基于微通道萃取的生物膜反应器及其在丁醇发酵中的应用制造技术

本发明专利技术提供了一种基于微通道萃取的生物膜反应器，包括中空纤维膜 (A)、微通道萃取器（B）、补料罐（C）、分层罐（D）、萃取剂储罐（E）及发酵罐（F），所述补料罐与发酵罐相连，所述中空纤维膜的进料口和出料口与发酵罐相连，该中空纤维膜的另一出料口与微通道萃取器的进料口相连，所述微通道萃取器的另一进料口上连接有萃取剂储罐，该微通道萃取器的出料口处连接有分层罐，所述分层罐上部和下部分别与萃取剂储罐和发酵罐通过软管相连。本发明专利技术还涉及上述基于微通道萃取的生物膜反应器在丁醇发酵中的应用，以提高丁醇发酵的效率。

【技术实现步骤摘要】
基于微通道萃取的生物膜反应器及其在丁醇发酵中的应用
本专利技术涉及一种基于微通道萃取的生物膜反应器及其在丁醇发酵中的应用，具体包括一种基于微通道萃取的生物膜反应器的搭建及其在生物丁醇发酵中的应用，属于生物化工

技术介绍
生物法制备化学品具有低能耗、安全环保、可持续发展等优点，近年来，生物法制备化学品已成为许多国家提高能源安全、减少排温室气体、应对气候变化的重要措施。生物法制备化学品往往是在微生物细胞代谢网络中的酶的催化下，最终将底物转化为目的产物。生物发酵法的瓶颈技术在于大多生物细胞内的酶存在被产物抑制或者产物直接抑制细胞生长的现象，当产物达到一定浓度后将会抑制细胞的代谢和生长，大大降低生物反应的速率，使得产物的浓度不高，增加分离成本，这些缺点严重地阻碍了生物发酵产业的发展。常用的生物分离方法有萃取、吸附、离子交换等，其中萃取因分离成本低，能耗低等优点被广泛地应用。虽然传统的萃取分离技术在化学反应液的分离方面取得了非常好的分离效果，然而，存在着萃取剂的生物兼容性差、在发酵体系中传质效率差等缺点，因而无法将目的产物迅速地从发酵液中分离。目前报道的能与生物丁醇发酵过程耦合的分离方法并不多，有原位萃取分离，渗透气化膜分离，气提法分离，树脂吸附分离。白凤武等人利用气提法对ClostridiumacetobutylicumJB200发酵液中的溶剂进行分离浓缩，最终获得了172g/L的总溶剂，其中丁醇、丙酮、乙醇分别为113.3g/L、49.2g/L、9.2g/L，其中发酵液中的丁醇在7~15g/L，总溶剂生产强度为0.53g/(L·h)（BiotechnologyandBioengineering，2012,109（11）:2746-2756）。吴昊等人利用PDMS渗透气化膜对丁醇发酵液中的溶剂进行选择性分离，将61%的溶剂移除，最终获得的ABE的总浓度为96.2g/L,总溶剂生产强度为0.30g/(L·h)（BioprocessandBiosystemsEngineering，2012，35(7):1057-1065）。HongweiYe等人利用生物柴油对发酵液中的丁醇进行萃取，通过补料发酵，最终丁醇的浓度达到了31.44g/L，丁醇的分配系数在1~2之间，同时水相中的丁醇浓度也达到了12g/L以上，迫使细胞进入衰亡期，发酵停止。渗透气化膜分离和气提法分离效果较好，获得的浓度较高，但过程能耗高，严重影响生物丁醇的经济性。原位萃取中生物兼容性的萃取剂存在分配系数不高、传质效率低等缺点，进而使得萃取分离的效率低下。目前已有相关文献报道将生物兼容性较好的生物柴油、油醇等作为萃取剂，对丁醇发酵过程进行原位萃取，以解除丁醇抑制，提高生产强度，但由于生物柴油和油醇固有的高粘度特性，降低两相之间的传质，如进行剧烈搅拌，则发酵液中的细胞会与生物柴油或者油醇充分接触，将细胞黏附在两相界面之间，严重抑制细胞的生长和代谢以及两相间传质。江南大学的牛晓乐利用油醇原位萃取单批发酵中丁醇，总溶剂的生产强度较单批发酵提高了24.5%，安徽农业科学，2008(26),11188-11189。SandipB.Bankar等报道了一种将固定化细胞发酵与油醇原位萃取耦合的方法，利用该方法在连续发酵中总溶剂的生产强度达到了2.5g/(L·h)（BioresourceTechnology,106(2012):110-116）。因此，将避免细胞与萃取剂直接接触能够明显的提高生物丁醇的生产强度。本专利技术提供了一种基于微通道萃取的生物膜反应器的构建方法，一方面利用生物膜反应器将微生物细胞截留在反应器内部，防止细胞与萃取剂直接接触，避免对细胞造成伤害，另一方面结合微通道萃取器来强化两相之间的传质，以达到迅速移除发酵液中抑制物，提高生物发酵过程的效率。专利技术人将上述基于微通道萃取的生物膜反应器应用于生物丁醇发酵，大幅提高了总溶剂的生产强度，为生物丁醇的高效生产提供了过程工程借鉴。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：生物发酵法存在产物抑制的现象，当产物达到一定浓度后将会抑制细胞的代谢和生长，大大降低生物反应的速率，使得产物的浓度不高，增加分离成本，这些缺点严重地阻碍了生物发酵产业的发展。本专利技术提供了一种基于微通道萃取的生物膜反应器的构建方法及其在生物丁醇发酵中的应用，以提高生物发酵的效率。本专利技术的技术方案如下：一种基于微通道萃取的生物膜反应器，包括中空纤维膜A、微通道萃取器B、补料罐C、分层罐D、萃取剂储罐E及发酵罐F，所述补料罐与发酵罐相连，所述中空纤维膜的进料口和出料口与发酵罐相连，该中空纤维膜的另一出料口与微通道萃取器的进料口相连，所述微通道萃取器的另一进料口上连接有萃取剂储罐，该微通道萃取器的出料口处连接有分层罐，所述分层罐上部和下部分别与萃取剂储罐和发酵罐通过软管相连。其中，所述中空纤维膜的膜孔小于0.22μm，可装液量为500mL，目的在于将细胞截留在膜组件中，防止细胞与萃取剂接触，影响细胞的活性。所述的微通道萃取器的几何结构是一种复杂的坡状结构，流体在流动过程中不断上升和下降，从而实现流体的多次分离及重新组合，实现充分混合，完成萃取过程。在这种混合器中流体的分割以及重组之间无需附加流体连接通道，因此，在给定压降条件下，这种微混合器可以获得很高的通量，而且这样的结构也有利于混合器的维护和清洗。所述的补料罐、分层罐、发酵罐和萃取剂储罐均可高温灭菌，并且带密闭盖子。所述微通道萃取器的两个出料口处均连接有高精度柱塞泵，所述的高精度柱塞泵为色谱用柱塞泵，双柱塞串联模式输液，流量精度：±1%，流量重复性：RSD≤0.5%，流量范围：0-50ml/min，最大压力：0-300bar。本专利技术所述的发酵罐带有PH电极和温度电极，可进行精准的PH，温度控制。本专利技术所述的连接管路是通过高温蒸汽灭菌的耐磨硅胶管。一种利用上述基于微通道萃取的生物膜反应器来实现生物丁醇高效制备的方法，具体包括：1.培养基的配置：种子培养基：酵母粉0.3%，蛋白胨0.5%，可溶性淀粉1%，乙酸铵0.2%，氯化钠0.2%，七水合硫酸镁0.3%，磷酸二氢钾0.1%，磷酸氢二钾0.1%，七水合硫酸亚铁0.01%，其余为水，pH6。发酵培养基：乙酸铵0.22%，磷酸二氢钾0.05%，磷酸氢二钾0.05%，七水合硫酸镁0.02%，一水合硫酸锰0.001%，七水合硫酸亚铁0.001%，氯化钠0.001%，玉米浆0.1%，葡萄糖6%，其余为水，pH6.0。发酵培养基应在121℃下灭菌15分钟，糖类和氮源类应分开灭菌，以免发生米拉德反应，损失培养基中的营养物质。2.菌株的培养将产丁醇梭菌Clostridiumbeijerinckii8052按5%（v/v）的接种量接种于装有50mL种子培养基的厌氧瓶中，通无菌氮气1~2分钟，37℃厌氧培养12小时后按5%（v/v）转接至装有200mL种子培养液的厌氧瓶中进行二次活化，通氮气1~2分钟，37℃厌氧培养8小时后作为种子液。将2L的发酵培养基加入到发酵罐F中，121℃，15分钟高温蒸汽灭菌，接入冷却水冷却到室温。将二次活化的种子液按10%（v/v）和葡萄糖接入发酵罐中。在关闭2号柱塞泵的前提下，运行1号泵，使得发酵液在中空纤维膜膜管和发酵罐之间循本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微通道萃取的生物膜反应器，其特征在于，包括中空纤维膜 (A)、微通道萃取器（B）、补料罐（C）、分层罐（D）、萃取剂储罐（E）及发酵罐（F），所述补料罐与发酵罐相连，所述中空纤维膜的进料口和出料口与发酵罐相连，该中空纤维膜的另一出料口与微通道萃取器的进料口相连，所述微通道萃取器的另一进料口上连接有萃取剂储罐，该微通道萃取器的出料口处连接有分层罐，所述分层罐上部和下部分别与萃取剂储罐和发酵罐通过软管相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于微通道萃取的生物膜反应器，其特征在于，包括中空纤维膜(A)、微通道萃取器（B）、补料罐（C）、分层罐（D）、萃取剂储罐（E）及发酵罐（F），所述补料罐与发酵罐相连，所述中空纤维膜的进料口和出料口与发酵罐相连，该中空纤维膜的另一出料口与微通道萃取器的进料口相连，所述微通道萃取器的另一进料口上连接有萃取剂储罐，该微通道萃取器的出料口处连接有分层罐，所述分层罐上部和下部分别与萃取剂储罐和发酵罐通过软管相连；所述微通道萃取器的两个出料口处均连接有柱塞泵；所述柱塞泵为色谱用柱塞泵（2、3），双柱塞串联模式输液，流量精度：±...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜岷，孔祥平，贺爱永，赵洁，吴昊，马江峰，韦萍，欧阳平凯，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32