一种将搅拌式发酵罐系统组装为填充床式酶反应器的方法

摘要

本发明提供了一种将搅拌式生物发酵罐快速组装为填充床式酶反应器的方法，属于生物反应器设计与改造技术领域。利用发酵罐原有控制系统，将搅拌式生物发酵罐的水浴系统外接带夹层层析柱的夹套水进出口，利用蠕动泵的推动力将底物溶液从层析柱的上方口匀速压入，与固定化酶接触并催化反应，反应液从层析柱的下方口流出。该发明利用搅拌式发酵罐设备系统，组装后实现生物发酵罐和填充柱式酶反应器的设备集成，节省设备购置资金并减少摆放场地。

说明书

技术领域

本发明属于生物工程领域中的生物反应器设计与改造技术领域，涉及一种将搅拌式发酵罐组装为填充床式酶反应器的方法。

背景技术

近20年中国酶工程技术进入快速发展期，多项产业化技术已成熟稳定，如采用酶或细胞转化工艺生产的天冬氨酸、衣康酸、果葡糖浆、阿斯巴甜、丙烯酰胺等产品都已经达到万吨级以上规模。然而与酶技术日新月异的高速发展形成鲜明对比的是，市场化酶的反应器品种单一，生产厂家少，可供选择的反应器类型更少，且多数商品化品种与生物发酵罐的结构没有本质区别，不能适应灵活多变的酶催化反应器的设计要求。

酶反应器与生物发酵罐有较大的差异：酶催化过程时间短，对密封、无菌和搅拌等要求不高，催化剂形式多样；而发酵法是活体生物培养，过程要求严格无菌操作，因菌体生长对溶氧需要故搅拌要求较高，且批次反应时间较长。酶催化反应器与化学反应釜也存在不同：酶催化的底物可以是复杂大分子也可以是小分子，在温和条件下催化反应；而化学转化的底物为简单化合物，且反应过程条件苛刻，如高温、强碱等。

酶工程技术的快速发展对酶催化反应器需求较大，且多种类型的酶反应器如何能够同时实现，从而满足科研小试以及产品中试的工艺条件要求是众多科研工作者或企业工程师们迫切需要解决的问题，如果每种酶反应器都需要购买，不仅需要大量设备投资，对于设备摆放的场地也要求较高。本发明提供了一种将搅拌罐式发酵罐快速组装为填充床式酶反应器的方法，实现发酵罐和填充床式酶反应器在同一设备装置上实现，解决设备重复购买等问题，具有较好的经济与社会效益。

发明内容

本发明目的在于摆着节省设备购置资金和设备利用最大化原则，提供一种将搅拌罐式生物发酵罐组装为填充床式酶反应器的方法，同时保留生物发酵罐原有功能，从而不影响生物发酵罐的正常使用，实现一种设备同时具有发酵罐和填充床式酶反应器的使用功能，有效解决目前酶反应器购买难且设备难以达到催化工艺要求的突出问题，适宜规模化推广使用，对生物工程产业的良性发展具有较好推动作用。

本发明可以通过如下措施达到：一种将搅拌式发酵罐系统组装为填充床式酶反应器的方法，其特征在于包含如下步骤：

1. 搅拌式发酵罐系统：发酵罐主体、控制系统、恒温水浴循环装置、蒸汽发生器、空气压缩泵和空气储罐均具备。

2. 将搅拌式发酵罐组装为填充床式酶反应器

1）具有双层夹套的层析柱，层析柱下方填充砂芯，将搅拌式发酵罐的恒温水浴循环装置的进出水口分别外接层析柱的夹套进出口。

2）由层析柱上方口以静沉方式加入固定化酶，并用缓冲液淋洗平衡，同时将搅拌式发酵罐的pH电极插入层析柱上方口。

3）将酶催化底物溶液补料瓶、酸瓶和碱瓶的外接软管分别接入搅拌罐式发酵罐的蠕动泵，各软管出口均置于层析柱的上方口，即组装为填充床式的酶反应器。

3. 启动搅拌式发酵罐的主板控制系统，根据酶催化工艺要求，实现温度、pH、空气流量和底物补料的控制。自层析柱下方口流出的反应液用于产品精制和反应过程检测。

具体实施方式：

以下结合酶法生产6-氨基青霉烷酸和豌豆蛋白多肽的实施例对本发明进行进一步说明，本发明的保护范围不受实施例的限制。

搅拌式发酵罐系统的主辅设备齐全，包括发酵罐主体、发酵罐控制系统、空气压缩机和空气储罐、恒温循环水浴、蒸汽发生器，各装置设备之间依靠硅胶软管相互连接。

实施例1：将搅拌式生物发酵罐组装为填充床式酶反应器生产6-氨基青霉烷酸

准备具有双层夹套的层析柱，层析柱的有效使用长宽分别为40cm和8cm，下方填充砂芯，将搅拌式发酵罐的恒温水浴循环装置的进出水口分别外接层析柱的夹套进出口。由层析柱上方口以静沉方式加入固定化青霉素酰化酶（107 U/g），并用pH8.0缓冲液淋洗平衡，预平衡后的固定化酶高度为层析柱实际使用高度的2/3。将搅拌式发酵罐的pH电极插入层析柱上方口，同时将酶催化底物溶液补料瓶、酸瓶和碱瓶的外接软管分别接入搅拌罐式发酵罐的蠕动泵，各软管出口均置于层析柱的上方口。

开启蠕动泵进质量分数为10%的青霉素钾盐底物溶液，进样量为10ml/min，循环水浴控制反应温度为40℃，利用发酵罐控制系统进行自动酸碱滴定控制反应pH为8.0，利用比色法测定层析柱下方出口的产物6-氨基青霉烷酸的得率为85%。

实施例2：将搅拌式生物发酵罐组装为填充床式酶反应器生产豌豆蛋白多肽

准备具有双层夹套的层析柱，层析柱的有效使用长宽分别为85cm和10cm，下方填充砂芯，将搅拌式发酵罐的恒温水浴循环装置的进出水口分别外接层析柱的夹套进出口。由层析柱上方口以静沉方式加入固定化枯草芽孢杆菌蛋白酶（352 U/g），并用pH7.5缓冲液淋洗平衡，预平衡后的固定化酶高度为层析柱实际使用高度的2/3。将搅拌式发酵罐的pH电极插入层析柱上方口，同时将酶催化底物溶液补料瓶、酸瓶和碱瓶的外接软管分别接入搅拌罐式发酵罐的蠕动泵，各软管出口均置于层析柱的上方口。

开启蠕动泵进质量分数为6%的豌豆蛋白底物溶液，进样量为6 ml/min，循环水浴控制反应温度为48℃，利用发酵罐控制系统进行自动酸碱滴定控制反应pH为7.5，利用茚三酮比色法测定层析柱下方出口的产物豌豆蛋白多肽的得率为32%。