CN103215317B - 一种直接通氧加压的木糖全细胞催化生产木糖酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接通氧加压的木糖全细胞催化生产木糖酸的方法，在搅拌条件下，向木糖液体深层反应体系中直接通入氧气置换出空气，再接入氧化葡萄糖酸杆菌，密封反应体系以氧气加压至0.01~0.10MPa进行全细胞催化木糖生产木糖酸。监测反应体系因中和反应所生成的二氧化碳含量。当废气中二氧化碳的浓度超过5%时，降低搅拌强度，开启反应体系并通过氧气置换出反应体系内的废气，然后重新密封反应体系和恢复搅拌强度继续反应。该方法可完全消除生产过程中因直接通风所造成的严重泡沫问题，不需要添加消泡剂，大大简化了产品精制工序和提高了产品品质；高浓度供氧使木糖酸的产品浓度和单位体系产率分别提高50%和66%，产品木糖酸浓度达到600g/L，木糖利用率高于98%。

Description

一种直接通氧加压的木糖全细胞催化生产木糖酸的方法

技术领域

本发明涉及生物工程和化学工程领域，特别涉及一种直接通氧加压的木糖全细胞催化生产木糖酸的方法。

背景技术

木糖酸作为一种新兴的生物基平台化学品，可广泛就用于生产水泥减水剂、分散剂和缓释剂、混凝土黏接剂、增塑剂、玻璃清洗剂、冶金除锈剂、金属离子螯合剂、杀虫剂、纺织助漂剂、冰爽粘胶纤维混纺等产，是木糖高效生物转化与利用的一条新出路。

目前，利用氧化葡萄糖酸杆菌等微生物的全细胞催化转化木糖制取木糖酸的产品质量浓度可达到30%，糖利用率和转化率均超过98%，单位体积生产率达到3.6 g/(L.h)，属木糖生物转化领域很高的生产水平（CN201210191920.7）。微生物全细胞催化的本质就是利用定位于细胞膜上的木糖脱氢酶和δ-木糖内酯水解酶的催化作用将木糖脱氢、水化生成木糖酸，它需要细胞质膜上的电子传递链所驱动的辅酶NADH或NADPH的氧化再生系统来支撑，最终由分子氧来驱动，因此需要高强度的供氧和耗氧。一般大多数的微生物好氧反应过程，包括全细胞催化制取木糖酸的都采用在高强度的搅拌条件下向反应体系中连续通入大量无菌空气和同时排出废气来实现有效地供氧。但是，当反应体系的木糖或木糖酸的浓度高达30%以上时，受细胞、糖及糖酸的粘度及大通风量的影响就会导致严重的泡沫问题，即使使用较大用量的消泡剂也存在着溢罐的风险。这种现象在含有更多复杂组份，如胶质、木质素、脂类提取物的木质纤维素水解液的木糖催化过程中会进一步恶化，给生产操作和产品品质带来严重的影响。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种直接通氧加压的木糖全细胞催化生产木糖酸的方法，可完全消除反应过程中的泡沫生成并且显著提高产品的浓度和产率。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种直接氧加压的木糖全细胞催化生产木糖酸的方法，包括以下步骤：

（1）先向木糖液体深层反应体系中直接通入氧气置换空气，再接入生物催化剂，密封反应体系，通氧加压，搅拌全细胞催化木糖生产木糖酸； 

（2）采用半连续或连续分批添料向反应体系中添加木糖或木糖溶液，控制反应体系中的木糖质量浓度不高于25%，以中和剂同步调控pH值不低于2.8；

（3）反应体系中的木糖酸浓度达到590~600g/L和木糖浓度低于1g/L时，停止通氧和搅拌，开启反应体系，获得木糖酸产品。

其中，氧气的纯度不低于90%，反应体系的压力为0.01~0.10 MPa，反应中不需加入消泡剂。

所述的反应体系采用碳酸盐为中和剂，在反应过程中实时监测反应体系废气中的二氧化碳浓度；当二氧化碳的浓度超过5%时，降低搅拌强度，开启反应体系排空阀卸至常压，通过氧气置换反应体系内的废气，然后重新密封反应体系和恢复搅拌强度继续反应。

所述反应体系中的底物为含有木糖或任意组合型反应底物，其中，初始单糖质量浓度为5~15%。

所述反应体系初始pH 5.0~7.5。

所述的生物催化剂为氧化葡萄糖酸杆菌的细胞、或含有该细胞的反应体系、或以该细胞为宿主菌的基因重组菌株、或以它为出发菌株的基因改良菌株；细胞浓度为OD_600nm = 1.0

所述的木糖酸产品为含有木糖酸或木糖酸盐及任意组合的产品。

所述CO₂占反应体系废气中的浓度含量达到5%时，降低搅拌转速至50~100r/min，开启反应罐废气排放阀门，通过氧气置换反应体系CO₂。

本发明的直接通氧加压的木糖全细胞催化高效生产木糖酸的方法，通过调控反应体系的物质组成及工艺条件可使氧化葡萄糖杆菌处于静息细胞状态以催化木糖生成木糖酸，即细胞只将木糖转化生成木糖酸，而不将木糖酸引入到下游的分解代谢途径。在催化反应过程中细胞基本上不会将木糖的碳骨架分解脱羧基生成二氧化碳，所供给的氧都作为细胞电子传递链末端的电子最终受体转变生成氧负离子，或者与质子氢结合生成水，即木糖酸全细胞催化反应本身无二氧化碳等废气生成。利用上述生物反应机制，可采用高纯度的氧气加压（密封）的操作方式代替传统的开放式通风操作。当氧气用于木糖催化氧化而消耗时反应体系的气压降低，具有一定压力的氧气源就会自动补给并维持压力，最终使整个细胞催化反应的供氧达到自动平衡。直接通氧加压的生产方法不仅有效地提高传氧效率和显著减少通风量，进而提高木糖催化转化生成木糖酸的反应速率和反应浓度，更为重要的是通过对反应体系的密封和加压基本上完全消除泡沫现象，使生产操作和控制简单，容易实现自动化操作；同时显著提高了产品的浓度和避免的消泡剂等杂质引入。

由于在木糖酸的生成会导致反应体系的pH值逐渐下降，为了中和木糖酸就必须在反应体系中添加碱性中和剂以维持pH值在2.8以上，并且以碳酸盐如碳酸钙为最佳。碳酸盐中和反应会生成二氧化碳，至一定浓度时需要引出反应体系以保证工人操作的安全性和防止泄漏中毒。因此，在反应体系中实时监测二氧化碳的浓度。

有益效果：与现有技术相比，本发明利用直接通氧加压的方法，可完全消除生产过程中因直接通风所造成的严重泡沫问题，不需要添加消泡剂，大大简化了产品精制工序和提高了产品品质；高浓度供氧使木糖酸的产品浓度和单位体系产率分别提高50%和66%，产品木糖酸浓度达到600 g/L，木糖利用率高于98%。

附图说明

图1是半连续式分批加料条件下直接通氧加压制取木糖酸的反应历程图；图中，横座标表示反应时间（h），主纵座标表示木糖和木糖酸的浓度（g/L），次纵座标表示木糖酸的单位体积产率（g/(L.h)）；

图2是常规通风制取木糖酸的两种反应历程图；图中，横座标表示反应时间（h），主纵座标表示木糖和木糖酸的浓度（g/L），次纵座标表示木糖酸的单位体积产率（g/(L.h)）。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

在3.0L机械通风式反应罐中，加入1.0L木糖液至初始单糖浓度为150g/L，加入40g/L碳酸钙调节反应体系pH5.0~7.5，启动搅拌转速为500r/min，接入活化后的氧化葡萄糖酸杆菌至细胞浓度为OD_600nm=1.0。开启废气排放阀，直接通入氧气（体积浓度不低于90%）10分钟以置换反应体系中的空气，然后密闭反应体系进行催化反应。调节氧气源供氧压力至反应体系的内部气压维持在0.01~0.10MPa。

实时监测反应体系CO₂的浓度，至CO₂占反应体系废气中的浓度含量达到5%（体积比）时降低搅拌转速至80r/min，开启反应罐废气排放阀门，通过氧气5~15min以置换反应体系CO₂，重新密闭反应体系继续反应。监测反应体系中的木糖浓度和pH值，采用分批添料的方式补加木糖和碳酸钙，维持木糖浓度不超过25%和pH不低于2.8。至反应体系中的木糖酸浓度达到590~600g/L和木糖浓度低于1g/L时，停止通氧和搅拌，开启反应体系获得产品木糖酸溶液。

比较半连续式分批加料条件下直接通氧加压与常规通风制取木糖酸的反应历程，如图1和图2所示可见：两种方法的木糖利用率均达到98%以上。但是，采用直接通氧加压方法可以将产品木糖酸的最终浓度由400g/L提高至600g/L，在400g/L木糖酸产品浓度值时的生产时间由104h缩短至60h，对应的单位体积生产率由3.85g/(L.h)提高至6.67g/(L.h)，提高幅度达到73.3%。同时，采用直接通氧加压的方法，可完全消除常规直接通风反应过程中存在的严重泡沫问题，不需要添加消泡剂，大大简化了产品精制工序和提高了产品品质。

实施例2

在100 L机械通风式反应罐中，加入60 L木糖液至初始单糖浓度为100g/L，加入35g/L碳酸钙调节反应体系pH 5.0~7.5，启动搅拌转速为500r/min，接入活化后的氧化葡萄糖酸杆菌至细胞浓度为OD_600nm = 1.0。开启废气排放阀，直接通入氧气（体积浓度不低于90%）15分钟以置换反应体系中的空气，然后密闭反应体系进行催化反应。调节氧气源供氧压力至反应体系的内部气压维持在0.01~0.03MPa。

实时监测反应体系CO₂的浓度，至CO₂占反应体系废气中的浓度含量达到5%（体积比）时降低搅拌转速至50r/min，开启反应罐废气排放阀门，通过氧气置换15min排出反应体系CO₂，重新密闭反应体系继续反应。监测反应体系中的木糖浓度和pH值，采用分批添料的方式补加木糖和碳酸钙，维持木糖浓度不超过20%和pH不低于2.8。反应至62h时，体系中的木糖酸浓度达到400g/L，对应的单位体积生产率达到6.40g/(L.h)，较常规通风操作提高66.2%；反应至147h时，产品木糖酸浓度达到598g/L，木糖浓度低于1g/L，停止通氧和搅拌，开启反应体系获得产品木糖酸溶液。在直接通氧加压反应过程中无泡沫现象产，不需要添加任何消泡剂。

Claims (5)

1.一种直接氧加压的木糖全细胞催化生产木糖酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）先向木糖液体深层反应体系中直接通入氧气置换空气，再接入生物催化剂，密封反应体系，通氧加压，搅拌全细胞催化木糖生产木糖酸；

（2）采用半连续或连续分批添料向反应体系中添加木糖或木糖溶液，控制反应体系中的木糖质量浓度不高于25%，以中和剂同步调控pH值不低于2.8；

（3）反应体系中的木糖酸浓度达到590～600g/L和木糖浓度低于1g/L时，停止通氧和搅拌，开启反应体系，获得木糖酸产品；

其中，氧气的纯度不低于90%，反应体系的压力为0.01～0.10MPa，反应中不需加入消泡剂。

2.根据权利要求1所述的直接氧加压的木糖全细胞催化生产木糖酸的方法，其特征在于：所述的反应体系采用碳酸盐为中和剂，在反应过程中实时监测反应体系废气中的CO₂浓度；当CO₂的浓度超过5%时，降低搅拌强度，开启反应体系排空阀卸至常压，通过氧气置换反应体系内的废气，然后重新密封反应体系和恢复搅拌强度继续反应。

3.根据权利要求1或2所述的直接氧加压的木糖全细胞催化生产木糖酸的方法，其特征在于：所述反应体系初始pH5.0～7.5。

4.根据权利要求1或2所述的直接氧加压的木糖全细胞催化生产木糖酸的方法，其特征在于：所述的生物催化剂为氧化葡萄糖酸杆菌的细胞、或含有该细胞的反应体系、或以该细胞为宿主菌的基因重组菌株、或以它为出发菌株的基因改良菌株；细胞浓度为OD_600nm=1.0。

5.根据权利要求2所述的直接氧加压的木糖全细胞催化生产木糖酸的方法，其特征在于：所述CO₂占反应体系废气中的浓度含量达到5%时，降低搅拌转速至50～100r/min，开启反应罐废气排放阀门，通过氧气置换排出反应体系CO₂。