CN103146571A - 一种发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器及其工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器，该装置由搅拌式反应器部分与固定化柱部分组成，两部分通过恒流泵相连接进行物料交换；搅拌式反应器部分，由搅拌式反应器、pH自动控制装置和补料装置、第一通气装置及搅拌装置组成；固定化柱部分，由固定化柱、恒温水浴及第二通气装置组成。本发明还公开了利用上述柱式固定化反应器发酵生产鼠李糖胶的工艺。本发明工艺具有鼠李糖胶生产强度高、产物浓度高等优点，有利于实现工业化，是一种高效的生产方法。
Description
技术领域
本发明属于发酵工程和过程工程技术领域，涉及一种发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器及其工艺。
背景技术
鼠李糖胶（Rhamsan Gum）是由鞘氨醇单胞菌产生的一种胞外多糖，是结冷胶类多糖的一种，又称S-194。结冷胶类多糖具有相同的四糖重复单元主链结构：D-葡萄糖、D-葡糖醛酸、D-葡萄糖和L-鼠李糖，只是侧链或其它结构有些细微的区别。鼠李糖胶结构如（1）所示。鼠李糖胶以其独特的物理学和流变学特性以及使用安全性，可作为悬浮剂、稳定剂、增稠剂、乳化剂、成膜剂等广泛用于食品、石油、水泥、涂料等行业。
目前，国际上有关鼠李糖胶的研究尚处于起步阶段，目前有关鼠李糖胶的研究报告主要见于Peik J A，Diego S等申请的美国专利[Heteropolysaccharide S-194,US313440，1983年8月30日]，该专利采用游离细胞发酵鼠李糖胶，产量约14.8g/L。未见采用除游离细胞以外的生产方式生产鼠李糖胶的报道。国内目前对于鼠李糖胶研究尚属空白，目前未见相关发酵研究与产业化生产报道。
固定化细胞具有可重复利用、批次生产时间较短、产量稳定等优点，能够有效提高产物的生产效率。传统的固定化方法主要采用凝胶包埋法，但凝胶包埋法包埋的细胞难以维持氧传递与物质交换，并不适合活细胞发酵，难以实现鼠李糖胶高粘发酵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器。
本发明还要解决的一个技术问题是提供利用上述装置单批次或多批次发酵生产鼠李糖胶的工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器，该装置由搅拌式反应器部分与好氧固定化柱部分组成，两部分通过恒流泵相连接进行物料交换；
搅拌式反应器部分，由搅拌式反应器、pH自动控制装置和补料装置、第一通气装置及搅拌装置组成；搅拌装置置于搅拌式反应器内；pH自动控制装置和补料装置位于搅拌式反应器外并分别通过恒流泵与其连接；第一通气装置向搅拌式反应器内通气；
好氧固定化柱部分，由固定化柱、恒温水浴及第二通气装置组成，固定化材料置于固定化柱中；恒温水浴与固定化柱的夹套连通以控制固定化柱内部温度；第二通气装置向固定化柱内通气。
其中，所述的pH自动控制装置，由pH检测器、pH探头、恒流泵、碱液瓶、空气过滤器及相互连接管路所构成，pH探头接于搅拌式反应器上与反应器中的发酵液相接触，当反应器内pH低于所控pH时，碱液瓶通过恒流泵向反应器中补入碱液，空气过滤器置于碱液瓶密封口处。
其中，所述的补料装置，由恒流泵、补料瓶、空气过滤器及相互连接的管路所构成，当需要进行补料操作时，补料瓶通过恒流泵将培养基补入搅拌式反应器中，空气过滤器置于补料瓶密封口处。
其中，所述的第一通气装置，由空气流量计、空气过滤器、通气进管及相互连接的管路所构成，通入进搅拌式反应器中的空气，经空气流量计调节流量，并经空气过滤器进行过滤后通过通气进管进入搅拌式反应器中。
其中，所述的固定化材料经支撑材料支撑绕成桶状或螺旋状固定于固定化柱中而不影响通气与物质交换。所述的固定化材料为植物纤维、动物纤维或合成纤维；所述的支撑材料为耐高温塑料、不锈钢材料或铝制材料等而不影响通气管路将空气通入固定化柱中。
其中，所述的第二通气装置由空气流量计、空气过滤器及相互连接的管路所构成，通入固定化柱中的空气，经空气流量计调节流量，并经空气过滤器进行过滤后由固定化柱的底部通入固定化柱中。
利用上述柱式固定化反应器发酵生产鼠李糖胶的工艺，鼠李糖胶生产菌鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1接入装有灭菌发酵培养基的搅拌式反应器后，开启恒流泵实现搅拌式反应器和固定化柱中的物质交换，开启恒温水浴实现固定化柱中的物料温度恒定且与搅拌式反应器中物料温度相同，培养24～100h，实现鞘氨醇单胞菌在固定化材料上的固定与鼠李糖胶单批次固定化发酵。
其中，鼠李糖胶单批次固定化发酵结束后，将搅拌式反应器及固定化柱中的鼠李糖胶发酵液全部移除，仅保留固定于固定化材料中的鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1，将新鲜灭菌后的发酵培养基补入搅拌式反应器中，通过恒流泵继续实现下一批次的鼠李糖胶的固定化发酵生产，如此循环操作，即可实现鼠李糖胶的多批次固定化发酵生产。
其中，搅拌式反应器中鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1发酵反应温度为25～38℃，反应pH为6.0～8.5，通气量为0.4～1.8vvm，搅拌转速为300～1000r/min；固定化柱中鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1的反应温度为25～38℃，反应pH为6.0～8.5，通气量为0.4～1.8vvm。
其中，所述的鼠李糖胶生产菌为鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1，目前该菌株保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心（简称CGMCC），保藏地址：北京市朝阳区大屯路中国科学院微生物研究所，邮编：100101。登记入册的编号是CGMCC NO：6833，保藏日期是：2012年11月15日。该菌株的特性已经在专利201210504461.3中公开。
有益效果：
与传统的游离细胞发酵生产鼠李糖胶的装置及工艺相比，本发明所述的固定化柱式反应器生产鼠李糖胶的装置及工艺具有如下优点：
1、生产效率高：固定化柱式反应器应用于鼠李糖胶生产，鼠李糖胶产量可达30.8g/L，远高于游离细胞发酵鼠李糖胶的18.9g/L，这对于鼠李糖胶发酵生产是非常有利的。
2、传质效率高：传统的凝胶包埋固定化难以实现鼠李糖胶生产菌株的氧传递与物质传递，不适用于鼠李糖胶发酵。通过好氧式固定化柱式反应器的开发，将氧气鼓入经支撑材料固定的固定化纤维材料固定化柱中，由于氧气与物料的强制交换，使固定化柱式反应器中氧传递效率和物质传递效率高于搅拌式反应器中，实现了鼠李糖胶的高效发酵。
3、细胞的高效吸附与不断更新：纤维床反应器中的纤维材料利用自身的网状结构，能够保证一定数量菌体的高效吸附。同时，与以前的固定化方法不同，只有具有高效活性的细胞才能结合于纤维床上，处于衰退期或菌体活力较差时细胞会自动脱落，保证了纤维床上细胞的活力，可实现连续多批次固定化发酵生产。
附图说明
图1是发酵生产鼠李糖胶的固定化反应器装置结构示意图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
由图1所示，本发明的发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器，该装置由搅拌式反应器部分与好氧固定化柱部分组成，两部分通过恒流泵2-3相连接进行物料交换。
搅拌式反应器部分，由搅拌式反应器11、pH自动控制装置和补料装置、第一通气装置及搅拌装置10组成；搅拌装置10置于搅拌式反应器11内由电机6驱动；pH自动控制装置和补料装置位于搅拌式反应器11外并分别通过恒流泵2-1、2-2与其连接；第一通气装置向搅拌式反应器11内通气。所述的pH自动控制装置，由pH检测器5、pH探头7、恒流泵2-1、碱液瓶1-1、空气过滤器1-1及相互连接管路所构成，pH探头7接于搅拌式反应器11上与反应器中的发酵液相接触，当反应器内pH低于所控pH时，碱液瓶4-1通过恒流泵2-1向反应器中补入碱液，空气过滤器1-1置于碱液瓶4-1密封口处。所述的补料装置，由恒流泵2-2、补料瓶4-2、空气过滤器1-2及相互连接的管路所构成，当需要进行补料操作时，补料瓶4-2通过恒流泵2-2将培养基补入搅拌式反应器11中，空气过滤器1-2置于补料瓶4-2密封口处。所述的第一通气装置，由空气流量计3-1、空气过滤器1-3、通气进管9及相互连接的管路所构成，通入进搅拌式反应器11中的空气，经空气流量计3-1调节流量，并经空气过滤器1-3进行过滤后通过通气进管9进入搅拌式反应器11中。温度探头8接于搅拌式反应器11上与反应器中的发酵液相接触。
好氧固定化柱部分，由固定化柱12、恒温水浴14及第二通气装置组成，固定化材料13置于固定化柱12中；恒温水浴14与固定化柱12的夹套连通以控制固定化柱12内部温度并保持与搅拌式反应器11内温度一致；第二通气装置向固定化柱12内通气。所述的固定化材料13经支撑材料支撑绕成桶状或螺旋状固定于固定化柱12中而不影响通气与物质交换。所述的固定化材料13为植物纤维、动物纤维或合成纤维；所述的支撑材料为耐高温塑料、不锈钢材料或铝制材料。所述的第二通气装置由空气流量计3-2、空气过滤器1-4及相互连接的管路所构成，通入固定化柱12中的空气，经空气流量计3-2调节流量，并经空气过滤器1-4进行过滤后由固定化柱12的底部通入固定化柱12中。
具体生产工艺为：将鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1(CGMCC NO.6833)以0.5-10%（v/v）的接种量接种于预装有发酵培养基的搅拌式反应器11中，开启恒流泵2-3实现搅拌式反应器11和固定化柱12中的物质交换（发酵液从搅拌式反应器底部抽出进入固定化柱12底部，再从固定化柱12顶部抽出返回搅拌式反应器顶部，完成物质交换和循环），开启恒温水浴14实现固定化柱12中的物料温度恒定，搅拌式反应器中发酵温度为25～38℃，反应pH为6.0～8.5，通气量为0.4～1.8vvm，搅拌转速为300-1000r/min；固定化柱12中的反应温度为25～38℃，反应pH为6.0～8.5，通气量为0.4～1.8vvm。培养24～100h，实现鞘氨醇单胞菌在固定化材料上的固定与鼠李糖胶单批次固定化发酵。在鼠李糖胶单批次固定化发酵结束后，将搅拌式反应器11及固定化柱13中的鼠李糖胶发酵液全部移除，仅保留固定于固定化材料13中的鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1，将新鲜灭菌后的发酵培养基补入搅拌式反应器11中，通过恒流泵2-3继续实现下一批次的鼠李糖胶的固定化发酵生产，如此循环操作，即可实现鼠李糖胶的多批次固定化发酵生产。
实施例1：3L搅拌式反应器以葡萄糖为碳源单批次游离细胞发酵生产鼠李糖胶（不外接固定化柱）。
以葡萄糖为碳源，利用本实验室已申请专利的鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1(CGMCC NO.6833)游离细胞单批次发酵生产鼠李糖胶。
种子培养基：葡萄糖10g/L，牛肉膏3g/L，蛋白胨5g/L，MgSO4·7H2O0.5g/L，利用NaOH溶液调pH6.8。
发酵培养基：葡萄糖40g/L，酵母膏5g/L，(NH4)2SO45g/L，K2HPO4·3H2O2g/L，MgSO4·7H2O0.5g/L，利用NaOH溶液调pH6.8。
刮取新鲜Sphingomonas sp.RH-1斜面上的菌株，接种于新鲜种子培养基中，30℃、200r/min的摇床条件下培养18h，将种子液按8%（v/v）的种子量接种于预装有2.1L灭菌后的发酵培养基的3L搅拌式反应器11中进行培养，培养条件：30℃，600r/min，通气量2.3L/min，发酵过程中开启pH自动控制装置，利用3mol/L NaOH溶液控制发酵液pH值在7.0-7.2之间，发酵72h，鼠李糖胶含量达到18.9g/L。
实施例2：3L搅拌式反应器以葡萄糖为碳源单批次固定化细胞发酵生产鼠李糖胶。
菌株、种子培养基和发酵培养基同实施例1。采用本发明的装置。
刮取新鲜Sphingomonas sp.RH-1斜面上的菌株，接种于新鲜种子培养基中，30℃、200r/min的摇床条件下培养18h，将种子液按8%（v/v）的种子量接种于预装有2.6L灭菌后的发酵培养基的3L搅拌式反应器11中进行培养，开启恒流泵2-3，实现搅拌式反应器11和固定化柱12中的物质交换，开启恒温水浴14实现固定化柱12中的物料温度30℃恒定，搅拌式反应器反应条件：30℃，600r/min，通气量2.3L/min，发酵过程中开启pH自动控制装置，利用3mol/L NaOH溶液控制发酵液pH值在7.0-7.2之间。固定化柱中0.5L体积，反应温度30℃，通气量0.6L/min，发酵48h，鼠李糖胶含量达到26.9g/L。
实施例3：3L搅拌式反应器以葡萄糖为碳源多批次固定化细胞发酵生产鼠李糖胶。
菌株、种子培养基和发酵培养基同实施例1。采用本发明的装置。
刮取新鲜Sphingomonas sp.RH-1斜面上的菌株，接种于新鲜种子培养基中，30℃、200r/min的摇床条件下培养18h，将种子液按10%（v/v）的种子量接种于预装有2.6L灭菌后的发酵培养基的3L搅拌式反应器11中进行培养，开启恒流泵2-3，实现搅拌式反应器11和固定化柱12中的物质交换，开启恒温水浴14实现固定化柱12中的物料温度32℃恒定，搅拌式反应器反应条件：32℃，1000r/min，通气量2.3L/min，发酵过程中开启pH自动控制装置，利用3mol/L NaOH溶液控制发酵液pH值在7.2-7.4之间。固定化柱中0.5L体积，反应温度32℃，通气量0.7L/min，发酵48h，鼠李糖胶含量达到28.6g/L。
移除3L搅拌式反应器11和0.5L固定化柱12中的所有发酵液，仅保留固定于固定化材料13中的鞘氨醇单胞菌，将新鲜灭菌后的发酵培养基补入搅拌式反应器11中，通过恒流泵2-3继续实现下一批次的鼠李糖胶的固定化发酵生产，如此循环操作，即可实现鼠李糖胶的多批次固定化发酵生产，连续发酵5批次，从第2批次开始，发酵条件与第1批次一致，但发酵时间缩短至36h，鼠李糖胶6批次平均产量达27.9g/L。
实施例4：100L搅拌式反应器以葡萄糖为碳源多批次固定化细胞发酵生产鼠李糖胶。
菌株、种子培养基和发酵培养基同实施例1。采用本发明的装置。
刮取新鲜Sphingomonas sp.RH-1斜面上的菌株，接种于新鲜种子培养基中，30℃、200r/min的摇床条件下培养18h，将种子液按10%（v/v）的种子量接种于预装有62L灭菌后的发酵培养基的搅拌式反应器11中进行培养，开启恒流泵2-3，实现搅拌式反应器11和固定化柱12中的物质交换，开启恒温水浴14实现固定化柱12中的物料温度30℃恒定，搅拌式反应器反应条件：30℃，800r/min，通气量80L/min，发酵过程中开启pH自动控制装置，利用3mol/L NaOH溶液控制发酵液pH值在7.0-7.2之间。固定化柱中20L体积，反应温度30℃，通气量25L/min，发酵48h，鼠李糖胶含量达到30.8g/L。
移除100L搅拌式反应器11和20L固定化柱12中的所有发酵液，仅保留固定于固定化材料13中的鞘氨醇单胞菌，将新鲜灭菌后的发酵培养基补入搅拌式反应器11中，通过恒流泵2-3继续实现下一批次的鼠李糖胶的固定化发酵生产，如此循环操作，即可实现鼠李糖胶的多批次固定化发酵生产，连续发酵5批次，从第2批次开始，发酵条件与第1批次一致，但发酵时间缩短至36h，鼠李糖胶6批次平均产量达29.6g/L。
Claims (10)
1.一种发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器，其特征在于，该装置由搅拌式反应器部分与好氧固定化柱部分组成，两部分通过恒流泵（2-3）相连接进行物料交换；
搅拌式反应器部分，由搅拌式反应器（11）、pH自动控制装置和补料装置、第一通气装置及搅拌装置（10）组成；搅拌装置（10）置于搅拌式反应器（11）内；pH自动控制装置和补料装置位于搅拌式反应器（11）外并分别通过恒流泵（2-1）（2-2）与其连接；第一通气装置向搅拌式反应器（11）内通气；
好氧固定化柱部分，由固定化柱（12）、恒温水浴（14）及第二通气装置组成，固定化材料（13）置于固定化柱（12）中；恒温水浴（14）与固定化柱（12）的夹套连通以控制固定化柱（12）内部温度；第二通气装置向固定化柱（12）内通气。
2.根据权利要求1所述的发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器，其特征在于，所述的pH自动控制装置，由pH检测器（5）、pH探头（7）、恒流泵（2-1）、碱液瓶（1-1）、空气过滤器（1-1）及相互连接管路所构成，pH探头（7）接于搅拌式反应器（11）上与反应器中的发酵液相接触，当反应器内pH低于所控pH时，碱液瓶（4-1）通过恒流泵（2-1）向反应器中补入碱液，空气过滤器（1-1）置于碱液瓶（4-1）密封口处。
3.根据权利要求1所述的发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器，其特征在于，所述的补料装置，由恒流泵（2-2）、补料瓶（4-2）、空气过滤器（1-2）及相互连接的管路所构成，当需要进行补料操作时，补料瓶（4-2）通过恒流泵（2-2）将培养基补入搅拌式反应器（11）中，空气过滤器（1-2）置于补料瓶（4-2）密封口处。
4.根据权利要求1所述的发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器，其特征在于，所述的第一通气装置，由空气流量计（3-1）、空气过滤器（1-3）、通气进管（9）及相互连接的管路所构成，通入进搅拌式反应器（11）中的空气，经空气流量计（3-1）调节流量，并经空气过滤器（1-3）进行过滤后通过通气进管（9）进入搅拌式反应器（11）中。
5.根据权利要求1所述的发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器，其特征在于，所述的固定化材料（13）经支撑材料支撑绕成桶状或螺旋状固定于固定化柱（12）中而不影响通气与物质交换。
6.根据权利要求5所述的发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器，其特征在于，所述的固定化材料（13）为植物纤维、动物纤维或合成纤维；所述的支撑材料为耐高温塑料、不锈钢材料或铝制材料。
7.根据权利要求1所述的发酵生产鼠李糖胶的柱式固定化反应器，其特征在于，所述的第二通气装置由空气流量计（3-2）、空气过滤器（1-4）及相互连接的管路所构成，通入固定化柱（12）中的空气，经空气流量计（3-2）调节流量，并经空气过滤器（1-4）进行过滤后由固定化柱（12）的底部通入固定化柱（12）中。
8.利用权利要求1所述的柱式固定化反应器发酵生产鼠李糖胶的工艺，其特征在于，鼠李糖胶生产菌鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1接入装有灭菌发酵培养基的搅拌式反应器（11）后，开启恒流泵（2-3）实现搅拌式反应器（11）和固定化柱（12）中的物质交换，开启恒温水浴（14）实现固定化柱（12）中的物料温度恒定且与搅拌式反应器（11）中物料温度相同，培养24～100h，实现鞘氨醇单胞菌在固定化材料（13）上的固定与鼠李糖胶单批次固定化发酵。
9.根据权利要求8所述的利用柱式固定化反应器发酵生产鼠李糖胶的工艺，其特征在于，鼠李糖胶单批次固定化发酵结束后，将搅拌式反应器（11）及固定化柱（12）中的鼠李糖胶发酵液全部移除，仅保留固定于固定化材料（13）中的鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1，将新鲜灭菌后的发酵培养基补入搅拌式反应器（11）中，通过恒流泵（2-3）继续实现下一批次的鼠李糖胶的固定化发酵生产，如此循环操作，即可实现鼠李糖胶的多批次固定化发酵生产。
10.根据权利要求8所述的利用柱式固定化反应器发酵生产鼠李糖胶的工艺，其特征在于，搅拌式反应器（11）中鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1发酵反应温度为25～38℃，反应pH为6.0～8.5，通气量为0.4～1.8vvm，搅拌转速为300～1000r/min；固定化柱（12）中鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.RH-1的反应温度为25～38℃，反应pH为6.0～8.5，通气量为0.4～1.8vvm。
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