介质之间存在较大空隙，料液中固体小颗粒能直接通过床层而目标产物被分离介质捕获；同时专门设计的分离介质能够形成稳定分级的床层结构，使得分离效果可与固定床层析相当。扩张床吸附集固液分离、浓缩和初期纯化于一个操作单元之中，能直接从含有固体颗粒的发酵液、细胞培养液或匀浆液中捕获目标产物，从而减少了操作步骤，能降低成本，缩短操作时间，提高收率。

本发明创造性的将动态扩张式吸附与生物发酵相耦合的技术应用于生物有机酸生产过程，包括脱氧腺苷钴胺素(VB12)发酵过程中丙酸的在线吸附分离、乙酸发酵、柠檬酸发酵、乳酸发酵、富马酸发酵、酒石酸发酵、丁二酸发酵以及长链二元酸发酵的过程集成等。这几个产品都是重要的生物化工产品，也是我国在国际上有一定市场优势的发酵产品的代表，但与发达国家相比，在发酵技术和分离技术上还有不小的差距，产品质量和成本面临发达国家技术不断进步造成的威胁，急需发展有自主知识产权、高产量、高收率、低成本和无污染的发酵工程。

发明内容

本发明的目的是针对应用微生物细胞生产发酵产品时出现的反馈抑制现象，从生物过程集成的角度出发，将动态扩张式吸附反应器中的扩张床层析柱与发酵罐直接耦连，创造性的将动态扩张式吸附与生物发酵相耦合的技术应用于生物有机酸生产，从而提供一种应用动态扩张式吸附反应器系统生产生物有机酸的方法。