專利名稱：一種直接通氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生物工程和化學工程領域，特別涉及一種直接通氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法。
背景技術：
木糖酸作為一種新興的生物基平臺化學品，可廣泛就用于生產水泥減水劑、分散齊U和緩釋劑、混凝土黏接劑、增塑劑、玻璃清洗劑、冶金除銹劑、金屬離子螯合劑、殺蟲劑、紡織助漂劑、冰爽粘膠纖維混紡等產，是木糖高效生物轉化與利用的一條新出路。目前，利用氧化葡萄糖酸桿菌等微生物的全細胞催化轉化木糖制取木糖酸的產品質量濃度可達到30%，糖利用率和轉化率均超過98%，單位體積生產率達到3.6 g/ (L.h)，屬木糖生物轉化領域很高的生產水平(CN201210191920.7)。微生物全細胞催化的本質就是利用定位于細胞膜上的木糖脫氫酶和S-木糖內酯水解酶的催化作用將木糖脫氫、水化生成木糖酸，它需要細胞質膜上的電子傳遞鏈所驅動的輔酶NADH或NADPH的氧化再生系統(tǒng)來支撐，最終由分子氧來驅動，因此需要高強度的供氧和耗氧。一般大多數(shù)的微生物好氧反應過程，包括全細胞催化制取木糖酸的都采用在高強度的攪拌條件下向反應體系中連續(xù)通入大量無菌空氣和同時排出廢氣來實現(xiàn)有效地供氧。但是，當反應體系的木糖或木糖酸的濃度高達30%以上時，受細胞、糖及糖酸的粘度及大通風量的影響就會導致嚴重的泡沫問題，即使使用較大用量的消泡劑也存在著溢罐的風險。這種現(xiàn)象在含有更多復雜組份，如膠質、木質素、脂類提取物的木質纖維素水解液的木糖催化過程中會進一步惡化，給生產操作和產品品質帶來嚴重的影響。

發(fā)明內容

發(fā)明目的:針對現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種直接通氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法，可完全消除反應過程中的泡沫生成并且顯著提高產品的濃度和產率。技術方案:為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
一種直接氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法，包括以下步驟:
(I)先向木糖液體深層反應體系中直接通入氧氣置換空氣，再接入生物催化劑，密封反應體系，通氧加壓，攪拌全細胞催化木糖生產木糖酸；
(2 )采用半連續(xù)或連續(xù)分批添料向反應體系中添加木糖或木糖溶液，控制反應體系中的木糖質量濃度不高于25%，以中和劑同步調控pH值不低于2.8 ；
(3)反應體系中的木糖酸濃度達到59(T600g/L和木糖濃度低于lg/L時，停止通氧和攪拌，開啟反應體系，獲得木糖酸產品。其中，氧氣的純度不低于90%，反應體系的壓力為0.01、.10 MPa，反應中不需加入消泡劑。所述的反應體系采用碳酸鹽為中和劑，在反應過程中實時監(jiān)測反應體系廢氣中的二氧化碳濃度；當二氧化碳的濃度超過5%時，降低攪拌強度，開啟反應體系排空閥卸至常壓，通過氧氣置換反應體系內的廢氣，然后重新密封反應體系和恢復攪拌強度繼續(xù)反應。所述反應體系中的底物為含有木糖或任意組合型反應底物,其中，初始單糖質量濃度為5 15%。所述反應體系初始pH 5.(Γ7.5。所述的生物催化劑為氧化葡萄糖酸桿菌的細胞、或含有該細胞的反應體系、或以該細胞為宿主菌的基因重組菌株、或以它為出發(fā)菌株的基因改良菌株；細胞濃度為OD6tltol =1.0
所述的木糖酸產品為含有木糖酸或木糖酸鹽及任意組合的產品。所述CO2占反應體系廢氣中的濃度含量達到5%時，降低攪拌轉速至5(Tl00r/min，開啟反應罐廢氣排放閥門，通過氧氣置換反應體系co2。本發(fā)明的直接通氧加壓的木糖全細胞催化高效生產木糖酸的方法，通過調控反應體系的物質組成及工藝條件可使氧化葡萄糖桿菌處于靜息細胞狀態(tài)以催化木糖生成木糖酸，即細胞只將木糖轉化生成木糖酸，而不將木糖酸引入到下游的分解代謝途徑。在催化反應過程中細胞基本上不會將木糖的碳骨架分解脫羧基生成二氧化碳，所供給的氧都作為細胞電子傳遞鏈末端的電子最終受體轉變生成氧負離子，或者與質子氫結合生成水，即木糖酸全細胞催化反應本身無二氧化碳等廢氣生成。利用上述生物反應機制，可采用高純度的氧氣加壓(密封)的操作方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開放式通風操作。當氧氣用于木糖催化氧化而消耗時反應體系的氣壓降低，具有一定壓力的氧氣源就會自動補給并維持壓力，最終使整個細胞催化反應的供氧達到自動平衡。直接通氧加壓的生產方法不僅有效地提高傳氧效率和顯著減少通風量，進而提高木糖催化轉化生成木糖酸的反應速率和反應濃度，更為重要的是通過對反應體系的密封和加壓基本上完全消除泡沫現(xiàn)象，使生產操作和控制簡單，容易實現(xiàn)自動化操作；同時 顯著提高了產品的濃度和避免的消泡劑等雜質引入。由于在木糖酸的生成會導致反應體系的pH值逐漸下降，為了中和木糖酸就必須在反應體系中添加喊性中和劑以維持pH值在2.8以上，并且以碳酸鹽如碳Ifef丐為最佳。碳酸鹽中和反應會生成二氧化碳，至一定濃度時需要引出反應體系以保證工人操作的安全性和防止泄漏中毒。因此，在反應體系中實時監(jiān)測二氧化碳的濃度。有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明利用直接通氧加壓的方法，可完全消除生產過程中因直接通風所造成的嚴重泡沫問題，不需要添加消泡劑，大大簡化了產品精制工序和提聞了廣品品質；聞濃度供氧使木糖酸的廣品濃度和單位體系廣率分別提聞50%和66%,廣品木糖酸濃度達到600 g/L，木糖利用率高于98%。


圖1是半連續(xù)式分批加料條件下直接通氧加壓制取木糖酸的反應歷程圖；圖中，橫座標表示反應時間(h)，主縱座標表示木糖和木糖酸的濃度(g/L)，次縱座標表示木糖酸的單位體積產率(g/(L.h))；
圖2是常規(guī)通風制取木糖酸的兩種反應歷程圖；圖中，橫座標表示反應時間(h)，主縱座標表示木糖和木糖酸的濃度(g/L)，次縱座標表示木糖酸的單位體積產率(g/(L.h))。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明。實施例1
在3.0L機械通風式反應罐中，加入1.0L木糖液至初始單糖濃度為150g/L，加入40g/L碳酸鈣調節(jié)反應體系ρΗ5.(Γ7.5，啟動攪拌轉速為500r/min，接入活化后的氧化葡萄糖酸桿菌至細胞濃度為OD6tltlnm=L O。開啟廢氣排放閥，直接通入氧氣(體積濃度不低于90%) 10分鐘以置換反應體系中的空氣，然后密閉反應體系進行催化反應。調節(jié)氧氣源供氧壓力至反應體系的內部氣壓維持在0.0Γ0.1OMPa0實時監(jiān)測反應體系CO2的濃度，至CO2占反應體系廢氣中的濃度含量達到5%(體積t匕)時降低攪拌轉速至80r/min，開啟反應罐廢氣排放閥門，通過氧氣5 15min以置換反應體系CO2，重新密閉反應體系繼續(xù)反應。監(jiān)測反應體系中的木糖濃度和pH值，采用分批添料的方式補加木糖和碳酸鈣，維持木糖濃度不超過25%和pH不低于2.8。至反應體系中的木糖酸濃度達到59(T600g/L和木糖濃度低于lg/L時，停止通氧和攪拌，開啟反應體系獲得產品木糖酸溶液。比較半連續(xù)式分批加料條件下直接通氧加壓與常規(guī)通風制取木糖酸的反應歷程，如圖1和圖2所示可見:兩種方法的木糖利用率均達到98%以上。但是，采用直接通氧加壓方法可以將產品木糖酸的最終濃度由400g/L提高至600g/L，在400g/L木糖酸產品濃度值時的生產時間由104h縮短至60h，對應的單位體積生產率由3.85g/(L.h)提高至6.67g/(L.h)，提高幅度達到73.3%。同時，采用直接通氧加壓的方法，可完全消除常規(guī)直接通風反應過程中存在的嚴重泡沫問題，不需要添加消泡劑，大大簡化了產品精制工序和提高了產品品質。實施例2
在100 L機械通風式反應罐中，加入60 L木糖液至初始單糖濃度為100g/L，加入35g/L碳酸鈣調節(jié)反應體系pH 5.(Γ7.5，啟動攪拌轉速為500r/min，接入活化后的氧化葡萄糖酸桿菌至細胞濃度為OD6tltol = 1.0。開啟廢氣排放閥，直接通入氧氣(體積濃度不低于90%)15分鐘以置換反應體系中的空氣，然后密閉反應體系進行催化反應。調節(jié)氧氣源供氧壓力至反應體系的內部氣壓維持在0.0Γ0.03MPa。實時監(jiān)測反應體系CO2的濃度，至CO2占反應體系廢氣中的濃度含量達到5%(體積t匕)時降低攪拌轉速至50r/min，開啟反應罐廢氣排放閥門，通過氧氣置換15min排出反應體系CO2，重新密閉反應體系繼續(xù)反應。監(jiān)測反應體系中的木糖濃度和pH值，采用分批添料的方式補加木糖和碳酸鈣，維持木糖濃度不超過20%和pH不低于2.8。反應至62h時，體系中的木糖酸濃度達到400g/L，對應的單位體積生產率達到6.40g/ (L.h)，較常規(guī)通風操作提高66.2% ;反應至147h時，產品木糖酸濃度達到598g/L，木糖濃度低于lg/L，停止通氧和攪拌，開啟反應體系獲得產品木糖酸溶液。 在直接通氧加壓反應過程中無泡沫現(xiàn)象產，不需要添加任何消泡劑。
權利要求
1.一種直接氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法，其特征在于，包括以下步驟: (I)先向木糖液體深層反應體系中直接通入氧氣置換空氣，再接入生物催化劑，密封反應體系，通氧加壓，攪拌全細胞催化木糖生產木糖酸； (2 )采用半連續(xù)或連續(xù)分批添料向反應體系中添加木糖或木糖溶液，控制反應體系中的木糖質量濃度不高于25%，以中和劑同步調控pH值不低于2.8 ； (3)反應體系中的木糖酸濃度達到59(T600g/L和木糖濃度低于lg/L時，停止通氧和攪拌，開啟反應體系，獲得木糖酸產品； 其中，氧氣的純度不低于90%，反應體系的壓力為0.0f0.10 MPa，反應中不需加入消泡劑。
2.根據(jù)權利要求1所述的直接氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法，其特征在于:所述的反應體系采用碳酸鹽為中和劑，在反應過程中實時監(jiān)測反應體系廢氣中的二氧化碳濃度；當二氧化碳的濃度超過5%時，降低攪拌強度，開啟反應體系排空閥卸至常壓，通過氧氣置換反應體系內的廢氣，然后重新密封反應體系和恢復攪拌強度繼續(xù)反應。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的直接氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法，其特征在于:所述反應體系中的底物為含有木糖或任意組合型反應底物，其中，初始單糖質量濃度為5 15%。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的直接氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法，其特征在于:所述反應體系初始pH 5.(Γ7.5。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的直接氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法，其特征在于:所述的生物催化劑為氧化葡萄糖酸桿菌的細胞、或含有該細胞的反應體系、或以該細胞為宿主菌的基因重組菌株、或以它為出發(fā)菌株的基因改良菌株；細胞濃度為OD6tltlnm =1.0。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的直接氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法，其特征在于:所述的木糖酸產品為含有木糖酸或木糖酸鹽及任意組合的產品。
7.根據(jù)權利要求2所述的直接氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法，其特征在于:所述CO2占反應體系廢氣中的濃度含量達到5%時，降低攪拌轉速至5(Tl00r/min，開啟反應罐廢氣排放閥門，通過氧氣置換排出反應體系C02。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接通氧加壓的木糖全細胞催化生產木糖酸的方法，在攪拌條件下，向木糖液體深層反應體系中直接通入氧氣置換出空氣，再接入氧化葡萄糖酸桿菌，密封反應體系以氧氣加壓至0.01~0.10MPa進行全細胞催化木糖生產木糖酸。監(jiān)測反應體系因中和反應所生成的二氧化碳含量。當廢氣中二氧化碳的濃度超過5%時，降低攪拌強度，開啟反應體系并通過氧氣置換出反應體系內的廢氣，然后重新密封反應體系和恢復攪拌強度繼續(xù)反應。該方法可完全消除生產過程中因直接通風所造成的嚴重泡沫問題，不需要添加消泡劑，大大簡化了產品精制工序和提高了產品品質；高濃度供氧使木糖酸的產品濃度和單位體系產率分別提高50%和66%，產品木糖酸濃度達到600g/L，木糖利用率高于98%。
文檔編號C12P7/58GK103215317SQ201310167758
公開日2013年7月24日 申請日期2013年5月9日 優(yōu)先權日2013年5月9日
發(fā)明者徐勇, 周鑫, 李振榮, 麻藝聰, 勇強, 余世袁, 陳牧, 朱均均, 李鑫, 蔣伶俐, 莫逸仙 申請人:南京林業(yè)大學