[发明专利]一种发酵生产γ-聚谷氨酸的柱式固定化反应器及其工艺

说明书

技术领域

本发明属于发酵工程和过程工程技术领域，涉及一种发酵生产γ-聚谷氨酸的柱式固定化反应器及其工艺。

背景技术

γ-聚谷氨酸（γ-polyglutamic acid，简称γ-PGA）是由微生物产生的一种聚氨基酸型生物高分子，它由一分子谷氨酸的γ-羧基与另一分子谷氨酸的α-氨基缩合而成，分子量可达2000kDa以上，结构式如式（1）所示。γ-PGA具有极佳的生物可降解性、成膜性、成纤维性、可塑性、粘结性、保湿性等许多独特的理化和生物学特性，在注重环保、强调可持续发展的今天，γ-PGA及其衍生物有十分广阔的应用前景，可用于化妆品、肥料增效剂、食品、分散剂、螯合剂、建筑涂料、防尘等领域。

目前，国际上有关γ-PGA的研究比较热门，国内对γ-PGA发酵研究起步于2000年左右，但均为γ-PGA游离发酵研究，未见采用除游离细胞以外的生产方式生产γ-PGA的报道。

固定化细胞具有可重复利用、批次生产时间较短、产量稳定等优点，能够有效提高产物的生产效率。传统的固定化方法主要采用凝胶包埋法，但凝胶包埋法包埋的细胞难以维持氧传递与物质交换，并不适合活细胞发酵，难以实现γ-PGA高粘发酵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种发酵生产γ-聚谷氨酸的柱式固定化反应器。

本发明还要解决的一个技术问题是提供利用上述装置单批次或多批次发酵生产γ-聚谷氨酸的工艺。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种发酵生产γ-聚谷氨酸的柱式固定化反应器，该装置由搅拌式反应器部分与好氧固定化柱部分组成，两部分通过恒流泵相连接进行物料交换；

搅拌式反应器部分，由搅拌式反应器、补料装置、第一通气装置及搅拌装置组成；搅拌装置位于搅拌式反应器内；补料装置位于搅拌式反应器外并通过恒流泵与其连接；第一通气装置向搅拌式反应器内通气；

好氧固定化柱部分，由固定化柱、恒温水浴及第二通气装置组成，固定化材料置于固定化柱中；恒温水浴与固定化柱的夹套连通以控制固定化柱内部温度；第二通气装置向固定化柱内通气。

其中，所述的补料装置，由恒流泵、补料瓶、空气过滤器及相互连接的管路所构成，当需要进行补料操作时，补料瓶通过恒流泵将培养基补入搅拌式反应器中，空气过滤器置于补料瓶密封口处。

其中，所述的第一通气装置，由空气流量计、空气过滤器、通气进管及相互连接的管路所构成，通入进搅拌式反应器中的空气，经空气流量计调节流量，并经空气过滤器进行过滤后通过通气进管进入搅拌式反应器中。

其中，所述的固定化材料经支撑材料绕成桶状或螺旋状固定于固定化柱中而不影响通气与物质交换。所述的固定化材料为植物纤维、动物纤维或合成纤维；所述的支撑材料为耐高温塑料、不锈钢材料或铝制材料等而不影响通气管路将空气通入固定化柱中。

其中，所述的第二通气装置由空气流量计、空气过滤器及相互连接的管路所构成，通入固定化柱中的空气，经空气流量计调节流量，并经空气过滤器进行过滤后由固定化柱的底部带孔气体分布器均匀分布通入固定化柱中。

利用上述柱式固定化反应器发酵生产γ-聚谷氨酸的工艺，将γ-聚谷氨酸生产菌枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis NX-2接入装有灭菌发酵培养基的搅拌式反应器后，开启恒流泵实现搅拌式反应器和固定化柱中的物质交换，开启恒温水浴实现固定化柱中的物料温度恒定且与搅拌式反应器中的物料温度相同，培养24～100h，实现B.subtilis NX-2在固定化材料上的固定与γ-聚谷氨酸单批次固定化发酵。

其中，γ-聚谷氨酸单批次固定化发酵结束后，将搅拌式反应器及固定化柱中的γ-聚谷氨酸发酵液全部移出，仅保留固定于固定化材料中的枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis NX-2，将新鲜灭菌后的发酵培养基补入搅拌式反应器中，通过恒流泵继续实现下一批次γ-聚谷氨酸的固定化发酵生产，如此循环操作，即可实现γ-聚谷氨酸的多批次固定化发酵生产。

其中，搅拌式反应器中发酵反应温度为28～37℃，初始pH为6.0～7.5，通气量为0.5～1.5vvm，搅拌转速为300～1000r/min；固定化柱中反应温度为28～37℃，初始pH为6.0～7.5，通气量为0.5～1.5vvm。