[发明专利]发酵生产丁酸的内置碟式纤维床反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种发酵生产丁酸的内置碟式纤维床反应器，属于发酵工程技术领域。

背景技术

丁酸及其衍生物是重要的有机化工原料，广泛应用于食品、化工、医药、能源等领域。在食品工业领域，纯的丁酸可以增加食用香料的奶油味，亦可以作为食品添加剂中的pH调节剂和细菌抑制剂；作为一种替代抗生素的饲料添加剂，丁酸盐具有促进动物生长、调节动物肠道微生物、增加机体免疫力的功能；在化工领域，丁酸可用于制造丁酸纤维素、丁酸醋酸纤维素等具有良好特性的纤维塑料；另据报道称，丁酸可以作为生产新一代生物燃料产品丁醇的前体。

传统有机酸的生产方法主要以石油为原料采用化学合成法进行生产。随着石油资源的日渐枯竭、化学合成对环境的污染日益严重以及人们对生物基产品的偏爱，利用微生物代谢生物质资源转化有机酸的微生物发酵法日益受到关注。酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum）以其对高温、高盐、强酸等恶劣环境的耐受性强，丁酸产量、纯度和得率较高，稳定性较好，被认为最具工业化生产潜力。目前关于丁酸的发酵生产仍存在较多问题，例如传统发酵工艺生产遇到生产效率低、细胞生长对酸的选择性低、终产物的抑制作用导致有机酸的浓度和得率低等难题，进而增加了丁酸分离纯化的难度，提高了分离工序的成本。

固定化细胞技术，即采用物理或化学的手段将具有一定生理功能的游离细胞定位于限定的空间区域，使其成为一种既保持本身活性，又可反复利用或回收的的一种技术。与游离细胞培养相比，固定化培养方式具有诸多优点：提高单位发酵体积的细胞密度，缩短细胞延滞期，提高生产效率；减少细胞再生过程中的物质能量消耗，提高底物的转化效率；为细胞生长代谢提供更适宜的微环境，提高菌体对环境的耐受性；对于细胞而言，固定化还可以保护其免收剪切力损伤；细胞生物量反复使用，可有效降低目的产物的生产成本。

传统的固定化发酵存在着周期较长、产物产率在发酵中后期急剧下降和设备利用率低等缺点，这主要是由于固定化载体上衰亡细胞的积累，高密度发酵后期传质较差以及大量不合理的发酵生产设备投入所造成的。近年来，一种以棉纤维为固定化材料的纤维床反应器受到了广泛的关注。如Yang运用一种在玻璃柱中填装螺旋状的棉布织物固定细胞的外置纤维床生物反应器（fibrous bed bioreactor，简称FBB），并成功应用于丁酸、乙酸、乳酸和丙酸等有机酸的发酵生产，取得了不错的结果，但其外置式的柱式纤维床反应器增加了发酵过程中的染菌机率及减少了发酵设备的利用率。南京工业大学徐虹教授课题组构建了一种内置式棉纤维反应器生产有机酸（中国专利公开号：CN101182457A），但其棉纤维固定化表面积较小且传质不均匀影响其广泛的应用。

发明内容

为了克服现有内置式棉纤维反应器存在的棉纤维固定化面积较小且传质不均匀影响其广泛应用以及外置式纤维床反应器存在的的发酵过程中的染菌机率大和发酵设备的利用率低等的缺点，本发明提供一种传质效率和设备利用率高、发酵过程中的染菌几率低的发酵生产丁酸的内置碟式纤维床反应器。

本发明采用的技术方案是：

发酵生产丁酸的内置碟式纤维床反应器，包括反应器本体、搅拌装置、pH自动控制装置和补料装置，所述的pH自动控制装置和补料装置分别与反应器本体相连，所述的搅拌装置设置在所述的反应器本体内部，其特征在于：还包括作为细胞固定化载体间隔固设在反应器本体中的复合碟式纤维结构，所述的搅拌装置与所述的复合碟式纤维结构互不接触；所述的复合碟式纤维结构包括蝶式不锈钢网和固定化纤维材料，所述的蝶式不锈钢网的上下表面上均覆盖有所述的固定化纤维材料。

进一步，所述的pH自动控制装置由pH探头、pH检测器、第一恒流泵、碱液瓶、第一空气过滤器及相互连接管所构成，所述的pH探头悬于反应器本体中，当反应器本体内pH低于控制pH时，通过第一恒流泵将碱液瓶中的碱液补入反应器本体中自动控制pH。

进一步，所述的补料装置由第二恒流泵、补料瓶、第二空气过滤器及相互连接的管路所构成，通过第二恒流泵将补料瓶中的培养基通过连接于反应器本体上的管路补入反应器本体中。

进一步，所述的反应器本体的顶部通过管路设置有气体入口和尾气出口。

进一步，所述的固定化纤维材料为植物纤维、动物纤维或合成纤维。

进一步，从上述气体入口通入的气体为N₂，尾气出口出来的气体为N₂、CO₂和H₂的混合物。