[發(fā)明專利]一種發(fā)酵與膜分離單元耦合制備丁二酸的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810019287.7
• 申請日: 2008-01-18
• 公開（公告）號: CN101215583A
• 公開（公告）日: 2008-07-09
• 發(fā)明（設計）人: 姜岷;吳昊;韋萍;左鵬;雷丹;陳可泉;姚忠
• 申請（專利權）人: 南京工業(yè)大學
• 主分類號: C12P7/46
• 分類號: C12P7/46;C12R1/01
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發(fā)明屬于生物工程技術領域，尤其涉及利用發(fā)酵與膜分離單元相耦合制備丁二酸的方法。

背景技術

丁二酸(Succinic?Acid，Butanedioic?Acid)又稱琥珀酸，是一種重要的二元有機羧酸，可作為合成復雜有機化合物的中間體，廣泛用于制藥、食品加工、合成材料、表面活性劑、防護涂料、染料和其它工業(yè)中。然而，傳統上的化學合成丁二酸因成本和環(huán)境污染等原因使得丁二酸作為基本化工原料的廣泛應用受到限制。發(fā)酵法制備丁二酸以成本較低的可再生的生物質和溫室氣體二氧化碳為原料，污染少，能耗低，因此以微生物發(fā)酵法生產丁二酸的研究與開發(fā)正在美國、日本等國家深入地進行著。利用微生物發(fā)酵制備提取丁二酸的專利有：US5034105(1991)、US5168055(1992)、US5143834(1992)、US5958744(1999)等，其專利保護內容主要涉及發(fā)酵用菌種、發(fā)酵工藝和提取工藝等。

目前國內外利用微生物發(fā)酵制備丁二酸多采用傳統的批式發(fā)酵工藝，在發(fā)酵過程中，隨著產品丁二酸及甲酸、乙酸等副產物的大量積累，嚴重地抑制了丁二酸生產菌的生長并進而影響丁二酸的合成速度，造成其發(fā)酵生產水平低下，因此在丁二酸發(fā)酵過程中往往需要添加大量的鈣鎂鹽來中和大量產生的有機酸以保證發(fā)酵的正常進行。在上述公開的專利中，經實踐和研究發(fā)現，采用這些工藝存在以下問題：

鈣鎂鹽中和，給丁二酸發(fā)酵體系帶來了大量雜質，增加了后期分離提取的難度，如硫酸鈣過濾過程中產品損失高達30％以上；高離子強度導致離子交換樹脂污染嚴重，工作容量迅速下降，樹脂再生困難；高濃度的鈣鎂離子還會導致溶劑萃取效率低下或污染電滲析膜導致能耗迅速增加。

總之采用鈣鎂鹽中和的批式發(fā)酵制備丁二酸，分離工藝步驟多，收率低，酸堿/溶劑消耗量大，生產裝置易被污染，產生的廢液廢渣嚴重污染環(huán)境，運行成本高，最終限制了發(fā)酵法制備丁二酸的市場競爭能力。因此如何解除丁二酸發(fā)酵過程中的代謝產物抑制、提高丁二酸的生產強度與收率是生物法制備丁二酸實現產業(yè)化的關鍵。

目前將膜分離單元與生物反應器進行耦合，可較好地實現菌體細胞與代謝產物的分離而倍受關注，在發(fā)酵制備乙醇、丙酮-丁醇、乳酸、丙酸及細胞高密度培養(yǎng)的研究中均有成功報道。但目前未見將膜分離單元與發(fā)酵耦合進行連續(xù)或半連續(xù)制備丁二酸的專利報道。

但目前基于膜分離技術的反應-分離耦合發(fā)酵制備有機酸的研究中，多采用基于篩分原理的微濾、超濾膜作為單一的分離組件，此類設計只能實現細胞與發(fā)酵液的分離，難以實現產物與底物的分離，不可避免地造成發(fā)酵液中未消耗底物及其他營養(yǎng)元素的損失，為了解決這一問題，前人在微濾、超濾膜循環(huán)生物反應器中結合離子交換、化學萃取、電滲析等手段回收未消耗的底物，但這些手段或需消耗大量酸堿再生樹脂，或易造成溶劑殘留對發(fā)酵不利，或需消耗大量電能。而納濾膜介于反滲透與超濾之間(截留分子量為100-1000道爾頓)，其分離機理與分子量篩分及膜分離層表面的靜電排斥有關，對分子量≤1000的生物小分子及高價離子有較好的分離效果，在抗生素分離濃縮、氨基酸分離純化等方面已有應用，目前未見使用納濾等高效膜分離手段從丁二酸發(fā)酵液中回收底物的專利報道。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種利用發(fā)酵與膜分離單元的耦合制備丁二酸的方法，以解除丁二酸發(fā)酵過程中的代謝產物抑制，提高丁二酸發(fā)酵生產水平，同時實現反應-分離耦合過程中未消耗底物的回收與利用，提高底物的利用率。

本發(fā)明為解決上述技術問題，所采用的技術方案如下：

一種發(fā)酵與膜分離單元耦合制備丁二酸的方法，包括如下步驟：

1、制備產丁二酸菌株的發(fā)酵種子；

2、制備發(fā)酵培養(yǎng)基；

3、將發(fā)酵培養(yǎng)基裝入發(fā)酵罐，再將發(fā)酵種子接入發(fā)酵罐；

4、前期厭氧發(fā)酵生產丁二酸；

5、使部分發(fā)酵液流出發(fā)酵罐，同時流加發(fā)酵培養(yǎng)基以保持發(fā)酵罐內發(fā)酵液體積恒定；

6、發(fā)酵罐內的發(fā)酵液繼續(xù)發(fā)酵生產丁二酸；同時流出發(fā)酵罐的發(fā)酵液先經過微濾或超濾單元，再經過納濾單元，被微濾或超濾單元截留的菌體細胞與組分返回發(fā)酵罐內，被納濾單元截留的發(fā)酵液中未消耗的底物也返回發(fā)酵罐，收集納濾膜滲透液。

其中，步驟1中所述的產丁二酸菌株為產琥珀酸放線桿菌Actinobacillussuccinogenes。

其中，步驟1中所述的制備發(fā)酵種子的方法由如下步驟組成：