[實用新型]一種循環式微生物發酵反應與料液分離一體化設備

有效

• 申請號: 201420145661.9
• 申請日: 2014-03-28
• 公開（公告）號: CN203820791U
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 王子豪;王秀菊;王立國;王仲鵬;何芳;田琳
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: C12M1/38
• 分類號: C12M1/38;C12M1/36;C12M1/34;C12M1/12;C12M1/04
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 黎明

技術領域

本實用新型涉及一種微生物發酵反應及發酵液分離設備，特別是涉及一種發酵反應與料液分離的一體化設備。?

背景技術

氨基酸是組成蛋白質的基本單元，是生物有機體的重要組成部分，具有極其重要的生理功能；可廣泛應用于食品、飼料添加劑、醫藥等領域，也可用作合成特殊化學物質的中間體。目前，多數氨基酸生產是采用微生物發酵法在分批間歇式反應器中實現的，得到單一品種的L-氨基酸，夾雜少量的其它種類氨基酸。在傳統的分批間歇式反應器中，酶或者微生物細胞處于游離或溶解狀態，具有如下缺點：（1）因存在開車、停車過程，設備利用率低；（2）生產能力低，設備費用高；（3）不同批次的產品質量有一定的變化；（4）在反應結束時，需將酶或微生物分離出來，或者使其失活，從而增加了費用；（5）由于采用的生物催化劑濃度較低，且有時存在產物抑制，故完成反應時間較長。隨著對氨基酸產品質量要求的日益提高，在氨基酸生產中，分離與純化也占據越來越重要的地位。通常情況下，分離、純化成本占氨基酸生產總成本的50%以上。因此，近年來，如何促進微生物細胞高密度培養、增加代謝產率、實現連續發酵以及如何解決氨基酸與發酵液分離、提高氨基酸分離的選擇性和成品收率也引起業內人士極大的關注。?

在傳統的氨基酸發酵生產過程中，發酵池內發酵完畢的料液，需要首先經過澄清，再進行有效產品的分離。這種工藝過程存在著兩個難題：一是分離液量大、廢液量大；這既造成分離環節的能耗成本居高不下，又帶來了廢液處理困難，易造成環境污染的問題。二是發酵液的澄清過程與提高發酵池效率存在著矛盾。為了提高發酵池效率，就需要盡量提高發酵池內原料和微生物的濃度，但發酵池中濃度越高，發酵液澄清就越困難。目前的發酵和分離工藝難以解決這一矛盾。?

氨基酸的主要分離純化方法有：沉淀法、離子交換法、萃取法和膜分離法等幾種。其中，膜分離法引起了本行業的關注。膜過濾法實現微生物發酵液分離，主要是基于以下機理：由于親水性等原因所引起的選擇性透過；分子體積大小的篩分效應；帶電分子與荷電分離膜之間的Donnan效應。營愛玲等、李樹良等采用納濾膜分離谷氨酸發酵液研究結果表明，具有高選擇性的納濾膜分離技術對分離分子量相近、性質相似、電性不同的氨基酸有一定的優勢，但是在分離過程中由于濃差極化現象、氨基酸與膜的疏水作用或靜電吸附作用，膜在一段時間后常常出現傳質阻力升高、膜通量下降、截留率和操作壓力升高等現象；這些都將給工業生產帶來不利影響，并嚴重制約納濾膜分離技術在相關工業領域中的推廣應用。另外，Timmer等選用了4種分離膜，對發酵氨基酸的膜過濾情況進行了考察；結果表明，使用帶負電荷的超濾膜，賴氨酸更容易透過，分離效果優于所選用的納濾膜；若氨基酸分子帶正電荷，改變鹽（如NaCl等）的濃度也可以改變超濾膜對氨基酸分子的截留率；在對混合氨基酸進行膜過濾時，其規律與對單個氨基酸進行操作是一致的。故調整氨基酸混合液的pH值，改變其所帶的電荷，并通過加入適當種類和濃度的鹽可以提高氨基酸的分離選擇性；同時也證明了，當Donnan效應占主導地位時，分離的選擇性最高。Teiayadi等對反滲透與發酵過程的經濟性進行了研究，膜生物反應器在40g/L的游離菌濃度下連續操作，生產率可達22.5g/L，乳酸鹽濃度89g/L，產率為0.89。Xavier等研究了陶瓷管式超濾膜細胞循環生物反應器中影響乳酸生產的操作模式，取得了較好的實驗效果，能得到不含細胞的澄清發酵液，具有較高的乳酸體積產率30g/Lh，較高的產品濃度90g/L和較長的使用時間90h，所選用的陶瓷膜材料（將氧化鋯涂于碳上）具有較好的機械穩定性，且能耐蒸汽滅菌。Kaimingye采用外置式膜分離發酵與樹脂法耦合發酵乳酸循環利用菌體，同時得到了較高的乳酸產量7.75g/Lh，但外置式膜分離占地面積大，不易于在線觀察控制，操作成本高。后來，Coulman等、Hongo等、Nomura等也對電滲析等膜法在發酵工業中的應用進行了研究。?

可見，膜設備和技術已經成功地應用于發酵產物的分離、分級、濃縮和提純等方面，但均為采用發酵罐和分離膜裝置分開的形式。目前的膜法發酵反應器的研究基本屬于分離膜裝置與發酵罐的組合，雖然在一定程度上提高了代謝產率、實現了連續發酵，但仍存在反應與分離分步進行、能源消耗高的問題。如中國專利公開號CN1908176A《采用無機膜實現無所謂原位分離發酵的方法》，涉及發酵與分離的耦合裝置和工藝，是將含生物細胞的發酵液通過發酵罐外的膜進行分離，但生物細胞在這種分離的過程中會受到影響，實用新型也未提到連續發酵。?