[发明专利]一种循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种微生物发酵反应及发酵液分离设备，特别是涉及一种发酵反应与料液分离的一体化设备。

背景技术

氨基酸是组成蛋白质的基本单元，是生物有机体的重要组成部分，具有极其重要的生理功能；可广泛应用于食品、饲料添加剂、医药等领域，也可用作合成特殊化学物质的中间体。目前，多数氨基酸生产是采用微生物发酵法在分批间歇式反应器中实现的，得到单一品种的L-氨基酸，夹杂少量的其它种类氨基酸。在传统的分批间歇式反应器中，酶或者微生物细胞处于游离或溶解状态，具有如下缺点：（1）因存在开车、停车过程，设备利用率低；（2）生产能力低，设备费用高；（3）不同批次的产品质量有一定的变化；（4）在反应结束时，需将酶或微生物分离出来，或者使其失活，从而增加了费用；（5）由于采用的生物催化剂浓度较低，且有时存在产物抑制，故完成反应时间较长。随着对氨基酸产品质量要求的日益提高，在氨基酸生产中，分离与纯化也占据越来越重要的地位。通常情况下，分离、纯化成本占氨基酸生产总成本的50%以上。因此，近年来，如何促进微生物细胞高密度培养、增加代谢产率、实现连续发酵以及如何解决氨基酸与发酵液分离、提高氨基酸分离的选择性和成品收率也引起业内人士极大的关注。

在传统的氨基酸发酵生产过程中，发酵池内发酵完毕的料液，需要首先经过澄清，再进行有效产品的分离。这种工艺过程存在着两个难题：一是分离液量大、废液量大；这既造成分离环节的能耗成本居高不下，又带来了废液处理困难，易造成环境污染的问题。二是发酵液的澄清过程与提高发酵池效率存在着矛盾。为了提高发酵池效率，就需要尽量提高发酵池内原料和微生物的浓度，但发酵池中浓度越高，发酵液澄清就越困难。目前的发酵和分离工艺难以解决这一矛盾。

氨基酸的主要分离纯化方法有：沉淀法、离子交换法、萃取法和膜分离法等几种。其中，膜分离法引起了本行业的关注。膜过滤法实现微生物发酵液分离，主要是基于以下机理：由于亲水性等原因所引起的选择性透过；分子体积大小的筛分效应；带电分子与荷电分离膜之间的Donnan效应。营爱玲等、李树良等采用纳滤膜分离谷氨酸发酵液研究结果表明，具有高选择性的纳滤膜分离技术对分离分子量相近、性质相似、电性不同的氨基酸有一定的优势，但是在分离过程中由于浓差极化现象、氨基酸与膜的疏水作用或静电吸附作用，膜在一段时间后常常出现传质阻力升高、膜通量下降、截留率和操作压力升高等现象；这些都将给工业生产带来不利影响，并严重制约纳滤膜分离技术在相关工业领域中的推广应用。另外，Timmer等选用了4种分离膜，对发酵氨基酸的膜过滤情况进行了考察；结果表明，使用带负电荷的超滤膜，赖氨酸更容易透过，分离效果优于所选用的纳滤膜；若氨基酸分子带正电荷，改变盐（如NaCl等）的浓度也可以改变超滤膜对氨基酸分子的截留率；在对混合氨基酸进行膜过滤时，其规律与对单个氨基酸进行操作是一致的。故调整氨基酸混合液的pH值，改变其所带的电荷，并通过加入适当种类和浓度的盐可以提高氨基酸的分离选择性；同时也证明了，当Donnan效应占主导地位时，分离的选择性最高。Teiayadi等对反渗透与发酵过程的经济性进行了研究，膜生物反应器在40g/L的游离菌浓度下连续操作，生产率可达22.5g/L，乳酸盐浓度89g/L，产率为0.89。Xavier等研究了陶瓷管式超滤膜细胞循环生物反应器中影响乳酸生产的操作模式，取得了较好的实验效果，能得到不含细胞的澄清发酵液，具有较高的乳酸体积产率30g/Lh，较高的产品浓度90g/L和较长的使用时间90h，所选用的陶瓷膜材料（将氧化锆涂于碳上）具有较好的机械稳定性，且能耐蒸汽灭菌。Kaimingye采用外置式膜分离发酵与树脂法耦合发酵乳酸循环利用菌体，同时得到了较高的乳酸产量7.75g/Lh，但外置式膜分离占地面积大，不易于在线观察控制，操作成本高。后来，Coulman等、Hongo等、Nomura等也对电渗析等膜法在发酵工业中的应用进行了研究。

可见，膜设备和技术已经成功地应用于发酵产物的分离、分级、浓缩和提纯等方面，但均为采用发酵罐和分离膜装置分开的形式。目前的膜法发酵反应器的研究基本属于分离膜装置与发酵罐的组合，虽然在一定程度上提高了代谢产率、实现了连续发酵，但仍存在反应与分离分步进行、能源消耗高的问题。如中国专利公开号CN1908176A《采用无机膜实现无所谓原位分离发酵的方法》，涉及发酵与分离的耦合装置和工艺，是将含生物细胞的发酵液通过发酵罐外的膜进行分离，但生物细胞在这种分离的过程中会受到影响，发明也未提到连续发酵。