CN101619290B - 好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法及设备 - Google Patents

好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法及设备，在好氧微生物发酵过程中，通过第一个氧气发生器I(1)以空气为气源制得浓度为50％～99％的高浓度氧气，然后将浓度为50％～99％的高浓度氧气存到气体储罐(2)中，再以规定的流量连续通入好氧微生物发酵罐(3)中，同时第一个氧气发生器I(1)继续以空气为起源制备高浓度氧气；再将从发酵罐(3)出口排出的气体通入到第二个氧气发生器II(4)回收其中的氧气，再将其与第一个氧气发生器I(1)制得的高浓度氧气混合后，再次通入发酵罐(3)供发酵过程循环使用。本发明的方法和设备可提高好氧发酵过程的生产率，降低生产成本。

Description

好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法及设备
技术领域
本发明涉及一种好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法及设备，属于发酵工程技术领域。
背景技术
在好氧发酵过程中微生物的生物氧化过程要求供给足够的氧，供氧不足会严重影响好氧微生物的生长及其代谢产物的合成，而且微生只能利用溶解在液相的氧。为了提高生产率，就必须使整个发酵过程中“供氧大于耗氧”，消除氧供给不足的影响。在发酵过程中氧的消耗量会随着发酵罐中微生物的生长代谢速率和微生物浓度的增加而增大。但是，氧是难溶于水的气体，在32℃、0.1Mpa下空气中氧在水中的溶解度仅为7.6ppm。因此在好氧微生物发酵过程常常会出现供氧不足，在工业化的大型发酵过程尤为严重。
为了克服好氧发酵过程中供氧不足的问题，许多研究机构和工程技术人员一直致力于这方面的研究和开发工作。从反应器的结构设计、提高发酵过程的操作压力、优化菌种、降低发酵过程微生物的生长代谢速率等方面尽量提高氧的供给，防止发酵过程因缺氧而导致过程的恶化。
上述措施在一定程度上可以改善供氧环境，但仍然无法在高密度发酵过程中完全达到“供氧大于耗氧”的要求。氧气在液相中的溶解度会随着气相中氧的浓度的升高而增大，目前实验室通常在发酵过程中采用供给高浓度氧气来有效地克服供氧不足，实现高密度发酵，细胞浓度可以达到180g/L(干重)以上。利用氧气发生器制备高浓度的氧气已经有成熟的技术和设备。虽然好氧微生物高密度发酵过程中需要大量的供氧，但如果供入高浓度的氧气，其绝大部分(80％或更多)会随发酵过程的尾气而排空以致无法被微生物利用，这样就会造成发酵过程氧的利用率降低、发酵过程因通入高浓度氧气而成本大幅度升高，因而无法在工业中得到应用。
因此，针对大规模工业化的好氧微生物高密度发酵，仍需要更有效、更经济的供氧以及氧气回收再利用的措施，以提高好氧发酵过程的生产率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，提供一种氧的利用率高、成本低、好氧发酵过程生产率高的好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法，其步骤包括：
(1)在好氧微生物发酵过程中，通过第一个氧气发生器I以空气为气源制得浓度为50％～99％的高浓度氧气，然后将浓度为50％～99％的高浓度氧气以规定的流量连续通入好氧微生物发酵罐中，从而提高发酵罐内溶解氧的浓度，满足微生物的生长和合成代谢产物的需要，同时第一个氧气发生器I继续以空气为气源制备高浓度氧气；
(2)再将从发酵罐出口排出的通常含有尚未溶解的氧气、难溶的氮气、水汽和微生物生长代谢释放出来的二氧化碳等的气体，通入第二个氧气发生器II回收其中的氧气，除去二氧化碳、水汽及部分氮气制得高浓度的氧气，将其与第一个氧气发生器I制得的高浓度氧气混合后，再次通入发酵罐供发酵过程循环使用。
本发明的上述方法还包括：将发酵罐气体出口排出的通常含有尚未溶解的氧气、难溶的氮气、水汽和微生物生长代谢释放出来的二氧化碳等的气体，先送入一个水汽分离器，以除去部分水分，使其含水量降低(相对湿度小于50％)，再通入第二个氧气发生器II，除去其中二氧化碳和剩余的水汽后，制得高浓度的氧气，送入贮气罐供发酵过程使用。
上述步骤(1)中所述的规定的流量是根据每种好氧微生物在发酵罐培养时的需氧量来控制。
本发明要解决的另一个技术问题是：提供一种上述好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法所采用的设备，该设备包括：氧气发生器I、气体储罐、发酵罐、氧气发生器II；氧气发生器I的顶部通过管道与气体储罐下部相连，气体储罐顶部由出口管道通到发酵罐的下部，发酵罐的顶部设有出口管道通到氧气发生器II的下部；氧气发生器II的顶部由出口管道连到氧气发生器I的上部。
本明的上述设备中所述的发酵罐与氧气发生器II之间还连接有水汽分离器；事实上，所有的氧气发生器其内部都含有一个水汽分离器。但由于从发酵罐出口出来的气体含湿量几乎达到了饱和程度，再用一个水汽分离器先将部分水汽除去，可以减轻氧气发生器中水汽分离的负荷，延长氧气发生器的使用寿命。
本发明所述的氧气发生器I与氧气发生器II均购自市售的变压吸附氧发生器(VPSA)，为了在上述设备中便于区分，定义为氧气发生器I和氧气发生器II。
本发明与现有技术相比存在的优点和有益效果：
1.在好氧微生物发酵过程中通入高浓度的氧气，可以增大发酵液中氧的溶解度，强化氧的供给，消除发酵过程中氧的限制给微生物的生长和代谢产物的合成带来的不利影响，实现高密度发酵，缩短好氧发酵周期，提高好氧发酵过程的生产率。
2.大部分尚未溶解的氧气从发酵罐气体出口排出后，再经过水汽分离器和第二个氧气发生器II，除湿、除去二氧化碳后浓度进一步提高，可再次作为氧气源供发酵过程使用，从而实现了发酵罐出口氧气的回收和循环使用，降低了生产费用。
3.因发酵罐排出的气体中含有较高浓度的氧气、少量的二氧化碳和水汽，使得这部分氧气的再生技术难度降低；与从空气中直接制取高浓度氧气相比，其设备投资和操作费用都会大大减少。
综上所述，使用大规模好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给及其高效利用方法后，可提高好氧发酵过程的生产率，降低生产成本。
附图说明
图1.本发明好氧发酵过程中氧的供给与回收再利用设备结构示意图。
图2.本发明含有除湿装置水汽分离器的好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用设备结构示意图。
如图所示：1、氧气发生器I，2、气体储罐，3、发酵罐，4、氧气发生器II，5、水汽分离器。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明不仅仅局限于以下实施例。
利用本发明的好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法及设备，以Ralstonia eutropha高密度好氧发酵合成聚羟基丁酸酯为例，说明本发明的具体实施方式。
实施例1  5升发酵罐内Ralstonia eutropha高密度好氧发酵合成聚羟基丁酸酯
菌种：Ralstonia eutropha NCIMB 11599购于英国菌种保藏中心
培养基组成：种子培养液和发酵液的组成如下：
Figure G2009100994321D00041
附：微量元素溶液每升含有10g FeSO4(7H2O)，2.25g ZnSO4(7H2O)，1.2g CuSO4(5H2O)，0.5g MnSO4(5H2O)，2g CaCl2(2H2O)，0.25g Na2B4O7(7H2O)，0.12g(NH4)6Mo7O24，and 10ml 35％ HCl。
分析测试方法：发酵过程中取出2毫升发酵液，经过离心、洗涤、再离心后，在105℃下将细胞干燥至恒重，称其重量计算出细胞浓度：干细胞重量/每升发酵液。代谢产物聚羟基丁酸酯(PHB)的浓度通过气相色谱(Varian3300，美国)以苯甲酸为内标物测量得到。气相中的氧气浓度由气体分析仪(LKM2000-03，韩国LOKAS公司)在线测定。发酵液中的葡萄糖浓度由葡萄糖分析控制仪(Model 273，Yellow Springs Instruments，美国)在线分析并控制在9g/L。
发酵过程控制及结果：
在5L发酵罐中装入1.5L培养基进行流加补料式发酵培养Ralstonia eutropha合成聚羟基丁酸酯，其发酵温度控制为30℃，利用氨水溶液将pH控制为6.7。发酵过程依据在线检测信号自动流加葡萄糖并使其浓度维持在9.0g/L左右。由氧气发生器I 1购自市售的变压吸附氧发生器(VPSA)制得的高浓度氧气(氧气浓度90％～93％)流入气体储罐2并以1.0vvm的流量通入发酵罐3，以维持发酵罐3内发酵液中氧的浓度高于同温同压下空气中的氧气在初始培养液中溶解度的20％；从发酵罐3出口排出的气体(氧气浓度75％～98％)再进入第二个氧气发生器II 4，除去其中的二氧化碳、水汽以及部分氮气后，再生后的高浓度氧气(氧气浓度91％～95％)送入发酵罐3前的气体储罐2，和第一个VPSA制得的高浓度氧气混合后供发酵过程使用；经过44小时发酵培养，最终细胞浓度可以达到202.1g(干重)/L，代谢产物聚羟基丁酸酯的浓度达到了136.6g/L。与用空气作为气源的发酵结果(发酵44.5小时后，最终细胞浓度为96.4g/L，产物浓度46.6g/L)相比，利用好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给及其高效利用方法，最终细胞浓度和产物浓度分别提高了1.2倍和1.9倍，发酵过程生产率从1.02提高到了3.10g/Lh。
上述的Ralstonia eutropha好氧发酵合成聚羟基丁酸酯采用的是现有技术，利用氧气发生器制备高浓度的氧气也为成熟的技术和设备；但本发明是利用现有的技术和设备，组建了一套好氧发酵过程中氧的供给与回收再利用的设备，以及利用该套设备实现高浓度氧气的供给与回收再利用的方法，从而实现了高密度发酵、回收再利用从发酵罐出口出来的氧气以降低发酵成本；实施例2亦同。
在5升规模的发酵过程中，空气经氧气发生器制得的93％的氧气通人发酵罐后，最多约15％的氧气被微生物利用，剩余的85％氧气在第二个氧气发生器内可回收77％以上，再次通入发酵罐使用。即通入发酵罐的氧气中平均有65％(65％＝0.77*0.85％)左右来自再生回收发酵罐尾气中的氧气。
实施例2  30升发酵罐内Ralstonia eutropha高密度好氧发酵合成聚羟基丁酸酯
采用与实施例1相同的菌种、培养基组成、分析测试方法以及过程控制方法，在30升发酵罐中得到如下结果：
随着发酵罐体积的增大，罐内微生物数量的增多，要求提供更多的氧气来满足好氧微生物的生长和产物代谢合成的需求；上述流加补料式发酵培养Ralstonia eutropha合成聚羟基丁酸酯在30升发酵罐内进行，保持其它所有操作条件与实施例1相同，但发酵罐3气体出口排出的气体先送入水汽分离器5，然后再进入第二个氧气发生器II4；利用好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法，最终细胞浓度和产物浓度比用空气作为气源的发酵结果分别提高了2.8倍和5.2倍，发酵过程生产率从0.47g/Lh提高到了2.79g/Lh。由此可见，随着发酵规模的增加，利用此技术的效果更加显著。

Claims (4)

1.一种好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法，其特征在于：其步骤包括：
(1)在好氧微生物发酵过程中，通过第一个氧气发生器I以空气为气源制得浓度为90％～93％的高浓度氧气，然后将浓度为90％～93％的高浓度氧气以规定的流量连续通入好氧微生物发酵罐中，从而提高发酵罐内溶解氧的浓度，满足微生物的生长和合成代谢产物的需要，同时第一个氧气发生器继续以空气为气源制备高浓度氧气；
(2)再将从发酵罐出口排出的气体通入到第二个氧气发生器II以除去二氧化碳、水汽及部分氮气后回收其中的氧气，再将回收的氧气与第一个氧气发生器I制得的高浓度氧气混合后，再次通入发酵罐供发酵过程循环使用。
2.根据权利要求1所述的好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法，其特征在于：其步骤还包括：将发酵罐气体出口排出的气体先送入一个水汽分离器，以除去气体中的部分水分，使其含水量降低，再通入第二个氧气发生器II。
3.一种权利要求1所述的好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法所采用的设备，其特征在于：该设备包括：氧气发生器I(1)、气体储罐(2)、发酵罐(3)、氧气发生器II(4)；氧气发生器I(1)的顶部通过管道与气体储罐(2)下部相连，气体储罐(2)顶部由出口管道通到发酵罐(3)的下部，发酵罐(3)的顶部设有出口管道通到氧气发生器II(4)的下部；氧气发生器II(4)的顶部由出口管道连到氧气发生器I(1)的上部。
4.根据权利要求3所采用的设备，其特征在于：所述的发酵罐(3)与氧气发生器II(4)之间还连接有水汽分离器(5)。
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