一种联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的系统和方法，所述方法包括：(1)将产酸丙酸杆菌在发酵培养基中培养，之后转接在发酵罐中发酵；(2)将发酵液引入膜分离单元中，滤出发酵清液，菌体细胞返回步骤(1)；(3)将步骤(2)所得发酵清液在酸化单元中酸化至pH小于等于3.0；(4)将酸化发酵清液上样至第一层析单元，得到第一透过液；(5)第一透过液上样至第二层析单元，得到的第二透过液返回步骤(1)；(6)洗脱得到丁二酸及其盐和丙酸及其盐。本发明专利技术实现了丙酸和丁二酸的联产，丙酸、丁二酸的生产效率分别在0.440g/(L·h)以上和0.147g/(L·h)以上。

System and method for the production of propionic acid and its salts and succinic acid and salts thereof

System and method of the present invention relates to a production of propionic acid and its salts and succinic acid and its salts, the method comprises the following steps: (1) the Propionibacterium acidipropionici in fermentation medium, after switching in fermentor; (2) the introduction of fermentation liquid membrane separation unit, filter out the fermentation supernatant. The cell returns to step (1); (3) the step (2) of the unit in the fermentation supernatant acidification acidification to pH is less than or equal to 3; (4) the acidified sample fermentation supernatants to the first chromatography unit, first through the liquid; (5) the first through the liquid sample to second chromatography unit obtained second through the liquid return to step (1); (6) to elute succinic acid and its salts and propionic acid and its salts. The invention realizes the combined production of propionic acid and succinic acid, and the production efficiency of propionic acid and succinic acid is above 0.440g/ (L. H) and 0.147g/ (L + H), respectively.

【技术实现步骤摘要】
一种联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的系统和方法
本专利技术涉及生物工程领域，尤其涉及一种联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的系统和方法。
技术介绍
产酸丙酸杆菌(Propionibacteriumacidipropionici)是厌氧发酵生产丙酸的主要菌种之一，但在发酵过程中，丙酸的不断积累会对菌体细胞生长及丙酸自身代谢产生反馈抑制作用，进而降低了发酵效率。比如，当发酵液中丙酸浓度大于10g/L时，菌体的生长速度开始减慢，当丙酸浓度达到35g/L时，菌体的生长速度急剧下降。为了解除丙酸对发酵的反馈抑制作用，研究人员对生产菌株进行了基因改造(BiotechnologyandBioengineering,2009,104:766-773；MetabolicEngineering,2015,27:46-56)，研究了丙酸的反馈抑制机理(JournalofBiotechnology,2013,167:56-63)，并采取适当的调控策略(BioresourceTechnology,2012,105:128-133；BioresourceTechnology,2013,135:504-512)来提高批次发酵过程中丙酸的产量。此外，研究还发现，在发酵过程中采用过程工程手段及时移除丙酸，可有效减缓或消除其对发酵的反馈调节作用，提高发酵效率。Goswami构建了一种原位细胞截留反应器，通过不锈钢旋转过滤器将菌体细胞截留，使含高浓度丙酸的发酵清液滤过，从而实现了菌体细胞与丙酸的分离(AppliedMicrobiologyandBiotechnology,2001,56:676-680)。南京工业大学欧阳平凯院士构建了一种多孔纤维床反应器将发酵过程中产生的丙酸及时分离出来，提高了发酵产率(JournalofBiotechnology,2012,164:202-210)。浙江大学徐志南教授通过将菌体细胞固定化在纤维床反应器上，采用流加葡萄糖的方式，提高了发酵效率(BioresourceTechnology,2012,112:248-253)。中科院过程所王云山研究员将扩张床层析技术与发酵过程耦合起来，建立了一种以扩张床原位吸附为特征的新型发酵过程，提高了丙酸产量(BioresourceTechnology,2012,104:652-659)。但是，在工业生产过程中，扩张床填充效率低，上述工艺普遍面临着难以放大、成本高等问题。此外，发酵液中除丙酸之外，还含有大量的丁二酸、乳酸、乙酸等，限制了丙酸的纯度。CN103667373A公开了一种微生物发酵产丙酸及其盐联产丁二酸及其盐的方法，利用碳酸盐以中和丙酸，降低丙酸对细胞生长的抑制作用，产生的二氧化碳用于合成丁二酸，主要提高了丁二酸的产出，但该工艺没有将发酵液中的丁二酸和丙酸有效分离开来，产品主要是丁二酸钙和丙酸钙的混合物。因此，迫切需要开发一种能有效提高丙酸纯度同时易于工业化的联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的工艺。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，为实现丙酸及其盐和丁二酸及其盐的联产，提高发酵效率和产物纯度，以及降低工业化难度和成本，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的系统，所述系统包括依次连接的发酵单元、膜分离单元、酸化单元、第一层析单元和第二层析单元；所述膜分离单元与所述发酵单元之间设有第一回路；所述第二层析单元与所述发酵单元之间设有第二回路。菌体细胞在发酵单元中发酵，产生丙酸和丁二酸，含有菌体细胞、营养物质和丙酸、丁二酸的发酵液通过膜分离单元，分离得到的菌体细胞通过第一回路回流至所述发酵单元，分离得到的发酵清液进入酸化单元进行酸化后得到的酸化发酵清液进入第一层析单元，第一层析单元吸附酸性较强的丁二酸，透过液进入第二层析单元，第二层析单元吸附丙酸，透过液中含有营养物质，通过第二回路回流至发酵单元继续进行发酵。本专利技术所述发酵单元优选包括发酵罐。优选地，所述膜分离单元中过滤膜的材料包括聚醚砜。优选地，所述膜分离单元中过滤膜的孔径为0.1～0.22μm，例如0.1μm或0.22μm等，优选0.22μm。优选地，所述膜分离单元中过滤膜的单位面积通量为20～30L/(h·m2)，例如20L/(h·m2)、21L/(h·m2)、22L/(h·m2)、23L/(h·m2)、24L/(h·m2)、25L/(h·m2)、26L/(h·m2)、27L/(h·m2)、28L/(h·m2)、29L/(h·m2)或30L/(h·m2)等。优选地，所述膜分离单元中过滤膜的过滤面积大于等于0.12m2，例如0.12m2、0.2m2、0.5m2、1m2、2.5m2、5m2或10m2等，优选0.12m2～0.50m2。优选地，所述酸化单元中填充有阳离子交换树脂。优选地，所述酸化单元中填充有H型阳离子交换树脂。优选地，所述酸化单元中所述阳离子交换树脂的体积填充系数为0.7～0.8，例如0.7、0.71、0.73、0.75、0.78或0.8等。优选地，所述酸化单元与所述发酵单元的体积比为1:(2～4)，例如1:2、1:2.2、1:2.5、1:2.8、1:3、1:3.2、1:3.5、1:3.8或1:4等，优选1:(3～4)。优选地，所述第一层析单元填充有阴离子交换树脂，优选ZGD630阴离子交换树脂。优选地，所述第一层析单元中阴离子交换树脂的体积填充系数为0.7～0.8，例如0.7、0.71、0.73、0.75、0.78或0.8等。优选地，所述第一层析单元与所述发酵单元的体积比为1:(6～10)，例如1:6、1:6.2、1:6.5、1:6.8、1:7、1:7.2、1:7.5、1:7.8或1:8等，优选1:(8～10)。优选地，所述第二层析单元填充有阴离子交换树脂，优选ZGD630阴离子交换树脂。优选地，所述第二层析单元中阴离子交换树脂的体积填充系数为0.7～0.8，例如0.7、0.71、0.73、0.75、0.78或0.8等。优选地，所述第二层析单元与所述发酵单元的体积比为1:(6～10)，例如1:6、1:6.2、1:6.5、1:6.8、1:7、1:7.2、1:7.5、1:7.8或1:8等，优选1:(8～10)。第二方面，一种利用如目的之一所述的系统联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的方法，包括如下步骤：(1)菌种发酵：将产酸丙酸杆菌在发酵培养基中培养，之后转接在所述发酵罐中发酵；(2)膜分离：将发酵液引入所述膜分离单元中，滤出发酵清液，菌体细胞返回步骤(1)所述发酵液；(3)发酵液的酸化：将步骤(2)所得发酵清液在所述酸化单元中酸化至pH小于等于3.0，例如3.0、2.5、2.0、1.5或1.2等，得到酸化发酵清液；(4)丁二酸的吸附：将步骤(3)所得酸化发酵清液上样至所述第一层析单元，吸附丁二酸至饱和状态，同时得到第一透过液；(5)丙酸的吸附：步骤(4)所得第一透过液上样至所述第二层析单元，吸附丙酸，得到第二透过液；所述第二透过液返回步骤(1)所述发酵液中；(6)丙酸及其盐、丁二酸及其盐的收集：用碱液对所述第一层析单元进行洗脱得到丁二酸盐，或，用酸液对所述第一层析单元进行洗脱得到丁二酸；用碱液所述第二层析单元进行洗脱得到丙酸盐，或，用酸液对所述第二层析单元进行洗脱得到丙本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的发酵单元、膜分离单元、酸化单元、第一层析单元和第二层析单元；所述膜分离单元与所述发酵单元之间设有第一回路；所述第二层析单元与所述发酵单元之间设有第二回路。

【技术特征摘要】
1.一种联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的发酵单元、膜分离单元、酸化单元、第一层析单元和第二层析单元；所述膜分离单元与所述发酵单元之间设有第一回路；所述第二层析单元与所述发酵单元之间设有第二回路。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发酵单元包括发酵罐；优选地，所述膜分离单元中过滤膜的材料包括聚醚砜；优选地，所述膜分离单元中过滤膜的孔径为0.1～0.22μm，优选0.22μm；优选地，所述膜分离单元中过滤膜的单位面积通量为20～30L/(h·m2)；优选地，所述膜分离单元中过滤膜的过滤面积大于等于0.12m2；优选地，所述酸化单元中填充有阳离子交换树脂；优选地，所述酸化单元中填充有H型阳离子交换树脂；优选地，所述酸化单元中所述阳离子交换树脂的体积填充系数为0.7～0.8；优选地，所述酸化单元与所述发酵单元的体积比为1:(2～4)，优选1:(3～4)；优选地，所述第一层析单元填充有阴离子交换树脂，优选ZGD630阴离子交换树脂；优选地，所述第一层析单元中阴离子交换树脂的体积填充系数为0.7～0.8；优选地，所述第一层析单元与所述发酵单元的体积比为1:(6～10)，优选1:(8～10)；优选地，所述第二层析单元填充有阴离子交换树脂，优选ZGD630阴离子交换树脂；优选地，所述第二层析单元中阴离子交换树脂的体积填充系数为0.7～0.8；优选地，所述第二层析单元与所述发酵单元的体积比为1:(6～10)，优选1:(8～10)。3.一种利用如权利要求1或2所述系统联产丙酸及其盐和丁二酸及其盐的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)菌种发酵：将产酸丙酸杆菌在发酵培养基中培养，之后转接在所述发酵罐中发酵；(2)膜分离：将发酵液引入所述膜分离单元中，滤出发酵清液，菌体细胞返回步骤(1)所述发酵液；(3)发酵液的酸化：将步骤(2)所得发酵清液在所述酸化单元中酸化至pH小于等于3.0，得到酸化发酵清液；(4)丁二酸的吸附：将步骤(3)所得酸化发酵清液上样至所述第一层析单元，吸附丁二酸，同时得到第一透过液；(5)丙酸的吸附：步骤(4)所得第一透过液上样至所述第二层析单元，吸附丙酸，得到第二透过液；所述第二透过液返回步骤(1)所述发酵液中；(6)丙酸及其盐、丁二酸及其盐的收集：用碱液对所述第一层析单元进行洗脱得到丁二酸盐，或，用酸液对所述第一层析单元进行洗脱得到丁二酸；用碱液所述第二层析单元进行洗脱得到丙酸盐，或，用酸液对所述第二层析单元进行洗脱得到丙酸。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述培养基包括：葡萄糖50～60g/L，玉米浆41～51g/L，磷酸二氢钾3.2～4.6g/L；优选地，步骤(1)所述培养产酸丙酸杆菌的温度为28～37℃，优选30～32℃；优选地，步骤(1)所述培养产酸丙酸杆菌的时间为36～54h，优选44～50h；优选地，步骤(1)所述发酵液的填充系数为50～80％，优选65～75％；优选地，步骤(1)所述发酵液的温度为28～37℃，优选30～32℃；优选地，步骤(1)所述发酵的时间为78～96h，优选82～86h；优选地，步骤(1)所述发酵期间维持发酵液的pH在6.8～7.2之间；优选地，步骤(1)所述维持发酵液pH的方法包括：加入氨水、NaOH、Na2CO3或NaHCO3中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(1)所述菌种发酵时，进行搅拌；优选地，所述搅拌的速率为50～200r/min，优选50～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王自强，徐国霞，李小连，王云山，苏志国，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11