旋转式生物共培养反应系统的制作方法

本发明涉及一种生物反应系统，且特别是涉及一种旋转式生物共培养反应系统。

背景技术：

以燃料酒精作为石油的替代品是未来能源发展的趋势，目前，燃料酒精的生产原料主要以玉米等粮食作物为主，但农作物的秸秆(也就是水稻、小麦、玉米等禾本科农作物成熟脱粒后剩余的茎叶部分)内的木质纤维素的数量庞大且容易取得，更是具前景的燃料酒精的生产原料。

欲将木质纤维素转化成燃料酒精主要包含以下4个程序：(1)木质纤维素的前处理(2)纤维素和半纤维素水解转化成六碳糖和五碳糖的水解糖化(3)利用可生成酒精的菌株进行发酵将六碳糖或五碳糖转化成燃料酒精(4)燃料酒精精炼萃取的纯化。目前整合技术的发展以结合上述(2)和(3)点为主要发展方向，其中同步糖化水解发酵程序(simultaneoussaccharificationandfermentation,ssf)和同步糖化水解共发酵程序(simultaneoussaccharificationandco-fermentation,sscf)为现今常用的工艺。ssf是将水解程序与发酵程序合并于同一反应器中以缩短水解与发酵时间并节省成本，目前ssf发展面临最大的瓶颈在于如何选择最佳的反应条件，举例来说，酵素水解反应最佳的温度为50-60℃，而一般化学品发酵反应通常在30～38℃的温度范围内进行，为了让两种反应可以运作，目前ssf大多选择将温度控制在35～40℃间，但此设定将导致木质纤维素水解效率大大的降低；同步糖化水解共发酵程序(simultaneoussaccharificationandco-fermentation,sscf)是指在木质纤维素水解的过程中加入燃料酒精的生产菌或是其他基改菌种，即可直接将木质纤维素水解生成的葡萄糖或木糖同步转化成酒精，此一程序设计除可有效解决葡萄糖与木糖所造成的渗透压外，更可同时克服酵素水解过程中葡萄糖回馈抑制的问题，故可得到较高的酒精产量且缩短发酵时程，同时降低了设备操作成本，是一个结合了ssf优点又可同步利用六碳糖与五碳糖进行发酵的程序。

因此，要如何能够以经济、简单的方式来利用木质纤维素为原料发酵产生燃料酒精是本领域亟欲探讨的目标。

技术实现要素：

本发明提供一种旋转式生物共培养反应系统，其可共培养好氧菌与厌氧菌，而能够以经济、简单的方式来生产例如是燃料酒精等产物。

本发明的一种旋转式生物共培养反应系统，适于共培养好氧菌与厌氧菌，旋转式生物共培养反应系统包括一槽体及一旋转式生物反应器。槽体适于装承一溶液，其中溶液包括厌氧菌及厌氧菌的一碳源前驱物。旋转式生物反应器的一部分位于槽体内而适于浸入溶液，另一部分位于槽体之外而适于不浸入溶液。旋转式生物反应器可转动地配置于槽体，以通过转动旋转式生物反应器，而改变旋转式生物反应器位于槽体内而浸入溶液的部位。其中好氧菌适于培养于旋转式生物反应器上，并适于产生碳源前驱物的水解酵素。水解酵素随旋转式生物反应器的转动而混入溶液内，以水解溶液内的碳源前驱物而产生厌氧菌的碳源。

在本发明的一实施例中，上述的旋转式生物反应器包括一旋转结构及配置于旋转结构的表面的一培养基材，好氧菌适于培养于培养基材上。

在本发明的一实施例中，上述的旋转结构为滚筒状，培养基材铺设于旋转结构的环状侧面。

在本发明的一实施例中，上述的旋转结构包括一固定件、贯穿固定件的一转轴及可拆卸地设置于固定件且环绕转轴的多个扩大件。

在本发明的一实施例中，上述的这些扩大件的形状包括梯形柱、三角形柱或扇形柱。

在本发明的一实施例中，上述的旋转结构包括共轴的多层板体，培养基材铺设于这些板体的表面。

在本发明的一实施例中，上述的培养基材包括聚胺酯(pu)。

在本发明的一实施例中，上述的旋转式生物共培养反应系统还包括一马达，连动于旋转式生物反应器，以调整旋转式生物反应器位于槽体内而浸入溶液的部位。

在本发明的一实施例中，上述的旋转式生物反应器位于槽体内而适于浸入溶液的部分约占旋转式生物反应器的体积的35％至40％。

在本发明的一实施例中，上述的好氧菌为黑曲霉菌(a.niger)及里氏木霉菌(trichodermareesei)的组合，厌氧菌为格兰氏阴性兼性厌氧菌(zymomonasmobils)，碳源前驱物为木质纤维素，且溶液为酒精发酵培养液。

基于上述，本发明的旋转式生物共培养反应系统可在旋转式生物反应器上与槽体的溶液内分别培养对氧气需求迥异的好氧菌与厌氧菌，其中好氧菌能够产生厌氧菌的碳源前驱物的水解酵素。由于溶液内的溶氧浓度低，处于溶液内的厌氧菌可维持厌氧状态。旋转式生物反应器可转动而交替地使一部分位于槽体内而浸入溶液，另一部分位于槽体之外而不浸入溶液。因此，对于位于旋转式生物反应器上的好氧菌而言，当随着旋转式生物反应器位于槽体外而不浸入溶液时，由于位于液面之上，可与空气接触，得到氧气供应；当随着旋转式生物反应器位于槽体内而浸入溶液时，由于位于液面之下，可吸收溶液内的养分。并且，好氧菌所产生的水解酵素可随旋转式生物反应器转动而被带入溶液内，以作为厌氧菌的碳源，以利厌氧菌发酵。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1与图2分别为本发明的一实施例的一种旋转式生物共培养反应系统的不同视角的示意图；

图3是图1的旋转式生物共培养反应系统的旋转式生物反应器的立体示意图；

图4是图3的旋转式生物反应器的a-a线段的剖面示意图；

图5是图3的旋转式生物反应器的扩大件的立体示意图；

图6与图7分别为本发明的其他实施例的一种旋转式生物反应器的示意图；

图8为本发明的另一实施例的一种旋转式生物共培养反应系统的示意图。

符号说明

100：旋转式生物共培养反应系统

110：槽体

112：溶液

120、120c：旋转式生物反应器

122：转轴

130、130a、130b、130c：旋转结构

132：固定件

133：内板

134、134a、134b：扩大件

135：开口

136：板体

140、140c：培养基材

150：马达

具体实施方式

同步糖化水解共发酵程序(simultaneoussaccharificationandco-fermentation，sscf)，是指同时培养产生水解酵素的好氧菌与生产酒精(或其他产品)的厌氧菌，来将酵素水解以及发酵反应合并在同一个反应器中进行，以在纤维素水解的过程中，酵母菌同步将纤维素水解生成的葡萄糖转化为酒精。由于此程序可克服酵素被单醣的抑制作用，而可获得较高的酒精产量、缩短发酵时间且降低成本。下面所要介绍的本发明的旋转式生物共培养反应系统，便是适合共同培养此两类氧气需求迥异的生物反应系统，而可应用同步糖化水解共发酵程序。

图1与图2分别是依照本发明的一实施例的一种旋转式生物共培养反应系统的不同视角的示意图。请参阅图1与图2，本实施例的旋转式生物共培养反应系统100包括一槽体110及可转动地配置于槽体110的一旋转式生物反应器120。槽体110适于装承一溶液112，其中溶液112包括厌氧菌以及此厌氧菌的一碳源前驱物。在本实施例中，槽体110装承的溶液112为酒精发酵培养液，溶液112内包含的厌氧菌为格兰氏阴性兼性厌氧菌(zymomonasmobils)，且碳源前驱物为木质纤维素。当然，厌氧菌、碳源前驱物、溶液112的种类不以此为限制。

在本实施例中，旋转式生物反应器120的一部分位于槽体110内而适于浸入溶液112，且另一部分位于槽体110之外而适于不浸入溶液112。在本实施例中，旋转式生物反应器120位于槽体110内而适于浸入溶液112的部分约占旋转式生物反应器120的体积的35％至40％，但制造者可视需求调整旋转式生物反应器120位于槽体110内而适于浸入溶液112的部分的比例，并不以此为限制。

如图1所示，旋转式生物反应器120包括一旋转结构130及配置于旋转结构130的表面的一培养基材140，在本实施例中，旋转结构130为滚筒状，以八角柱滚筒为例，但在其他实施例中，旋转结构130可以是正方体滚筒、长方体滚筒、六角柱滚筒、多角柱滚筒或圆柱状滚筒等，旋转结构130的形状不以此为限制。此外，在本实施例中，培养基材140呈膜层状，铺设于旋转结构130的环状侧面。培养基材140的材料以聚胺酯(pu)为例，但培养基材140的种类不以此为限制。

好氧菌适于培养于旋转式生物反应器120上，更明确地说，好氧菌适于培养于培养基材140上。好氧菌适于产生碳源前驱物的水解酵素。在本实施例中，好氧菌为黑曲霉菌(a.niger)及里氏木霉菌(trichodermareesei)的组合，适于产生木质纤维素的水解酵素，当然好氧菌的种类不以此为限制。

此外，如图1与图2所示，旋转式生物反应器120的一转轴122架设在槽体110上。在本实施例中，旋转式生物共培养反应系统100还包括一马达150，连动于转轴122。因此，当马达150控制转轴122转动时，旋转式生物反应器120会对应地转动，而调整旋转式生物反应器120位于槽体110内而浸入溶液112的部位，而让原本位于槽体110内而浸入溶液112的部位上转而离开槽体110与溶液112，且原本位于槽体110外而尚未浸入溶液112的部位下转而进入槽体110内并浸入溶液112中。也就是说，旋转式生物反应器120的不同部位可交替地浸入溶液112或离开浸入溶液112。

在本实施例中，马达150可以定速或变速转动，操作者可自行设定马达150转动的速率，以符合需求。当然，在其他实施例中，也可以省略马达150而通过手动或其他方式来转动旋转式生物反应器120。或者，在其他实施例中，还可以通过机构上的配合(例如是齿轮组的搭配)来达到省力或是放大转速等等的效果。

在本实施例中，旋转式生物共培养反应系统100通过在旋转式生物反应器120上与槽体110的溶液112内分别培养好氧菌与厌氧菌。由于溶液112内的溶氧浓度低，处于溶液112内的厌氧菌可维持厌氧状态，而在旋转式生物反应器120上的好氧菌可随着旋转式生物反应器120转动而交替地位于液面之上或之下。好氧菌若位于液面之上，可与空气接触，得到氧气供应；若位于液面之下，可吸收溶液112内的养分。并且，好氧菌所产生的水解酵素可随旋转式生物反应器120而被带入溶液112内，以水解溶液112内的碳源前驱物(例如是木质纤维素)而产生厌氧菌的碳源(例如是葡萄糖)，以供溶液112内的厌氧菌发酵而产生酒精。因此，本实施例的旋转式生物共培养反应系统100可以相当经济且简单的方式实现同步糖化水解共发酵程序。

下面将更进一步地说明本实施例的旋转结构130的结构。图3是图1的旋转式生物共培养反应系统的旋转式生物反应器的立体示意图。图4是图3的旋转式生物反应器的a-a线段的剖面示意图。图5是图3的旋转式生物反应器的扩大件的立体示意图。需说明的是，在图3与图4中，为了清楚表示扩大件134、转轴122及固定件132之间的相对关系，特意隐藏其中一个扩大件134，实际上，扩大件134会如图1所示地完整地环绕于转轴122的外围。

请参阅图3至图5，在本实施例中，旋转结构130包括至少一固定件132及可拆卸地设置于固定件132且环绕转轴122的多个扩大件134。更明确地说，旋转结构130包括两个圆盘形式的固定件132，转轴122贯穿且固定于这两个固定件132，这些扩大件134位于两固定件132之间且固定于固定件132。由图4与图5可见，各扩大件134的形状以梯形柱为例，梯形中较小的顶边靠近转轴122，梯形中较大的底边远离转轴122。由于这些扩大件134环置于转轴122的外侧，可使旋转结构130提供较大的面积来放置用来培养好氧菌的培养基材140。

在本实施例中，扩大件134是以锁固的方式固定于固定件132上，当使用者有其他需求要更换其他形状或尺寸的扩大件134时，也可将扩大件134拆卸下来再组装新的扩大件134，而提供使用者更弹性的选择。当然，在其他实施例中，扩大件134也可以是通过卡合或是夹合等其他方式固定在固定件132上。在其他实施例中，扩大件134也可以是固设在固定件132上，例如通过铆接或是焊接等方式固定在固定件132上。或者，在其他实施例中，扩大件134也可以一体成形在固定件132上。扩大件134固定在固定件132上的方式并不以上述为限制。

值得一提的是，虽然在本实施例中，培养基材140铺设于旋转结构130的环状外侧面(如图1所示)，但在未绘示的实施例中，培养基材140也可以铺设在旋转结构130内。举例而言，如图4可见，扩大件134为一中空壳体，且具有一开口135，扩大件134的内部有多片间隔地设置的内板133。在其他实施例中，培养基材140也可以铺设在这些内板133的表面，当扩大件134浸入溶液112内时，溶液112可由开口135进入扩大件134的内部，而使内板133上的培养基材140接触到溶液112。此配置方式也可增加培养基材140铺设的面积，而提供更大面积来培养好氧菌。

当然，扩大件134的形状并不以上述为限制，图6与图7分别是依照本发明的其他实施例的一种旋转式生物反应器的示意图。需说明的是，在下面的实施例中，与前一实施例相同或是相似的元件以相同或是相似的符号表示，不再多加赘述。请先参阅图6，扩大件134a的外壳形状以三角形柱为例，这些三角形柱的扩大件134a环绕在转轴的外侧，而环绕出八角柱状的旋转结构130a。当然，设计者可视需求调整三角形的顶角角度，以改变所环绕出的旋转结构130a的形状。

请参阅图7，扩大件134b的外壳形状以扇形柱为例，这些扇形柱的扩大件134b环绕在转轴的外侧，而环绕出圆柱状的旋转结构130b。值得一提的是，在图7中，扇形柱的扇形具有内径与外径，也就是说，扇形是由两个相同的圆心角但半径不同的圆弧以及这两个圆弧的两端所相连的两线段所围绕而成。在其他实施例中，扇形也可以是由在同一圆上的两条半径与这两条半径所截的一段圆弧所围成的图形。换句话说，上述这两种形式的扇形均囊括在本实施例所涵盖的范围之内。当然，扩大件134、134a、134b的形状可视需求调整，并不以上述为限制。

需说明的是，虽然在图6与图7的实施例中，扩大件134a、134b是封闭的空壳，而未有内板133(标示于图4)配置于其内，但在其他实施例中，扩大件134a、134b也可选择地具有内板133及开口135(标示于图4)，且培养基材140除了配置在扩大件134a、134b的外侧之外，还配置在扩大件134a、134b内的内板133的表面。

图8是依照本发明的另一实施例的一种旋转式生物共培养反应系统100的示意图。请参阅图8，本实施例与图1的实施例的主要差异在于，在图1的实施例中，旋转式生物反应器120的旋转结构130的形状是八角形柱体，旋转结构130沿着转轴122的方向延伸。在本实施例中，旋转式生物反应器120c的旋转结构130c包括以转轴122为轴心而共轴的多层板体136，转轴122串接于这些板体136，培养基材140c铺设于这些板体136的表面。尽管旋转结构130、130c的形式不同，但同样地，这些板体136上的培养基材140c可随板体136转动而交替地使一部分位于槽体110内而浸入溶液112，另一部分位于槽体110之外而不浸入溶液112，而可应用在好氧菌与厌氧菌的共培养上。

也就是说，旋转式生物共培养反应系统100(垂直式整合反应器)是针对sscf所开发出的反应器，反应器槽体主要分为上下两层，上下两个槽体为一连通设计，且于下槽槽体底端设计一出水口，通过泵的运作，可将下层发酵液抽取送回上层槽体内，使发酵液循环于整个系统中。会如此设计，主要为因应两株作为纤维素分解酵素提供者的真菌属好氧菌，需要在有氧的环境中方能生长；而酒精生产菌则为兼性厌氧菌，需在氧气浓度较低的环境下才有较好的生长现象，故特别以上下两个槽体来区分好氧区和厌氧区。反应器上层槽体为好氧区，内置pu载体供真菌生长；下层槽体为厌氧区，酒精生产菌将包埋于褐藻酸钠中以滞留于下层槽体中。发酵程序一开始，将木质纤维素接入反应器的上层槽体中，木质纤维素将可经由真菌所生产的纤维素水解酵素进行水解，水解出的糖类再通过泵的抽取引力来到下层槽体供酒精生产菌利用产生酒精；同样地，上层槽体中的木质纤维素亦会受到泵引力和重力的影响沉降于下层槽体，这些尚未水解完全的木质纤维素基质将可通过泵的作用力带回上层槽体中继续水解，通过这样的循环装置来达到sscf的目的。

以下，列举本发明的实例以更具体对本发明进行说明。然而，在不脱离本发明的精神，可适当地对以下的实例中所示的材料、使用方法等进行变更。因此，本发明的范围不应以以下所示的实例来限定解释。

实例1

下面将提供一种应用于旋转式生物共培养反应系统的制作工艺。在本实施例中，采用的好氧菌为黑曲霉菌(a.niger)以及里氏木霉菌(trichodermareesei)。采用的厌氧菌为格兰氏阴性兼性厌氧菌(zymomonasmobils)。进行共培养的步骤如下：首先，将分别具有黑曲霉菌(a.niger)及里氏木霉菌(trichodermareesei)的孢子液(内含水和108的孢子)以1：1的方式接种于作为培养基材的聚胺酯泡棉上，其中在孢子液中的黑曲霉菌(a.niger)及里氏木霉菌(trichodermareesei)的菌体浓度为2.7x106(spores/ml)。然后，将接种有好氧菌的培养基材配置到旋转式生物反应器的旋转结构的表面上。接着，接种有好氧菌的培养基材于30℃、转速0.1rpm条件下以位于槽体中的真菌培养液(bushnell-haasselectiondmedium，bhsd)(每公升包含5g的羧甲基纤维素(carboxymethylcellulose，cmc)、10g的葡萄糖、0.4g的硫酸镁(mgso4.7h2o)、1g的磷酸氢二铵((nh4)2hpo4)、1g的磷酸二氢钾(kh2po4)、0.02g的氯化钙(cacl2)以及0.04g的氯化铁(fecl3))进行培养了三天后，将槽体内的真菌培养液置换为含有经过蒸气爆炸法或超临界二氧化碳爆破法前处理过的木质纤维素原料(1wt％)以及接种有酒精发酵菌(即zymomonasmobils)的酒精发酵培养液(bushnell-haasselectionwmedium，bhsw)(每公升包含10g的木屑粉(干重)、0.4g的硫酸镁(mgso4.7h2o)、1g的磷酸氢二铵((nh4)2hpo4)、1g的磷酸二氢钾(kh2po4)、1g的硝酸钾(kno3)、0.02g的氯化钙(cacl2)以及0.04g的氯化铁(fecl3))。在酒精发酵培养液中，酒精发酵菌的浓度为od600等于3。

然后，在30℃、转速0.1rpm条件下，共培养24小时。在此期间，每3小时取槽内中部分的酒精发酵培养液，离心并分析酒精发酵培养液中的酒精浓度。

实例2

使用与实例1的类似的方式进行共培养，其差异仅在于实例2中木质纤维素原料的含量为2.5wt％。

实例3

使用与实例1的类似的方式进行共培养，其差异仅在于实例3中木质纤维素原料的含量为5wt％。

在添加1wt％木质纤维素原料(实例1)下，可得酒精产量为0.28g/l，转换率为13.83％(转换率：g酒精/g木质纤维素原料)；在添加2.5％木质纤维素原料(实例2)下，可得酒精产量为0.34g/l，转换率为6.71％；在添加5％木质纤维素原料(实例3)下，可得酒精产量为0.57g/l，转换率为5.63％。

综上所述，本发明的旋转式生物共培养反应系统可在旋转式生物反应器上与槽体的溶液内分别培养对氧气需求迥异的好氧菌与厌氧菌，其中好氧菌能够产生厌氧菌的碳源前驱物的水解酵素。由于溶液内的溶氧浓度低，处于溶液内的厌氧菌可维持厌氧状态。旋转式生物反应器可转动而交替地使一部分位于槽体内而浸入溶液，另一部分位于槽体之外而不浸入溶液。因此，对于位于旋转式生物反应器上的好氧菌而言，当随着旋转式生物反应器位于槽体外而不浸入溶液时，由于位于液面之上，可与空气接触，得到氧气供应；当随着旋转式生物反应器位于槽体内而浸入溶液时，由于位于液面之下，可吸收溶液内的养分。并且，好氧菌所产生的水解酵素可随旋转式生物反应器转动而被带入溶液内，以作为厌氧菌的碳源，以利厌氧菌发酵。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。