本发明专利技术公开了一种利用饲料原料作为固定化材料构成纤维床生物反应器发酵生产丁酸的方法，其步骤包括：制备饲料原料纤维床生物反应器、菌种活化、种子液培养、预发酵培养及批次或补料发酵。本发明专利技术工艺简单，利用饲料原料作为固定化细胞的载体进行固定化发酵，可以降低发酵法生产丁酸的成本，提高丁酸发酵产率和得率，可省去反复接种，并连续长期稳定运行，易于进行工业放大。同时固定化发酵后的饲料原料会吸附产物丁酸钠，这有利于将反应后的饲料原料直接用来生产含丁酸钠的饲料添加剂。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于发酵工程
，涉及固定化纤维床反应器生产丁酸中，饲料原料作为固定化材料的应用，并且涉及饲料添加剂领域，饲料原料米糠或者麦麸作为固定化材料后吸附产物丁酸钠，直接应用于饲料添加剂。
技术介绍
正丁酸(Butyric acid，以下简称丁酸)，又名酪酸，和丙酸、乙酸被认为是3种最主要的短链脂肪酸。丁酸是一种四碳的短链饱和脂肪酸，其液体呈无色半透明油状，具有刺激性气味，极稀溶液也有汗臭味，常以盐或脂的形式存在。丁酸是一种多用途的精细化学品，广泛应用于食品、化工、医药和饲料等行业。在饲料领域，因丁酸具有游离性和挥发性，通常在饲料添加中将其制成相对稳定的钠盐——丁酸钠。丁酸钠不仅可作为肠道细胞代谢的能量来源，部分替代抗生素，起到酸化、调节电解质平衡、调节胃肠道微生态平衡和诱食等作用，还具有无污染、无残留和无耐药性等特点，已逐渐成为热门的抗生素替代品之一。目前，丁酸的生产工艺以化学合成法为主，包括正丁醛氧化法、丙烯羰基合成法、丁醇氧化法等，其中以间歇式丁醛氧化制备丁酸工艺在工业上的应用最为广泛，但工艺复杂操作条件苛刻，环境污染严重等传统化工普遍存在的问题没有得到有效解决。随着化石性资源日渐枯竭、传统化工造成环境的严重污染以及人们对生物基化学品和生物能源需求的快速增加，化学工业呈现出从石油基到生物基的转变趋势。由于丁酸和下游衍生产品相当比例应用于食品、饲料和医药等行业，从生物质出发经过生物合成的丁酸(称为生物丁酸)更受欢迎。微生物发酵法利用的产丁酸菌多为专性厌氧菌，主要包括有梭菌属(Clostridium)、丁酸杆菌属(Butyribacterium)、梭杆菌属(Fusobacterium)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、八叠球菌属(Sarcina)、真杆菌属(Eubacterium)及巨球形菌属(Megasphaera)等。其中，梭菌属细菌为革兰氏阳性的产芽孢杆菌，属化能异养型的专性厌氧菌，易从土壤、废水、动物消化系统、乳制品污染环境中分离得到，生长培养基配方简单，对环境的适应性强，已成为众多国内外学者研究微生物发酵生产丁酸的出发菌株。在众多产丁酸菌株中，酪丁酸梭菌(Clostridium tyrobutyricum)能代谢葡萄糖、木糖和果糖合成丁酸、乙酸、氢气和二氧化碳，相比于丙酮-丁醇菌株，其代谢途径简单，主产物丁酸产量稳定、得率高，亦能利用廉价的生物质资源作为原料，具有广阔的商业应用前景。但迄今为止，由于生物发酵法生产丁酸存在发酵周期长，产物分离难，生产成本高等缺点，使其始终无法替代化学合成法，因此，开发一种更为简便有效、成本低廉的发酵形式至关重要。美国俄亥俄州立大学杨尚天教授等人在传统的填充床反应器基础上，设计出纤维床生物反应器(Fibrous-bed bioreactor，FBB)，使得固定化载体上一直保持较高的活细胞密度，提高了发酵产物的终产量、得率和生产率等，已应用于乙酸、丙酸、丁酸和乳酸等多种有机酸发酵。但该反应器的固定床制作成本较高，且难以工业放大。米糠是稻谷脱去稻壳后的糙米经碾制过程被碾下的皮层、米胚和少量碎米的混合物。它是稻谷加工的副产品，约占稻谷质量的5％-5.5％，年产量在1000万吨以上，约占世界总产量的1/3。麦麸是指小麦在干磨制粉生产过程中除去打碎入粉的胚乳剩下的成分，主要由小麦种皮、糊粉层和少量胚芽组成。它是小麦加工的副产物，约占小麦籽粒质量的15％，这是很大一部分比例的副产品。米糠和麦麸不仅资源丰富，而且价格低廉，主要用作饲料，经济价值不高。在饲料加工中，米糠和麦麸都是常用的饲料添加剂载体。同时，它们也是纤维素材料，可用于细胞固定化。
技术实现思路
针对游离发酵中发酵周期长，产物分离难以及生产成本高等问题，本专利技术的目的是提供一种更为简便有效、成本低廉的利用饲料原料纤维床生物反应器发酵生产丁酸的方法，使微生物发酵法生产丁酸更适用于工业化生产。为此，本专利技术采用以下技术方案：利用饲料原料纤维床生物反应器发酵生产丁酸的方法，其特征是其采用的反应器为是纤维床生物反应器，其中，构成纤维床生物反应器的固定化材料采用饲料原料，所述饲料原料的选择范围包括米糠、麦麸。进一步地，所述方法包括以下步骤：(1)用接种针蘸取酪丁酸梭菌菌液，在含有50mg/mL丁酸钠的强化培养基平板上划线后，置37℃培养72小时；(2)将步骤(1)平板上的单菌落接种于含50mL生长培养基的100mL厌氧瓶中培养72小时，得到发酵母种；(3)取3mL发酵母种接种于含100mL生长培养基的500mL厌氧瓶中培养48小时后，以5％的接种量接种于含生长培养基的饲料原料纤维床生物反应器中，培养至菌体浓度达到6.0-10.0g/L，实现菌体在饲料原料上的吸附，后将发酵液替换为新鲜的发酵培养基，进行丁酸的生产；上述的生长培养基成分为：葡萄糖30g/L、酵母抽提物5g/L、蛋白胨5g/L、(NH4)2S043g/L、K2HPO4 1.5g/L、MgSO4·7H20 0.6g/L、FeS04·7H20 0.03g/L；上述的强化培养基是在生长培养基的基础上添加50mg/mL丁酸钠，且葡萄糖浓度为50g/L。进一步地，所述纤维床生物反应器为内置式饲料原料纤维床生物反应器，构成内置式饲料原料纤维床生物反应器的发酵罐为机械搅拌式发酵罐，内部填充所述固定化材料。进一步地，所述纤维床生物反应器为外置式饲料原料纤维床生物反应器，是将固定化材料装填进入玻璃固定化柱，两端采用不锈钢丝网固定使固定化材料不漏出，玻璃柱底部填充玻璃弹簧，目的是使流体分布均匀，两端加盖密封，与机械搅拌式发酵罐连接，构成封闭循环系统，采用循环恒温水浴锅控制玻璃固定化柱温度，构建为外置式饲料原料纤维床生物反应器。本专利技术的有益效果在于：本专利技术工艺简单，利用饲料原料米糠或者麦麸作为固定化细胞的载体进行固定化发酵，可以缩短发酵过程的延滞期，大幅缩短了生产周期，降低发酵法生产丁酸的成本，提高丁酸发酵产率和得率，同时可省去反复接种，并连续长期稳定运行，易于进行工业放大。并且固定化发酵后的米糠或麦麸会吸附产物丁酸钠，这有利于将反应后的米糠或麦麸直接用来生产含丁酸钠的饲料添加剂。附图说明图1是发酵丁酸的外置式饲料原料纤维床生物反应器系统示意图；图中：1.搅拌式预发酵罐；2.双向蠕动泵；3.纤维床固定化装置；4.温度监测器；5.pH监测器；6.储碱瓶；7.氮气补入装置。图2是内置式米糠纤维床固定化批次发酵丁酸的动力学图；图3是内置式麦麸纤维床固定化批次发酵丁酸的动力学图；图4是外置式米糠纤维床固定化批次发酵丁酸的动力学图；图5是外置式米糠纤维床固定化补料发酵丁酸的动力学图；图6是外置式米糠纤维床固定化反复批次发酵丁酸的动力学图。具体实施方式实施例1本实施例给出的是以葡萄糖为碳源进行内置式米糠纤维床固定化酪丁酸梭菌批次发酵丁酸的工艺，构成内置式饲料原料纤维床生物反应器的发酵罐为普通5L机械搅拌式发酵罐。步骤如下：(1)内置式米糠纤维床生物反应器的制备：将米糠固定化材料洗净、烘干后称取120g置于5L发酵罐中，构成内置式米糠纤维床生物反应器；(2)用接种针蘸取酪丁酸梭菌菌液，在含有50mg/mL丁酸钠的强化培养基平板上划线后，置37℃培养72小本文档来自技高网...
【技术保护点】
利用饲料原料纤维床生物反应器发酵生产丁酸的方法，其特征是其采用的反应器为是纤维床生物反应器，其中，构成纤维床生物反应器的固定化材料采用饲料原料，所述饲料原料的选择范围包括米糠、麦麸。
【技术特征摘要】
2016.06.13 CN 20161041396861.利用饲料原料纤维床生物反应器发酵生产丁酸的方法，其特征是其采用的反应器为是纤维床生物反应器，其中，构成纤维床生物反应器的固定化材料采用饲料原料，所述饲料原料的选择范围包括米糠、麦麸。2.如权利要求1所述的方法，其特征是其包括以下步骤：（1）用接种针蘸取酪丁酸梭菌菌液，在含有50 mg/mL丁酸钠的强化培养基平板上划线后，置37°C培养72小时；（2）将步骤（1）平板上的单菌落接种于含50 mL生长培养基的100 mL厌氧瓶中培养72小时，得到发酵母种；（3）取3 mL发酵母种接种于含100 mL生长培养基的500 mL厌氧瓶中培养48小时后，以5%的接种量接种于含生长培养基的饲料原料纤维床生物反应器中，培养至菌体浓度达到6.0-10.0 g/L，实现菌体在饲料原料上的吸附，后将发酵液替换为新鲜的发酵培养基，进行丁酸的生产；上述的生长培养基成分为：葡萄糖30 g/L、酵...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐志南，周丽春，朱建忠，王文广，
申请(专利权)人：杭州贝谷生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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