CN103476918B - 利用吸附剂对通过微生物发酵制得的产物分离和精制的装置及方法 - Google Patents

利用吸附剂对通过微生物发酵制得的产物分离和精制的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于通过微生物培养而生产的产物的发酵、分离和精制装置及方法。本发明的发酵分离精制装置及方法能够将通过微生物培养而生产的产物以方便、连续及高效率的方式进行分离精制。

Description

利用吸附剂对通过微生物发酵制得的产物分离和精制的装置及方法
技术领域
本发明涉及用于对通过微生物发酵培养生产的产物进行连续分离和精制的装置及方法。
背景技术
丁醇可在化妆品、香水、荷尔蒙、卫生消毒剂、工业用涂覆剂、涂料添加剂、纤维、塑料单体、医疗用品、维生素、抗生素及农药等中用作化学中间物（文献[Durre（杜勒），Biotechnol J（生物技术杂志），2:1525-1534，2007]）。
作为现有的丁醇的制备方法，使用梭菌（Clostridium）菌株发酵糖来生产丁醇、丙酮及乙醇的方法（文献[美国公开专利第1315585号]）一直用到80年代，但之后，一直广为使用的是从获得自石油的丙烯来合成丁醇的羰基合成法（oxo process）。但是，基于石油的丁醇制备方法由于使用高温高压而复杂化且排出大量的有害废弃物和二氧化碳（文献[Tsuchida（土田）等，Ind.Eng.Chem.Res.（工业与工程化学研究），45:8634，2006]），近来，利用可持续性资源通过微生物的发酵以环保方式生产丁醇的要求已经再次增加。
但是，如上所述，当前大部分情况下通过化学合成法生产丁醇。由于油价上升、环境问题等原因，世界范围内对生物丁醇研究的兴趣急剧增加，但到尚不能有效地生产生物丁醇。
到目前为止，对于丁醇而言，通过发酵生产丁醇的大部分实例中使用了梭菌菌株。有这样的实例，其中通过在载体中插入三种基因即精氨酸脱羧酶（adc）、CoA转移酶A（ctfA）及CoA转移酶B（ctfB）三种基因，并使用adc的启动子以由此构建人工操纵子并且之后将这一质粒pFNK6导入到梭菌丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum）ATCC824菌株中而将丙酮、丁醇及乙醇的生产率相较于野生型分别增加了95％、37％及90％（文献[Mermelstein（默梅尔斯坦）等，Biotechnol.Bioeng.（细胞技术和细胞工程），42:1053，1993]）。此外，还有克隆并表达乙醇/醛脱氢酶（aad）的重组菌种与野生型进行比较时产生比丙酮更高量的丁醇及乙醇的实例（文献[Nair（奈尔）等，J.Bacteriol.（细菌学杂志），176:871，1994]）。除此之外，作为将基因功能失活的方法，还有将丁酸磷酸酶（buk）和磷酸化醋酸转移酶（pta）失活的实例。据报道当将buk基因失活的菌株PJC4BK发酵至pH5.0以上时，丁醇的生成量显著增加至16.7g/L（文献[Harris等，Biotechnol.Bioeng.，67:1，2000]）。但是，据报道在将pta基因失活的菌种的实例与野生型菌种实例相比时，在溶剂生产方面没有显著的差异（文献Harris等,Biotechnol.Bioeng.,67:1,2000）。并且，据报道利用由随机突变诱导的突变株贝氏梭状芽胞杆菌（Clostridium beijerinckii）BA101菌株并将麦芽糊精（maltodextrin）作为碳源进行发酵时，生成了18.6g/L的丁醇（文献[Ezeji等，Appl.Microbiol.Biotechnol.，63:653，2004]）。但是，即使利用这些重组菌株的实例中，使培养基内的丁醇的生产量因作为最终产物的丁醇的毒性而非常低（20g/L或更少），以致不可能工业利用这些重组菌株。因此，研发了用于以原位提取培养过程中生成的丁醇的多种方法以将培养基内的丁醇浓度维持在不会引起细胞毒性的水平。例如，据报道通过利用活性炭来吸附连续培养的期间生产的丁醇可提高生产率（文献[美国登录专利第4520104号]）。
但是，这一方法中，活性炭只对丁醇进行选择性的吸附且吸附的丁醇的浓度较低，以致难以回收丁醇，且活性炭的物理稳定性不足以致不可能重复利用所述活性炭。因此，存在丁醇的提取花费昂贵的缺点。丁醇的吸附量与丁醇的浓度成正比，而通过连续培养中生产的丁醇的浓度较低，因此丁醇的吸附量也非常少。由于此类问题，即使进行连续的培养工序，生产率也不超过1g/L/h。并且，由于细胞的聚集，填充有活性炭的柱可能被物理性堵塞，由此引起工艺上的问题。这种方法中，细胞聚集物堵塞柱，且在培养基的流动形成通道，从而使产物例如丁醇、丙酮、异丙醇或乙醇等在整个吸附剂中很难吸附，由此会降低吸附效率。已经报道了利用除了活性炭之外的吸附剂来提高溶剂的生产率和浓度且利用可再生的吸附剂的方法（文献[Nielsen等，Bioeng.Biotech.102:811-821，2009]）。此方法是将吸附剂添加到培养基内并且将培养过程中生成的丁醇吸附在吸附剂中以回收丁醇的方法。根据此方法，应当从培养基回收吸附剂，且在回收过程中必然要发生吸附剂的损失。并且，在培养过程中微生物所生成的杂质和作为原料物质的糖会同时吸附以致在回收丁醇时丁醇的纯度及生产率较低。并且，丁醇的吸附量与培养基内添加的吸附剂的量成正比，而这一方法中培养基内添加吸附剂的量也存在界限。并且，这一方法中，乙醇和丙酮的浓度相对提高，并起到解吸所吸附的丁醇的作用，以使丁醇浓度的提高存在限制。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于，提供能够将从微生物发酵培养基生产的产品连续分离和精制的分离和精制装置及分离和精制方法。
技术方案
在一个一般方面中，提供产物的连续发酵、分离和精制装置，其包括：
培养器，其中将微生物与原料物质一同进行培养以生产产物；
至少两个填充有吸附剂的柱；和
转换部分，其用于控制以使包含产物的培养基从培养器提供至特定柱，
其中转换部分在产物在提供有培养基的第一柱中被充分吸附时停止将培养基提供至第一柱并且改变培养基的流动以将培养基提供至第二柱。
在本发明的另一个方面中，提供产物的连续发酵、分离和精制方法，其包括：
将微生物与原料物质一同培养以生产产物；
将包含所述产物的培养基提供至填充有吸附剂的第一柱；和
在产物在第一柱中被充分吸附时的情况下停止向第一柱提供培养基并向第二柱提供培养基。
有益效果
利用本发明的发酵、分离和精制装置及方法，能够简单且迅速地分离和纯化微生物培养基内的产物。
附图说明
图1是根据本发明的发酵、分离和精制装置的示意图。
图2是表示吸附剂的相对丁醇吸附性能的比较图表。
图3显示多种浓度的吸附剂的丁醇吸附速度的动力学分析。
图4表示使用根据本发明的示例性实施方案的培养方法进行培养获得的发酵概况。
ABE：丙酮、丁醇及乙醇。
具体实施方式
本发明的优点及特征，以及达成上述优点及特征的方法参照与附图一同详细后述的示例性实施方案便能明确。但是，本发明并不局限于以下公开的示例性实施方案，而是以相互不同的多种形态体现，优选的实施方案使本发明的公开更为完整，且为了使得本发明所属领域技术人员更容易理解本发明的范围而提供。因此，本发明仅根据权利要求的范畴来定义。说明书全文的相同的附图标记是指相同的结构要素。
本发明涉及生成物的连续发酵、分离和精制装置，其包括：
培养器，其中将微生物与原料物质一同进行培养以生产产物；
至少两个填充有吸附剂的柱；和
转换部分，其用于控制以使包含产物的培养基从培养器提供至特定柱，
其中转换部分在产物在提供有培养基的第一柱中被充分吸附时停止将培养基提供至第一柱并且改变培养基的流动以将培养基提供至第二柱（图1）。
此外，本发明涉及产物的连续发酵、分离和精制方法，其包括：
将微生物与原料物质一同培养以生产产物；
将包含所述产物的培养基提供至填充有吸附剂的第一柱；和
在产物在第一柱中被充分吸附时的情况下停止向第一柱提供培养基并向第二柱提供培养基。
并且，本发明涉及产物的连续发酵、分离和精制方法，其包括：
将微生物与原料物质一同培养以生产产物；
将包含所述产物的培养基提供至填充有吸附剂的第一柱；
在产物在第一柱中被充分吸附时的情况下停止向第一柱提供培养基并向第二柱提供培养基；和
从不被提供培养基的第一柱中的吸附剂解吸所吸附的产物，同时产物吸附在被提供培养基的第二柱中。
以下，参照附图对根据本发明的通过微生物发酵生产的产物的发酵、分离和精制装置（以下称之为“发酵、分离和精制装置”）及根据本发明的通过微生物发酵生产的产物的发酵、分离和精制方法（以下称之为“发酵、分离和精制方法”）进行详细说明。
本发明的发酵、分离和精制装置包括至少两个填充有吸附剂的柱。优选地，本发明的发酵、分离和精制装置包含优选地2个至20个填充有吸附剂的柱，更优选地，包含2个至10个柱，进而优选地，包含2个至5个柱，最优选地，包含2个至3个柱。这些柱可以第一柱、第二柱、第三柱、第四柱、第五柱、第六柱之类的来表示。但以下为了说明的方便，基于2个柱描述了本发明。如本文所用的，术语“第一柱和第二柱”意指为了说明的方便而任意进行编号的柱，这并不意味着本发明的发酵、分离和精制装置只包含2个柱。并且，根据本发明，将培养基持续提供至多个柱以使得对一个柱的说明也同样适用于其他柱。
培养器130中，通过从供给器140提供原料物质和培养基来培养微生物。其结果，培养器130中，发酵培养基（以下，称之为“培养基”）中通过微生物发酵而生产产物。
从培养器130中排出的培养基利用泵160向第一柱110供给。所述培养基可连续性的供给或非连续性的供给。向所述第一柱110供给的所述培养基内包含通过微生物发酵而生产的产物，所述培养基内的产物会被柱内的吸附剂112吸附。
此时，本发明的发酵、分离和精制装置还可包括搅拌器（未图示），所述搅拌器在所述柱内用于搅拌吸附剂及产物。利用所述搅拌器，使第一柱110的内部的培养基及吸附剂能够均匀地混合，从而能够防止柱内的培养基及吸附剂聚集，尤其是聚集在供给培养基的部分或培养基向柱外排出的部分或类似部分。培养基虽然能够从第一柱110的上部向下部循环，但并不局限于此。
当产物在第一柱110中充分吸附时，培养器130与第一柱110的连接会被第一转换部分170阻断，来停止向第一柱110供给培养基。并且，沿着培养器130与第二柱120相连接的方向，开放第一转换部分170及第三转换部分174，来使培养基向第二柱120供给。即，当产物在第一柱110中充分吸附时，培养基的流动改变以致停止向第一柱110供给培养基并向第二柱120供给培养基。此时，所述第一转换部分170及第三转换部分174可包括四通阀（4-way valve）。
在供给培养基的第二柱120中进行吸附的期间内，在停止培养基供给的第一柱110中进行解吸。术语“解吸”是指，将被吸附剂吸附的产物从吸附剂中洗脱而使得吸附剂可重复利用。
可利用热量或洗脱剂进行所述解吸，但并不局限于此，只要其适合工艺条件则解析中所使用的手段不被限制。可利用热或洗脱剂随时进行所述解吸，利用少量的吸附剂112也能分离和纯化足够多的产物。
例如，本发明的解吸是对吸附的产物施加热量而汽化产物来进行的。这种情况下，在费用方面，所述热量优选为工艺中产生的热量，并且所述热量能够作为蒸汽或热空气施加。所述蒸汽为水蒸气状态的水，并以0.01～6bar的压力来施加。并且，所述热空气能够以0.01～6bar的压力来施加，具有既不会损伤柱及吸附剂也可以洗脱产物的温度。例如，所述热空气的温度为100～200℃，优选为110～150℃，更优选为120～140℃，最优选为130℃。并且，本发明的解吸能够利用洗脱剂来进行，所述洗脱剂可以是有机溶剂、酸性水溶剂或碱性水溶剂。所述有机溶剂可以是四氢呋喃、醇、酮、醚或酯，优选为甲醇、丙酮、乙酸乙酯、二乙醚或甲基乙基酮，但并不局限于此。
所述解吸方法的实例，将四氢呋喃溶剂流入所述柱或水蒸气铜过柱。例如，通过将具有吸附剂体积的两倍体积的四氢呋喃溶剂以10mL/min的流速流入，或优选地，以130℃和2bar的压力通过蒸气，来进行解吸。
所述解吸是在未将第一柱110的内部的吸附剂取出的状态，即，在原位（in-situ）状态下进行的。由此，当产物以原位状态被吸附剂112吸附时，在第一柱110中存在的培养基内，丁醇维持在不会妨碍微生物的生长或产物的生产率的浓度。在第一柱110中进行解吸的期间内，培养基向第二柱120供给，由此能够使培养基连续流动。并且，供给培养基的第二柱120中进行连续的吸附，从而连续进行产物的发酵、分离和精制。
本发明的发酵、分离和精制装置为了防止吸附剂112洗脱而被流失，可在柱的上部或下部进一步包括过滤器114。
产物在所述柱内充分吸附的情况是指产物充分被柱内的吸附剂吸附的情况。即，所述产物充分被吸附是指因为产物在第一柱中被充分吸附，从而判断与在第一柱中继续生产、吸附产物相比停止第一柱中的产物的吸附并在第二柱中吸附产物更优选的情况。
例如，本发明的产物充分被吸附的情况可以是对吸附剂的生成物的吸附率降低的情况或从柱中排出的排出液内的产物的浓度为向柱供给的培养基内的产物的浓度的80％或更多的情况。另一方面，本发明的微生物的发酵培养基包含由微生物生产的产物，尤其是丁醇，当培养基内的丁醇的浓度到达约12g/L时，微生物因丁醇的毒性而受到致命的影响。但是，从本发明的柱中排出的排出液至少有一部分连续提供至培养器，并且随着排出液向培养器连续供给，培养器内的产物，尤其是丁醇，被累积，使得丁醇的浓度升高，结果，抑制培养器内的微生物的培养。因此，本发明的产物充分被吸附的情况可以是指培养器内的微生物的生长因产物的浓度增加而被抑制的情况、或微生物的产物的生产率降低的情况。
结果，所述产物被充分吸附的情况可以是产物对吸附剂的吸附率降低的情况、从柱中排出的排出液内的产物的浓度为向柱供给的培养基内的产物的浓度的80％或更多的情况、培养器内的微生物的生长因产物的浓度增加而被抑制的情况、或微生物的产物的生产率降低的情况，并且这一情况技术人员能够根据微生物的种类、吸附剂的种类、产物的种类及结构等适当地判断。
之后，当第二柱120内的产物被充分吸附时，培养器130与第二柱120的连接会因第一转换部分170及第三转换部分174而阻断，来停止向第二柱120提供培养基。之后，沿着培养器130和其他柱相连接的方向，转换部分开放，来向所述其他柱供给培养基。并且，在第二柱120中进行解吸，而在所述其他柱中吸附培养基内的产物，由此连续进行产物的分离和精制。此时，在第二柱120中的解吸类似所述第一柱110中的解吸进行。
所述“其他柱”可以是第一柱110，也可以是第三柱。所述不同柱会根据包含在发酵、分离和精制装置内的柱的数量有所不同。即，在发酵、分离和精制装置内的柱为3个或更多的情况下，所述“其他柱”可以是第三柱。在发酵、分离和精制装置内的柱为2个的情况下，所述“其他柱”为第一柱110，所述第一柱110处于完成解吸的状态而所述第二柱120内的产物进行吸附。在此情况下，沿着培养器130与第一柱110相连接的方向开放第一转换部分170，来向第一柱110供给培养基。并且，在第二柱120中进行解吸的期间内，第一柱110中将会进行产物的吸附。本发明的发酵、分离和精制装置可通过反复进行所述的过程再利用柱内的吸附剂并连续地发酵、分离和精制产物。
另一方面，本发明的发酵、分离和精制装置还可进一步包括储存器150，所述储存器150用于储存从填充于第一柱110的吸附剂中解吸的产物。在所述第一柱110中进行解吸的期间内，第二转换部分172及第四转换部分176沿着储存器150和第一柱110相连接的方向开放。因此，从第一柱110中解吸的产物向储存器150移动。此时，第二转换部分172及第四转换部分176可包括四通阀。
在第二柱120中进行解吸的情况下，也能在所述储存器150中储存被解吸的产物。此时，沿着储存器150和第二柱120连接的方向开放第四转换部分176，由此能够将解吸的产物移至储存器150。
另一方面，从本发明的柱中排出的排出液能够有至少一部分向培养器供给。此时，向培养器供给的排出液的量可与从培养器向柱供给的培养基的量相同，或少于从培养器向柱供给的培养基的量。
以上对本发明的发酵、分离和精制装置及发酵、分离和精制方法进行了简要说明。以下，对本发明进行更加详细的说明。
本发明的发酵、分离和精制装置及方法能够对通过微生物培养而生产的产物进行简单且连续的发酵、分离和精制，并且由于在产物充分被吸附剂充分吸附时会适当地进行解吸，因而还具有较高的吸附效率。因此，本发明的发酵、分离和精制装置及发酵、分离和精制方法能够以较高的效率来分离、精制通过微生物培养而生产的产物。
作为本发明的微生物，可使用任何微生物只要是所述微生物能够从原料物质中生产作为生物燃料的产物，但本发明并没有特别的限定。例如，本发明的微生物可以是细菌、酵母、真菌或类似物，优选为细菌或酵母。本发明的微生物可以是野生型微生物，也可以是基因修饰的微生物。优选地，本发明的微生物为野生型梭菌（Clostridium）属、大肠杆菌（E.coli）或基因重组以提高特定产物的生产率的菌株，但并不局限于此是所属领域技术人员显而易见的。
例如，利用由编码丁酸激酶的buk基因被缺失的梭菌属中的细菌，作为本发明的微生物的情况下，具有在厌氧条件下并且同时不会生成大量丁酸而生成高浓度的产物例如丁醇、丙酮、异丙醇或乙醇等的优点。例如，在利用编码丁酸激酶的buk基因、编码磷酸转乙酰酶的pta基因及编码乙酸激酶的ackA基因被缺失的梭菌属中的细菌作为本发明的微生物的情况下，具有在厌氧条件下同时不会生成其他有机酸而生成高浓度的产物例如丁醇、丙酮、异丙醇或乙醇等的优点。此外，利用编码乙酰乙酸脱羧酶（acetoacetic acid decarboxylase）的adc基因被缺失的梭菌属中的细菌作为本发明的微生物的情况下，具有选择性地生成高浓度的丁醇同时不会生成丙酮的优点。并且，在利用由质粒转化的梭菌属中的细菌的情况下，具有可生成高增值产物例如丁醇、异丙醇或乙醇等的优点，所述质粒包含作为编码将丙酮转化为异丙醇的酶的仲醇脱氢酶（ald）的基因。
所述基因修饰梭菌能够根据已发表的论文（文献[Microbiology（1996），142，2079-2086]）中公开的方法制备。例如，在丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）中缺失丁酸激酶基因（buk），来制备作为变异株的PJC4BK或BKM19（KCTC10558BP）。之后，在所述菌株中分别缺失磷酸转乙酰酶基因（pta）和乙酸激酶基因（ackA）来制备突变菌株。之后，可确认的是将所述突变菌株在厌氧条件下进行培养时生成高浓度的产物例如丁醇、丙酮、异丙醇或乙醇等。
本发明的微生物能够通过补料分批培养方法或连续培养方法进行培养。连续培养方法是将新鲜的培养基以预定的速度向培养器供给的同时，排出同等量的微生物发酵培养基，从而使培养器内的培养基一直保持恒定的方法。另一方面，补料分批培养方法作为间歇性地供给培养基的培养方法，是任选地控制培养基中的底物浓度的方法。
本发明的原料物质可以是在微生物发酵时被微生物利用而生成产物的物质，且所述原料物质的种类并未受到特别的限制。例如，本发明的原料物质可以是生物质、糖类或脂肪酸等。所述生物质可以是木质生物质或谷类等，但并不局限于此。所述糖类可以是单糖类、多糖类、多糖类等，且可以是由C3～C12糖类，并且包含生物质的水解过程中生成的多糖类。例如，所述糖类可以是甘油、葡萄糖、蔗糖、木糖、淀粉及纤维素等，但并不局限于此。所述脂肪酸可以是C2～C24的脂肪酸，例如醋酸、丁酸及丙酸等，但并不局限于此。
本发明的产物是由微生物生产的发酵产物。优选地，本发明的产物作为生物燃料，可以是醇、酮、酯或羧酸等，但并不局限于此。例如，所述醇可以是（C2-C6）醇，并优选为具有最多4个碳原子的醇，更优选为乙醇、丙醇、异丙醇（2-丙醇）、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇及丁醇等，但并不局限于此。所述酮可以是(C3-C)酮。例如，酮可以是乙酰醋酸盐或丙酮等，但并不局限于此。所述酯可以是（C4-C8）酯，例如，乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸丁酯或丁酸丁酯等，但并不局限于此。所述羧酸可以是（C2-C8）羧酸，例如，醋酸、丁酸或丙酸等，但并不局限于此。优选地，本发明的产物可以是丁醇、异丙醇、乙醇或丙酮，但并不局限于此。
本发明的吸附剂112能够以基于包含吸附剂112的柱的容量即体积的0.1％至99％的体积分数进行填充。吸附剂小于柱的体积分数小于基于柱体积的0.1体积％的情况下，由于吸附剂112的量不足，以致吸附可能未适当进行。并且，吸附剂112在99体积％或更多的情况下，柱的内部形成吸附剂112或细胞的聚集块，以致吸附可能未适当进行。
被提供培养基的柱的类型可以是浆料反应器类型、流化反应器类型或填充反应器类型。所述流化（fluidized）反应器类型柱是含少量吸附剂且流动性高的柱，所述浆料（slurry）反应器类型柱是含有在培养基内悬浮的吸附剂的柱，而所述填充反应器类型柱是柱内的吸附剂实质上塞满（packed）的柱。此时，所述三种类型的柱的中间类型的柱可根据它们接近的柱划分至所述三种类型柱中，并且，柱的内部即使是所述三种类型的中间类型，所述柱还是可被包括在三种类型中的任一种中。例如，根据流动性的程度，若判断为吸附剂以实质上不会有流动性的程度填满，则柱可被分类为填满类型柱，而若判断为吸附剂可能是悬浮的，则柱可被分类为浆料反应器类型柱。
本发明的转换部分用于改变及控制培养基或排出液的流动并且可以控制以使培养基从培养器130向特定柱供给，或将从特定柱中排出的排出液向储存器150供给。能够使用一个或多个所述转换部分，并I企鹅所述转换部分可以根据本发明的发酵、分离和精制装置的设计，由所属领域技术人员适当地进行设置。
实验性实施例1
为了选定用于本发明实施例的适当的吸附剂，比较了三菱（Mitsubishi）公司的多种吸附剂的丁醇吸附性能。向包含2％丁醇的50mL磷酸缓冲溶液（50mM）添加多种吸附剂并放置1小时同时进行搅拌之后，利用气相色谱分析对溶液中残留的丁醇的浓度进行了分析。其结果，虽然分析出吸附剂SP850具有最优秀的性能（图2），但吸附剂的种类并不局限于SP850。产物例如丁醇、丙酮、异丙醇或乙醇等的分析使用气相色谱分析（安捷伦公司：agilent，美国：USA）进行，且分析条件如下表1所示。
表1
气相色谱分析条件
实验性实施例2
为了确认吸附剂SP850吸附丁醇的速度，对丁醇的吸附进行了动力学分析。本发明实施例中所使用的培养中，由于要在培养基经过柱的很短的时间内吸附丁醇，因此，丁醇的吸附速度非常重要。首先，向包含多种浓度丁醇的50mL液体梭菌生长培养基（CGM，ChlostridiumGrowth Media）中添加3g（干燥重量）的吸附剂，并以30秒钟、1分钟、2分钟、5分钟、10分钟、30分钟及1小时的采样时间进行采样同时以200rpm搅拌混合物。之后通过气相色谱分析确认了溶液中残留的丁醇的浓度。
其结果，能够确认，在多种浓度范围中，丁醇在大约1分钟以内被吸附（图3）。
实验性实施例3
为了确认适合补料分批发酵的吸附剂的量和发酵条件，构建了重组梭菌菌株。构建了含微生物的发酵所需的仲醇脱氢酶的重组梭菌菌株（丙酮丁醇梭菌PJC4BK-IPA2）。在厌氧条件下，将梭菌菌株在60mL液体梭菌生长培养基（CGM，Chlostridium Growth Media）（0.75g/LK2HPO4、0.75g/L KH2PO4、0.7g/L、MgSO4H2O、0.017g/L MnSO4H2O、0.01g/L、FeSO4H2O、2g/L（NH4）2SO4、1g/L NaCl、2g/L天门冬素（asparagine）、0.004g/L对氨基苯酸（p-aminobenzoic acid）、5g/L酵母提取物（yeast extract）、4.08g/L CH3COONaH2O及80g/L葡萄糖）中进行培养，直到光密度（OD）600=0.5为止。之后，将培养基在冰水中放置10分钟，并在4℃条件下，将培养基以7000G离心分离10分钟。混合270mM的蔗糖15mL及686mM的NaH2PO4（pH7.4）0.11mL，来制备电穿孔（electroporation）缓冲溶液。将细胞团用以所述方法制备的电穿孔缓冲溶液清洗三次之后，将清洗的细胞团悬浮于2mL相同的缓冲溶液中来制备重组细胞。在如此制备的细胞500μl中添加包含仲醇脱氢酶基因的0.5～2.0μg的质粒，并且之后利用伯乐（Bio-Rad）公司的基因导入电转仪（Gene pulser II）进行电穿孔（4mm小玻璃管，2.5kV，∞Ω，25uF），之后在添加抗生素的培养基中进行厌氧培养，完成转基因的菌株的构建。为了转基因而使用的质粒都在进行电穿孔之前，在利用pAN1载体进行转化的大肠菌ER2275中进行甲基化来构建由此不会受到梭菌菌株的限制系统（restriction system）的影响。
将如上文所述培养的梭菌菌株PJC4BK-IPA2涂布于CGM/氯霉素（Chlorampenicol）平板培养基，并在37℃条件下厌氧培养过夜。将培养好的2个菌落接种于包含20mL CGM/氯霉素培养基的50mL一次性试管中，并在37℃条件下放置厌氧培养至OD600=3为止。将培养好的菌种重新接种于包含100mL8％葡萄糖的CGM液体培养基中，并在37℃条件下放置厌氧培养至OD600=2～3为止，之后，将所得物接种于分别包含1L CGM液体培养基和0（0g/L，干燥重量）、200（60g/L）、250（75g/L）、300（90g/L）、350（105g/L）及400mL（120g/L）的吸附剂的培养器，并开始培养。开始培养后，继续维持20g/L或更高的葡萄糖浓度，并每3小时分析所生成的丁醇、丙酮、异丙醇及乙醇等的浓度。产物例如丁醇、丙酮、异丙醇及乙醇等的分析利用气相色谱分析（安捷伦公司，美国）来进行，且分析条件与表1中的相同。
糖和有机酸的浓度是在对培养基进行离心分离并获得上清液之后利用高压液相色谱（High Pressure Liquid Chromatography；HPLC）、气相色谱分析（gas chromatography）及糖分析仪来确认。HPLC条件如下，用作流动相的含0.01N硫酸的水，并且，流速为0.6mL/min。使用Aminex87H及Aminex87P（伯乐公司，美国）作为柱，所生成的糖和有机酸则利用反射率（Reflective Index；RI）检测仪进行了分析。
其结果如表2所示，可以确认的是如上文所述培养的重组和突变菌株在包含吸附剂的培养基中生成更大量的产物例如丁醇、丙酮、异丙醇及乙醇等并且吸附剂的最佳量为250mL/L。
表2
实验性实施例4
利用与所述实验性实施例相同的培养基和培养方法及分析方法，且使用200mL的吸附剂，来做有关吸附剂的反复使用可能性的实验。当培养结束之后，被吸附剂吸附的产物例如丁醇、丙酮、异丙醇或乙醇利用解吸用柱回收并通过将以相当于吸附剂体积2倍的体积以10mL/min的流量通入四氢呋喃溶剂来洗脱，从而利用气相色谱分析对产物的总量进行分析，并比较每次吸附的溶剂的总量，来分析吸附剂的性能。
其结果，确认了即使反复使用吸附剂，也能良好地进行产物的吸附（表3）。
表3
实验性实施例5
通过补料分批培养方法制备产物例如丁醇、丙酮、异丙醇及乙醇等
以所述多个实验性实施例中最优化的结果为基础，利用补料分批培养方法制备产物例如丁醇、丙酮、异丙醇及乙醇等。与实验例3中的相似地进行实验方法及分析，但将包含250mL的吸附剂的CGM培养基的浓度与实验性实施例3相比分别为相同或升高的2倍的状态进行包含于培养基中的葡萄糖的发酵，由此将制备的产物例如丁醇、丙酮、异丙醇及乙醇等的量互相比较。
其结果如表4所示，可确认的是如上文所述培养的重组和突变菌株在培养过程中取决于养分（nutrient）的量产生更大量的丁醇、丙酮、异丙醇及乙醇等。这一结果意味着根据本发明实施例的培养方法同时注射养分和碳源的情况下，可以连续培养以及补料分批培养中以高产率合成高浓度的产物例如丁醇、丙酮、异丙醇及乙醇。
表4
实验性实施例6
补料分批培养装置的制造及利用培养方法的产物例如丁醇、丙酮乙醇等的制备
制造了图1所示的补料分批培养装置，此时，其中包含2个柱。为了防止吸附剂洗脱，在具有500mL的体积的柱的上部及下部安装过滤器（约150μm左右）后，安装搅拌器。之后，将300mL SP850吸附剂填充于2个柱（分别为第一柱、第二柱）中。并且，利用硅胶管对所述2个柱与培养器相连接，并安装泵，使得培养基在柱中循环。在柱的投入口及排出口安装四通阀，从而在培养过程中，在柱内的吸附剂充分吸附产物例如丁醇、丙酮及乙醇等时，通入洗脱剂由此实时进行解吸。当第一柱充分吸附产物时，调整四通阀，从而将培养基及产物的流动改变至第二柱。阻断培养基及产物的流动的第一柱中，在未将第一柱内部的吸附剂取出的状态下进行解吸。在第一柱中进行解吸的期间内，被供给培养基及产物的第二柱中连续进行吸附。相似地，当第二柱充分吸附产物时，调整四通阀，从而将培养基及产物的流动改变至完成解吸的第一柱。反复进行所述过程，从而反复使用第一柱及第二柱的吸附剂。培养基的循环方向是从柱的上部向下部循环，但循环方向并不重要。
同时，利用补料分批培养装置制备能够丁醇、丙酮及乙醇等的丙酮丁醇梭菌PJC4BK菌株并入实验性实施例中的地进行培养。首先，在包含2.7L的CGM液体培养基的反应器中接种在CGM液体培养基中过夜厌氧培养的菌种300mL，并开始进行培养。本发明的实验性实施例中，虽然利用普通批次（batch）发酵来培养菌种，但为了以更高的细胞浓度制备高浓度的产物例如丁醇、丙酮及乙醇等，还可以进行细胞固定化类型培养。开始培养的同时，将培养基利用泵，以30mL/min的流速通过第一柱。可以确认的是，培养基通过第一柱的同时吸附剂SP850悬浮于培养基中，从而形成浆料相，使得培养基的流动不会因细胞的聚集而堵塞，并通过第一柱。并且，培养基通过第一柱之前和之后立即采集培养基样品，并将丁醇、丙酮及乙醇等浓度通过气相色谱分析进行分析。
在培养过程期间的糖的浓度利用HPLC及糖分析仪维持在20g/L。产物例如丁醇、丙酮、异丙醇或乙醇等的量则通过气相色谱分析来确认。
其结果，确认了补料分批培养能够稳定进行约150小时，且相比于向柱中供给的培养基（吸附前）内产物的浓度，从柱中排出的排出液（吸附后）内产物的浓度显著降低。即，能够确认，从柱中排出的排出液内产物例如丁醇、丙酮及乙醇等维持非常低的浓度。并且，确认了在培养装置内，产物浓度也维持不变，从而使微生物不会受丁醇的毒性的影响，从而能够稳定地制备产物。并且，将吸附于第一柱的产物例如丁醇、丙酮及乙醇等利用95℃的水进行解吸，结果，能够确认产物例如丁醇、丙酮及乙醇等优良地进行吸附和解吸。并且，能够确认即使反复进行20次或更多次的柱的更换，也并未减少柱的吸附性能（表5、表6及图4）。
表5
丙酮、乙醇及丁醇的制备结果。
表6
118 0.7 1.7 11.7 0.4 1.9 3.6 8.4 0.9 7.8 17b
120 1.2 2.9 11.3 0.2 1.9 2.1 9.1 0.8 8.3 18a
122 1.2 2.7 13.2 0.6 1.7 5.0 8.1 1.3 6.7 18b
124 1.2 2.9 10.1 0.3 1.7 3.2 8.4 0.8 7.2 19a
126 1.1 2.7 12.2 0.3 1.7 3.4 8.2 0.7 6.8 19b
128 1.2 2.9 11.2 0.1 1.8 1.5 8.3 0.4 6.9 20a
131 1.2 2.6 13.9 0.2 2.0 2.5 8.8 0.4 8.0 20b
134 0.9 2.1 13.7 0.3 2.2 2.7 9.0 0.6 8.7 21a
136 1.4 2.9 15.5 0.4 2.1 3.5 8.8 0.7 8.4 21b
138 1.2 2.7 12.8 0.3 2.0 3.0 8.6 0.9 7.9 22a
140 1.3 2.9 14.5 0.6 2.0 4.7 8.5 1.1 7.6 22b
142 1.2 3.0 13.4 0.3 2.2 3.0 9.2 0.8 8.1 23a
144 1.3 2.9 15.2 0.3 2.2 3.2 9.3 0.7 8.1 23b
146 1.1 2.3 13.5 0.3 2.2 3.0 9.0 0.8 7.6 24a
*a和b分别意味着第一柱和第二柱。
单位：g／L
附图标记的详细说明
100：发酵、分离和精制装置
110：第一柱 120：第二柱
112：吸附剂 114：过滤器
130：培养器 140：供给器
150：储存器 160：泵
170：第一转换部分 172：第二转换部分
174：第三转换部 176：第四转换

Claims (5)

1.一种丁醇的连续发酵、分离和精制方法，其特征在于，其包括：
将培养基和原料物质提供至存在丙酮丁醇梭菌的培养器中；
将丙酮丁醇梭菌与所述原料物质一同培养来生产丁醇；
使用泵将包含所述产物的培养基直接提供至填充有吸附剂的第一柱，其中使用搅拌器使所述培养基与所述吸附剂相互混合， 以防止其聚集在第一柱中，其中所述第一柱具有过滤器以防止吸附剂被洗脱而损失，并且其中从所述第一柱中排出的排出液的至少一部分被再次用于所述微生物的培养；和
在从所述第一柱中排出的排出液内的丁醇的浓度为向所述柱提供的所述培养基内丁醇的浓度的80％或更多的情况下，停止向所述第一柱提供所述培养基，并向第二柱提供所述培养基以进行产物的吸附；和
在不取出所述第一柱中的吸附剂的情况下，使用洗脱剂从所述第一柱中的洗脱剂上解吸被吸附的产物，其中在被提供所述培养基的所述第二柱中吸附所述产物的期间，在被停止提供所述培养基的第一柱中进行解吸并且被解吸的产物被储存在储存器中。
2.根据权利要求1所述的连续发酵、分离和精制方法，其特征在于，其中所述原料物质为脂肪酸或糖类。
3.根据权利要求1所述的连续发酵、分离和精制方法，其特征在于，其中以基于所述柱的体积的0.1％至99％的体积分数填充所述吸附剂。
4.根据权利要求1所述的连续发酵、分离和精制方法， 其特征在于，其中被提供所述培养基的所述柱的类型为浆料反应器类型、流化反应器类型或填充反应器类型。
5.根据权利要求1所述的连续发酵、分离和精制方法，其特征在于，所述洗脱剂为有机溶剂，或者为酸性或碱性水溶液。
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