CN106479879B - 一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置及其应用 - Google Patents

一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置及其应用。脱羧原理为：L‑氨基酸+H+→CO2+一级胺。该方法利用脱羧反应过程中释放的CO2，经树脂处理后溶于脱羧反应液生成碳酸提供质子H+来使脱羧反应进行下去，避免了向空气中排放温室气体CO2，还减少了外源酸的加入。本发明工艺简单合理，易于控制，危险性小，减少了液体酸的腐蚀、安全等问题，减少酸用量使生产更加经济环保，同时利用CO2尾气调pH值，减少了酸性气体的排放，而且可降低运行成本，环境效益显著。

Description

一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置及其应用
技术领域
本发明涉及脱羧反应领域，具体涉及一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置及其应用。
背景技术
氨基酸的脱羧反应普遍存在于微生物、高等动植物组织中，脱羧过程中会消耗质子氢同时生成CO2所以要外源加入酸，如赖氨酸脱羧原理：L-lysine + H+ → CO2 +cadaverine。氨基酸脱羧酶的专一性很高，一般是一种氨基酸一种脱羧酶，而且只对L-氨基酸起作用。氨基酸脱羧后形成的胺，有许多具有重要的生理作用，如组氨酸脱羧形成的组胺（histamine）又称组织胺,有降低血压的作用，又是胃液分泌的刺激剂。赖氨酸脱羧形成的戊二胺(cadaverine，别名尸胺) ，有着重要的工业应用前景。
以脱羧生产戊二胺为例。戊二胺为无色粘稠的发烟液体，有特殊气味，熔点：9 ℃，溶于水、乙醇等。戊二胺单体是一种有着重要和广泛工业用途的中间体，广泛应用于各种聚酰胺产品（尼龙）、螯合剂和添加剂等。随着环保意识的提高和生物经济的兴起，作为平台化合物的戊二胺越来越受重视。生物方法大量生产的戊二胺，可以替代传统的由化工生产的生物胺—己二胺，与二元有机酸进行聚合反应可合成优质高分子材料—新型尼龙，是一种环保型的、可持续发展型的、耐高温的生物塑料，有着广泛的应用前景。
目前生物方法生产戊二胺主要通过全细胞催化法，利用L-氨基酸的脱羧反应生产戊二胺，消耗质子H+同时有副产物CO2生成。现有工艺的转化过程中需添加外源酸提供质子H+来调节ph，添加外源酸增加生产成本，释放出副产物CO2也带来环境压力。二氧化碳常温下是一种无色无味、不助燃、不可燃的气体，密度比空气大，略溶于水，与水反应碳酸，饱和碳酸溶液(压力为1 atm)的pH约为4，而在自然条件下CO2含量是0.03%,溶解达到饱和时pH=5.6。可以通过降温，加压，搅拌（实际是提高溶液中CO2浓度）使PH达到 3.7。利用脱羧反应的副产物CO2溶于转化液生成碳酸，代替外源酸调节转化的PH,可将转化液的PH控制在5.7—7.8，在这个PH范围内菌体的生理活性不受影响，脱羧反应正常进行。这一方法即可以减少外源酸的加入量节约生产成本，同时利用了副产物CO2也减轻了环境压力。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置及其应用，该方法易于控制，危险性小，可以减少液体酸带来的腐蚀和安全问题，同时减少了CO2的排放，节约了成本又保护了环境。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置，包括依次通过回路管道的反应罐、出气流量计、吸水树脂柱、第一输气设备、第一流量计、CO2气体罐、第二输气设备、进气流量计，所述反应罐内设有搅拌桨和加热夹套。
进一步改进的是，一个所述的反应罐与一个所述的出气流量计组成一个反应单元，该回路管道上具有至少四个反应单元，每个反应单元相互串连。
进一步改进的是，所述第一输气设备和第二输气设备为风机或压缩机。
上述一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置在脱羧反应中的应用。
上述一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置在L-赖氨酸脱羧产戊二胺中的应用。
上述一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置在L-赖氨酸脱羧产戊二胺中的应用，具体包括以下步骤：
步骤1，搭建装置；
步骤2，在不锈钢反应罐中加入200g/l—400g/l赖氨酸盐酸盐溶液，搅拌速率为150—500rpm,温度为32-38℃,调节pH至6.0-7.0，得转化液；
步骤3，取2-5g产赖氨酸脱羧酶的菌株溶于10ml纯水中得菌种溶液；
步骤4，在不锈钢反应罐中加入菌种溶液和终摩尔浓度为0.8-2mmol/l的磷酸吡哆醛，同时打开CO2气体罐通入CO2维持转化液的pH不变，开始脱羧反应，其中菌体溶液加入后菌体浓度在600nm时OD为2-8；
步骤5，每隔一小用生物传感仪检测转化液中残留赖氨酸浓度，出气口的尾气经吸水树脂除水去杂后再经输气设备加压后储存在CO2气体罐中，脱羧反应4小时后结束反应。
作为进一步改进的是，步骤2中，赖氨酸盐酸盐溶液的浓度为300g/l，搅拌速率为300rpm，温度为36℃，调节pH至6.5。
作为进一步改进的是，步骤3中取3.5g产赖氨酸脱羧酶的菌株溶于10ml纯水中，所述产赖氨酸脱羧酶的菌株来源于申请号CN2014107999948.8专利名称为《一种基因工程菌及其在生产1,5-戊二胺中的用途》。
作为进一步改进的是，步骤4中菌体浓度在600nm时OD为5。
有益效果
与现有技术相比，本发明通过利用氨基酸脱羧反应产生的尾气CO2为原料，调节脱羧转化液中的pH，减少了外源酸的用量，节约了成本，保护了环境。另外，本发明工艺简单合理，易于控制，危险性小，安全系数高。
附图说明
图1是本发明实施例1的装置结构示意图，其中1为反应罐，2为出气流量计，3为吸水树脂柱，4为第一输气装置，5为第一流量计，6为CO2气体罐，7为第二输气装置，8为进气流量计，9为搅拌桨，10为加热夹套。
图2为本发明实施例3的装置结构示意图。
图3为实施例1赖氨酸盐酸盐浓度与时间曲线图。
图4为实施例2赖氨酸盐酸盐浓度与时间曲线图。
图5为实施例3赖氨酸盐酸盐浓度与时间曲线图。
图6为实施例4谷氨酸钠浓度与时间曲线图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。
实施例1
一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置，包括依次通过回路管道的反应罐1、出气流量计2、吸水树脂柱3、第一输气设备4、第一流量计5、CO2气体罐6、第二输气设备7、进气流量计8，所述反应罐1内设有搅拌桨9和加热夹套10。装置图见图1所示。
上述调节脱羧反应中pH的装置在脱羧反应中的应用，包括以下步骤：
步骤1，搭建装置；
步骤2，在不锈钢反应罐中加入200g/l赖氨酸盐酸盐溶液，搅拌速率为300rpm,温度为36℃,调节pH至6.5，得转化液；
步骤3，取3.5g产赖氨酸脱羧酶的菌株溶于10ml纯水中得菌种溶液，所述产赖氨酸脱羧酶的菌株来源于申请号为CN2014107999948.8专利名称为《一种基因工程菌及其在生产1,5-戊二胺中的用途》；
步骤4,在不锈钢反应罐中加入菌种溶液和终摩尔浓度为1.5mmol/l的磷酸吡哆醛，同时打开CO2气体罐通入CO2保证转化液的pH不变，开始脱羧反应，其中菌体溶液加入后的菌体浓度在600nm时OD为5；
步骤5,每隔一小时用生物传感仪检测转化液中残留赖氨酸浓度，出气口的尾气经吸水树脂除水去杂后再经输气设备加压后储存在CO2气体罐中，反应4小时后结束反应。
实施例2
一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置，包括依次通过回路管道的反应罐1、出气流量计2、吸水树脂柱3、第一输气设备4、第一流量计5、CO2气体罐6、第二输气设备7、进气流量计8，所述反应罐1内设有搅拌桨9和加热夹套10。装置图见图1所示。
上述调节脱羧反应中pH的装置在脱羧反应中的应用，除步骤2中加入赖氨酸盐酸盐溶液的浓度改为300g/l，其他同实施例1一致。
实施例3
一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置，包括依次通过回路管道的反应罐1、出气流量计2、吸水树脂柱3、第一输气设备4、第一流量计5、CO2气体罐6、第二输气设备7、进气流量计8，所述反应罐1内设有搅拌桨9和加热夹套10。装置图见图2所示。其中一个所述的反应罐1与一个所述的出气流量计2组成一个反应单元，该回路管道上具有四个反应单元，每个反应单元相互串连。
上述调节脱羧反应中pH的装置在脱羧反应中的应用，包括以下步骤：
步骤1，搭建装置；
步骤2，在不锈钢反应罐中都加入300g/l赖氨酸盐酸盐溶液，搅拌速率为300rpm,温度为36℃,调节pH至6.5，得转化液；
步骤3，取14g产赖氨酸脱羧酶的菌株溶于40ml纯水中得菌种溶液,平均加入4个发酵罐中，所述产赖氨酸脱羧酶的菌株来源于申请号为CN2014107999948.8专利名称为《一种基因工程菌及其在生产1,5-戊二胺中的用途》；
步骤4,在不锈钢反应罐中加入菌种溶液和终摩尔浓度为1.5mmol/l的磷酸吡哆醛，同时打开CO2气体罐通入CO2保证转化液的pH不变，开始脱羧反应，其中，菌体溶液加入后的菌体浓度在600nm时OD为5。
步骤5, 1号罐未溶解的CO2与赖氨酸脱羧产生的CO2一起调节2号罐pH, 2号罐未溶解的CO2与赖氨酸脱羧产生的CO2一起调节3号罐pH,3号罐未溶解的CO2与赖氨酸脱羧产生的CO2一起调节4号罐PH, 4号罐未溶解的CO2与赖氨酸脱羧产生的CO2通过吸水树脂除去水分，再经输气设备加压后储存在CO2气体罐中。每隔一小时用生物传感仪检测转化液中残留赖氨酸浓度，反应4小时后结束反应。
实施例4
一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置，包括依次通过回路管道的反应罐1、出气流量计2、吸水树脂柱3、第一输气设备4、第一流量计5、CO2气体罐6、第二输气设备7、进气流量计8，所述反应罐1内设有搅拌桨9和加热夹套10。装置图见图1所示。
上述调节脱羧反应中pH的装置在脱羧反应中的应用，包括以下步骤：
步骤1，搭建装置；
步骤2，在不锈钢反应罐中加入乙酸-乙酸钠缓冲液，加入终浓度100g/l谷氨酸钠溶液，搅拌速率为300rpm,温度为36℃，调节pH至4.8，得转化液；
步骤3，取5.0g产谷氨酸脱羧酶的菌株溶于10ml纯水中得菌种溶液；
步骤4,在不锈钢反应罐中加入菌种溶液和终摩尔浓度为1.5mmol/l的磷酸吡哆醛，同时打开CO2气体罐通入CO2，间接性的流加盐酸保证转化液的pH不变，开始脱羧反应，其中菌体溶液加入后的菌体浓度在600nm时OD为10；
步骤5,每隔一小时用生物传感仪检测转化液中残留谷氨酸浓度，出气口的尾气经吸水树脂除水去杂后再经输气设备加压后储存在CO2气体罐中，反应4小时后结束反应。
综上所述，一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置及其应用，与旧工艺相比，该发明利用脱羧反应的副产物CO2溶于转化液生成碳酸，成功代替外源酸调节转化的pH，且不影响脱羧反应的进行。这一方法即可以减少外源酸的加入量节约生产成本，同时利用了副产物CO2也减轻了环境压力。

Claims (9)

1.一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置，其特征在于，包括依次通过回路管道的反应罐(1)、出气流量计(2)、吸水树脂柱(3)、第一输气设备(4)、第一流量计(5)、CO2气体罐(6)、第二输气设备(7)、进气流量计(8)，所述反应罐(1)内设有搅拌桨(9)和加热夹套(10),所述管道的设置以反应罐(1)为起点，依次经过出气流量计(2)、吸水树脂柱(3)、第一输气设备(4)、第一流量计(5)、CO2气体罐(6)、第二输气设备(7)到达进气流量计(8)后,再通回反应罐(1),实现将反应产物的二氧化碳压缩储存后再通回反应罐(1)中调节pH。
2.根据权利要求1所述的一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置，其特征在于，一个所述的反应罐(1)与一个所述的出气流量计(2)组成一个反应单元，该回路管道上具有至少四个反应单元，每个反应单元相互串连。
3.根据权利要求1所述的一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置，其特征在于，所述第一输气设备(4)和第二输气设备(7)为风机或压缩机。
4.基于权利要求1所述的一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置在脱羧反应中的应用。
5.根据权利要求1所述的一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置在L-赖氨酸脱羧产戊二胺中的应用。
6.根据权利要求5所述的一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置在L-赖氨酸脱羧产戊二胺中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，搭建装置；
步骤2，在不锈钢反应罐中加入200g/l—400g/l赖氨酸盐酸盐溶液，搅拌速率为150—500rpm,温度为32-38℃,调节pH至6.0-7.0，得转化液；
步骤3，取2-5g产赖氨酸脱羧酶的菌株溶于10ml纯水中得菌种溶液；
步骤4，在不锈钢反应罐中加入菌种溶液和终摩尔浓度为0.8-2mmol/l的磷酸吡哆醛，同时打开CO2气体罐通入CO2保证转化液的pH不变，开始脱羧反应，其中，菌体溶液加入后的菌体浓度在600nm时OD为2-8；
步骤5，每隔一小时用生物传感仪检测转化液中残留赖氨酸浓度，出气口的尾气经吸水树脂除水去杂后再经输气设备加压后储存在CO2气体罐中，脱羧反应4小时后结束反应。
7.根据权利要求6所述的一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置在L-赖氨酸脱羧产戊二胺中的应用，其特征在于：步骤2中，赖氨酸盐酸盐溶液的浓度为300g/l，搅拌速率为300rpm，温度为36℃。
8.根据权利要求6所述的一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置在L-赖氨酸脱羧产戊二胺中的应用，其特征在于：步骤3中取3.5g产赖氨酸脱羧酶的菌株溶于10ml纯水中，所述产赖氨酸脱羧酶的菌株来源于专利《一种表达重组载体及其应用》申请号CN201410799948.8。
9.根据权利要求6所述的一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置在L-赖氨酸脱羧产戊二胺中的应用，其特征在于：步骤4中菌体浓度在600nm时OD为5。
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GR01 Patent grant
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