一种提高产油微生物油脂产量的三段式发酵系统及其用法技术方案

本发明专利技术针对现有单罐式发酵系统无法同时满足产油微生物细胞生长繁殖和胞内油脂积累所需的显著不同营养条件的痛点，通过内置三罐发酵模式，并根据产油微生物在不同功能阶段的营养需求配置相应的营养条件。该系统具有理论依据扎实、功能分区明确、操作方法简便、产油脂率高、技术经济性高的优点，并能实现整个微生物油脂发酵过程的连续、稳定、高效运行，具有极高的产业化应用前景。高的产业化应用前景。高的产业化应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种提高产油微生物油脂产量的三段式发酵系统及其用法


[0001]本专利技术专利涉及微生物发酵领域，尤其涉及在产油微生物发酵转化生物质原料生产微生物油脂及生物柴油的领域内，一种提高产油微生物油脂产量的三段式发酵系统及其用法。

技术介绍

[0002]通过产油微生物发酵转化各种生物质废弃物是一种实现废弃生物质资源利用并回收可再生能源原料油脂的有效途径。产油微生物是指能够在自身体内积累油脂干重超过自身干重20％的一类微生物，主要包括产油酵母、产油细菌、产油微藻、产油真菌和产油破囊壶菌。产油微生物所积累的微生物油脂，因为其中的脂肪酸成分与植物源油脂的脂肪酸成分类似，因此可作为植物源油脂的替代品用作生物柴油的生产原料。此外，有些微生物油脂富含不饱和脂肪酸，营养价值非常高，可用于替代来自深海鱼类的不饱和脂肪酸保健品的原料。但目前，产油微生物的技术潜力尚未被充分开发。
[0003]近年来，在全球范围内能源危机与资源短缺的大背景下，众多国家非常重视采用产油微生物生产微生物油脂的技术，包括美国、英国、日本、希腊、巴西等国家。当前产油微生物技术尚未实现产业化应用，其瓶颈在于如何进一步提高产油微生物的油脂产率和产量，以及如何实现微生物油脂的连续生产。利用产油微生物实现生物质高效转化为胞内油脂，一方面需要油脂积累能力强的产油微生物菌种，另一方面需要配备优良的发酵工艺及培养条件。
[0004]当前，常见的产油微生物的发酵系统为实验室规模的摇瓶和连续搅拌单罐式反应器，工作体积从250mL至1m3不等。这种单罐式反应器的优点是简单易操作，但其缺点是在同一时刻无法同时提供两种或多种营养条件。实际上，随着产油微生物分子生物学遗传信息的研究和挖掘，学术界已经清晰地认识到，产油微生物的细胞生长繁殖和细胞内油脂积累不是同步进行的，两个步骤所需要的营养条件也显著不同。具体而言，当产油微生物细胞快速生长繁殖时，其所需营养条件是充分的、无营养元素缺失的；但是，产油微生物细胞快速积累油脂的前提条件是培养液中存在营养元素胁迫，如氮营养元素匮乏。与之前细胞正常生长繁殖时的培养液相比，此时培养液的碳氮比非常高。高碳氮比诱导腺苷酸脱氨酶活性升高，催化腺苷一磷酸分解反应，生成肌苷和氨，从而为产油微生物提供临时的氮源。随着腺苷一磷酸在培养液中的浓度降低，将诱导异柠檬酸脱氢酶活性降低，从而减弱异柠檬酸转化为α
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酮戊二酸的反应程度，导致异柠檬酸在线粒体内积累，进而导致柠檬酸在线粒体内浓度升高。线粒体内的高浓度柠檬酸溢出线粒体，进入细胞质，从而诱发酰基辅酶A合成路径，进而诱导细胞内油脂(甘油三酯)的合成。
[0005]进一步发现，产油微生物的细胞快速生长繁殖、细胞内触发油脂积累以及细胞内油脂大量积累三个环节所需的营养条件各不相同。具体而言，产油微生物的细胞快速生长繁殖需要营养全面的培养液；细胞内触发油脂积累需要氮元素营养相对匮乏；细胞内油脂大量积累需要氮元素非常匮乏。然而，传统的单罐式培养模式无法同时满足三种培养状态
所需的不同营养条件。为解决此问题，当前常用的方法是，向发酵罐中投加葡萄糖或氯化铵调节发酵液的碳氮比，从而在产油微生物细胞生长繁殖过程中提供营养充足的培养条件(对应较低的碳氮比)，而在产油微生物细胞开始积累油脂时提供氮营养匮乏甚至缺失的培养条件(对应较高的碳氮比)。现有技术方法的缺点是：(1)当前常用的方法操作繁琐，需要在一个反应器内反复进行营养元素监测和调节，难以快速对营养条件进行切换，难以实现对产油微生物细胞油脂合成进度的精准控制；(2)产油微生物代谢路径复杂，微生物中间代谢产物多样，不断积累的中间代谢物对产油微生物的生长繁殖和油脂积累均可造成一定干扰；(3)单罐发酵常常采用批式发酵的模式，难以实现产油微生物连续培养和积累油脂，不利于实现微生物油脂的产业化连续生产。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有单罐式发酵系统无法同时满足产油微生物细胞生长繁殖和胞内油脂积累所需的显著不同营养条件的痛点，通过内置三罐发酵模式，并根据产油微生物在不同阶段的营养需求配置相应的营养条件，该系统具有理论依据扎实、功能分区明确、操作方法简便、产油脂率高、技术经济性高的优点，并能实现整个微生物油脂发酵过程的连续、稳定、高效运行，具有极高的产业化应用前景。
[0007]为实现上述目的，在一个方面，本专利技术提供了一种提高产油微生物油脂产量的三段式发酵系统，所述系统包括串联的第一阶段发酵罐、第二阶段发酵罐、第三阶段发酵罐，所述第一阶段发酵罐、第二阶段发酵罐、第三阶段发酵罐上均配备有搅拌器和加液口，所述第一阶段发酵罐和所述第二阶段发酵罐之间以及所述第二阶段发酵罐和所述第三阶段发酵罐之间通过连接管路连接，连接管路上设有分离装置，所述分离装置前后的连接管路上分别设有动力泵。
[0008]进一步地，所述分离装置中设有离心机，发酵物通过分离装置分离一部分流入储液罐。
[0009]进一步地，通过加液口向所述第一阶段发酵罐中加入营养充分的培养液。
[0010]进一步地，通过加液口向所述第二阶段发酵罐中加入氮营养匮乏的培养液。
[0011]进一步地，通过加液口向所述第三阶段发酵罐中加入氮营养缺失的培养液。
[0012]在另一个方面，本专利技术提供了所述提高产油微生物油脂产量的三段式发酵系统的应用，包括：
[0013]步骤(1)，通过加液口，向所述第一阶段发酵罐中加入营养充分的培养液和接种菌液，进行微生物培养，并对发酵液的光密度(OD
600
)值和产油微生物细胞中油脂百分含量进行动态监测；当累计培养时间达到5天(即120h)时，作为启动下一步骤的标识；
[0014]步骤(2)，启动所述第一阶段发酵罐与第二阶段发酵罐之间的动力泵，将含有产油微生物细胞的发酵液逐渐泵出所述第一阶段发酵罐，利用离心机对发酵液进行离心操作，将上清液储存在储液罐中，将含有产油微生物细胞的底部组分通过动力泵泵入所述第二阶段发酵罐中；在第二阶段发酵罐中加入氮营养匮乏的培养液，进行微生物培养，并对发酵液的光密度(OD
600
)值和产油微生物细胞中油脂百分含量进行动态监测，当第二阶段培养时间达到48h时，作为启动下一步骤的标识；
[0015]步骤(3)，启动所述第二阶段发酵罐与第三阶段发酵罐之间的动力泵，将含有产油
微生物细胞的发酵液逐渐泵出所述第二阶段发酵罐，利用离心机对发酵液进行离心操作，将上清液储存在储液罐中，将含有产油微生物细胞的底部组分通过动力泵泵入所述第三阶段发酵罐中；在第三阶段发酵罐中加入氮营养缺失的培养液，进行微生物培养，当第三阶段培养时间达到48h时，培养结束，从所述第三阶段发酵罐中收获高含油脂的产油酵母细胞，收集细胞，并进行油脂提取。
[0016]在优选的实施方式中，所述应用还包括对第一阶段发酵罐进行清洗，然后开始新一轮发酵运行，通过不断重复上述步骤(1)至(3)，实现产油微生物三段式发酵生产油脂的连续运行。
[0017]在优选的实施方式中，所述微生物选自于产油酵母、产油本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高产油微生物油脂产量的三段式发酵系统，所述系统包括串联的第一阶段发酵罐、第二阶段发酵罐、第三阶段发酵罐，所述第一阶段发酵罐、第二阶段发酵罐、第三阶段发酵罐上均配备有搅拌器和加液口，所述第一阶段发酵罐和所述第二阶段发酵罐之间以及所述第二阶段发酵罐和所述第三阶段发酵罐之间通过连接管路连接，连接管路上设有分离装置，所述分离装置前后的连接管路上分别设有动力泵。2.根据权利要求1所述的三段式发酵系统，其中，所述分离装置中设有离心机，发酵物通过分离装置分离一部分流入储液罐。3.权利要求1所述的提高产油微生物油脂产量的三段式发酵系统的应用，包括：步骤(1)，通过加液口，向所述第一阶段发酵罐中加入营养充分的培养液和接种菌液，进行微生物培养，并对发酵液的光密度(OD
600
)值和产油微生物细胞中油脂百分含量进行动态监测，累计培养时间5天；步骤(2)，启动动力泵4，将含有产油微生物细胞的发酵液逐渐泵出所述第一阶段发酵罐，利用离心机对发酵液进行离心操作，将上清液储存在储液罐中，将含有产油微生物细胞的底部组分通过动力泵泵入所述第二阶段发酵罐中；在第二阶段发酵罐中加入氮营养匮乏的培养液，进行微生物培养，并对发酵液的光密度(OD
600
)值和产油微生物细胞中油脂百分含量进行动态监测，培养时间48h；步骤(3)，启动动力泵13，将含有产油微生物细胞的发酵液逐渐泵出所述第二阶段发酵罐，利用离心机对发酵液进行离心操作，将上清液储存在储液罐中，将含有产油微生物细胞的底部组分通过动力泵泵入所述第三阶段发酵罐中；在第三阶段发酵罐中加入氮营养缺失的培养液，进行微生物培养，当第三阶段培养时间达到48h时，培养结...

【专利技术属性】
技术研发人员：张乐，刘荣厚，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：