CN102086463A

CN102086463A - 生物恒温分离罐及其分离方法

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Publication number: CN102086463A
Application number: CN2010105753235A
Authority: CN
Inventors: 高强; 高年发; 王德培; 张健; 刘发保
Original assignee: Tianjin University of Science and Technology
Current assignee: Tianjin University of Science and Technology
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2011-06-08

Abstract

本发明涉及一种生物产物分离装置及其分离方法。特别是一种对具有产物抑制作用的乳酸进行原位分离的装置及其分离方法。具有循环处理路径，把待处理的发酵液从发酵罐中汲取，发酵液经阴离子交换树脂处理后返回发酵罐；分离柱保温装置：通过温控器控制温度与发酵温度一致，以保证微生物能及时利用处理后的发酵液，以便进行下一批分离。通过这样的装置能够及时的从发酵液中移除乳酸来消除由乳酸带来的产物抑制现象保证发酵得以顺利的进行。

Description

生物恒温分离罐及其分离方法

技术领域

本发明属于对乳酸进行原位分离的技术领域，涉及一种在恒温状态下进行有机酸分离产物的装置及其分离方法，更具体的说是一种对发酵液中的乳酸进行有效分离的装置和方法。

背景技术

乳酸是一种重要的多用途有机酸，广泛用于食品、医药、化工、制革、纺织、环保和农业生产等领域。原位产物分离(in situ productremoval，ISPR)是指将生产细胞的代谢产物快速移走的方法，它和发酵有机结合则为原位产物分离发酵。传统的乳酸生产是在发酵过程中添加中和剂如碳酸钙，然后进行浓缩、沉淀、过滤等一系列步骤，此过程繁琐对环境也有污染而且添加中和剂会对乳酸菌有抑制作用。到目前为止从发酵液中提取分离乳酸的方法主要有以下几种：钙盐提取法、溶剂萃取法、离子交换法、电渗析法。用钙盐法最后会得到大量硫酸钙副产物且此法不能用于原位分离，而用溶剂萃取法，电渗析法以及超滤法虽然可以用于原位分离但是由于萃取剂的毒性，电渗析膜易污染而受限。离子交换树脂由于抗污染能力强而被用于乳酸分离但现有的离子交换技术只是停留在对发酵结束后液体的处理，而没有进行发酵实时提取。

目前没有一种能对发酵液中的乳酸进行有效分离的方法，更没有这样的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以进行有机酸原位分离的装置，以克服有机产物带来的抑制效应。

本发明的另一个目的是提供一种采用生物恒温分离罐进行有机酸原位分离的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明的生物恒温分离罐，包括安放在水槽中的两个有机玻璃管、一个位于水槽中央的加热器、一个与水槽连接控制水槽内温度的温控器、一个泵和为发酵液提供流动通路的若干管道；两个有机玻璃管之间由管道相连，发酵液能通过管道并行或串行经过有机玻璃管；所述的玻璃管上管口、下管口与管道管口相连处有细目纱网。

所述的为发酵液提供流动通路的管道中间设置有多个控制发酵液流动方向的阀门。

所述的加热器呈U型设置在水槽下部的中央，两个有机玻璃管分列于加热器的两侧。

所述的有机玻璃管近上管口处套接有不锈钢圈，有机玻璃管上管口上方设置有橡胶垫，橡胶垫上方有不锈钢板；细目纱网设置在橡胶垫中央的开口处；不锈钢板中央形成有使管道与有机玻璃管内部连通的通孔。

所述的不锈钢板为圆形，橡胶垫为长轴与不锈钢板直径相等的椭圆形；固定套接在有机玻璃管上的不锈钢圈与橡胶垫和不锈钢板之间采用螺钉连接。

所述的水槽和管道均由不锈钢制成。

所述的有机玻璃管中填充相当于有机玻璃管体积3/4的阴离子交换树脂。

所述的阴离子交换树脂为Amberlite IRA-67。

利用上述的生物恒温分离罐对乳酸进行原位分离的方法，包括以下步骤：

(1)将两个有机玻璃管中填充阴离子交换树脂，控制水槽内的温度与发酵液温度一致；

(2)当发酵罐中pH低于5时，打开泵将发酵液注入有机玻璃管中；

(3)发酵液在两个有机玻璃管中进行串行或并行运行10min，控制流速在3-5BV/h；

(4)有机玻璃管内的阴离子交换树脂充分吸附乳酸后，发酵液返回发酵罐中；

(5)有机玻璃管中内的阴离子交换树脂吸附饱和后，用氢氧化钠冲洗有机玻璃管中的阴离子交换树脂，收集洗脱液；其中所述的有机玻璃管中填充相当于有机玻璃管体积3/4的Amberlite IRA-67阴离子交换树脂。

所用的氢氧化钠浓度为2～4mol/L，以3-5BV/h的速度冲洗有机玻璃管中的阴离子交换树脂10min。

本发明的优点和有益效果是：

与传统的有机酸分离技术相比，本发明的生物恒温分离罐可以在恒温下进行实时有机酸分离，以降低产物的抑制效应，以保证细菌最大产酸活力；可以及时的从发酵液中移除产物以消除产物抑制效应--当发酵罐中pH低于5时，打开泵将发酵液注入有机玻璃管中，使发酵液在两个有机玻璃管中串联或并联循环时乳酸与阴离子交换树脂结合而被移除。分离温度与发酵温度一直这样可以使细菌在最短的时间内进入发酵状态。而使用本发明的分离方法，能够很好地控制了发酵液的pH；避免了传统碳酸钙对菌株生产的影响；减少环境污染，简化后续的提取步骤。

附图说明

图1是本发明的生物恒温分离罐的结构示意图；

图2是本发明的有机玻璃管的俯视图；

图3是沿图2中A-A线的剖视图；

图4是本发明的有机玻璃管去除圆形不锈钢板后的俯视图。

附图中主要部件符号说明：

1～11：阀门 12，14：为有机玻璃管

13：加热器 15：温控器

16：不锈钢板 17：不锈钢圈

18：泵 19：水槽

20：细目纱网 21：橡胶垫

22：螺钉 23：通孔

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的具体实施方式。

图1是本发明的生物恒温分离罐的结构示意图。如图1所示，本发明的生物恒温分离罐，包括安放在水槽(19)中的有机玻璃管(12)和有机玻璃管(14)、一个位于水槽下部中央的U型加热器(13)、一个与水槽(19)连接控制水槽内温度的温控器(15)、一个泵(18)和为发酵液提供流动通路的若干管道，管道中间设置有多个控制发酵液流动方向的阀门。有机玻璃管(12)和有机玻璃管(14)分列于加热器(13)的两侧，有机玻璃管(12)和有机玻璃管(14)之间由管道相连，发酵液能通过管道并行或串行经过两个有机玻璃管。

上述的水槽(19)和管道均由不锈钢制成。

图2是本发明的有机玻璃管的俯视图；图3是沿图2中A-A线的剖视图；图4是本发明的有机玻璃管去除圆形不锈钢板后的俯视图。如图2至图4所示，有机玻璃管(12)和有机玻璃管(14)具有相同的设置：有机玻璃管近上管口处套接有不锈钢圈(17)，有机玻璃管上管口上方设置有橡胶垫(21)，橡胶垫上方有不锈钢板(16)。不锈钢板(16)为圆形，中央形成有使管道与有机玻璃管内部连通的通孔(23)。橡胶垫(21)为长轴与不锈钢板(16)直径相等的椭圆形；橡胶垫(21)中央形成开口，开口处设置具有过滤作用的细目纱网(20)。

上述的固定套接在有机玻璃管上的不锈钢圈(17)近外圆周处均匀分布6个螺孔，椭圆形橡胶垫(21)的长轴两端分别有一个螺孔，橡胶垫(21)上方的圆形不锈钢板(24)的近外圆周处也均匀分布着6个螺孔。不锈钢圈(17)与橡胶垫(21)和不锈钢板(16)之间采用螺钉(22)连接，将橡胶垫和不锈钢板固定在有机玻璃管上方。

有机玻璃管的下管口处与上管口处结构相同，从上至下依次设置有不锈钢圈(17)、中央有细目纱网(20)的椭圆形橡胶垫(21)和圆形不锈钢板(16)。不锈钢圈(17)与橡胶垫(21)和不锈钢板(16)之间采用螺钉(22)连接。

上述的有机玻璃管(12)和有机玻璃管(14)中填充有相当于有机玻璃管体积3/4的阴离子交换树脂Amberlite IRA-67。

本发明的生物恒温分离罐，通过管道与盛有发酵液的发酵罐相连。由于在水槽(19)中安装了加热器(13)，可以保证分离温度与发酵温度一致，通过管道连接技术实现了仅用一个泵就可以把发酵液打入分离装置，发酵液在分离装置中并行或串行进行有机酸分离，然后再将发酵液打回发酵罐中。

利用本发明的生物恒温分离罐对乳酸进行原位分离的方法，包括以下步骤：

1、在有机玻璃管(12)和有机玻璃管(14)中填充阴离子交换树脂Amberlite IRA-67至四分之三处，控制水槽内的温度与发酵液温度一致。当发酵液pH值降到5以下后打开阀门(1)，阀门(2)，阀门(5)和阀门(10)(或者阀门(3)，阀门(4)，阀门(6)和阀门(10))，开泵(18)，发酵液顺着管道依次经过阀门(10)，阀门(5)，阀门(1)，阀门(2)(或者阀门(10)，阀门(6)，阀门(3)，阀门(4))进入填充有阴离子交换树脂的有机玻璃管(12)和有机玻璃管(14)中，注满后关闭阀门(1)，阀门(2)，阀门(5)，阀门(10)(或者阀门(3)，阀门(4)，阀门(6)，阀门(10))。

2、并联分离：打开阀门(1)，阀门(2)，阀门(3)，阀门(4)，阀门(5)，阀门(9)，开泵(18)，发酵液顺着阀门(3)，阀门(4)，阀门(9)，阀门(5)，分别通过阀门(1)回到有机玻璃管(12)，通过阀门(2)回到有机玻璃管(14)。如此往复。

3、串联分离：打开阀门(2)，阀门(3)，阀门(5)，阀门(9)，阀门(11)，开泵(18)，发酵液顺着阀门(3)，阀门(9)，阀门(5)，阀门(2)，进入有机玻璃管(14)，然后经过阀门(11)回到有机玻璃管(12)。如此往复。

4、发酵液返回发酵罐：打开阀门(3)，阀门(4)，阀门(9)，阀门(7)，开泵(18)，发酵液顺着阀门(3)，阀门(4)，阀门(9)，阀门(7)回到罐中。

5、树脂解吸附：阴离子交换树脂吸附饱和后，用2～4mol/L的氢氧化钠以3-5BV/h的速度冲洗有机玻璃管中的阴离子交换树脂，洗脱10min，收集洗脱液。

此洗脱过程可以采用顺洗和反洗两种方式。顺洗的过程与上述步骤1、2、3一致。反洗的过程为：打开阀门(1)，阀门(2)，阀门(3)，阀门(4)，阀门(6)，阀门(8)，洗脱液顺着阀门(1)，阀门(2)，阀门(8)，阀门(6)，阀门(3)，阀门(4)，进入有机玻璃管(12)和有机玻璃管(14)。

下面具体举例说明：

用凝结芽孢杆菌(天津科技大学微生物菌种保藏中心编号：TCCC13006)作为生产菌株，MRS培养基中葡萄糖含量为70g/L，发酵温度50℃，接种量10％。当pH下降到5时，打开泵(18)，发酵液顺着管道依次经过阀门(10)，阀门(5)，阀门(1)，阀门(2)进入填充有阴离子交换树脂的有机玻璃管(12)和有机玻璃管(14)中，注满后关闭阀门(1)，阀门(2)，阀门(5)，阀门(10)。打开阀门(1)，阀门(2)，阀门(3)，阀门(4)，阀门(5)，阀门(9)，开泵(18)，发酵液顺着阀门(3)，阀门(4)，阀门(9)，阀门(5)，分别通过阀门(1)回到有机玻璃管(12)，通过阀门(2)回到有机玻璃管(14)，如此往复10min。发酵液返回发酵罐：打开阀门(3)，阀门(4)，阀门(9)，阀门(7)，开泵(18)，发酵液顺着阀门阀门(3)，阀门(4)，阀门(9)，阀门(7)回到发酵罐中。当葡萄糖小于3g/L时停止发酵。

采用本发明的分类方法对乳酸进行原位分离的试验数据如下：

由此可以看出，采用本发明的生物恒温分离罐和上述分离方法对乳酸进行原位分离的积极效果在于：

(1)很好的控制了发酵液的pH；

(2)避免了传统碳酸钙对菌株生产的影响；

(3)减少环境污染，简化后续的提取步骤。

Claims

1.一种生物恒温分离罐，其特征在于：该生物恒温分离罐包括安放在水槽中的两个有机玻璃管、一个位于水槽中央的加热器、一个与水槽连接控制水槽内温度的温控器、一个泵和为发酵液提供流动通路的若干管道；两个有机玻璃管之间由管道相连，发酵液能通过管道并行或串行经过有机玻璃管；所述的玻璃管上管口、下管口与管道管口相连处有细目纱网。

2.根据权利要求1所述的生物恒温分离罐，其特征在于：所述的为发酵液提供流动通路的管道中间设置有多个控制发酵液流动方向的阀门。

3.根据权利要求1所述的生物恒温分离罐，其特征在于：所述的加热器呈U型设置在水槽下部的中央，两个有机玻璃管分列于加热器的两侧。

4.根据权利要求1所述的生物恒温分离罐，其特征在于：所述的有机玻璃管近上管口处套接有不锈钢圈，有机玻璃管上管口上方设置有橡胶垫，橡胶垫上方有不锈钢板；细目纱网设置在橡胶垫中央的开口处；不锈钢板中央形成有使管道与有机玻璃管内部连通的通孔。

5.根据权利要求4所述的生物恒温分离罐，其特征在于：不锈钢板为圆形，橡胶垫为长轴与不锈钢板直径相等的椭圆形；固定套接在有机玻璃管上的不锈钢圈与橡胶垫和不锈钢板之间采用螺钉连接。

6.根据权利要求1所述的生物恒温分离罐，其特征在于：所述的水槽和管道均由不锈钢制成。

7.根据权利要求1所述的生物恒温分离罐，其特征在于：有机玻璃管中填充相当于有机玻璃管体积3/4的阴离子交换树脂。

8.根据权利要求7所述的生物恒温分离罐，其特征在于：所述的阴离子交换树脂为Amberlite IRA-67。

9.一种采用权利要求1所述的生物恒温分离罐对乳酸进行原位分离的方法，其特征在于：包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的对乳酸进行原位分离的方法，其特征在于：所用的氢氧化钠浓度为2～4mol/L，以3-5BV/h的速度冲洗有机玻璃管中的阴离子交换树脂10min。