Способ аэробной и анаэробной ферментации
Иллюстрации
Показать всеРеферат
Изобретение относится к микробиологической промышленности Цель изобретения - повышение активности продуцента, снижение затрат на приготовление носителя и унифицировэние оборудования. Цепь изобретения - увеличение выхода продукта и упрощение способа. Для этого закрепление клеток производят е пене на межфазной поверхности газ - жидкость при удельных затратах мощности на создание межфэзной поверхности от 0,5 до 3.0 кВт/м3 ч. При этом для проведения аэробной ферментации используют бзрботаж воздухом, а анаэробной - бароотзж рецирку.лируемым в ферментаторе газом. 2 тэбл.
СО 03 COEiETÑÊÈÕ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
PE СПУБЛИК (5! ) 5 С 12 N 1/00, 11 /00
ГОСУДАР Ст Е Е ННЫ И КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4645361/13 (22) 30.01 89 (46) 23.01.92. Бюл. N. 3 (71) Науччо-производственное гидролиэное объединение "Гидролизпром" (72) И. 1.Áàëàruåaè÷, Ю.M,Поляк, Д.Д.Caaenbeâ. А.И.Сизов, А.Е.Ухналев, И,Г.Штепенко и
M.Ñ.Ôðèä (53) 577.15 (088.8) (56) Ada I. ef al. Continuous alcohol
fermentatIon te:".г Форе using immobilized
yeach сец — Bio echnol, 83. Pros Just. conf
Commer Арр! Н. Implicat Blotechnol, Ноah оо, 1983, р 597-611.
На«агго А.P. ef а1. Рго.1 ctlon of ethand
„-ac,гг г пh"ized in рес n. — Eur. J. Appi
rniCrOh,Oi В Oteohnel, 1983. ч,17. N . 3, р.148-151
Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к поо«зводствам з-анола, фуранкарбоновой кислоть:. антибиотиков, биомассы дрожжей, ферментов и других продуктов трансформации ооганических субстратов иммобилизованными клеткаг- и микроорганизмов, Использование иммобилиэованных клеток е азробной и анаэробной ферментации позволяет более эффективно использовать каталитические свойства
1 микроорганизглов: появляется воэможность создания непрерывно действующих стабильных процессов без затрат на получение и выделение биомассы.
Известен способ анаэробной ферментации с использованием иммобилиэованных дрожжевых клеток для получения этанола, В этом способе клетки Saccharomyces Ж 1707070 А1 (54) СПОСОБ АЭРОБНОЙ И АНАЭРОБНОЙ
ФЕР1ЛЕНТАЦИИ (57) Изобретение относится к микробиологической промышленности Цель изобретения — повышение активности продуцента. снижение затрат на приготовление носителя и унифицирование оборудования. Цель изобретения — увеличение выхода продукта и упрощение способа. Для этого закрепление клеток производят в пене на межфазчай поверхности гаэ — жидкость при удельных затратах мощности на создание межфаэной поверхности от 0,5 до 3,0 кВт/м ч. При этом
3 для проведения аэробной ф Гментаци используют барботаж воздухом, а аназробчой — барботаж рециркулируек ым в фермечтаторе газом. 2 табл.
cerevisiae включают е фотосшиваемые смолы, поляризация которых происходит под действием света 300 — 400 нл. Гелевые пластинки толщиной 0,8 — 1,0 м л укладывают вертикально в реактор непрерывного действия. В качестве субстрата подают разбавленную тростниковую мелассу. B установке, оборудованной таким образом, выход сп рта составляет 600 л/день. (1).
Однако продуктивность реактора постепенно снижается из-за накопления в нем осадка мелассы, который необходимо периодически удалять.
Известен также способ анаэробной ферментации для получения этачола с использованием дрожжевых клеток, и лмобилизованных в пектине. Для иммобилизации клеток S. serevisiae СМ-1-20 равные обьемы пектина и дрожжевой суспензии вводят в
1707070 смесь 0.2 M МагВлОт. Концентрации дрожжей в пектине и в исходной суспензии обычно равны 70 г/л сухой массы и 2 — б об. массы соответственно. При сбраживании глюкозы иммобилизованными на твердом носителе клетками максимальный выход этанолв составляет 0,43 г/л глюкозы, а продуктивность 12 кг/м ч (2).
Недостатками способов аэробной и анаэробной ферментации, включающих инкубацию субстратов с иммобилизованными на твердых носителях клетками, являются снижение активности клеток биомассы при закреплении на носителе иэ-за затрудненного доступа субстрата и кислорода при аэробных процессах и недостаточной вентиляции при анаэробных процессах, необходимость регенерации носителя, загрязнение носителя осадками субстрата и необходимость удаления осадков; неконтролируемость количества биомассы на матрице и ограниченная скорость потока через носитель, а также необходимость специального оборудования для накопления биомассы продуцента, приготовления носителя и ферментации.
Целью изобретения является увеличение выхода продукта и упрощение способа, Указанная цель достигается тем, что согласно способу аэробной и анаэробной ферл1ентации. в :-ючающему инкубацию с чбс1ратов с;.1 . о -ч1;и-ованными клетка ли и последующее от "e- ние продуктов реакции, используют к;е-,к;. обладающие флотирующей способностью, а их имл1об ° изац з осуществляют путем закрепления клеток на л ежфазной поверхности газ — жидкос-ь -.р 1 у эельных затратах л1ощности 0,5 — 3 кРт.t4 ч, при этом для иммобилизации гр«проведении аэробной ферментации используют барботаж воздухом, а при проведении анаэробной — барботаж рециркулируемым в ферментаторе газом.
Способность клеток адсорбироваться на поверхности раздела фаз газ — жидкость известна и используется при выделении клеток из культураnt,íoé жидкости методоM флотации. CDno1«p, ющей способностью обладают дрожж:- оде н ые грибы рода Candida, Trlchosporon Hansenula, К1и„vегоmyces, Аspe.g i us ".at å.",.1 . Bacil!us =ubtllls, базидальные rpt бы Tr ichoderma nitomlum и другие, Эта способность м«кроорганизмов используется для «х им,1обилизации на поверхности фаз газ — жидкость, B предлагаемом способе клетки закреплень1 на поверхности раздела фаз в пленках жидкости, окружающих пузырьки, и не обладают способностью свободно передви5
55 гаться в основном объеме жидкости, Об этом свидетельствует полное отсутствие клеток в жидкости, вывод« лой из аппарата, несмотря на их значительную концентрацию в объеме реактора (12 — 40 г/л абсолютно сухой биомассы) и высокие скорости протока среды (О - 1-2 ч ).
Среди известных способов вэробной и анаэробной ферментации, включающих инкубацию субстратов с иммобилизованными клетками и последующее отделение и родуктов реакции, не обнаружено признаков, сходных с отличительными признаками предлагаемого изобретения.
B отличие от способа аэробной и анаэробной ферментации с использованием традиционной иммобилизации на твердых носителях, где поверхность раздела фаэ фиксируют, создание поверхности раздела фаз в системе газ — жидкость требует введения энергии на диспергирование газа, так как такая двухфазная система обладает только динамической устойчивостью и в отсутствии подвода энергии на пере,лешивание paccnai вается с образован«ел газовой и жидкой фаз. Для создания и поддержания раздела фаз е зависимости от пенообразующей способности раствора требуется различный вклад мощности на перемешивэние
Увеличение выхода продукта в предлаraемсм способе аэробчой и ана:р б ой
$ept1eHTaции обус" овле чс -1оеыщ, ниел1 аки-.ност 1гродуцента по ci ae1е ию сз t nоСОбО 1, Гдв ИСПОЛЬЗуЮт Ил1.1Об 1ЛИЗа 1 1Ю Н3 твердых носителях, так как, e npe raraet" ом способе субс рат, кислород и другие ко лпоненты среды абсолютно доступны к,-етк и послед яя не ингибируется химическими соединениями, применение которых неизбежно при формировании твердых носителей. Поверхность раздела фаз газ— жидкость не загрязняется осадками субстратов и способствует активному массообмену газов.
Для накопления биомассы продуцЕнтов, проведения процесса иммобилизации и получения продуктов не требуется специального оборудования, а все три процесса протекают в одном ферментаторе. Унификация оборудования, а также снижение затрат на приготовление носителя достигается тем, что для аэробных и анаэробных процессоВ требуется один фер лентатор, с той лишь разницей, что при проведении аэробных процессов используется воздух, а анаэрсбных — C02, любой инертный газ Все указанное приводит к упрощению предлагаемого способа.
Иммобилизованные к четкt1 микроорга- низмов на поверхности раздела фаэ газ—
1-,0-„,7-0,, дкссть используют е аэробном процессе биотрансфор лации фурфурола (cD) в фуранг-r 1..6.човую кислоту (ГФКК), в аэробном процессе очистки сточных вод и анаэробно.л процессе сбраживания сахаров на спирт.
Ферментацию проводят с различны ли видами микроорганизмов из музея ВНИИгидролиз в ферментаторе емкостью 3 л при определенном вкладе мощности на создание межфаэной поверхности газ — жидкость, снабженном мешалкой, системами подачи воздуха, TE "статирования подачи субстрата и отбора культуральной жидкости через зону, лишенную подвода энергии пере лешиеания.
Зона, лo, èåííàÿ подвода энергии, создается искусственно, в виде кармана или ложного дна фер лентэтора. В этой зоне происходит расслоение на газовую и жидк, ю фгзы, Микроорганизмы, закрепленные на поверхности пузып ов, всплывают в активну о зон фермел ., ра, а культуральная жидкость, свободная от клеток и содержащая целевой продукт, выводится из зоны, ли шен -:ой эн ел ни.
6 ферментатор непрерывно подают питательнь :- средь газ,,од -.ержиеают температуру и рН. Одновременно с подачей гит-.тельной сред. ществляют непрер:лень и стбог. r ." ту; aльно . жидкости из зоны, лишенно.э эде".-.г энергии. Удержэн1е б1омгссы в ферм,atoðe осуществляют за с ет им 06 in! saци!1 r леток на поеер>,ности раздела ь г - аз — жидкость. B культуральной жидко--и определяют конц н т рации продуктов летодом жидкостной хро>латографии, спек р фотометрически, химичеСкк .
Осуществляя способ аэробной и анаэробной ферментации с использованием клеток, обладающих 1,лотирующей способностью, и лмоб . 1и зова н",ых на 1лежфгзной поверхности газ — жидкость. накопление биол1ассы продуцента и биотрансфорглацию фурфурола vr«" обилизованными клетками пооводят е одном ферментаторе.
Пример 1, Дрожжи Candlda tropicalls
649(У-699) вносят в ферментатор с питательной средой, а активную зону которого непрерывно подают воздух и осуществляют активное neper e! ивание среды с помощью мешалки (M = 500 мин ) для создания меж-1 фаэной поверхности газ — жидкость. Вклад мощности на перемешивание 1,2 кВт/м по3 верхности, на которой удерживаются клетки дрожжей. При достижении концентрации биомассы в фер лентэторе 12 г/л вместо nuTaòånьной среды начинают подачу раствора
cD с концентрацией 1,57;. Из зоны фермен10
55 татора, лишечной поде"..дэ í:г iи,i. о!5! раIoT культуральную жидкость без биомассы продуцента, в которой Ф окислен до ГФКК
1роцесс биотрансфор лац11и Ф протекает при 37 C и рН 6,0. Скорость пода«i раствора составляет D = 0 2 ч
-1
Выход целевого продукта — ГCDKK составляет 95ь. Процесс трансформации осуществляют непрерывно е течение 120 v, концентрация биомассы в ферментаторе составляет 12 г/л, а в культуральной жидкости — 0,12 г/л.
Пример 2. Накопление и имл обилизацию продуцента ФКК дрожжей "iansennla
anomala Kvp-5(Y-251) и тоансфор лацию Ф в
ГФКК осуществляот по методике примеГа
1, Выход ГФКК 94,3,/. Унос клеток продуцента с культуральной жидкостью состав lRет 0,12 г/л сухой биомассы, концентрация им,лобилизованных дрожжей в ферментаторе 11,8 г/л.
Пример 3. Накопление и ил1л1обилизацию продуцента ФКК дрожжей Candida
mellnii Георг-1(70) (штамм не депснирован) осуществляют по методике примера 1. Выход целевого продукта 88 . Унос клеток продуцента с культуральной жидкостью
0,20 — 0,30 г/л, концечтрация иммобилизованных дрожжей 11 г/л.
П р «е р 4. Накопление и иммобилиэацию продуцентэ ФКК Candida
gulllecmondii Лу-2 (У-248) и биотрансфс" л ац11ю Ф в ФКК осуществляют по методике прилгеpa 1. Выход це 1евого продукта 90 0=,»
Унос клеток про.уцента с культуральнсй жидкостью 0,23 г/л сухой б омассы. концентрация иммобилизсванных дрожжей 12 г/л, Пример 5, Анаэробчую ферментацию сбргживаемых сахаров гидролизата древесины проводят при помощи ил1л1оби иэованных в пене на межфазной поверхности гаэ — жидкость клеток дрожжей С. tropicalis
649 (Y-696). Межфазную поверхность создают в ферментаторе с мешалкой пои удельных затратах мощности 0,5 кВт/м .
B аппарат, снабженный мешалкой с отношением
Ь"жею — 3 бмеюалки и числом оборотов и = 125 мин, а также
-1 системами подачи воздуха и рециркуляции газа, заливают 1 л питательного субстрата— гидролиэатэ древесины, содержащего 6,9 г/л гексоз и 2,3 г/л пентоэ.
В посевную среду. содержащую 420 мг/л азота и 70 мг/л PgOs, вносят дрожжевые клетки С, tropicalis 649(У-696). Иммобилизация клеток происходит одновременнО с
|», !»nv non н«ем в аэробной стад. и на меж О пов" Г. мости газ — жl»QKocTb. Созда. ла-!. l ° з сч т подач«возду,а со скоростью
1 л,, работы к ешалки {и = 1 "5 м«м ). кс.»öeíòрац«я составляет 12,5 г/л cõ«ê>лЕСто подачи воздуха нач«мают рециркуляцию углекислого газа. образующего при сбраживании 10 гидролизата. Сбраживание сахаров гидролиза а на спирт происходит при 32 С, рН 4,0, подаче субстрата со скоростью D = 1,0 ч
-1
Выход этанола составляет 0,46 г/г от сброженмых редуцирующих веществ (PB) 15 г«дрол«эата
Концентрация б«омассы в культуральной жидкости, отбираел1ой из зоны, лишенной подвода энергии. составляет 0,1 — 0,25
r/n, 20
П р и к е р 6. По методике примера 5 пол |/ | а ют эта мол и „" »< п|змощи и<лк<обилизованмых на к е кфазной поверхности газ— жr дкость клеток Kluyvегоmyces marxianus
УС, При вкладе мощности на создание меж- 25 фаэной поверхности гаэ — ж <дкость 1,5 кВтlм вь ход спирта составляет 0,42 гlг. з кОМНЕмтрац«я 6«ОМаССЫ В КуЛЬтураЛЬНОй !
r «;, "-T«cocтавляет 0,5 г/л.
Пример По ме одике пр«мера 5 30 и С;», ча Ют Э; а. О я и ри пОмощи «к",мОби ли ЗОванмь х ма к -еж, азной поверхности газ— ж«дк ось! л .то" C rropicnlis QH-" (uj Teì!ì. не депом«ро-.-ам) | ;«вкл-:д" к с цности на создам« lлежфазмой поверхмост«газ — жид- 35
voсть 1,5 кВт/ выход спирта составляет
0 36 г/г, а концентрация биомассы в культурально жидкости составляет 0,1 — 0,18 г/л.
В -a6n. приведены рсзультаты других амазробмых фермемтаци«гидролизата 40 древесины и мелассгя ик мобилизованными клетvами
Пример 8. Оч«стку сточных вод глдполи»зного производства проводят путем аэробного культивирования Tr, cutaneum 45
Лд-10{Y491), Процесс проводят в лабораторном ферментат ре емкостью 5 л, число оборотов мешалки 1400 мин . расход воздуха 2 л/ч. Вклад мощ ости на перемеш«вание3,0 кВт, м; рН среды 5 5, t = 36"С; скорость 50
-1 подачи сточной воды О = 3.0 ч; концентрац«я б Омассы в фермента TОре 9,5 гlл сухой б«омассы; концентрация за рязнений на входе по ХПК 6000 мг Oz/л.
Очищенную сточную воду отбирают иэ 55 эоны ферментатора, лишенной подвода
ЭНЕРГИИ. В КОЛ«чЕСтВЕ 13.5 n/Ч, КОНцЕНтрация биомассы в ней составляет 0,1 — 0,2 г/л сухой биомассы. ХПКост = 2000 мг Оз/л. Избыточную био лассу отбирают из верхней части ферментатора с копн мтрацией 9.5 г/n C потскок,к,»дкости 1 5 n/ч, Глубина
О »истк«сост зв,;яет 66 — 70 / (пo ХПК) УДельмая окислител,мая мо,цность 12 г Q.-/n ч
Пример 9 Очистку воды r«upon«змодрожжевого про«зводства производят ассоциацией культур м«нроорган«змов
Aspergillus niger u penicillium chrisogenum (не депонированы) по методике примера 8.
Концентрация загрязнений на входе по ХПК
6700 мг Ог/л. Глубина очистки 75-78О(, (по
ХПК), удельная окислительная мощность системы 9,2 02/л ч.
В табл. 2 приведены результаты других аэробных ферментаций сточной воды иммобилизованным«клетками, Как видно из приведенных пр«флеров различных фе„рментаций, биомасса микроорганизмов в результате закрепления íà поверхности разд па фаз газ — жидкость имеет время пребь eэ. ия в обьеме ферк<ентатопа значител ьно 6зnbruee, чем время п ре бы вания жидкости, Так, e np« epax 1 — 4 пр«биотрэнсформации Ф среднее время пребывания жидкости в ферме таторе составляет 5 ч пои времени тГан:формации более 120 ч
В пр«к.ер;< 5 — 8 np«сбражr ва| . .." (.-харосодер. ащ«растворов в этгнол разница времен« "р- бывал«я дрожжей» 250 ч и жидкости (1 ч) еще больше Анаг-«-»нь е данны" пол " ены и при ч«стке стсчмы" вод: 0,3 «2-5" ч соответствеммс (;-р |;:, 6 и 9)
Способ ферк нтаци«с »спол. зовам, ° м клеток, обладающих флот,.рующей споссбностью, иммоб«лизованных путе л закрепления клеток на межфазной поверхности газ — жидкость может быть применен как для аэробных процессов {примеры 1 — 4, 8 и
9), так и амаэробнь!х (пр«флеры 5 — 8) S эависимос.и От ис. Ользуемого субстрата и по пенообразующей способности вклад мощности на перемеш«вание, необходимой для создания поверхности раздела фаз газ — жидкость и обеспечения массообмена кислорода, составляет от 0,5 кВт/м (для мелас3
Cbl дО 3 кВт/м (;. я СтОчных вод гидрОлиэнОго производства) Процессы перв«чного накопления биомассы продуцентов во всех примерах и различные процессы с «спользпван«ем им лобилизовамных на пояерхности раздела фаз газ — жидкость клеток проводят в однс л и том же ферментаторе для аэробнь х «амаэробных процессов.
В примерах 8 — 9 и р » ведем ы ферментации с использованием флотирующихся микроорганизмов различных классов и родов, что указывает на широкую возможность применения предnaraer" ого способа для
1707070 флотирующей способностью, а их иммобилизацию осуществляют путем закрепления клеток на межфазной поверхности газ— жидкость при удельных затратах мощности
5 на создание межфазной поверхности 0,5—
3.0 кВТ/матч, при этом для иммобилизации при проведении аэробной ферментации используют барботаж воздухом. а при проведении анаэробной — барботаж рециркули10 руемым в ферментаторе газом. получения продуктов метаболизма, биомасСЫ И ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД.
Формула иэобретения
Способ аэробной и анаэробной ферментации, включающий инкубацию субстратов с иммобилизованными клетками и последующее отделение продуктов реакции, о т л и ч а ю щ и 4 с я тем, что, с целью увеличения выхода продукта и упрощения способа, используют клетки, обладающие таблица!
Концентрация бт!оиассы, г/л (а.с.a.)
В реактора В унося
Выход спирта, r/n РВ
Расход электроСреда для фесментации
Пример
Втами микроорганизма энергии, кВт/мэ
C.trîðiñàlis 649 (7-699) о,о
0,5 12,5
Гидролизат
11
II
Il
II
Меласса
11
Il
ll
»ll»
Гидэолнэат
II
II
I l »
С,tropicaiis 649 (Y 699)
11»
l I »
11
K.ssarxianus МС (не делоны рован) о,38 с,iso о,4о
0,36
0,40
0,3
0,0
0,2 о.о о,18
1г,о
3i,О
31,о
12,5
l4>1
3,0
1,5 т 0
1,5
11
Мел а с сг
II
Il
Не."а с са, 1г
13
14
С.internedis
Тавл.з 11(85) (He деломирован) 0,41 с,42 о,4я
iS,4
19,с
12 ° 0
0,11 о,г
o,s
1,5
11»
I . дрс лиза" и
i7
18
С.рЛ11етт "sdii Лд-2 (v-248) 0,47
О,48
2,С
1,6
20,0
1г,с г,о
3,с
11
Мег.зс са
20 г1
Таблица 2 (с
Глубина очистки
Пример
Еаммы мнкрсорганнзиов реда для tepиентации
Концентрация биомассы, г/л,d,ñ.д.
Рас ход эле кт роr энергии ° кВт/иэ в уносе в реактоFc
8,8 12
52-56
1 Trichosporon cuteneum
Сточная вода 1 5 гидролнзован-
lesõ производств
Лд-1 О (У491) 9,5 0,1-0,7 &6-70
Сточная вода 3 ° О гивролиэованных производств
2 Tricbosporon cutsneua
Лд-lo(y-491) Тс з!е
9,0 О ° 5-0,7 64-70
7,9 9,о 63-69
4 Aspergillus niger
3,5
Сточная вода гнд- 1,5 ролизно-дрокяевого гвэонэводст ва
0117-18 75-78
0,4-0.7 75-77
5 Penicill ium chrisogetsss
3,о
3,5
1 г
4
6
8
1,5
3,0
3,2
0,5
1 ° 5
3,0
3,2 о,3
1,5
1ã,5
12,5
1г,о
12,0
3i,5
31,0
31 о
3о,8
30,5
15,0
0,0
o,ã г,о
lo,o о ° o
0,0
0,2-0,3
1,5
11,0
0,5 о,46 о,48
0,47
0,47
O,4О с,48
0,48
0,48
0,46
О,4г о,42