适用于需氧发酵的纤维床反应器及其生产l-鸟氨酸方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于发酵工程与过程工程技术领域，具体涉及一种发酵生产L-鸟氨酸的 纤维床反应器及其方法。
【背景技术】
[0002] 纤维床生物反应器（FBB)是由美国俄亥俄州立大学的杨尚天教授等人在改进传 统的填充床反应器（packed bed reactor，PBR)性能的基础上设计出的一种简单、高效的生 物反应器。主要实施方式是将一种改性后的纤维绕成轴状固定于固定化细胞装置中作为固 定细胞的载体，通过恒流泵实现固定化细胞装置与罐中的物质交换，同时利用固定化细胞 装置中的细胞能多次使用的特性，可以进行多批次半连续发酵，该反应器成功用于丙酸的 多批次生产。
[0003] 与传统固定化细胞相比，FBB细胞固定化过程温和，制备方法简单，而且FBB固定 化细胞可以不断更新，死细胞会随着培养基的流动而自动脱落，附着空间被新生细胞替代， 固定化载体上可以一直保持较高的活细胞比例；同时，由于采用了高孔隙率和高比表面积 的纤维材料作为固定化载体，FBB具有更高的传质效率。
[0004] 徐虹等利用这种纤维床反应器实现了多种有机酸的生产；同时对此装置进行改 进，使用萃取分离装置进行耦合，实现了丙酸多批次生产和在线分离，极大的提高了发酵法 生产丙酸的的产率。此外，固定化细胞的可重复利用的特点使得固定化纤维床反应器可以 在单批次发酵的基础上，循环操作，实现多批次发酵生产。但是，在应对工业生产中的实际 问题比如染菌等，这种装置的在实际生产中应变性较差，很难实现真正的连续发酵，同时现 有的纤维床生物反应器主要用于有机酸的发酵，属于厌氧发酵，对需氧发酵过程应用很少。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对上述技术问题提供一种适用于需氧发酵的纤维床反应器及 其生产L-鸟氨酸方法。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
[0007] -种适用于需氧发酵的纤维床反应器，该反应器包括第一搅拌反应器、第二搅拌 反应器、固定化装置、第一补料罐和第二补料罐；
[0008] 所述固定化装置的上部分别与第一搅拌反应器上部和第二搅拌反应器上部相连， 所述固定化装置的下部分别通过恒流泵与第一搅拌反应器下部和第二搅拌反应器下部相 连，从而固定化装置分别与第一搅拌反应器和第二搅拌反应器形成各自的循环回路；
[0009] 所述的第一补料罐通过恒流泵分别与第一搅拌反应器和第二搅拌反应器相连，所 述的第二补料罐通过恒流泵也分别与第一搅拌反应器和第二搅拌反应器相连；
[0010] 所述的第一搅拌装置的下部、第二搅拌装置的下部和固定化装置的下部均设有与 其匹配的通气装置。
[0011] 所述的适用于需氧发酵的纤维床反应器中固定化装置为含有固定化材料的固定 化柱，所述的固定化材料由支撑挡板分割成多层固定于固定化柱中；所述的固定化材料为 植物纤维、动物纤维、金属纤维和合成纤维中的任意一种。
[0012] 上述第一补料罐用于补充发酵培养基；第二补料罐用于补充葡萄糖。
[0013] -种利用上述装置进行细菌需氧发酵生产的方法，该方法包括以下步骤：
[0014] (1)将生产所用菌接入装有种子培养基的第一搅拌反应器中，开启恒流泵和/或 通过通气装置进气口产生的负压使得第一搅拌反应器与固定化装置进行物料循环交换，物 料循环交换的时间为10?15h，从而使得菌体固定于固定化装置中，菌体固定后放出第一 搅拌装置中的种子培养基；
[0015] (2)将第一补料罐中的发酵培养基补充到第一搅拌反应器中，开启恒流泵和/或 通过通气装置进气口产生的负压使得第一搅拌反应器的发酵培养基与固定化装置进行物 料循环交换，通过固定化装置中的菌体进行发酵30?50h，发酵完毕后关闭第一搅拌反应 器与固定化装置循环回路，放出第一搅拌反应器中的发酵液；
[0016] (3)将第一补料罐中的发酵培养基装入第二搅拌反应器中，开启恒流泵和/或通 过通气装置进气口产生的负压使得第二搅拌反应器的发酵培养基与固定化装置进行物料 循环交换，通过固定化装置中的菌体进行发酵30?50h，发酵完毕后关闭第二搅拌反应器 与固定化装置循环回路，放出第二搅拌反应器中的发酵液；
[0017] (4)依次重复步骤（2)和步骤（3)的操作步骤，即为生成L-鸟氨酸的方法。
[0018] 本发明技术方案中，种子培养基的成分为：葡萄糖为20?30g/L，玉米浆为5? 15g/L，酵母膏为 5 ?15g/L，（NH4)2SO4为 10 ?20g/L，MgSO 4 · 7H20 为 1 ?5g/L，KH2PO4为 1 ?5g/L，K2HPO4 · 3H20 为 0· 1 ?lg/L，NaHPO4 · 2H20 为 0· 1 ?lg/L，CaCO3为 5 ?15g/L， 该种子培养基的pH 6?8。
[0019] 本发明技术方案中，葡萄糖为85?95g/L，玉米衆为20?30g/L，（NH4) 2SO4S 30? 40g/L，MgSO4 · 7H20 为 1 ?5g/L，KH2PO4为 0· 5 ?I. 5g/L，K 2ΗΡ04 · 3H20 为 0· 1 ?lg/L， NaHPO4 · 2H20 为 0· 1 ?lg/L，CaCO3为 5 ?15g/L，FeSO 4 · 7H20 为 15 ?25mg/L，MnSO4 · H2O 为15?25mg/L，Biotin为0· 01?0· lmg/L，该发酵培养基的pH 6?8。
[0020] 本发明技术方案步骤（1)中：第一搅拌反应器搅拌的速度为350?500r/min ;物 料循环交换的循环速度为30?80ml/min ;固定化装置中固定化柱的温度为28?32°C，pH 值为6?8。优选步骤（1)中，第一搅拌反应器搅拌的速度为350?400r/min ;物料循环交 换的循环速度为50?60ml/min。
[0021] 本发明技术方案步骤（2)中：第一搅拌反应器搅拌的速度为350?500r/min ;物 料循环交换的循环速度为50?lOOml/min ;发酵的条件是温度为28?32°C，pH值为6? 8〇
[0022] 优选步骤（2)中，第一搅拌反应器搅拌的速度为350?400r/min ;物料循环交换 的循环速度为50?60ml/min。
[0023] 本发明技术方案步骤（3)中：第二搅拌反应器搅拌的速度为350?500r/min ;物 料循环交换的循环速度为50?lOOml/min ;发酵的条件是温度为28?32°C，pH值为6? 8〇
[0024] 优选步骤（3)中，第一搅拌反应器搅拌的速度为350?400r/min ;物料循环交换 的循环速度为50?60ml/min。
[0025] 本发明技术方案在步骤（2)和步骤（3)的发酵过程中，当发酵液中糖的浓度低于 15g/L时，通过第二补料罐向第一搅拌反应器或第二搅拌反应器中补充葡萄糖。
[0026] 本发明技术方案与第一搅拌反应器、第二搅拌反应器和固定化装置匹配通气装置 的通气比为1 :〇. 5?1. 5。
[0027] 本发明所述的 Corynebacterium glitamicml006 于 2010. 3. 12 日保藏于 CGMCC，菌 种保藏号为：NO. 3663。
[0028] 本发明的有益效果：
[0029] 1.生产效率高：固定化反应器应用于L-鸟氨酸的生产，L-鸟氨酸的生产效率可达 I. 2g/L/h，且生产时间缩短5?10个小时，这对发酵生产效率是非常有利的，利用两个反应 器轮流与固定化装置进行反应，减少了反应等待期，消除了等待期菌体活力的损耗，同时减 少了等待期间保藏固定化柱的成本。
[0030] 2.传质效率高：纤维床固定化细胞反应器克服了传统细胞固定方法传质效率低 的缺点，将氧气通入固定化柱中，使固定化柱中氧的传递效率高于传统搅拌式反应器。
[0031] 3.细胞的高效吸附与不断的更新：纤维床反应器中的纤维材料利用自身的网状 结构能够保证大量菌体的高效吸附，同时，与传统固定化方法不同，只有具有高效活力的菌 体才能结合与纤维床上，处于衰退期的菌体活力较差时细胞会自动脱落，保证了纤维床细 胞的活力，可以实现连续多批次固定化发酵生产。
【附图说明】
[0032] 图1为发酵生产L-鸟氨酸纤维床反应器结构示意图。
[0033] 其中，1为第一搅拌反应器，2为第二搅拌反应器，3为固定化装置，4为第一补料 罐，5为第二补料罐，6为恒流泵，7为通气装置。
【具体实施方式】
[0034] 以下通过实施例对本发明作进一步说明，然而，本领域的技术人员容易理解，实施 例所描述的具体的反应器的工作方式，工艺条件和结果仅用于说明本发明，不应当也不会 限制本发明。
[0035] 一种适用于需氧发酵的纤维床反应器，该反应器包括第一搅拌反应器（1)、第二搅 拌反应器（2)、固定化装置（3)、第一补料罐（4)和第二补料罐（5);
[0036] 所述固定化装置（3)的上部分别与第一搅拌反应器（1)上部和第二搅拌反应器 (2)上部相连，所述固定化装置（3)的下部分别通过恒流泵与第一搅拌反应器（1)下部和第 二搅拌反应器（2)下部相连，从而固定化装置（3)分别与第一搅拌反应器（1)和第二搅拌 反应器（2)形成各自的循环回路；
[0037] 所述的第一补料罐（4)通过恒流泵分别与第一搅拌反应器（1)和第二搅拌反应器 (2) 相连，所述的第二补料罐（5)通过恒流泵也分别与第一搅拌反应器（1)和第二搅拌反应 器⑵相连；
[0038] 所述的第一搅拌装置的下部（1)、第二搅拌装置的下部（2)和固定化装置的下部 (3) 均设有与其匹配的通气装置（6)。
[0039] 所述的固定化装置（3)为含有固定化材料的固定化柱，所述的固定化材料由支撑 挡板分割成多层固定于固定化柱中；所述的固定化材料为植物纤维、动物纤维、金属纤维和 合成纤维中的任意一种。
[0040] 上述第一补料罐用于补充发酵培养基；第二补料罐用于补充葡萄糖。
[0041] 与第一搅拌反应器、第二搅拌反应器和固定化装置匹配通气装置的通气比为1 : 0· 5 ?L 5〇
[0042] 在实施方案中所述的种子培养基为：葡萄糖为25g/L，玉米浆为10g/L，酵母膏为 10g/L，（NH 4)2SO4为 15g/L，MgSO 4 · 7H20 为 2. 5g/L，KH2PO4为 lg/L，K 2ΗΡ04 · 3H20 为 0· 5g/L， NaHPO4 · 2H20 为 0. 5g/L，CaCO3S 10g/L，该种子培养基的 pH 7. 6。
[0043] 在实施方案中所述的发酵培养基为：葡萄糖为89g/L，玉米浆为26. 2g/L， (NH4)2SO4为 34. 20g/L，MgSO 4 · 7H20 为 2. 8g/L，KH2PO4为 lg/L，K 2ΗΡ04 · 3H20 为 0· 5g/L， NaHPO4 · 2H20 为 0· 5g/L，CaCO3为 10g/L，FeSO 4 · 7H20 为 18. 30mg/L，MnSO4 · H2O 为 22. 38mg/ L，Biotin 0· 05mg/L，pH 7· 6〇
[0044] 实施例I
[0045] 5L搅拌式反应器以葡萄糖为碳源纤维床固定化细胞发酵生产L-鸟氨酸。
[0046] 以网状植物纤维纱布为固定化材料，将新鲜Corynebacte