CN1195865C - 在需氧发酵中利用氧消除二氧化碳中毒的方法 - Google Patents

Abstract

用于进行发酵的方法，包括以下步骤：提供一个包含发酵液的罐，所述发酵液包含能够进行发酵的组分；降低所述罐内的罐压，以降低平衡氧分压；向所述罐中加入纯氧，以提高其中的所述平衡氧分压；和利用所述纯氧进行所述组分的发酵。

Description

在需氧发酵中利用氧消除二氧化碳中毒的方法

本发明一般涉及发酵方法，更具体的说，涉及由注入诸如氧的气体驱动的发酵方法。

发酵是由活体生物或酶(诸如细菌或在单细胞植物中存在的微生物)引起的一种化学变化，它涉及碳氢化合物的有氧分解，产生需要的产物以及二氧化碳。发酵系统用于生产大量诸如抗生素、疫苗、合成生物聚合体、合成氨基酸和可食用蛋白的产品。

在常规的需氧发酵中，提供大量的空气是为呼吸和生长提供氧。同时，通过生物质(细菌、真菌、植物细胞等等)没有消耗的残留空气除去二氧化碳。一般而言，包含在空气泡中的氧在生物质可以消耗它之前，必须溶解在发酵液中。所以，空气的氧溶解量是一个速率控制因素。为保持有利的空气溶解速率，一般将发酵罐的压力提高至几个大气压。

增加发酵罐的产量可以包括增加营养物和生物质的浓度。因此氧需要量将随着额外营养物和生物质浓度的增加而增加。如果可以获得更多的氧，那么也将消耗更多的氧。所以，向生物质提供足够的空气(或氧)是主要考虑的问题。氧消耗速率越高，产生的二氧化碳越多。在某种意义上说，发酵罐中的二氧化碳水平将使生物质中毒，并成为发酵工艺中的主要问题。当在生物质的呼吸和生长过程中产生的二氧化碳的量比去除速率更快时，就发生这种中毒。在临界水平上，过量的溶解二氧化碳将阻滞生物质的生长。所述临界二氧化碳水平定义为在发酵罐中二氧化碳在发酵中不再起有益的作用、而是阻滞生物质生长的二氧化碳水平。

因为在发酵罐排气管中的二氧化碳浓度与在发酵罐中的溶解二氧化碳水平相比，其值更容易测定，所以测定排气管中的二氧化碳浓度成为了一种工业标准。因此，每个发酵工艺都有某些预定的排气管中的临界二氧化碳浓度，作为各批发酵不应超过的依据。这个排气管中的临界二氧化碳浓度已经成为人们努力增加产量或生物质浓度时的实际可检测极限。

为了在较高生物质浓度下增加产量，在本领域中已知是增加空气流量。增加空气流量的优点是提供额外的氧，在除去多余的二氧化碳的同时，维持更高浓度的生物质。然而，关于可以引入的空气的量有实际限制。如果发酵罐是机械搅拌，那么过量的空气将涌向叶轮，因此使搅拌器失效。在空气带升式发酵罐中，过量的空气也可以使发酵液流化，或将内容物吹出发酵罐外。因此，增加空气流量只能在很小程度上增加产量。

其它研究建议，当生物质浓度高时，使用纯氧补充空气。然而，相信只有在生物质抵抗二氧化碳中毒时，才能在发酵中使用仅加入纯氧的方法。加入纯氧多半会产生问题，因为会有更多的二氧化碳通过生物质的呼吸和生长产生。如果二氧化碳去除速率的增加没有比二氧化碳产生速率的增加高，那么过量的二氧化碳将会累积。

在本领域中已知保持足够低的生物质浓度，可以使排气管中的二氧化碳浓度(作为一个对照方法)不会超出临界值。因此，排气管中的二氧化碳浓度在产量提高中是一个限制因素。

本领域仅提出了涉及增加氧溶解速率的解决办法，而忽视了二氧化碳中毒的影响。先有技术的参考文献规定以富集或直接注入的方式使用氧，但相信它们中没有一个解决了与二氧化碳中毒有关的问题。

因此，急需提供一个使用氧进行发酵的办法，将二氧化碳中毒的影响减至最低程度。

本发明涉及一个用于进行发酵的方法。本方法的步骤包括提供一个包含发酵液的罐，所述发酵液包括能够进行发酵的组分；降低罐内的罐压，根据所述降低的罐压成比例地降低溶解二氧化碳水平和降低罐内的平衡氧分压；向所述罐中加入纯氧，以提高其中的平衡氧分压，并利用纯氧进行所述组分的发酵。本发明最好是保证降低反应器压力和加入纯氧两个步骤同时进行。本发明也涉及一个在进行发酵工艺时用于增加生物质浓度的方法。

根据本发明的方法，其中向所述罐中加入所述纯氧提高了所述平衡氧分压的水平，大致提高了0.21个大气压。

本发明基于这样一个前提：大多数工艺流程控制发酵罐排气管中的二氧化碳水平。在此基础上，排气管二氧化碳水平与溶解二氧化碳水平成比例。尽管有此前提，但相信排气管二氧化碳水平不总是成比例，而是取决于发酵罐的温度和压力。

排气管中的二氧化碳浓度取代溶解二氧化碳用于测定发酵速度和发酵产量的原因，是因为在无菌反应发酵液中，所述溶解二氧化碳水平不是一个可测定的值，因为相信没有任何目前存在的在线设备能够计算这个值。本发明使用由发酵罐排气管中测定的临界二氧化碳计算临界溶解二氧化碳水平。降低发酵罐内的压力，实际的溶解二氧化碳水平X_CO2，将由于二氧化碳分压的降低而成比例的降低：

              P_CO2＝Y_CO2·P＝H·X_CO2

其中：P_CO2＝CO₂分压

Y_CO2＝在气相中的CO₂摩尔份数

X_CO2＝在液相中的溶解CO₂摩尔份数

H＝亨利定律常数

所以，可以加入较高浓度的生物质和纯氧，以提高产量。随着生长和呼吸速率的提高，排气管中的二氧化碳水平似乎比排气管中的临界二氧化碳水平还高。然而，溶解二氧化碳水平仍然保持原样或稍微降低。

降低发酵罐压力将使溶解氧水平由于氧分压的降低而成比例地降低：

                   P_O2＝Y_O2·P＝H·X_O2

其中：P_O2＝O₂分压

Y_O2＝在气相中的O₂摩尔份数

X_O2＝在液相中的溶解O₂摩尔份数

H＝亨利定律常数

为补偿平衡氧分压的降低，在本发明中通过单纯的氧富集或直接注入氧而使用额外的纯氧。其后，在同样的临界二氧化碳水平但较高的氧消耗速率下，可以获得较高的产量。

降低发酵罐压力具有与加入纯氧相反的效果。基于此特点，熟练的技术人员一般不同时使用降低发酵罐罐压和加入纯氧这两种技术。然而，与上述特点相反，本发明发现，在所述两种技术之间，影响的程度不同。同时使用两种技术，在获得降低发酵液中溶解二氧化碳水平的利益的同时，仍然可以溶解加入的氧。

实际上，本发明提供了一个突破，即超出由排气管中的临界二氧化碳浓度设置的限制，提高发酵罐产量。这通过同时降低发酵罐罐压和加入纯氧来实现。

为增加氧溶解速率，发酵罐通常在几个大气压的升高压力下运行。预期通过两种因素中的一种增加绝对压力会使溶解氧的量也通过两种因素中的一种平衡增加。然而，本发明认识到，在较高压力下运行也会降低发酵罐除去二氧化碳的能力。这是因为在较高的压力下二氧化碳的溶解性也增加。大多数发酵液对二氧化碳中毒敏感，以致于溶解二氧化碳必须保持在临界水平以下。因为溶解二氧化碳水平非常难以测定，所以工厂只能监测排气管中的二氧化碳气体浓度。

因为基于临界二氧化碳水平的产量限制，一般不可能在较高生物质水平上增加产量(磅产物/给定的发酵液体积)。较高水平的生物质将在发酵过程中产生更多的二氧化碳，并且也需要更多的氧。保持二氧化碳气体浓度和增加氧供给的常规方法是加入更多的空气。然而，对于最优化的发酵罐，增加空气流量通常是不切实际或不可能的。过量的空气可以使气体涌向叶轮，引起叶轮工作不正常。大多数工厂已经将空气压缩机运行至最大限度，并且现有的管道尺寸和通气管(sparge ring)口径也限制了可以提供的空气量。

当在较低的压力下运行发酵罐时，本发明使用直接注入氧(或富集)的方法。通过将绝对压力减半(例如由4个大气压减到2个大气压，或者气压计由3减到1)，将平衡氧浓度减半。然而，可以通过使用纯氧(其推动力大约比平衡氧浓度高5倍)补偿平衡氧浓度的减少。因此，纯氧将抵消压力降低的影响，也增加了氧的可利用性。

实施例

对照参数

压力＝4个大气压

排气管中测得的CO₂＝Y₁＝5％

溶解CO₂(临界值，未测定)＝X_1，CO2＝Y_1，CO2P₁/H  (1)

其中Y_1，CO2＝临界气相二氧化碳浓度(测定的)

P₁＝发酵罐压力

H＝亨利定律常数

氧消耗量＝50毫摩尔/升-小时

来自空气中的可利用的氧＝0.21*100Nm³/小时＝21Nm³/小时

具有较高产量的氧实例：

在这个实施例中，加入纯氧来补充空气。与此同时降低发酵罐压力。

生物质浓度＝2倍对照

压力＝2个大气压

通过加倍生物质浓度，使氧消耗量也加倍。

氧消耗量＝2倍对照＝2*50＝100毫摩尔/升-小时

与此同时，产生的二氧化碳也加倍。

产生的二氧化碳＝2倍对照

然后通过使用纯氧满足额外的氧需要量：

可利用的氧＝得自空气的氧+纯氧

          ＝0.21*100Nm³/小时+21Nm³/小时(纯氧)

          ＝42Nm³/小时

在本发明中，相信临界溶解二氧化碳才是实际影响生物质活性的首要因素，而不是气相二氧化碳浓度。

因此，必须保持溶解二氧化碳不变。

溶解二氧化碳(临界值，未测定)

          ＝与对照相同＝X_1，CO2＝X_2，CO2

          ＝Y_2，CO2P₂/H

          ＝Y_2，CO2(P₁/2)/H                    (2)

与本领域目前状态下的方法相反，在排气管中检测到的最大允许气相二氧化碳浓度实际上可以不同。排气管中允许的新的最大二氧化碳浓度(计算值)＝Y_2，CO2＝Y_1，CO2*2＝10％。

因此，在2个大气压下排气管中最大允许二氧化碳浓度应当是在4个大气压下运行时排气管中最大允许二氧化碳浓度的两倍高。在加倍生物活性下排气管中测得的实际二氧化碳浓度＝5％*2*(100/(100+21))＝8.26％。

由上述可知，在排气管中测得的实际二氧化碳浓度8.26％低于排气管中新的最大允许二氧化碳浓度10％。因此，供给的氧的浓度可以是生物质浓度的2倍(浓缩2倍)，并且二氧化碳浓度仍没有增加到超出临界水平之外。

因此，可以将生物质浓度增加至超出一般认为的由排气管中二氧化碳浓度设下的极限之外。这通过降低发酵罐压力，同时用纯氧补偿氧溶解下降来实现。请注意：本发明也考虑了对发酵过程经济利益的额外贡献，因为压缩机动力可以减少至少50％。

为利用高氧溶解量和快速去除二氧化碳，最好是在注入纯氧的同时，在低于2个大气压的压力下运行发酵罐。如果必要，可以对发酵罐抽真空。一般来说，本发明的罐压可以降低到由最高大约25个大气压至在大约25个大气压和大约1个大气压之间的任何压力。所述压力可以是这个范围内的任何压力。例如，可以将罐压降低至在大约25个大气压至大约1个大气压之间的任何压力。

通过本发明的方法可以生产的发酵产物包括抗生素(诸如青霉素、红霉素和四环素)、有机化合物(诸如山梨糖醇和香茅醇)、有机酸(诸如柠檬酸、酒石酸和乳酸)、氨基酸(诸如L-赖氨酸和谷氨酸单钠盐)、多糖(诸如面包酵母和黄原胶)、维生素(诸如维生素C和维生素B₂)以及其它产物，包括酶、杀虫剂、生物碱、激素、色素、类固醇、疫苗、干扰素和胰岛素。

同样的原理可以应用于空气对有机物的氧化。当气相产物或副产物可以抑制反应时，这可以是任何有机物的氧化。所述抑制可以归因于平衡转换或催化部位的中毒。降低反应器压力将减少气体产物或副产物的平衡溶解水平。然后通过加入纯氧补偿氧溶解速率的降低。

应当理解，前述仅仅是为了说明本发明。本领域那些技术人员可以设计出各种变化和修改，而没有背离本发明。因此，本发明计划包括所有这种属于所附权利要求书范围内的变化、修改和变异。

Claims (1)

1.进行发酵的方法，包括：

a.提供一个包含发酵液的罐，所述发酵液包含能够进行发酵的组分；

b.降低所述罐内的罐压；

c.向所述罐中加入纯氧，以提高其中的所述平衡氧分压；和

d.利用所述纯氧进行所述组分的发酵，

其中所述罐压降低到由最高大约25个大气压至大约25个大气压和大约1个大气压之间的任何压力，所述降低罐压和加入纯氧同时进行并且所述纯氧提高了所述平衡氧分压的水平，大致提高了0.21个大气压。