一种移动纤维床反应器及应用于丁酸生产的方法技术

本发明专利技术公开了一种移动纤维床反应器及应用于丁酸生产的方法。在通用发酵罐中装入内含棉纤维材料的悬浮球构建内置式移动纤维床反应器(MFBB)，并进一步将其应用于固定化发酵生产丁酸,其步骤包括：通过化学修饰棉纤维载体,加强载体与固定化细胞间的吸附力，优化了反应器中纤维床的填充条件和悬浮转速，通过以葡萄糖为底物进行重复批次和补料发酵试验，评估MFBB在发酵工业中的应用潜质。在葡萄糖浓度高达143 g/L的批次发酵中，产酸过程也没有延滞期，最终得到的丁酸浓度为64.2 g/L。本发明专利技术利用的内置式流动纤维床反应器固定化发酵生产丁酸具有操作稳定性好、工作周期长、产物收率高、易于工业放大以及成本低廉等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物工程
，尤其涉及。
技术介绍
丁酸是一种重要的化工原料，在工业、农业、医药等领域有着广泛的应用。丁酸可以通过化学法和生物法生产。由于化学法污染严重，且生物法(发酵法)生产的丁酸更适应食品和医药等领域的使用要求，所以，目前有许多研究者致力于发酵法生产丁酸的研究。其中，较为突出的是Yang等人专利技术了细胞固定化发酵的纤维床生物反应器(fibrous-bedb1reactor，简称FBB)用于生产丁酸。相比传统的丁酸游离发酵，纤维床固定化丁酸发酵可以大幅缩短生产周期、提高终产物浓度，有利于发酵液的后续分离，但外置固定床增加了工业化应用中的成本。本专利技术将FBB的棉纤维织物等纤维材料作为悬浮载体的填料，在移动床生物膜反应器(moving bed b1film reactor，MBBR)基础上开发出的一种新型高效的内置式移动纤维床反应器moving fibrous-bed b1reactor (MFBB)。与MBBR的聚乙稀、聚丙稀及涤给材质、聚氨酯泡沫体等填料相比，棉纤维材料具有较高的载体活性和单位体积固定的细胞数(细胞密度最高可运70 g/L)，此外，棉纤维材料容易获得，价格便宜，固定化成本低。微生物细胞与吸附载体间的吸附力主要包括长程力(如静电力)和短程力(如范德华力、路易斯酸碱作用力、疏水作用力、化学键力等)。MFBB中的棉纤维在悬浮球中的填充量与FBB相比较少，酪丁酸梭菌在载体上的吸附容易受环境流体剪切力的影响。本专利技术对棉纤维载体进行化学修饰，加强了载体与酪丁酸梭菌间的吸附力。本专利技术中的MFBB具有良好的底物、终产物耐受性、高效的糖酸转化率和生产率等优点，与传统的FBB系统相比，这个新颖的MFBB系统更为简单且易于等比例工业放大扩大。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术的目的是提供在移动床生物膜反应器(movingbed b1film reactor，MBBR)基础上开发一种新型高效的内置式移动纤维床反应器movingfibrous-bed b1reactor (MFBB)，用于替代传统的FBB系统，以减少在工业化应用中的成本问题。为了实现上述的目的，本专利技术采用了以下的技术方案: 一种移动纤维床反应器，包括发酵罐、种子液罐和培养基罐，所述发酵罐和种子液罐之间、发酵罐和培养基罐之间通过输送管道连接，输送管道上设置有输送栗；所述发酵罐上还设置有用于检测发酵罐内液体PH值的pH检测装置，以及用于检测发酵罐内液体温度的温度检测装置，以及用于通入气体的进气管，以及用于排出废气的废气管，以及用于排出发酵罐内液体的排液管，所述排液管上设置有排液栗，所述发酵罐内还设置有用于搅拌发酵罐内液体的搅拌装置。作为优选，所述搅拌装置为搅拌桨。作为优选，所述温度检测装置为温度探头，所述的pH检测装置为pH探针。一种丁酸生产的方法，其采用上述的移动纤维床反应器，包括以下步骤: (1)、对填充材料进行化学修饰:用一定浓度的NaOH溶液对棉纤维进行碱化处理，碱化处理后的棉纤维用去离子水漂洗、烘干后用聚丙烯亚胺进行修饰，最后用戊二醛进行交联处理； (2)、对悬浮球进行填充及处理:将经过步骤(I)修饰后的棉纤维填充在一定数量的悬浮球内，对填充后的悬浮球进行灭菌处理； (3)、向发酵罐中加入一定量的液体培养基，将经过步骤(2)处理的悬浮球加入发酵罐内，通过搅拌使悬浮球处于流化状态； (4)、内置式移动纤维床反应器的运行:对预装有培养基和悬浮球的发酵罐进行高温灭菌，灭菌后趁余热进行通氮气或惰性气体以维持厌氧条件，冷却后接入一定量含有丁酸梭菌的种子液，在30°C，PH6.0的条件下发酵，每隔4h取样监测OD值变化，待OD值下降至相对稳定值后取出液体培养基。作为优选，在步骤(I)中，采用浓度为4mol/L的NaOH溶液浸泡棉纤维lh，在去离子水中充分漂洗、烘干后，在4°C环境中保存。作为优选，在步骤(I)中使用聚丙烯亚胺(PEI)修饰上述煮沸烘干后的纤维，放置于0.2% (w/v)的PEI水溶液中浸泡2 h，用HCl调整溶液pH至7.0，在去离子水中充分漂洗，烘干，4 °C保存备用。作为优选，使用戊二醛(GA)交联处理经PEI化学修饰的纤维，在含1% (w/v) GA的0.05 mol/L磷酸钾缓冲溶液中(pH 7.0)浸泡2 h，在去离子水中充分漂洗，烘干，4°C保存备用。作为优选，在步骤(2)中，将棉纤维填充于悬浮球内，于121°C预灭菌60分钟，并过夜，同样条件下再灭菌60分钟。作为优选，在步骤(3)中 培养基的装入量为发酵罐容积的40%，悬浮球的总体积为培养基的20%。作为优选，所述培养基以葡萄糖为底物。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是:在移动床生物膜反应器(moving bedb1film reactor，MBBR)基础上开发的一种新型高效的内置式移动纤维床反应器movingfibrous-bed b1reactor (MFFB)。与传统的FBB系统相，该反应器中的固定化细胞发酵相当稳定，菌种没有出现退化或者污染的情况，该系统操作更为简单且易于等比例工业放大扩大。通过化学修饰棉纤维载体，加强载体与固定化细胞间的吸附力，优化了反应器中纤维床的填充条件和悬浮转速。【附图说明】图1为移动纤维床固定化生物反应器装置图。图2为在不同载体上吸附效率的比较。图3为悬浮球中的棉纤维填充量对细胞吸附的影响比较(转速:100 rpm)。图4为在不同转速中，悬浮球中的棉纤维载体对细胞吸附的影响比较(填充量为2cm6cm/0.42g)。图5为MFBB上的重复批次和补料批次发酵曲线图(37°C，pH6.0，100 rpm)。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术的【具体实施方式】做一个详细的说明。如图1所示的一种移动纤维床反应器，包括发酵罐1、种子液罐2和培养基罐3，所述发酵罐I和种子液罐2之间、发酵罐I和培养基罐3之间通过输送管道连接，输送管道上设置有输送栗4 ;所述发酵罐I上还设置有用于检测发酵罐I内液体pH值的pH探针5，以及用于检测发酵罐I内液体温度的温度探头6，以及用于通入氮气的进气管7，以及用于排出废气的废气管8，以及用于排出发酵罐I内液体的排液管9，所述排液管9上设置有排液栗10，所述发酵罐I内还设置有用于搅拌发酵罐I内液体的搅拌桨11。一种丁酸生产的方法，其采用上述的移动纤维床反应器，包括以下步骤: 步骤(1)、填充载体的化学修饰: 1)、将小块的棉纤维置于浓度为4N的NaOH溶液中浸泡Ih，在去离子水中充分漂洗，烘干，4°C保存备用； 2)、使用聚丙烯亚胺(PEI)修饰上述煮沸烘干后的纤维，放置于0.2% (w/v)的PEI水溶液中浸泡2 h，用HCl调整溶液pH至7.0，在去离子水中充分漂洗，烘干，4°C保存备用。3)、使用戊二酸(GA)交联处理经PEI化学修饰的纤维，在含1% (w/v) GA的0.05mol/L磷酸钾缓冲溶液中(pH 7.0)浸泡2 h，在去离子水中充分漂洗，烘干，4°C保存备用。之所以，选用棉纤维作为载体是经过载体吸附实验后得出的。载体吸附实验:收集处于稳定生长时期的酪丁酸梭菌，离心(10000 X g，5 min，4°C)，用0.1 mol/L磷酸钾缓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种移动纤维床反应器，其特征在于：包括发酵罐、种子液罐和培养基罐，所述发酵罐和种子液罐之间、发酵罐和培养基罐之间通过输送管道连接，输送管道上设置有输送泵；所述发酵罐上还设置有用于检测发酵罐内液体pH值的pH检测装置，以及用于检测发酵罐内液体温度的温度检测装置，以及用于通入气体的进气管，以及用于排出废气的废气管，以及用于排出发酵罐内液体的排液管，所述排液管上设置有排液泵，所述发酵罐内还设置有用于搅拌发酵罐内液体的搅拌装置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐志南，杨叶东，唐云平，沈颂娣，施周铭，
申请(专利权)人：浙江汇宁生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33