CN106148172A - 一种用于底物缓释反应系统中消除生物反应器搅拌剪切力的底物保护装置 - Google Patents

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刘春巧
陈毅明
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Abstract

本发明属于生物反应器工程，涉及一种生物反应器带孔过滤套筒，所述过滤套管悬置于反应容器中，把固定了底物的缓释载体保护起来，使底物缓释载体与搅拌桨隔离开来，有效消除生物反应器的搅拌剪切力对缓释载体的破坏，同时又能保证生物催化剂通气及底物与发酵液的混合。采用本发明可有效实现底物缓释反应系统从摇瓶到搅拌生物反应器的放大，而且可以实现工业生产的连续化，具有结构简单、生产成本低、容易放大等优点，适合工业化大规模生产。

Description

一种用于底物缓释反应系统中消除生物反应器搅拌剪切力的底物保护装置
技术领域
本发明属于生物反应器工程，涉及利用带孔过滤套筒把固定了底物的缓释载体保护起来，使缓释载体与搅拌桨隔离开来，有效消除生物反应器的搅拌剪切力对缓释载体的破坏，又不会影响菌体通气及底物与发酵液的混合，实现底物缓释反应系统在搅拌反应器放大生产的方法。
背景技术
在生物催化反应中，经常要用到对催化剂有毒的化合物作为底物，这些底物的存在会影响催化剂的活性，造成催化剂的活性下降甚至使催化剂丧失催化作用。本课题组前期通过采用自主发明的底物缓释反应系统（CN201210399102.6，CN201210452208.8），把有毒底物固定在缓释载体上制成底物缓释树脂微球代替传统的游离底物，有效消除了底物对生物催化剂的毒害作用，显著提高的目的产物产量，为大规模低成本生产目的产物奠定了基础。
然而，由于底物缓释载体机械强度较低，在摇瓶放大到发酵罐过程中容易受搅拌剪切力的破坏，导致缓释微球破碎而起不到缓释效果。由此可见，开发一种可以有效消除底物缓释载体剪切力的生物反应器，同时又能保证生物催化剂通气及底物与发酵液的混合，而且具有从反应器中快速分离出缓释载体的一体化装置势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种带孔过滤套筒，通过用过滤套筒把固定了底物的缓释载体保护起来，从而消除搅拌式生物反应器中搅拌桨对底物缓释载体造成的剪切伤害，同时该过滤套筒不会影响菌体通气及底物与发酵液的混合，还具备产物的分离功能，实现了底物缓释反应系统从摇瓶到发酵罐的放大。
为了实现本发明的目的，本发明公开了一种带孔过滤套筒，其孔径小于实际缓释载体尺寸，所述过滤套筒通过支架悬置于反应容器中。为了防止底物缓释载体跑出过滤套筒，必须保证底物缓释载体受到过滤套筒上孔径的限制，不能与搅拌桨直接接触，所以孔径要小于底物缓释载体尺寸，对于大孔吸附树脂缓释微球，孔径一般选择为0.1-0.3mm左右。
由于过滤套筒与反应容器的直径比，直接影响到底物缓释载体与发酵液的接触，所以本发明公开了过滤套筒与反应容器直径比为1:2-1:1的技术方案，从而保证底物缓释载体腔室的空间大小可以满足细胞的催化反应速度。
同时，本发明还进一步公开了所述过滤套筒距离反应容器搅拌桨0.1-5cm，使得底物缓释载体腔室仍然为一个连通腔体，不会被中间加入的过滤套筒分隔为两个单独的空间，所以不会影响菌体通气及底物与发酵液的混合。
作为进一步的改进，本发明公开了所述支架固定于过滤套筒内壁的技术方案，支架的高度与反应器高度相当，不但有利于支架起到对过滤套筒的固定作用，而且方便过滤套筒在反应结束后可以直接从反应器中取出；对于多层过滤套筒，套筒之间采用叠加方式进行固定，这样一来就使得过滤套筒的固定更加合理，固定力更加均匀，过滤套筒的中心轴也与物理中轴对应起来，产品在工作中更加稳定。
最后本发明公开了所述过滤套筒目的是为了保护底物缓释载体免受搅拌剪切力的伤害，所以过滤套筒可根据反应器的形状设计为圆环形、半圆环形、扇形、正方形或长方形；过滤套筒和支架的材质选择不与反应体系起反应的金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料或不同类型材料所组成的复合材料。
综上所述，采用本发明公开的技术方案后，可以有效消除搅拌剪切力对底物缓释载体的破坏，同时又能保证生物催化剂通气及底物与发酵液的混合，且位于生物反应器内部，统一整体灭菌，无外接设备，操作简单，安全高效。
本发明所取得的技术进步在于
（1）创新地设计一种隔离套筒，通过把底物缓释载体局限在套筒腔体内，有效消除生物反应器搅拌剪切力；
（2）过滤套筒设计为带孔的网状结构，通过支架悬浮在反应器中，可有效保证底物与发酵液的混合并且不影响菌体的通气；
（3）本装置在生产结束后，可以方便的从反应体系中取出，将发酵液与产物分开，实现工业生产的连续化；
（4）本装置结构简单、材料来源广泛、价格便宜，容易放大，适合工业化大规模生产。
附图说明
图1 为应用本发明过滤套筒装置的生物反应器的结构示意图；
图2 为过滤套筒装置的结构示意图；
图3 为生物转化法催化固定化底物对苯二酚合成4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的实施方式。但需要具体指出的是，以下具体描述仅以说明为目的，不应将其理解成对本发明范围的限定。根据本发明的描述，本专业的技术人员推导出的等效的改换方式，理应涵盖在本发明的范围之内。
实施例1
（1）带过滤套筒反应器的灭菌
以生物转化法催化固定化底物对苯二酚合成4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷过程中，将本发明公开的整体装置安装于5L发酵罐1中，如图3所示，不锈钢过滤套筒2为圆环形，高度为5-10cm，内径为1-2cm，外径为10-18cm，网孔尺寸以截留住底物缓释树脂微球为准，优选0.01-0.02cm；过滤套筒通过支架6固定在发酵罐内，套筒底部离搅拌桨顶部0.5-3cm；过滤套筒装置随发酵罐1同时整体灭菌，冷却并无菌检测后保压待用。
（2）野油菜黄单胞菌（Xanthomonascampestris）CGMCC NO.1243的发酵
挑取1环斜面保存的野油菜黄单胞菌（Xanthomonascampestris）CGMCC NO.1243菌株，加入到体积为250 ml的液体培养基中，在温度为25-30℃，转速为100-150 r/min摇床中培养12-20 h后得一级种子液；再将一级种子液按5-10％接种量接种到体积为5 L的发酵罐中，在温度为25-30℃，转速为120-200 r/min，通风量为1-2 vvm条件下培养10-18 h。
种子液及发酵罐培养基由下列重量份组分组成：
蔗糖 20-30份，蛋白胨 2-6份，酵母粉 2-5份，硫酸镁 1-2份，磷酸氢二钾 1-2份，氯化钠 1-2份和水 1000份。
（3）加入反应物进行合成反应
往过滤套筒加入固定了对苯二酚的大孔吸附树脂和蔗糖，其中树脂的质量浓度为30-60 g树脂/l发酵液，蔗糖物质量浓度为500-1200 mmol/l；在反应温度为25-30℃，通风量为1-2 vvm，转速为100-500 r/min条件下反应48-72 h。在此反应条件下，对苯二酚转化为α－熊果苷的转化率达90-95％。
（4）产物4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷的分离纯化
① 将反应完成后的大孔吸附树脂和过滤套筒直接从发酵罐中取出，倾斜套筒即可把树脂倒出，然后用去离子水把树脂表面的发酵液洗干净；
② 把经过①步骤的大孔吸附树脂用体积百分比浓度为1-90%的酒精进行洗脱，收集洗脱液；
③ 把经过②步骤的洗脱液进行真空浓缩，在浓缩到产品处于饱和状态时，放入温度为0-4℃条件下进行结晶，晶体经干燥后得到纯度为99.5％以上的4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷产品；真空浓缩温度为50℃，结晶时间为12 h。
④ 发酵液重新放入新的新的固定了底物的树脂，继续进行下一批次反应，发酵液可以连续使用2-10批次。

Claims (9)

1.一种用于底物缓释反应系统中消除生物反应器搅拌剪切力的底物保护装置,其特征在于: 把固定了底物的缓释载体用带孔过滤套筒保护起来，使缓释载体与搅拌桨隔离开来，有效消除生物反应器的搅拌剪切力对缓释载体的破坏，实现底物缓释反应系统在搅拌发酵罐的放大生产。
2.根据权利要求1所述的一种用于底物缓释反应系统中消除生物反应器搅拌剪切力的底物保护装置，其特征在于：所述的过滤套筒孔径小于底物缓释载体的尺寸，孔径形状为圆形、正方形、长方形、菱形、三角形、梯形或不规则形状。
3.根据权利要求1所述的一种用于底物缓释反应系统中消除生物反应器搅拌剪切力的底物保护装置，其特征在于：所述的过滤套筒距离反应容器搅拌桨0.1-5cm。
4.根据权利要求1所述的一种用于消除生物反应器内底物缓释反应系统中搅拌剪切力的底物保护装置，其特征在于：所述的过滤套筒与反应容器直径比为1:5-1:1。
5.根据权利要求1所述的一种用于底物缓释反应系统中消除生物反应器搅拌剪切力的底物保护装置，其特征在于：所述的过滤套筒材质为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料或不同类型材料所组成的复合材料。
6.根据权利要求1所述的一种用于底物缓释反应系统中消除生物反应器搅拌剪切力的底物保护装置，其特征在于：过滤套筒形状为圆环形、半圆环形、扇形、正方形或长方形。
7.根据权利要求1所述的一种用于底物缓释反应系统中消除生物反应器搅拌剪切力的底物保护装置，其特征在于：所述的过滤套筒通过支架悬浮在反应器中。
8.根据权利要求1和6所述的一种用于底物缓释反应系统中消除生物反应器搅拌剪切力的底物保护装置，其特征在于：所述的支架材质为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料或不同类型材料所组成的复合材料，脚与反应容器高度比为1:2-1:1。
9.根据权利要求1所述的一种用于底物缓释反应系统中消除生物反应器搅拌剪切力的底物保护装置，其特征在于：所述的过滤套筒数量可以是一个，也可以是多个套筒的组合；可以是一层套筒也可以是多层套筒组合，每层套筒形状可以一样也可以不一样，具体应根据生产需要或生物反应器的结构而定，过滤套筒需在反应结束后可以直接从反应器中取出。
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