本發(fā)明屬于生物工程領(lǐng)域中的生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與改造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種將攪拌式發(fā)酵罐系統(tǒng)組裝為鼓泡式酶反應(yīng)器的方法。

背景技術(shù)：

酶反應(yīng)器是用于完成酶促反應(yīng)的核心裝置，為酶催化反應(yīng)提供合適的場(chǎng)所和最佳的反應(yīng)條件，處于酶催化反應(yīng)過(guò)程的中心地位。酶反應(yīng)器不同于生物發(fā)酵罐，其酶催化過(guò)程時(shí)間短，對(duì)調(diào)控要求高，生物發(fā)酵過(guò)程中重點(diǎn)注意的嚴(yán)防染菌、溶氧控制等因素對(duì)酶催化反應(yīng)反而影響不大。

鼓泡式酶反應(yīng)器(Bubble column reactor)是一種無(wú)攪拌裝置的反應(yīng)器,利用從反應(yīng)器底部通入的氣體產(chǎn)生的大量氣泡，在上升過(guò)程中起到底物與酶的混合作用。鼓泡式反應(yīng)器可以用于游離酶和固定化酶的催化反應(yīng)，在使用鼓泡式反應(yīng)器進(jìn)行固定化酶的催化反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)系統(tǒng)中存在固、液、氣三相，又稱(chēng)為三相流化床式反應(yīng)器。鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易, 剪切力小，物質(zhì)與熱量的傳遞效率高，是有氣體參與的酶催化反應(yīng)中常用的一種反應(yīng)器。

酶工程技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)酶催化反應(yīng)器需求較大，且多種類(lèi)型的酶反應(yīng)器如何能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)，從而滿(mǎn)足科研小試以及產(chǎn)品中試的工藝條件要求是眾多科研工作者或企業(yè)工程師們迫切需要解決的問(wèn)題。目前商品化酶反應(yīng)器可供選擇的種類(lèi)和類(lèi)型很少，多以攪拌罐式酶反應(yīng)器為主，難以適應(yīng)快速發(fā)展的酶工程技術(shù)的要求。本發(fā)明提供了一種將攪拌罐式發(fā)酵罐快速組裝為鼓泡式酶反應(yīng)器的方法，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐和鼓泡式酶催化反應(yīng)器在同一設(shè)備裝置上實(shí)現(xiàn)，解決設(shè)備重復(fù)購(gòu)買(mǎi)等問(wèn)題，具有較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種將攪拌罐式生物發(fā)酵罐系統(tǒng)組裝為鼓泡式酶反應(yīng)器的方法，同時(shí)保留生物發(fā)酵罐原有功能，因而不影響生物發(fā)酵罐的正常使用，實(shí)現(xiàn)一種設(shè)備同時(shí)具有生物發(fā)酵罐和鼓泡式酶反應(yīng)器的使用功能，有效解決目前酶反應(yīng)器購(gòu)買(mǎi)難且設(shè)備難以達(dá)到催化工藝要求的突出問(wèn)題，節(jié)省設(shè)備購(gòu)置資金且實(shí)現(xiàn)設(shè)備利用最大化，適宜規(guī)?；茝V使用。

本發(fā)明可以通過(guò)如下措施達(dá)到：一種將攪拌式發(fā)酵罐系統(tǒng)組裝為鼓泡式酶反應(yīng)器的方法，其特征在于利用攪拌式發(fā)酵罐原有設(shè)備，發(fā)酵罐的水浴系統(tǒng)用硅膠軟管外接層析柱的夾套水進(jìn)出口，將發(fā)酵罐體上的無(wú)菌空氣出口硅膠軟管外接層析柱的下方口，其具體包括如下步驟：

1. 攪拌式發(fā)酵罐系統(tǒng)的發(fā)酵罐主體、控制系統(tǒng)、恒溫水浴循環(huán)裝置、蒸汽發(fā)生器、空氣壓縮機(jī)和空氣儲(chǔ)罐均具備。

2. 將攪拌罐式發(fā)酵罐組裝為鼓泡式酶反應(yīng)器

1）具有雙層夾套的層析柱，層析柱近下方口填充砂芯用于截留固定化酶。

2）將攪拌式發(fā)酵罐的恒溫水浴循環(huán)裝置的進(jìn)出水口分別用硅膠軟管外接層析柱的夾套進(jìn)出口。

3）由層析柱的上方口以靜沉方式加入固定化酶，并用緩沖液淋洗平衡，然后將攪拌式發(fā)酵罐的pH電極插入層析柱的上方口并浸入液面下。

4）將底物溶液補(bǔ)料瓶、調(diào)節(jié)pH的酸瓶和堿瓶的外接硅膠軟管分別接入攪拌式發(fā)酵罐的蠕動(dòng)泵，各軟管出口均置于層析柱的上方口。

5）將發(fā)酵罐體的無(wú)菌空氣輸送硅膠軟管出口外接層析柱的下方口，即組裝為鼓泡式酶反應(yīng)器。

3. 啟動(dòng)攪拌式發(fā)酵罐的主板控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)發(fā)酵罐體上的轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)按鈕，以此控制進(jìn)入層析柱下方口的空氣流量，利用上行的無(wú)菌空氣推動(dòng)力將固定化酶在層析柱內(nèi)懸浮，使得固定化酶和底物溶液充分懸浮混合，進(jìn)行催化反應(yīng)。根據(jù)酶催化工藝要求實(shí)現(xiàn)溫度、pH和底物補(bǔ)料的控制，自層析柱的上方口定期取樣進(jìn)行反應(yīng)過(guò)程檢測(cè)。反應(yīng)完畢后，自層析柱的下方口流出反應(yīng)液用于產(chǎn)品精制，被沙芯截留的固定化酶可以重復(fù)進(jìn)行酶催化反應(yīng)。

具體實(shí)施方式：

以下結(jié)合酶法生產(chǎn)6-氨基青霉烷酸、殼寡糖和豌豆蛋白多肽的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受實(shí)施例的限制。

攪拌式發(fā)酵罐系統(tǒng)的主輔設(shè)備齊全，包括發(fā)酵罐主體、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)和空氣儲(chǔ)罐、恒溫循環(huán)水浴、蒸汽發(fā)生器，各裝置設(shè)備之間依靠硅膠軟管相互連接。

實(shí)施例1：將攪拌式發(fā)酵罐系統(tǒng)組裝為鼓泡式酶反應(yīng)器生產(chǎn)6-氨基青霉烷酸

具有雙層夾套的層析柱，層析柱的有效使用長(zhǎng)寬分別為60cm和10cm，下方填充砂芯，將攪拌式發(fā)酵罐的恒溫水浴循環(huán)裝置的進(jìn)出水口分別外接層析柱的夾套進(jìn)出口。由層析柱上方口以靜沉方式加入固定化青霉素?；福?05 U/g），并用pH8.0的緩沖液淋洗平衡，預(yù)平衡后的固定化酶高度為層析柱實(shí)際使用高度的1/4。將攪拌式發(fā)酵罐的pH電極插入層析柱上方口，同時(shí)將酶催化底物溶液補(bǔ)料瓶、酸瓶和堿瓶的外接軟管分別接入攪拌式發(fā)酵罐的蠕動(dòng)泵，且均置于層析柱的上方口，而將無(wú)菌空氣的出口軟管與層析柱的下方口連接。

開(kāi)啟蠕動(dòng)泵進(jìn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的青霉素鉀鹽底物溶液，進(jìn)樣量為8ml/min，至層析柱的3/5處停止進(jìn)底物溶液。打開(kāi)發(fā)酵罐體上的轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)按鈕，以2.5L/min的速度從層析柱的下方口進(jìn)無(wú)菌空氣，從而將固定化青霉素酰化酶懸浮，進(jìn)而與底物充分接觸。循環(huán)水浴控制反應(yīng)溫度為40℃，利用發(fā)酵罐控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)酸堿滴定控制反應(yīng)pH為8.0，定期自層析柱上方口取樣0.1ml進(jìn)行比色法檢測(cè)，當(dāng)轉(zhuǎn)化率最大時(shí)終止反應(yīng)，比色法測(cè)定6-氨基青霉烷酸的得率為78.6%。

實(shí)施例2：將攪拌式發(fā)酵罐系統(tǒng)組裝為鼓泡式酶反應(yīng)器生產(chǎn)豌豆蛋白多肽

具有雙層夾套的層析柱，層析柱的有效使用長(zhǎng)寬分別為90cm和10cm，下方填充砂芯，將攪拌式發(fā)酵罐的恒溫水浴循環(huán)裝置的進(jìn)出水口分別外接層析柱的夾套進(jìn)出口。由層析柱上方口以靜沉方式加入固定化枯草芽孢桿菌蛋白酶（352 U/g），并用pH7.5的緩沖液淋洗平衡，預(yù)平衡后的固定化酶高度為層析柱實(shí)際使用高度的1/4。將攪拌式發(fā)酵罐的pH電極插入層析柱上方口，同時(shí)將酶催化底物溶液補(bǔ)料瓶、酸瓶和堿瓶的外接軟管分別接入攪拌式發(fā)酵罐的蠕動(dòng)泵，且均置于層析柱的上方口，而將無(wú)菌空氣的出口軟管與層析柱的下方口連接。

開(kāi)啟蠕動(dòng)泵進(jìn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的豌豆蛋白底物溶液，，至層析柱的3/5處停止進(jìn)底物溶液。打開(kāi)發(fā)酵罐體上的轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)按鈕，以3 L/min的速度從層析柱的下方口進(jìn)無(wú)菌空氣，從而將固定化枯草芽孢桿菌蛋白酶懸浮，進(jìn)而與底物充分接觸。循環(huán)水浴控制反應(yīng)溫度為48℃，利用發(fā)酵罐控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)酸堿滴定控制反應(yīng)pH為7.5，定期自層析柱上方口取樣0.3ml進(jìn)行比色法檢測(cè)，當(dāng)轉(zhuǎn)化率最大時(shí)終止反應(yīng)，測(cè)定豌豆蛋白多肽的得率為30.7%。