一种内置式流动纤维床反应器固定化发酵生产丙酸的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物工程技术领域，尤其涉及一种内置式流动纤维床反应器固定化发 酵生产丙酸的方法。
【背景技术】
[0002] 丙酸在工业生产中都是利用化工方法制备，但石油产品的不可再生和化工方法的 污染性迫使人们寻找新的替代方法，利用徵生物法来生产丙酸是更有利于能源的合理应 用。但是，研究者在利用微生物法产丙酸的研究中发现，由于受到产物浓度抑制、副产物积 累的影响，发酵法生产丙酸的产量很低，还远远达不到工业化生产的要求。所以，目前有许 多研究者致力于发酵法生产丙酸的研究。其中，较为突出的是Yang等人发明了细胞固定化 发酵的纤维床生物反应器（fibrous-bedbioreactor，简称FBB)用于生产丙酸。相比传统 的丙酸游离发酵，纤维床固定化丙酸发酵可以大幅缩短生产周期、提高终产物浓度，有利于 发酵液的后续分离，但外置固定床增加了工业化应用中的成本。
[0003] 本发明将FBB的棉纤维织物等纤维材料作为悬浮载体的填料，在移动床生物膜反 应器（movingbedbiofilmreactor，MBBR)基础上开发出的一种新型高效的内置式移动纤 维床反应器movingfibrous-bedbioreactor(MFBB)。与MBBR的聚乙稀、聚丙稀及涤给材 质、聚氨酯泡沫体等填料相比，棉纤维材料具有较高的载体活性和单位体积固定的细胞数 (细胞密度最高可运70 g/L)，此外，棉纤维材料容易获得，价格便宜，固定化成本低。
[0004] 微生物细胞与吸附载体间的吸附力主要包括静电力、范德华力、路易斯酸碱作用 力、疏水作用力、化学键力。MFBB中的棉纤维在悬浮球中的填充量与FBB相比较少，菌体在 载体上的吸附容易受环境流体剪切力的影响。本发明对棉纤维载体进行化学修饰，加强了 载体与菌体间的吸附力。本发明中的MFBB具有良好的底物、终产物耐受性、高效的糖酸转 化率和生产率等优点，与传统的FBB系统相比，这个新颖的MFBB系统更为简单且易于等比 例工业放大生产丙酸。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供在移动床生物膜反应器（moving bedbiofilmreactor，MBBR)基础上开发一种新型高效的内置式移动纤维床反应器moving fibrous-bedbioreactor(MFBB)，用于替代传统的FBB系统，以减少在工业化应用中的成 本问题。
[0006] 为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案： 一种内置式流动纤维床反应器固定化发酵生产丙酸的方法，包括以下步骤： (1 )、对填充材料进行化学修饰：用一定浓度的NaOH溶液对棉纤维进行碱化处理，碱化 处理后的棉纤维用去离子水漂洗、烘干后用聚丙烯亚胺进行修饰，最后用戊二醛进行交联 处理； (2)、对悬浮球进行填充及处理：将经过步骤（1)修饰后的棉纤维填充在一定数量的悬 浮球内，对填充后的悬浮球进行灭菌处理； (3) 、构建内置式移动纤维床反应器：采用通用发酵罐作为反应器主体，向发酵罐中加 入一定量的液体培养基，将经过步骤（2 )处理的悬浮球加入发酵罐内，通过搅拌使悬浮球处 于流化状态； (4) 、内置式移动纤维床反应器的运行：对预装有培养基和悬浮球的发酵罐进行高温灭 菌，灭菌后趁余热进行通氮气或惰性气体以维持厌氧条件，冷却后接入一定量含有产丙酸 丙酸杆菌的种子液，在30°C，PH7. 0的条件下发酵，每隔4h取样监测0D值变化，待0D值下 降至相对稳定值后取出液体培养基。
[0007] 作为优选，在步骤（1)中，采用浓度为4mol/L的NaOH溶液浸泡棉纤维lh，在去离 子水中充分漂洗、烘干后，在4°C环境中保存。
[0008] 作为优选，在步骤（1)中使用聚丙烯亚胺（PEI)修饰上述煮沸烘干后的纤维，放置 于0.2% (w/v)的PEI水溶液中浸泡2h，用HC1调整溶液pH至7.0,在去离子水中充分漂 洗，烘干，4 °C保存备用。
[0009] 作为优选，使用戊二醛（GA)交联处理经PEI化学修饰的纤维，在含1% (w/v)GA 的0.05mol/L磷酸钾缓冲溶液中（pH7.0)浸泡2h，在去离子水中充分漂洗，烘干，4°C保 存备用。
[0010] 作为优选，在步骤（2)中，将棉纤维填充于悬浮球内，于121°C预灭菌60分钟，并过 夜，同样条件下再灭菌60分钟。
[0011] 作为优选，在步骤（3)中培养基的装入量为发酵罐容积的40%，悬浮球的总体积为 培养基的20%。
[0012] 作为优选，所述培养基以葡萄糖为底物。
[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：在移动床生物膜反应器(movingbed biofilmreactor，MBBR)基础上开发的一种新型高效的内置式移动纤维床反应器moving fibrous-bedbioreactor(MFBB)。与传统的FBB系统相比，该反应器中的固定化细胞发酵 相当稳定，菌种没有出现退化或者污染的情况，该系统操作更为简单且易于等比例工业放 大扩大。
【附图说明】
[0014] 图1为移动纤维床固定化生物反应器装置图。
[0015] 图2为产丙酸丙酸杆菌游离细胞间歇发酵生产丙酸的情况示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做一个详细的说明。图1为移动纤维床固 定化生物反应器装置图。图2为产丙酸丙酸杆菌游离细胞间歇发酵生产丙酸的情况示意 图。表1为游离细胞和MFBB固定化细胞间歇发酵生产丙酸的情况比较表。
[0017] -种内置式流动纤维床反应器固定化发酵生产丙酸的方法，包括以下步骤： (1)、对填充材料进行化学修饰： 1)、将小块的涤纶纤维置于浓度为4mol/L的NaOH溶液中浸泡1h，在去离子水中充分 漂洗，烘干，4°C保存备用； 2)、使用聚丙烯亚胺（PEI)修饰上述煮沸烘干后的纤维，放置于0.2% (w/v)的PEI水 溶液中浸泡2h，用HC1调整溶液pH至7. 0,在去离子水中充分漂洗，烘干，4°C保存备用； 3)、使用戊二酸（GA)交联处理经PEI化学修饰的纤维，在含1% (w/v)GA的0. 05mol/L磷酸钾缓冲溶液中（pH7.0)浸泡2h，在去离子水中充分漂洗，烘干，4°C保存备用。
[0018] 本例，经过PEI和GA修饰后，棉纤维载体的吸附能力较强，其中经PEI和GA联合 修饰后的棉纤维织物上的细