[发明专利]一种纤维床反应器与膜分离技术联用高密度生产有机酸的装置

说明书

技术领域

本发明属于发酵工程与过程工程技术领域，具体涉及一种纤维床反应器与膜分离联用技术高密度生产有机酸的装置(FBMS)，并将其用于包括丙酸、乳酸、丁酸、琥珀酸在内的有机酸的高密度发酵生产。

背景技术

有机酸是一类在食品、饲料、塑料等领域具有广泛的应用前景的化合物。在发酵法生产有机酸过程中，由终产物抑制问题所导致的发酵生产效率问题是目前有机酸发酵生产过程中普遍存在，这对有机酸发酵法生产是极为不利的。

近几年来，原位分离技术(ISPR)在有机酸发酵过程中的应用引起了世界范围内的广泛关注。其中，基于原位分离技术的膜法发酵与吸附发酵、萃取发酵相比具有因为分离效率高、对菌体无毒害等优点而受到特别的青睐。但是，目前膜法发酵仍然存在膜组件易受污染而导致膜通量下降的问题，采用错流过滤的方式能够一定程度的缓解膜法发酵过程中膜表面菌体层的形成，但难以从根本上解决膜通量下降而导致发酵产率下降的问题。

此外，有机酸发酵生产菌株自身对于产物的有限的耐受能力对于有机酸发酵生产也是极其不利的。以丙酸为例，Gu Z等研究表明，当发酵液中丙酸浓度超过3g/l时，丙酸生产效率就会受到影响。过于频繁的利用膜组件对发酵液中的有机酸进行分离对于膜本身及是极其不利的，并会造成营养物质利用效率下降的问题，造成整套工艺的经济性下降。

研究表明，固定化细胞能够有效的提高菌体对于有机酸的耐受能力，并能缩短批次发酵时间，提高生产效率。固定化纤维床反应器是一类由Yang ST等最新构建的一种新型固定化方式，其主要实施方法是将一种改性后的纤维绕成轴状固定于固定化柱中，通过恒流泵循环实现固定化柱与优化罐中的物质交换与有机酸的生产。目前，该反应器已成功用于包括丙酸、乳酸、丁酸在内的多种有机酸的生产，取得了不错的试验结果。

发明内容：

本发明的目的在于避免上述现有技术的不足而提供一种纤维床反应器与膜分离联用技术高密度生产有机酸的装置及应用该装置实现有机酸的生产。

本发明目的可以通过下列措施来达到：

该装置由固定化纤维床反应器、并联膜组件单元及膜组件清洗三个单元所构成，其特征在于：固定化纤维床反应器主要由反应器9、纤维材料8、搅拌装置10、pH自动控制装置和补料装置构成，其中纤维材料8作为细胞固定化载体固定于反应器9内部，pH自动控制装置和补料装置与反应器9相连，搅拌装置10位于反应器9内部，并与纤维材料9互不接触；pH自动控制装置由pH探头7、pH检测器6、恒流泵5-1、碱液瓶2、空气过滤器1-1及相互连接管路所构成，pH探头7接于反应器9上，当反应器9内pH低于所控pH时，通过恒流泵5-1向反应器9内补入碱液自动控制pH。补料装置由恒流泵5-2、补料瓶3、空气过滤器1-2及相互连接的管路所构成，通过恒流泵5-2将补料瓶3中的培养基通过连接于反应器9上的管路补入反应器9；并联膜组件单元主要由两个通过管路以并联方式连接的膜组件14-1和膜组件14-2、恒流泵5-3、压力表12及压力调节开关13-1、13-2、13-3和13-4构成，当固定化纤维床反应器中生产的有机酸浓度达到20-60g/l，通过恒流泵5-3将反应器9中的发酵液泵入与固定化纤维床反应器相连的膜组件14-1中，并根据压力表12读数调节压力调节开关13-1和13-3控制膜组件14-1的压力，当一个膜组件14-1被污染影响有机酸生产时替换另一个膜组件14-2，从有机酸回收口15-1回收的产物即为含有有机酸的产物；

上述膜清洗单元由膜清洗瓶16、恒流泵5-4和空气过滤器1-4构成；所述的膜组件清洗单元与并联膜组件通过管路相连接并对并联膜组件进行反向清洗。

具体生产方法为：将有机酸生产菌以适当比例接种于预先装有相应种子培养基的反应器9中，培养20-60h后，实现菌株在纤维材料8上的吸附；将反应器9中的种子液替换为发酵培养基，即实现有机酸的生产。当反应器中的有机酸达到20-60g/l的浓度后，开启并联膜组件14-1，在0.02-0.10MPa的压力下进行发酵产物的分离，被膜组件14-1截留的发酵液中的游离细胞与被截留的蛋白返回反应器9，同时向反应器9中补充发酵培养基，进行下一批发酵并逐步实现细胞的高密度发酵。批次发酵2-4次后，转换膜组件，将膜组件14-2用于有机酸发酵，已污染的膜组件14-1与膜组件清洗单元相联，利用无菌水进行反方向清洗，并联的两个膜组件交替使用，实现有机酸的生产。

所谓的高密度发酵，是指利用该方法可实现包括丙酸、乳酸、丁酸和琥珀酸生产菌的高菌体密度发酵，菌体干重高达20-45g/l，与一般的游离细胞培养相比(菌体干重小于10g/l)具有明显的优势。