一种高效产PHB的新型光催化发酵系统技术方案

本发明专利技术涉及一种高效产PHB的新型光催化发酵系统，包括一个带搅拌装置的发酵罐，含Ralstonia eutropha DSM 428和光催化剂的发酵液置于发酵罐中，发酵罐上方有5个管孔，其中一个管孔连接空气泵通入无菌洁净空气，一个管孔用作出料口连接产物罐，其余三个管孔为气压平衡口，其中一个气压平衡口在补料时用作进料口通入补料液，所述发酵罐置于恒温箱在光照条件下进行光催化发酵。本发明专利技术发酵系统相比传统发酵更节约能源，产率更高，速率更快，降低PHB生产成本，制备过程清洁、无污染。

A new photocatalytic fermentation system for PHB production

【技术实现步骤摘要】
一种高效产PHB的新型光催化发酵系统
本专利技术属于生物材料
，具体涉及一种高效产PHB的新型光催化发酵系统。
技术介绍
聚β-羟基丁酸酯(PHB)作为一种可降解塑料，具有低透氧性、抗紫外辐射、生物相容性、压电性和抗凝血性等，在自然环境中能被彻底分解为CO2和H2O。因此，PHB可用于制造易降解且无毒的化工塑料与医用塑料制品以减少白色污染，在工业、农业、环保、食品、医药等领域具有十分广阔的应用前景。目前，PHB的生产成本较高，且需求量大，价格一直居高不下。因此，如何在量产PHB的同时降低成本成了一个难题。R.eutropha作为合成PHB的典型菌种，产生PHB的量占细胞干重高达80％，研究R.eutropha发酵产PHB的方法对于量产PHB具有极大的研究意义，目前采用一般的发酵方法仍然存在发酵时间过长，产量过低的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种高效产PHB的新型光催化发酵系统。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：提供一种高效产PHB的新型光催化发酵系统，包括一个带搅拌装置的发酵罐，含RalstoniaeutrophaDSM428和光催化剂的发酵液置于发酵罐中，发酵罐上方有5个管孔，其中一个管孔连接空气泵通入无菌洁净空气(空气经孔径50微米的滤头过滤得到)，一个管孔用作出料口连接产物罐，其余三个管孔为气压平衡口，其中一个气压平衡口在补料时用作进料口通入补料液，所述发酵罐置于恒温箱在光照条件下进行光催化发酵。按上述方案，所述含RalstoniaeutrophaDSM428和光催化剂的发酵液中光催化剂浓度为1～10g/L，所述光催化剂为CdS或CdS/Cd(OH)2光催化剂。按上述方案，所述补料液为基础培养基，其中果糖浓度为30～50g/L，基础培养基中主要化合物的种类及浓度如下表1所示：表1基础培养基的化合物种类和浓度其中微量元素溶液中主要组分及浓度为：FeSO4·7H2O15g/L，MnSO4·H2O2.4g/L，ZnSO4·7H2O2.4g/L，CuSO4·5H2O0.48g/L，HCl0.1M。按上述方案，通入补料液的速率与出料口排出速率相同，补料速率为100～200微升/分钟。在发酵过程中以一定的速度向反应器中添加新鲜培养基，即同时以相同的速度排出培养液，因而反应器内的液量维持稳定溶液不断更新，从而实现持续发酵。这种持续发酵的方式使微生物细胞的生长速度、代谢活性处于恒定状态，能够达到稳定高速培养微生物、产生大量代谢产物的目的。按上述方案，所述恒温箱内温度为28～32℃；光照强度为3600～4200lux。按上述方案，所述发酵罐内压力为0.9～1.1个大气压。本专利技术还包括利用上述新型光催化发酵系统生产PHB的方法，具体步骤如下：1)微生物培养：将保存在冷冻干燥管里的RalstoniaeutrophaDSM428放入TSB溶液中复苏，待细菌复苏24h后传代至基础培养基Ⅰ中进行扩大培养至OD值为1(分光光度计波长600nm时测得)；2)将步骤1)扩大培养的细菌继续传第二代细菌至基础培养基Ⅱ中进行扩大培养至OD值为1；3)将步骤2)扩大培养的细菌继续传第三代细菌至基础培养基Ⅲ中进行扩大培养至OD值为30，然后将所得接种菌液移入发酵罐中，加入光催化剂与基础培养基Ⅳ，开启发酵罐中的搅拌装置，通入无菌洁净空气，调节发酵罐内压力，在光照和恒温条件下进行发酵，每隔4h从出料口抽取少量发酵罐中的培养液离心用液相色谱法测果糖含量，待发酵罐内果糖接近消耗完全时打开进料口通入补料液，同时打开出料口，收集产物罐中菌液提取PHB。按上述方案，步骤1)所述TSB溶液主要组分及浓度为：胰蛋白胨17g/L，大豆蛋白胨3g/L，NaCl5.0g/L，K2HPO42.5g/L。按上述方案，所述基础培养基Ⅰ、基础培养基Ⅱ、基础培养基Ⅲ及基础培养基Ⅳ组分相同，其中果糖浓度为20g/L，其余组分及浓度与补料液所用基础培养基相同。即每次培养均采用新的基础培养基。按上述方案，步骤3)所述接种菌液体积为发酵罐中的培养液总体积的10～20％，发酵罐内的初始OD值为6。按上述方案，步骤3)发酵罐中的搅拌装置转速为150～300r/min。按上述方案，步骤3)提取PHB的方法为物理离心法，化学试剂法，直接成型法等。本专利技术的原理在于：本专利技术采用光发酵使R.eutrophaDSM428利用氢气(光催化剂在光照条件下分解水产生)辅以果糖产生PHB的方法，采用稳定无菌空气供给细菌用于生长发酵进行代谢，搅拌系统以固定的速率搅拌确保细菌与氧气充分接触并充分发酵，利用这种方式使微生物细胞的生长速度、代谢活性处于恒定状态，能够达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的，反应器的生产效率高，人工成本低，产品质量稳定。本专利技术发酵系统相比传统发酵(简单R.eutrophaDSM428利用果糖产生PHB)更节约能源，产率更高，速率更快，降低PHB生产成本，制备过程清洁、无污染。本专利技术的有益效果在于：本专利技术的发酵系统利用生物发酵的特点，R.eutropha不仅可以利用果糖产生PHB，还可以利用H2产生PHB，在给R.eutrophaDSM428提供果糖的基础上，利用光照射催化剂产生H2为R.eutropha所用来产生PHB，采用该系统能够增加PHB产量，并缩短发酵时间(发酵周期3～5天，不采用该系统周期需要7天左右)，增加经济效益。采用本专利技术的光催化发酵系统添加光催化剂的发酵产量比不加光催化剂的产量高出30％左右，比传统发酵(简单R.eutrophaDSM428利用果糖产生PHB)产量高出80％左右，大大降低生产成本，能获得较高经济效益。附图说明图1为本专利技术对比例1所用光催化发酵系统照片。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术对比例及实施例所用TSB溶液中主要组分及浓度为：胰蛋白胨17g/L，大豆蛋白胨3g/L，NaCl5.0g/L，K2HPO42.5g/L。所用基础培养基中主要化合物的种类及浓度如下表2所示：表2基础培养基的化合物种类和浓度其中微量元素溶液中主要组分及浓度为：FeSO4·7H2O15g/L，MnSO4·H2O2.4g/L，ZnSO4·7H2O2.4g/L，CuSO4·5H2O0.48g/L，HCl0.1M。所用基础培养基Ⅰ、基础培养基Ⅱ、基础培养基Ⅲ及基础培养基Ⅳ组分相同，其中果糖浓度为20g/L，其余组分及浓度与补料液所用基础培养基相同。对比例1采用本专利技术新型光催化发酵系统，在不加入光催化剂条件下测试其发酵产PHB情况。采用新型光催化发酵系统生产PHB，该新型光催化发酵系统(照片见图1)包括一个带磁力转子的发酵罐，含RalstoniaeutrophaDSM428(北纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效产PHB的新型光催化发酵系统，其特征在于，所述新型光催化发酵系统包括一个带搅拌装置的发酵罐，含Ralstonia eutropha DSM 428和光催化剂的发酵液置于发酵罐中，发酵罐上方有5个管孔，其中一个管孔连接空气泵通入无菌洁净空气，一个管孔用作出料口连接产物罐，其余三个管孔为气压平衡口，其中一个气压平衡口在补料时用作进料口通入补料液，所述发酵罐置于恒温箱在光照条件下进行光催化发酵。/n

【技术特征摘要】
1.一种高效产PHB的新型光催化发酵系统，其特征在于，所述新型光催化发酵系统包括一个带搅拌装置的发酵罐，含RalstoniaeutrophaDSM428和光催化剂的发酵液置于发酵罐中，发酵罐上方有5个管孔，其中一个管孔连接空气泵通入无菌洁净空气，一个管孔用作出料口连接产物罐，其余三个管孔为气压平衡口，其中一个气压平衡口在补料时用作进料口通入补料液，所述发酵罐置于恒温箱在光照条件下进行光催化发酵。


2.根据权利要求1所述的高效产PHB的新型光催化发酵系统，其特征在于，所述含RalstoniaeutrophaDSM428和光催化剂的发酵液中光催化剂浓度为1～10g/L，所述光催化剂为CdS或CdS/Cd(OH)2光催化剂。


3.根据权利要求1所述的高效产PHB的新型光催化发酵系统，其特征在于，所述补料液为基础培养基，其中果糖浓度为30～50g/L，基础培养基中主要化合物的种类及浓度如下表1所示：
表1基础培养基的化合物种类和浓度



其中微量元素溶液中主要组分及浓度为：FeSO4·7H2O15g/L，MnSO4·H2O2.4g/L，ZnSO4·7H2O2.4g/L，CuSO4·5H2O0.48g/L，HCl0.1M。


4.根据权利要求1所述的高效产PHB的新型光催化发酵系统，其特征在于，通入补料液的速率与出料口排出速率相同，补料速率为100～200微升/分钟。


5.根据权利要求1所述的高效产PHB的新型光催化发酵系统，其特征在于，所述恒温箱内温度为28～32℃；光照强度为3600～4200lux。


6.根据权利要求1所述的高效产PHB的新型光催化发酵系统，其特征在于，所述发酵罐内压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：张甜，胡振宇，谢文欣宇，许梦莹，皮埃尔鲁克·川柏雷，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42