[发明专利]在需氧发酵中利用氧消除二氧化碳中毒的方法

说明书

本发明一般涉及发酵方法，更具体的说，涉及由注入诸如氧的气体驱动的发酵方法。

发酵是由活体生物或酶(诸如细菌或在单细胞植物中存在的微生物)引起的一种化学变化，它涉及碳氢化合物的有氧分解，产生需要的产物以及二氧化碳。发酵系统用于生产大量诸如抗生素、疫苗、合成生物聚合体、合成氨基酸和可食用蛋白的产品。

在常规的需氧发酵中，提供大量的空气是为呼吸和生长提供氧。同时，通过生物质(细菌、真菌、植物细胞等等)没有消耗的残留空气除去二氧化碳。一般而言，包含在空气泡中的氧在生物质可以消耗它之前，必须溶解在发酵液中。所以，空气的氧溶解量是一个速率控制因素。为保持有利的空气溶解速率，一般将发酵罐的压力提高至几个大气压。

增加发酵罐的产量可以包括增加营养物和生物质的浓度。因此氧需要量将随着额外营养物和生物质浓度的增加而增加。如果可以获得更多的氧，那么也将消耗更多的氧。所以，向生物质提供足够的空气(或氧)是主要考虑的问题。氧消耗速率越高，产生的二氧化碳越多。在某种意义上说，发酵罐中的二氧化碳水平将使生物质中毒，并成为发酵工艺中的主要问题。当在生物质的呼吸和生长过程中产生的二氧化碳的量比去除速率更快时，就发生这种中毒。在临界水平上，过量的溶解二氧化碳将阻滞生物质的生长。所述临界二氧化碳水平定义为在发酵罐中二氧化碳在发酵中不再起有益的作用、而是阻滞生物质生长的二氧化碳水平。

因为在发酵罐排气管中的二氧化碳浓度与在发酵罐中的溶解二氧化碳水平相比，其值更容易测定，所以测定排气管中的二氧化碳浓度成为了一种工业标准。因此，每个发酵工艺都有某些预定的排气管中的临界二氧化碳浓度，作为各批发酵不应超过的依据。这个排气管中的临界二氧化碳浓度已经成为人们努力增加产量或生物质浓度时的实际可检测极限。

为了在较高生物质浓度下增加产量，在本领域中已知是增加空气流量。增加空气流量的优点是提供额外的氧，在除去多余的二氧化碳的同时，维持更高浓度的生物质。然而，关于可以引入的空气的量有实际限制。如果发酵罐是机械搅拌，那么过量的空气将涌向叶轮，因此使搅拌器失效。在空气带升式发酵罐中，过量的空气也可以使发酵液流化，或将内容物吹出发酵罐外。因此，增加空气流量只能在很小程度上增加产量。

其它研究建议，当生物质浓度高时，使用纯氧补充空气。然而，相信只有在生物质抵抗二氧化碳中毒时，才能在发酵中使用仅加入纯氧的方法。加入纯氧多半会产生问题，因为会有更多的二氧化碳通过生物质的呼吸和生长产生。如果二氧化碳去除速率的增加没有比二氧化碳产生速率的增加高，那么过量的二氧化碳将会累积。

在本领域中已知保持足够低的生物质浓度，可以使排气管中的二氧化碳浓度(作为一个对照方法)不会超出临界值。因此，排气管中的二氧化碳浓度在产量提高中是一个限制因素。

本领域仅提出了涉及增加氧溶解速率的解决办法，而忽视了二氧化碳中毒的影响。先有技术的参考文献规定以富集或直接注入的方式使用氧，但相信它们中没有一个解决了与二氧化碳中毒有关的问题。

因此，急需提供一个使用氧进行发酵的办法，将二氧化碳中毒的影响减至最低程度。

本发明涉及一个用于进行发酵的方法。本方法的步骤包括提供一个包含发酵液的罐，所述发酵液包括能够进行发酵的组分；降低罐内的罐压，以降低溶解二氧化碳水平，并且罐内的平衡氧分压与所述降低的罐压成比例；向所述罐中加入纯氧，以提高其中的平衡氧分压，并利用纯氧进行所述组分的发酵。本发明最好是保证降低反应器压力和加入纯氧两个步骤同时进行。本发明也涉及一个在进行发酵工艺时用于增加生物质浓度的方法。

本发明基于这样一个前提：大多数工艺流程控制发酵罐排气管中的二氧化碳水平。在此基础上，排气管二氧化碳水平与溶解二氧化碳水平成比例。尽管有此前提，但相信排气管二氧化碳水平不总是成比例，而是取决于发酵罐的温度和压力。

排气管中的二氧化碳浓度取代溶解二氧化碳用于测定发酵速度和发酵产量的原因，是因为在无菌反应发酵液中，所述溶解二氧化碳水平不是一个可测定的值，因为相信没有任何目前存在的在线设备能够计算这个值。本发明使用由发酵罐排气管中测定的临界二氧化碳计算临界溶解二氧化碳水平。降低发酵罐内的压力，实际的溶解二氧化碳水平X_CO2’将由于二氧化碳分压的降低而成比例的降低：

       P_CO2＝Y_CO2·P＝H·X_CO2其中：P_CO2＝CO₂分压