[發(fā)明專利]一種發(fā)酵與膜分離耦合實(shí)現(xiàn)連續(xù)批次發(fā)酵木質(zhì)纖維素水解液生產(chǎn)乳酸的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310502784.3
• 申請(qǐng)日: 2013-10-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103834696A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 萬(wàn)印華;張玉明;陳向榮;齊本坤;沈飛;蘇儀
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所
• 主分類號(hào): C12P7/56
• 分類號(hào): C12P7/56;C07C59/08;C07C51/47;C12R1/07
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種發(fā)酵與膜分離耦合實(shí)現(xiàn)連續(xù)批次發(fā)酵木質(zhì)纖維素水解液生產(chǎn)乳酸的方法。?

背景技術(shù)

乳酸是一種重要的有機(jī)酸，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、釀造及紡織等領(lǐng)域，其分子結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)不對(duì)稱碳原子，有D和L兩種光學(xué)異構(gòu)體。近年來(lái)，以乳酸為單體合成的聚乳酸塑料因具有可生物降解特性，被認(rèn)為是石化塑料的最佳替代品之一。?

目前，乳酸主要是由發(fā)酵法生產(chǎn)，發(fā)酵方式為批次發(fā)酵，即每一次發(fā)酵都需要培養(yǎng)一級(jí)甚至多級(jí)種子，種子培養(yǎng)不僅延長(zhǎng)了發(fā)酵周期，還增加了種子罐等發(fā)酵設(shè)備的投入。而在大規(guī)模發(fā)酵過(guò)程中，單罐發(fā)酵體積越來(lái)越大，種子培養(yǎng)體積也相應(yīng)增大，種子培養(yǎng)過(guò)程中的能量消耗不容忽視。為了避免每一批次都要進(jìn)行的多級(jí)種子培養(yǎng)，可將批次發(fā)酵得到的菌體細(xì)胞作為下一批次發(fā)酵的種子，也稱之為細(xì)胞回收循環(huán)發(fā)酵。中國(guó)專利CN201010148026.2采用離心法進(jìn)行細(xì)胞分離實(shí)現(xiàn)細(xì)胞回收循環(huán)發(fā)酵葡萄糖生產(chǎn)乳酸，但是離心法回收細(xì)胞存在操作不連續(xù)，不能截留發(fā)酵液中蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)組分等缺點(diǎn)。而膜技術(shù)具有高效率、低能耗、過(guò)程簡(jiǎn)單、條件溫和、操作方便等特點(diǎn)，并且易于和其他技術(shù)集成、便于工業(yè)放大，并且能夠截留色素、蛋白質(zhì)，有利于產(chǎn)品的后續(xù)分離純化，與離心等傳統(tǒng)分離相比，膜技術(shù)應(yīng)用于細(xì)胞循環(huán)發(fā)酵更具競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)專利CN200910272524.5報(bào)道了一種“間歇式回流細(xì)胞高生產(chǎn)率發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸的方法”，但其使用中溫菌發(fā)酵，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程需要嚴(yán)格的無(wú)菌操作，增加了生產(chǎn)成本，不利于工業(yè)放大。?

為降低生產(chǎn)成本，利用可再生的木質(zhì)纖維素資源生產(chǎn)乳酸成為研究熱點(diǎn)。木質(zhì)纖維素的主要成分是纖維素、木質(zhì)素、半纖維素。木質(zhì)纖維素中，富含戊糖（木糖、阿拉伯糖為主）的半纖維素組分占到原料干重的20-50%，因此戊糖的利用不同忽視。乳酸桿菌（Lactobacillus）是工業(yè)應(yīng)用的乳酸生產(chǎn)菌，然而，其對(duì)戊糖的利用能力十分有限。凝結(jié)芽孢桿菌（Bacillus?coagulans）是一種乳酸發(fā)酵新菌種，該菌株不但具備發(fā)酵葡萄糖生產(chǎn)乳酸能力，而且戊糖發(fā)酵能力也十分突出。凝結(jié)芽孢桿菌通過(guò)磷酸戊糖（Pentose-Phosphate?Pathway,PP）途徑代謝木糖，乳酸理論收率為100%。凝結(jié)芽孢桿菌具有高溫（45～60℃）發(fā)酵特性，設(shè)備及培養(yǎng)基無(wú)需滅菌，生產(chǎn)過(guò)程為開(kāi)放式，極大地降低生產(chǎn)成本。與中溫乳酸生產(chǎn)菌種相比，凝結(jié)芽孢桿菌更適合于細(xì)胞回收循環(huán)發(fā)酵，因?yàn)楦邷匕l(fā)酵染菌幾率低，可保證該工藝長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，易于工業(yè)放大。然而，凝結(jié)芽孢桿菌以己糖戊糖混合液發(fā)酵時(shí)，存在碳分解代謝物阻遏(carbon?catabolite?repression,CCR)現(xiàn)象，即先利用葡萄糖，代謝結(jié)束后再利用戊糖。因此，菌體不能同步利用木質(zhì)纖維素水解液中存在的葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，導(dǎo)致發(fā)酵周期延長(zhǎng)，乳酸產(chǎn)率不高。已有報(bào)道，使用多級(jí)反應(yīng)器串聯(lián)發(fā)酵，可以提高菌體濃度，能夠提高混合糖利用效率。因此，將具有嗜熱特性的凝結(jié)芽孢桿菌應(yīng)用于?發(fā)酵膜分離耦合的細(xì)胞回收循環(huán)發(fā)酵，通過(guò)提高生物量的方法提高菌體對(duì)混合糖利用效率。同時(shí)，高溫發(fā)酵過(guò)程中設(shè)備不需滅菌，極大簡(jiǎn)化了操作工藝，降低了生產(chǎn)成本，這對(duì)于細(xì)胞循環(huán)發(fā)酵技術(shù)的工業(yè)放大具有重大意義。?

發(fā)明內(nèi)容

為解決利用木質(zhì)纖維素水解液中混合糖發(fā)酵生產(chǎn)乳酸過(guò)程中周期長(zhǎng)、產(chǎn)率低等問(wèn)題，本發(fā)明利用發(fā)酵與膜分離耦合技術(shù)，批次發(fā)酵結(jié)束后回收細(xì)胞循環(huán)利用，并補(bǔ)充新鮮培養(yǎng)基，連續(xù)批次發(fā)酵，達(dá)到提高碳源利用速度，提高乳酸產(chǎn)率目的。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的步驟是：?

（1）木質(zhì)纖維素的糖化：將木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理、酶解，并將預(yù)處理得到的液體與酶解得到的液體合并，經(jīng)納濾技術(shù)濃縮，得到木質(zhì)纖維素水解液；；?

（2）以嗜熱乳酸生產(chǎn)菌為菌種，以木質(zhì)纖維素水解液為碳源在一定發(fā)酵條件下生產(chǎn)乳酸，培養(yǎng)基無(wú)需滅菌，且發(fā)酵過(guò)程也不需無(wú)菌操作；?

（3）第一批次發(fā)酵結(jié)束后，啟動(dòng)與發(fā)酵罐耦合的膜分離組件，發(fā)酵液經(jīng)泵輸送到超濾膜組件中，得到含有乳酸的透過(guò)液，截留的菌體細(xì)胞返回發(fā)酵罐中，最終將發(fā)酵液體積濃縮，其中濃縮液主要為具有發(fā)酵能力的菌體細(xì)胞；?

（4）濃縮液再作為種子培養(yǎng)物接入下一批次發(fā)酵培養(yǎng)基中，以與上一批次完全相同的發(fā)酵條件繼續(xù)發(fā)酵，然后再對(duì)發(fā)酵液再次進(jìn)行超濾操作，獲得含有乳酸的透過(guò)液及用作下一批次發(fā)酵種子培養(yǎng)的濃縮液。如此循環(huán)多次，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素水解液的膜耦合連續(xù)批次發(fā)酵生產(chǎn)乳酸。?