[发明专利]一种联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物工程领域，尤其涉及一种联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的系统和方法。

背景技术

产酸丙酸杆菌(Propionibacterium acidipropionici)是厌氧发酵生产丙酸的主要菌种之一，但在发酵过程中，丙酸的不断积累会对菌体细胞生长及丙酸自身代谢产生反馈抑制作用，进而降低了发酵效率。比如，当发酵液中丙酸浓度大于10g/L时，菌体的生长速度开始减慢，当丙酸浓度达到35g/L时，菌体的生长速度急剧下降。为了解除丙酸对发酵的反馈抑制作用，研究人员对生产菌株进行了基因改造(Biotechnology and Bioengineering,2009,104:766-773；Metabolic Engineering,2015,27:46-56)，研究了丙酸的反馈抑制机理(Journal of Biotechnology,2013,167:56-63)，并采取适当的调控策略(Bioresource Technology,2012,105:128-133；Bioresource Technology,2013,135:504-512)来提高批次发酵过程中丙酸的产量。此外，研究还发现，在发酵过程中采用过程工程手段及时移除丙酸，可有效减缓或消除其对发酵的反馈调节作用，提高发酵效率。Goswami构建了一种原位细胞截留反应器，通过不锈钢旋转过滤器将菌体细胞截留，使含高浓度丙酸的发酵清液滤过，从而实现了菌体细胞与丙酸的分离(Applied Microbiology and Biotechnology,2001,56:676-680)。南京工业大学欧阳平凯院士构建了一种多孔纤维床反应器将发酵过程中产生的丙酸及时分离出来，提高了发酵产率(Journal of Biotechnology,2012,164:202-210)。浙江大学徐志南教授通过将菌体细胞固定化在纤维床反应器上，采用流加葡萄糖的方式，提高了发酵效率(Bioresource Technology,2012,112:248-253)。中科院过程所王云山研究员将扩张床层析技术与发酵过程耦合起来，建立了一种以扩张床原位吸附为特征的新型发酵过程，提高了丙酸产量(Bioresource Technology,2012,104:652-659)。但是，在工业生产过程中，扩张床填充效率低，上述工艺普遍面临着难以放大、成本高等问题。

此外，发酵液中除丙酸之外，还含有大量的丁二酸、乳酸、乙酸等，限制了丙酸的纯度。CN103667373A公开了一种微生物发酵产丙酸及其盐联产丁二酸及其盐的方法，利用碳酸盐以中和丙酸，降低丙酸对细胞生长的抑制作用，产生的二氧化碳用于合成丁二酸，主要提高了丁二酸的产出，但该工艺没有将发酵液中的丁二酸和丙酸有效分离开来，产品主要是丁二酸钙和丙酸钙的混合物。

因此，迫切需要开发一种能有效提高丙酸纯度同时易于工业化的联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的工艺。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，为实现丙酸及其盐和丁二酸及其盐的联产，提高发酵效率和产物纯度，以及降低工业化难度和成本，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的系统，所述系统包括依次连接的发酵单元、膜分离单元、酸化单元、第一层析单元和第二层析单元；

所述膜分离单元与所述发酵单元之间设有第一回路；

所述第二层析单元与所述发酵单元之间设有第二回路。

菌体细胞在发酵单元中发酵，产生丙酸和丁二酸，含有菌体细胞、营养物质和丙酸、丁二酸的发酵液通过膜分离单元，分离得到的菌体细胞通过第一回路回流至所述发酵单元，分离得到的发酵清液进入酸化单元进行酸化后得到的酸化发酵清液进入第一层析单元，第一层析单元吸附酸性较强的丁二酸，透过液进入第二层析单元，第二层析单元吸附丙酸，透过液中含有营养物质，通过第二回路回流至发酵单元继续进行发酵。

本发明所述发酵单元优选包括发酵罐。

优选地，所述膜分离单元中过滤膜的材料包括聚醚砜。

优选地，所述膜分离单元中过滤膜的孔径为0.1～0.22μm，例如0.1μm或0.22μm等，优选0.22μm。