[发明专利]一种利用胺类萃取剂连续逆流萃取发酵液中富马酸的方法及其装置和其耦合发酵技术的应用

说明书

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，具体涉及一种利用胺类萃取剂连续逆流萃取发酵液中富马酸的方法，及实现此方法的装置，同时涉及利用此种萃取方法耦合发酵技术的在连续制备富马酸中的应用及其应用方法。

背景技术

富马酸（fumaric acid）又称反丁烯二酸，是一种重要的二元有机羧酸，作为重要的有机化工原料和精细化工产品被广泛应用于化工、材料、医药及食品等领域。然而，化学合成富马酸因成本提高和环境污染等原因使得富马酸在食品领域的应用受到限制。以生物质为原料发酵法制备富马酸，由于原料可再生、产品天然、安全性好等优势，受到了越来越多的青睐。

微生物发酵法生产富马酸的过程是典型的产物抑制型发酵过程，未解离的富马酸分子比解离的富马酸根离子产生的抑制作用更为明显，在发酵过程中添加中和剂是解决这一问题的常用方法，不同中和剂的使用，发酵后亦生成不同的盐。在现有的报道中，以碳酸钙为中和剂制备富马酸的产量较高，工业中将富马酸钙转变成富马酸或水溶性好的富马酸盐时，一般会加入硫酸或硫酸盐，该过程会造成固体废弃物（如石膏）的排放，额外地增加环保压力，而且在制备富马酸时因其收率低，造成提取成本的上升，因此，固废污染和高提取成本将成为钙盐中和剂在富马酸产业化应用中的两大主要限制因素。非钙类的中和剂，如钠类或铵（胺）类作中和剂可避免钙类中和剂的问题，在获得富马酸的同时，所制备的富马酸钠或富马酸铵亦可作为苹果酸或天冬氨酸的生产原料，进而直接与下游工艺结合，缩短工艺流程。单纯使用钠类或铵（胺）类中和剂来发酵制备富马酸，无论是糖转化率，还是富马酸的生产能力都很难与碳酸钙中和剂相比，为有效解决这一问题许多研究者将反应与分离耦合技术应用到该过程中来，即在发酵前期通过流加中和剂来调控发酵液pH，待生物量积累到一定程度停止流加中和剂，根据发酵液pH变化自动调节分离单元的开关，通过分离单元分离发酵液中的富马酸进而达到消弱产物抑制、提高糖转化率、减少中和剂用量等目的。G. T. Tsao等人（Simultaneous production and recovery of fumaric acid from immobilized Rhizopus oryzae with a rotary biofilm contactor and an adsorption column [J].Applied and Environmental Microbiology，1996，62(8)：2926-2931.）利用离子交换树脂分离单元与旋转生物膜反应器耦合制备富马酸，富马酸产量为85 g/L，产酸强度达到4.25 g/L/h，是目前富马酸产量报道的最高值，然而在该工艺条件下发酵液中富马酸的浓度较低，树脂的吸附能力未能得到有效利用，从而使得发酵过程中树脂使用量相对增加，基于这些问题，付永前等人（专利公开号CN 101235394A）公开一种利用中空纤维膜过滤、纳滤浓缩和离子交换吸附耦合技术分离提取富马酸的方法，提高了树脂的吸附能力，有效降低了树脂在反应分离过程的使用量。同时，Carol A. R. E.(Integration of fermentation and cooling crystallization to produce organic acids[D]. Delft University of Technology,2009.)利用富马酸低溶解度的特性，通过冷却结晶罐与制备富马酸的反应器耦合将未解离的富马酸冷却结晶降低产物抑制，结果表明通过该反应与分离耦合，可直接获得富马酸晶体，且中和剂（氢氧化钠）的用量比常规发酵方式减少37%左右。

反应与分离耦合技术凭借减少产物抑制提高生产率的优势在许多领域有广泛的应用，例如胡纯铿等人（离子交换树脂分离发酵新工艺生产L-苹果酸的研究[J].食品与发酵工艺，1999，25（6）：33-36.）利用离子交换树脂分离器与反应器耦合产苹果酸；徐虹（L-丙氨酸制备新技术的研究[D].南京工业大学，1999.）通过控制反应体系的pH值，实现了反应与原位结晶分离耦合生产L-Ala，该技术提高了酶反应速率，显著降低了生产成本；姜岷（授权公开号：CN 101215583 B）公开了一种发酵与膜分单元耦合制备丁二酸的方法，该技术可以有效解除发酵过程中代谢产物对菌体生长的抑制，显著提高丁二酸的生产强度；王鑫昕（发酵分离耦合系统高产丁醇的工艺优化研究[D].四川师范大学，2009.）通过构建丁醇发酵与产物提取工艺的耦合系统，有益效果在于丁醇产量（16.39 g/L）比传统发酵（10.82 g/L）提高了33.98%，底物转化率由传统工艺的75.91%提高到了91.93%。