[發明專利]基于生長和代謝特征的底物流加發酵生產1,3-丙二醇的控制方法

有效

• 申請號: 201010165846.2
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN101845463A
• 公開（公告）日: 2010-09-29
• 發明（設計）人: 滕虎;宋志遠;姜珊;修志龍
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C12P7/18
• 分類號: C12P7/18
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本發明屬于生物化工技術領域，涉及一種發酵生產1，3-丙二醇的控制技術，尤其涉及一種批式流加發酵生產1，3-丙二醇過程的與細胞生長和代謝特征相耦聯的底物流加自動控制方法。

背景技術

1，3-丙二醇(英文名：1，3-Propanediol，簡稱1，3-PD)是一種極其重要的化工原料，具有廣泛的應用領域。1，3-PD可作為增塑劑、洗滌劑、防腐劑和乳化劑的合成原料，也可作為如打印機墨水、清潔劑、穩定劑和燃料電池燃料等產品中的添加劑來提高產品的性能；1，3-PD可作為醫藥和有機合成的中間體，用于食品、化妝品和制藥等行業；1，3-PD可替代乙二醇、1，4-丁二醇和新戊二醇等中間體生產多醇聚酯及作為碳鏈延伸劑；1，3-PD最主要的用途是作為合成聚酯和聚氨酯的單體，尤其是作為新型聚酯——聚對苯二甲酸丙二酯(PTT)的單體。PTT是繼聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)之后的又一極有發展前途的新型聚酯材料，是一種高性能、易加工的新型熱塑性聚酯材料，具有優異的彈性復性和低溫染色性能，在地毯工業、服裝材料和工程熱塑料等眾多領域具有廣闊的應用前景。

目前，1，3-PD的工業化生產方法分為化學合成法和微生物發酵法。微生物發酵法因其具有原料來源廣泛、操作條件溫和及環境污染小等優點而受到廣泛關注。批式流加發酵生產1，3-PD是微生物發酵法的主要生產方式，因為這種方式可以獲得較高的產物濃度和轉化率。批式流加發酵過程中的底物濃度是影響1，3-PD產量的關鍵性控制變量。目前世界上除杜邦公司采用以葡萄糖為底物一步發酵生產1，3-PD工藝外，其他工藝均以甘油為底物一步發酵生產1，3-PD。以甘油為底物發酵生產1，3-PD是一個典型的生長耦聯型過程，產物形成與細胞生長密切相關。細胞生長與底物濃度密切相關，底物濃度過高會對細胞生長產生抑制，濃度過低則限制細胞生長，兩種情形都不利于1，3-PD的生產，為此需要將底物濃度控制在一個合理的范圍內。但由于甘油濃度難以在線快速檢測，因此發酵過程中底物流加的自動控制一直是一個難以解決的關鍵性問題。盡管國內外都有學者嘗試解決這個問題，如德國學者A.Reimann和H.Biebl最早提出甘油流加與pH調節相耦聯的策略(Biotech?Lett，1996，18(7)：827-832)，清華大學程可可等人采用甘油與堿耦合和恒速流加甘油相結合的控制策略(食品與發酵工業，2004，30(4))，北京化工大學譚天偉等提出的反饋補料控制技術(公開號CN101153292A)，但這些方法都是根據經驗來控制甘油濃度，而沒有依據細胞生長和代謝的特征進行精確地自動控制。本發明通過發酵動力學分析，建立了底物消耗與菌體生長(通過尾氣中CO₂濃度表征)和代謝(通過堿液消耗量表征)之間的函數關系，并通過實驗數據擬合確定了相關系數值，進而得到了發酵不同階段的底物流加策略，實現了發酵過程中底物濃度的自動控制。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種以甘油為底物發酵生產1，3-PD的底物流加自動控制方法，主要包括三方面內容：(1)與菌體生長特性及代謝特性相耦聯的底物流加控制函數推導；(2)底物流加速率同尾氣CO₂濃度和pH值相耦聯的分段控制方案；(3)自動檢測和流加自動控制。

本發明中發酵過程中底物甘油的流加方案取決于發酵罐尾氣中CO₂濃度的變化，而底物的流加速率則通過CO₂濃度和堿液的消耗速率由相應的函數關系式確定。當尾氣中CO₂濃度呈逐漸增加趨勢，菌體生長處于對數生長期時，底物消耗速率與CO₂濃度及堿液消耗速率相關；而CO₂濃度呈逐漸下降趨勢，菌體生長處于穩定或衰亡期時，底物消耗速率與堿液消耗速率呈線性關系。依據這兩個關系式，通過計算機、傳感器和相應的輸送設備構成自動控制系統，實現1，3-丙二醇發酵過程中底物流加的自動控制，將底物濃度控制在一個合理的水平，既有利于細胞生長，又有利于目標產物的形成。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是，先推導與菌體生長特性及代謝特性相耦聯的底物流加控制函數，然后通過人工控制進行厭氧發酵實驗，初步確定底物流加控制函數中與細胞生長和代謝特征相關的參數，并根據不同時期細胞生長的特點設計底物流加方案，再將此底物流加自動控制系統用于發酵實驗；

步驟1、推導與菌體生長及代謝特性相耦聯的底物流加控制函數。