[发明专利]基于生长和代谢特征的底物流加发酵生产1,3-丙二醇的控制方法

说明书

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，涉及一种发酵生产1，3-丙二醇的控制技术，尤其涉及一种批式流加发酵生产1，3-丙二醇过程的与细胞生长和代谢特征相耦联的底物流加自动控制方法。

背景技术

1，3-丙二醇(英文名：1，3-Propanediol，简称1，3-PD)是一种极其重要的化工原料，具有广泛的应用领域。1，3-PD可作为增塑剂、洗涤剂、防腐剂和乳化剂的合成原料，也可作为如打印机墨水、清洁剂、稳定剂和燃料电池燃料等产品中的添加剂来提高产品的性能；1，3-PD可作为医药和有机合成的中间体，用于食品、化妆品和制药等行业；1，3-PD可替代乙二醇、1，4-丁二醇和新戊二醇等中间体生产多醇聚酯及作为碳链延伸剂；1，3-PD最主要的用途是作为合成聚酯和聚氨酯的单体，尤其是作为新型聚酯——聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)的单体。PTT是继聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)之后的又一极有发展前途的新型聚酯材料，是一种高性能、易加工的新型热塑性聚酯材料，具有优异的弹性复性和低温染色性能，在地毯工业、服装材料和工程热塑料等众多领域具有广阔的应用前景。

目前，1，3-PD的工业化生产方法分为化学合成法和微生物发酵法。微生物发酵法因其具有原料来源广泛、操作条件温和及环境污染小等优点而受到广泛关注。批式流加发酵生产1，3-PD是微生物发酵法的主要生产方式，因为这种方式可以获得较高的产物浓度和转化率。批式流加发酵过程中的底物浓度是影响1，3-PD产量的关键性控制变量。目前世界上除杜邦公司采用以葡萄糖为底物一步发酵生产1，3-PD工艺外，其他工艺均以甘油为底物一步发酵生产1，3-PD。以甘油为底物发酵生产1，3-PD是一个典型的生长耦联型过程，产物形成与细胞生长密切相关。细胞生长与底物浓度密切相关，底物浓度过高会对细胞生长产生抑制，浓度过低则限制细胞生长，两种情形都不利于1，3-PD的生产，为此需要将底物浓度控制在一个合理的范围内。但由于甘油浓度难以在线快速检测，因此发酵过程中底物流加的自动控制一直是一个难以解决的关键性问题。尽管国内外都有学者尝试解决这个问题，如德国学者A.Reimann和H.Biebl最早提出甘油流加与pH调节相耦联的策略(Biotech Lett，1996，18(7)：827-832)，清华大学程可可等人采用甘油与碱耦合和恒速流加甘油相结合的控制策略(食品与发酵工业，2004，30(4))，北京化工大学谭天伟等提出的反馈补料控制技术(公开号CN101153292A)，但这些方法都是根据经验来控制甘油浓度，而没有依据细胞生长和代谢的特征进行精确地自动控制。本发明通过发酵动力学分析，建立了底物消耗与菌体生长(通过尾气中CO₂浓度表征)和代谢(通过碱液消耗量表征)之间的函数关系，并通过实验数据拟合确定了相关系数值，进而得到了发酵不同阶段的底物流加策略，实现了发酵过程中底物浓度的自动控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种以甘油为底物发酵生产1，3-PD的底物流加自动控制方法，主要包括三方面内容：(1)与菌体生长特性及代谢特性相耦联的底物流加控制函数推导；(2)底物流加速率同尾气CO₂浓度和pH值相耦联的分段控制方案；(3)自动检测和流加自动控制。

本发明中发酵过程中底物甘油的流加方案取决于发酵罐尾气中CO₂浓度的变化，而底物的流加速率则通过CO₂浓度和碱液的消耗速率由相应的函数关系式确定。当尾气中CO₂浓度呈逐渐增加趋势，菌体生长处于对数生长期时，底物消耗速率与CO₂浓度及碱液消耗速率相关；而CO₂浓度呈逐渐下降趋势，菌体生长处于稳定或衰亡期时，底物消耗速率与碱液消耗速率呈线性关系。依据这两个关系式，通过计算机、传感器和相应的输送设备构成自动控制系统，实现1，3-丙二醇发酵过程中底物流加的自动控制，将底物浓度控制在一个合理的水平，既有利于细胞生长，又有利于目标产物的形成。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，先推导与菌体生长特性及代谢特性相耦联的底物流加控制函数，然后通过人工控制进行厌氧发酵实验，初步确定底物流加控制函数中与细胞生长和代谢特征相关的参数，并根据不同时期细胞生长的特点设计底物流加方案，再将此底物流加自动控制系统用于发酵实验；

步骤1、推导与菌体生长及代谢特性相耦联的底物流加控制函数。