专利名称：减压下的发酵工艺的制作方法
减压下的发酵エ艺在本领域中已熟知发酵エ艺。发酵エ艺用于生产许多不同成分，例如酸，包括乳酸、醋酸、丙酸和丁ニ酸，醇类，例如こ醇、丙醇、丁醇和丁四醇，以及大量生物来源的其他成分，例如维生素。在本领域中存在改进发酵エ艺的持续需求。本发明现提供改进的发酵エ艺，其解决了与本领域中已知的多种发酵エ艺相关的许多问题 。本发明是关于发酵エ艺，其中在发酵条件下，碳水化合物源与微生物于水性发酵液中接触来形成发酵产物，其为盐或具有高于水沸点的沸点的产物，其中发酵エ艺在一定压カ下实施，该压カ低于大气压且至少处于在发酵温度下反应介质处于其沸点的数值下，伴随发酵过程中水从反应器中蒸发及移除，数量为发酵起始时反应器中存在的液体体积的至少20%。本发明的关键在于发酵エ艺在减压下实施，也就是说，在低于大气压的压カ下实施，导致大量水的蒸发及移除。压カ下限的限制条件为考虑到在发酵条件下，反应介质应处于液体状态。这意味着在发酵温度下，压カ应当使得发酵介质处于或高于其沸点温度。这将在下文中更详细地讨论。根据本发明的发酵エ艺具有许多优点。本发明的一个特征在于其解决了与本领域已知的一些发酵エ艺相关的过剩水的问题。在发酵エ艺中进料源，通常为碳水化合物源，与水一井添加至反应器中，例如以溶解的方式。此外，可以不时添加额外的物流，例如PH调节剂，又是以水溶液的形式。这可能导致形成稀产物流，这可能需要水移除步骤的采用，例如，在该エ艺过程中。然而，这存在许多缺陷。首先，移除反应介质，这可能与液体产物的移除相关，导致该エ艺中的收率损失。其次，当发酵过程中或发酵后移除水的体积大吋，需要使用大型设备，这本身是昂贵的。因此，存在对以节省成本的方式減少发酵罐中过剩水的发酵エ艺的需求。目前发现可以通过在减压进行发酵以精巧的方式来解决该问题。压カ的减小导致水蒸发增強，随后移除水，且由此产物流更加浓縮。根据本发明的エ艺的另ー优点在于发酵过程中产生的热量的移除。通常地，在恒温下实施发酵エ艺。需要从系统中移除发酵过程中产生的热量。在根据本发明的エ艺中，真空的应用造成液体的蒸发，且导致热量从系统中移除。因此，根据本发明的エ艺的优点在于其減少了在发酵エ艺过程中移除所产生的热量的需求。为了保持发酵温度处于期望值，可能需要给系统提供额外的热量。当采用低质量废热来提供额外的热量时，可以用高效流程的方式来实施根据本发明的エ艺。合适的低质量废热可源自发酵エ艺本身，源自生产过程中进ー步的浓缩步骤，或源自其他可利用的来源。因此，在一个实施方案中，可给根据本发明的エ艺提供低质量的废热。在本说明书上下文中，措辞低质量废热是指热量源自具有低于100°C，更特别地低于70°C温度的热效用流。使用具有发酵温度以上5至25°C，更特别地5至15°C的供应温度的物流特别有吸引力。注意到本领域中所描述的发酵エ艺，其中施加减压来移除具有比水高的挥发性的反应产物，并在其中将共蒸发的水部分冷凝，且回流至反应容器，例如，采用冷凝器。技术人员显而易见，本说明书提及水被移除，意味着其确实被移除，而不是蒸发、冷凝或直接回流至反应器。本发明另外的特征是相较于水通过其他方式，如分流来移除的发酵系统，可获得的发酵产物的产量增加。可寻求每克底物产生的预期产物的产量以及每升发酵介质产生的预期产物的产量两者之一或共同的増加。这是由于通过减压作用导致的蒸发来移除过剩水，不伴随发酵产物的移除，而通过其他方式的移除，例如，作为分流来移除过剩水则相反。另外，由于在根据本发明的エ艺中水是通过蒸发移除，所以从反应器移除的水流可不需要领外的純化。此外，已发现本发明的エ艺可获得改善的发酵品质。不希望受限于任何理论，猜测减压的应用可能导致低沸点污染物的蒸发，该污染物抑制微生物或导致最终产物具有臭味、异味或其他不良的特性。本发明的エ艺可应用于形成盐或具有高于水沸点的沸点的发酵产物。如果发酵产
物具有低于水沸点的沸点，它将在减压条件下随着水蒸发并移除。这没有解决本发明的基本问题，即提供具有減少的水含量及増加的产物产量的发酵液。根据本发明的エ艺在多种类型的发酵エ艺中得到应用。已发现其特别适用于在厌氧条件下实施的发酵エ艺。通过根据本发明的エ艺可生产的合适产物包括有机酸(或其盐)，例如乳酸、醋酸、丙酸和丁ニ酸，醇类，例如丁醇和丁四醇，以及大量生物来源的其他成分，例如维生素。优选以有机酸为主要产物的生产，特别优选乳酸和丁ニ酸(或其盐)的生产。本发明的エ艺中，希望发酵产物或发酵的目的产物，也表示为主要发酵产物，是盐和/或具有高于水沸点的沸点的产物。也就是说，它们以液体或固体形式留在发酵介质中。这不排除形成副产物，其不是盐或具有低于水沸点的沸点的产物，且由于真空的应用，因此在发酵エ艺过程中将其全部或部分移除。以每克转化底物产生的产物克数来计算，主要发酵产物的总产量通常将至少为20wt. %，特别地，至少为30wt. %，更特别地至少为50wt. %。根据发酵的性质，以每克转化底物产生的产物克数来计算,主要发酵产物的总产量可至少为60wt. %，有时至少为80wt. %，更特别地至少为80wt. %，或甚至至少为90wt. % ο注意到本发明并不指向目标在于生产こ醇的发酵エ艺，其中以转化底物的量来计算，こ醇和ニ氧化碳的总量占产物的70wt. %或更多。注意到本发明不指向以氢为主要产物的发酵エ艺。如上所讨论的,发酵在低于大气压的压カ下实施。エ艺可实施的最低压カ由发酵温度来決定。压カ应至少使得发酵介质处于或低于其沸点。如果发酵介质的温度高于其沸点，发酵介质将汽化，且温度将下降直至介质处于其沸点。換言之，根据本发明的エ艺的最低压カ是在发酵温度下液体的蒸汽压。反应介质的沸点是液体的蒸汽压与液体周围的环境压カ相等时的温度。沸腾是液体中的所有分子变为汽化状态的过程，导致液体中形成气泡。沸点也可表示为饱和温度，即在给定压力下液体充满热能，且在其中添加任何能量将导致状态转换时的温度。发酵将在根据具体情况选择的发酵温度下进行。考虑的情况包括期望产物的最大产量和最高转化率。技术人员能够选择合适条件。温度在发酵エ艺中可变化，例如在エ艺初期的生长和接近エ艺结束的产量。这可能导致发酵压カ的变化。附帯地，应注意到，令人惊讶的是发现了在发酵介质沸腾的压カ下实施本发明的エ艺的可能性。显然，微生物未受到被沸腾介质包围的有害影响。因此，选择压カ以便水状发酵介质在发酵实施的温度下沸腾是本发明的特殊实施方案。应用于根据本发明的エ艺的压カ是低于大气压的，相较于在大气压下实施的エ艺增强了水蒸发。例如，压カ可在20mbar至950mbar之间，更特别地在40至500mbar之间选择。根据本发明的エ艺，发酵过程中水从反应器中蒸发及移除，数量为发酵起始时反应器中存在的液体体积的至少20%。如果移除的水数量更少，则所获得的与本发明相关的优点可能无法均衡到与此相关的成本的程度。所期望移除的水数量将依赖于ー些特征。一个特征是底物蒸汽的浓度。如果所提供的底物是以相对稀释的形式，例如，对于纤维素水解 产物，则相较以更浓缩形式提供的底物而言，期望其移除更多的水。如果在发酵过程中添加稀释流体，例如，pH调节剂的稀释流体诸如碱，那么相较不提供这样的流体或提供更浓缩的流体而言，期望其移除更多的水。移除水数量的上限将取决于残留在反应器中的水数量。这应该足以合适地混合反应物。考虑到上述情况，技术人员能够决定移除水的合适量。根据这些不同參数，在发酵过程中移除的水量可为发酵起始时反应器中存在的液体体积的至少40%，更特别地为至少50%。在向反应器提供稀释的底物流或其他液体的情况下，水量可更高，例如，至少75%，或在一些情况下至少100%。一般地，通过选择减压的时间以及提供给发酵介质的热量来调节根据本发明的エ艺中移除的水量。考虑到上述情况，技术人员能够选择发酵条件以便移除期望的水数量。在本发明的一个实施方案中，在发酵过程中添加水，同样将在下文详细讨论。在这个实施方案中，使得通过蒸发从反应器中移除的水体积为发酵过程中添加的全部水的至少I %，特别地至少5%，更特别地至少10%的压カ是优选的。在这实施方案中，移除的水体积通常为发酵过程中添加的全部水的至多50%。在一些发酵エ艺或补料分批エ艺中，于发酵过程中添加水溶液，例如添加pH控制齐U。在这些エ艺中，水的移除可具有特别的重要性，因为在ー些情况下，发酵过程中添加的水数量相当可观。作为实例可提及的情况是，高浓度底物抑制发酵，但产物却不会抑制，例如由于它是固体。在一个实施方案中，本发明是关于生产包含盐或酸的产物的发酵エ艺。在这些发酵エ艺中，微生物生产酸，并将碱性溶液添加至发酵介质中来保持pH值在待生产的微生物所需的范围内，将全部或部分酸转化为其相应的盐。添加碱可能伴随添加大量不合需要的水。通过根据本发明的エ艺可生产的酸包括羧酸，特别地，羧酸选自由具有2-8个碳原子的单_、ニ -以及三羧酸构成的组。实例包括乳酸、丙酸、柠檬酸、苹果酸、马来酸、富马酸、己ニ酸、丁ニ酸、酒石酸、α -酮戊ニ酸、草酰こ酸、醋酸以及丙烯酸，或其盐。在这里，优先考虑g在生产乳酸或丁ニ酸或其盐的发酵エ艺。在根据本发明的一个实施方案中，采用的发酵程序瞄准的产物是以其盐的形式，或具有高于水的沸点，同时主要副产物具有低于水的沸点。在这情况下，减压实施发酵确保了移除大量不合需要的副产物。这种类型发酵的实例可为混合酸发酵，酸，特别是乳酸的形成伴随こ醇的产生。如上所讨论的，发酵过程中酸的形成导致pH降低。为了克服此问题并保持pH值在微生物可生存的范围内，在发酵过程中一般添加碱性溶液。合适的碱性溶液含有包含钙(氢)氧化物、碳酸钙、碳酸氢钙、镁(氢)氧化物、氢氧化钠、氢氧化铵、氢氧化钾、碳酸镁、碳酸氢钠、碳酸氢钾中的ー种或多种的溶液。根据碱的可溶性，上述提及的碱性溶液可为真溶液，意为碱完全溶解且溶液不含有固体成分。然而，碱性溶液也可为悬浮液，即除了溶解的碱外还含有固体颗粒。在本说明书中措辞溶液意为包含这两种含义。通常地，以添加有效量的碱性溶液来控制发酵液的pH在大约3至9之间，更特别地在5. 5至大约7. O之间。已发现镁盐溶液，特别是氢氧化镁溶液，必须相对地稀释以容许适当的泵送。因此，在这种情况下，由于添加了相对大量的水，碱性溶液的浓度将相对低。因此，在一个实施方案中，本发明是关于发酵生产酸的エ艺，用镁盐的碱性溶液来保持pH在预期范围内。乳酸的生产是本发明的优选实施方案。因此，在一个实施方案中，本发明是关于生产乳酸的エ艺，其中在发酵条件下，使碳水化合物源与适于生产乳酸的微生物在水性发酵液中接触来形成乳酸发酵产物，同时在发酵过程中添加碱性溶液至发酵液中来保持PH在预期范围内。本领域中已熟知发酵乳酸生产。下文说明仅作一般性阐述。碳水化合物源，如乳酸生产中的碳水化合物源一般包含植物来源例如生物废弃物、木头、麦杆等的水解产物中的ー种或多种糖、(液化)淀粉、糖浆或干酪乳清、葡萄糖、果糖或半乳糖，或ニ糖如蔗糖或乳糖，己糖和戊糖。合适的微生物包括乳酸杆菌属(Lactobacillus sp.),例如德氏乳杆菌(L. delbrueckii)、凝结芽抱杆菌(Bacillus coagulans)、嗜热淀粉芽抱杆菌(Bacillusthermoamylovorans)、史氏芽胞杆菌(Bacillus smithii)、嗜热脂肪地芽孢杆菌(Geobacillus stearothermophiIus)以及大肠杆M (Escherichia Coliノ。每种微生物具有其特有的最适pH和温度范围。所采用的压カ取决于微生物的最适温度。如果需要，发酵エ艺过程中可添加酶来帮助碳水化合物源转化为能被微生物加工的化合物。技术人员能够选择合适的底物、微生物以及反应条件的组合来获得适于应用在本发明中的发酵エ艺。在本发明的一个实施方案中，发酵是同时糖化及发酵(SSF)的エ艺，其中补给与微生物和酶接触。在同时糖化及发酵的エ艺中，低值的进料源经酶加工来生产糖，同时采用微生物将糖发酵为最終发酵产物，例如，乳酸。已发现对减压发酵而言，SSFエ艺是有吸引力的候选者，因为在这个エ艺中，通过挥发作用从系统中移除了至少部分由酶反应产生的不合需要的副产物。
低值的进料源可选自淀粉及淀粉的部分水解产物，后者也被称为液化淀粉、麦芽糊精或麦芽低聚糖。可添加至发酵介质中的合适酶包括ー种或多种α-淀粉酶或葡糖淀粉酶或支链淀粉酶。可选地，低值的进料源可选自含有纤维素的原料，例如生物废弃物。在这种情况下，合适的酶包括纤维素酶。因此，在一个实施方案中，本发明是关于生产乳酸或其盐的方法，其中低值的进料源经同时糖化及发酵的过程，该方法包括在含有至少能够将低值的进料源转化为糖成分的酶的介质中进行低值的进料源的糖化，和同时采用微生物发酵糖成分，以及可选地从介质中分离乳酸，其中发酵エ艺在一定压カ下实施，该压カ低于大气压且至少处于在发酵温度下反应介质处于其沸点的数值下。为进ー步获得合适的SSFエ艺，特别是这样的エ艺的信息，其低值的进料源选自淀粉以及淀粉部分水解产物，后者也被称为液化淀粉、麦芽糊精或麦芽低聚糖，且可添加至发酵介质的合适酶包括ー种或多种α-淀粉酶或葡糖淀粉酶或支链淀粉酶，可參考文献W003095659，其公开内容并入本申请中作參考。通常地，减压的应用不影响发酵的特性及条件。因此，本发明可应用到任何期望减 少发酵产物的水含量并增加产物产量的发酵エ艺中。技术人员能够决定特定的发酵程序是否可适当调整来应用于本发明。不需要作进ー步的阐述。本发明将通过下述实例来阐述，不受此或由此限制。实施例I7升搅拌发酵罐具有连接至顶部空间的外冷凝器。采用低温恒温器将冷凝器保持在4°C。发酵罐及冷凝器可用真空泵抽空。在发酵罐中，制备的发酵介质含有1000克蔗糖及2700克脱盐水。添加磷酸氢ニ铵和硫酸铵作为氮源。按本领域常规添加维生素及痕量元素。将生产乳酸的微生物的10%接种物添加至发酵介质，并将发酵介质带至55°C的反应温度中。微生物生产乳酸。持续监测介质的PH值并通过添加氢氧化镁悬浮液来保持pH值为6.4。24小时后，发酵介质上的压カ下降至压カ值为120mbar。发酵介质的温度保持为55°C。观察到发酵过程中发酵介质沸腾。然而，乳酸生产曲线似乎与在大气压条件下的发酵相当。在6小时内，蒸发了 1800ml水并在外冷凝器中冷凝。发酵物留下来继续发酵。当所有糖消耗完毕时，发酵液体积为3200ml。相较通常的大气压下的发酵，减压实施发酵导致发酵液体的体积减少了差不多50%。此外，以每升最终发酵液产生的固体乳酸镁克数来计算，发现发酵的产量增加。在这实例中，以发酵初期反应器中存在的液体体积来计算，发酵过程中从反应器中蒸发及移除的水量为67%。实施例270升不锈钢搅拌发酵罐具有外部平板和框架冷凝器以及连接至顶部空间的冷凝液收集器。发酵罐及冷凝器能用可变驱动的薄膜真空泵来抽空。发酵罐为双重壁，并采用加热水将其保持在期望温度。在发酵罐中，制备的发酵介质含有18kg蔗糖和50L脱盐水。添加磷酸氢ニ铵和硫酸铵作为氮源。按本领域常规添加维生素及痕量元素。将生产乳酸的微生物的5. 8L接种物添加至发酵介质，并将发酵介质带至55°C的反应温度中。微生物生产乳酸。持续监测介质的PH并通过添加20. 7wt%的氢氧化镁悬浮液来保持pH值为6.4。18小时后，发酵介质上的压カ下降至压カ值为110_125mbar。通过连接至真空泵的数字真空计保持该压カ。通过连接至加热水浴的温度传感器来使发酵介质的温度保持为55°C。采用冷却水将冷凝器保持在20°C。观察到发酵过程中发酵介质沸腾。添加IOOml消泡剂来減少泡沫。14小时后，已蒸发了 32L水并在外冷凝器中冷凝。乳酸生产曲线保持与在大气压条件下的发酵相当。当所有糖消耗完毕时，发酵液体积为66し相较通常的大气压下的发酵，减压(真空)实施发酵导致发酵液的液体体积减少了大约43%。以每升最终发酵液产生的固体乳酸镁克数来计算，发现发酵的产量增加。减压实施的发酵エ艺与在大气压条件下实施的类似エ艺生产的乳酸盐总量相当。在这个实施例中，以发酵初期反应器中存在的液体体积来计算，发酵过程中从反应器中蒸发及移除的水量为64%。权利要求
1.发酵工艺，其中在发酵条件下，使碳水化合物源与微生物于水性发酵液中接触来形成发酵产物，其为盐或具有高于水沸点的沸点的产物，其中所述发酵工艺在一定压力下实施，该压力低于大气压且至少处于在发酵温度下反应介质处于其沸点的数值下，伴随所述发酵过程中水从反应器中蒸发及移除，数量为所述发酵起始时在所述反应器中存在的液体体积的至少20%。
2.根据权利要求I所述的发酵工艺，其中选择所述压力以便所述水性发酵液在进行发酵的温度下沸腾。
3.根据上述权利要求中任一项所述的发酵工艺，其中在所述发酵过程中添加水，并且选择所述压力以便从所述反应器中蒸发及移除的水体积为在所述发酵过程中添加的水总量的至少I %，特别地至少5 %，更特别地至少10 %。
4.根据上述权利要求中任一项所述的发酵工艺，其中在发酵条件下，使碳水化合物源与微生物于水性发酵液中接触来形成酸发酵产物，同时在发酵过程中将碱性溶液添加至所述发酵液中来保持PH在预定的范围内。
5.根据权利要求4所述的发酵工艺，其中所述酸发酵产物包含一种或多种选自由具有2-8个碳原子的单_、二-以及三羧酸构成的组的羧酸，特别地为乳酸、丙酸、柠檬酸、苹果酸、马来酸、富马酸、己二酸、丁二酸、酒石酸、a-酮戊二酸、草酰乙酸以及醋酸，或其盐。
6.根据权利要求5所述的发酵工艺，其中所述酸发酵产物包含乳酸或丁二酸或其盐。
7.根据权利要求6所述的发酵工艺，其中所述酸发酵产物包含乳酸或其盐。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的发酵工艺，其中所述碱性溶液包含(氢)氧化钙、碳酸钙、碳酸氢钙、(氢)氧化镁、氢氧化钠以及氢氧化钾中的一种或多种，特别是氢氧化镁。
9.根据上述权利要求中任一项所述的发酵工艺，其中所述发酵工艺为同时糖化及发酵的工艺，其中使进料与微生物和酶接触。
全文摘要
本发明是关于发酵工艺，其中在发酵条件下，碳水化合物源与微生物于水性发酵液中接触来形成发酵产物，其为盐或具有高于水沸点的沸点的产物，其中该发酵工艺在一定压力下实施，该压力低于大气压且至少处于在发酵温度下反应介质处于其沸点的数值下，伴随该发酵过程中水从反应器中蒸发及移除，数量为发酵起始时反应器中存在的液体体积的至少20％。已经发现在减压条件下进行发酵工艺同时移除大量水具有许多优点。这解决了系统内具有过剩水的问题，可确保反应热量的移除，并可引起发酵品质的改善。
文档编号C12P7/56GK102666861SQ201080045842
公开日2012年9月12日 申请日期2010年10月14日 优先权日2009年10月14日
发明者J·范布勒格尔, P·P·詹森, W·J·赫罗特 申请人:普拉克生化公司