一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置及其应用的制作方法

技术领域

本发明涉及脱羧反应领域，具体涉及一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置及其应用。

背景技术：

氨基酸的脱羧反应普遍存在于微生物、高等动植物组织中，脱羧过程中会消耗质子氢同时生成CO₂所以要外源加入酸，如赖氨酸脱羧原理：L-lysine + H⁺ → CO₂ + cadaverine。氨基酸脱羧酶的专一性很高，一般是一种氨基酸一种脱羧酶，而且只对L-氨基酸起作用。氨基酸脱羧后形成的胺，有许多具有重要的生理作用，如组氨酸脱羧形成的组胺（histamine）又称组织胺,有降低血压的作用，又是胃液分泌的刺激剂。赖氨酸脱羧形成的戊二胺(cadaverine，别名尸胺) ，有着重要的工业应用前景。

以脱羧生产戊二胺为例。戊二胺为无色粘稠的发烟液体，有特殊气味，熔点：9 ℃，溶于水、乙醇等。戊二胺单体是一种有着重要和广泛工业用途的中间体，广泛应用于各种聚酰胺产品（尼龙）、螯合剂和添加剂等。随着环保意识的提高和生物经济的兴起，作为平台化合物的戊二胺越来越受重视。生物方法大量生产的戊二胺，可以替代传统的由化工生产的生物胺—己二胺，与二元有机酸进行聚合反应可合成优质高分子材料—新型尼龙，是一种环保型的、可持续发展型的、耐高温的生物塑料，有着广泛的应用前景。

目前生物方法生产戊二胺主要通过全细胞催化法，利用L-氨基酸的脱羧反应生产戊二胺，消耗质子H⁺同时有副产物CO₂生成。现有工艺的转化过程中需添加外源酸提供质子H⁺来调节ph，添加外源酸增加生产成本，释放出副产物CO₂也带来环境压力。二氧化碳常温下是一种无色无味、不助燃、不可燃的气体，密度比空气大，略溶于水，与水反应碳酸，饱和碳酸溶液(压力为1 atm)的pH约为4，而在自然条件下CO₂含量是0.03%,溶解达到饱和时pH=5.6。可以通过降温，加压，搅拌（实际是提高溶液中CO₂浓度）使PH达到 3.7。利用脱羧反应的副产物CO₂溶于转化液生成碳酸，代替外源酸调节转化的PH,可将转化液的PH控制在5.7—7.8，在这个PH范围内菌体的生理活性不受影响，脱羧反应正常进行。这一方法即可以减少外源酸的加入量节约生产成本，同时利用了副产物CO₂也减轻了环境压力。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置及其应用，该方法易于控制，危险性小，可以减少液体酸带来的腐蚀和安全问题，同时减少了CO₂的排放，节约了成本又保护了环境。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置，包括依次通过回路管道的反应罐、出气流量计、吸水树脂柱、第一输气设备、第一流量计、CO₂气体罐、第二输气设备、进气流量计，所述反应罐内设有搅拌桨和加热夹套。

进一步改进的是，一个所述的反应罐与一个所述的出气流量计组成一个反应单元，该回路管道上具有至少四个反应单元，每个反应单元相互串连。

进一步改进的是，所述第一输气设备和第二输气设备为风机或压缩机。

上述一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置在脱羧反应中的应用。

上述一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置在L-赖氨酸脱羧产戊二胺中的应用。

上述一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置在L-赖氨酸脱羧产戊二胺中的应用，具体包括以下步骤：

步骤1，搭建装置；

步骤2，在不锈钢反应罐中加入200g/l—400g/l赖氨酸盐酸盐溶液，搅拌速率为150—500rpm,温度为32-38℃,调节pH至6.0-7.0，得转化液；

步骤3，取2-5g产赖氨酸脱羧酶的菌株溶于10ml纯水中得菌种溶液；

步骤4，在不锈钢反应罐中加入菌种溶液和终摩尔浓度为0.8-2mmol/l的磷酸吡哆醛，同时打开CO₂气体罐通入CO₂维持转化液的pH不变，开始脱羧反应，其中菌体溶液加入后菌体浓度在600nm时OD为2-8；

步骤5，每隔一小用生物传感仪检测转化液中残留赖氨酸浓度，出气口的尾气经吸水树脂除水去杂后再经输气设备加压后储存在CO₂气体罐中，脱羧反应4小时后结束反应。

作为进一步改进的是，步骤2中，赖氨酸盐酸盐溶液的浓度为300g/l，搅拌速率为300rpm，温度为36℃，调节pH至6.5。

作为进一步改进的是，步骤3中取3.5g产赖氨酸脱羧酶的菌株溶于10ml纯水中，所述产赖氨酸脱羧酶的菌株来源于申请号CN2014107999948.8专利名称为《一种基因工程菌及其在生产1,5-戊二胺中的用途》。

作为进一步改进的是，步骤4中菌体浓度在600nm时OD为5。

有益效果

与现有技术相比，本发明通过利用氨基酸脱羧反应产生的尾气CO₂为原料，调节脱羧转化液中的pH，减少了外源酸的用量，节约了成本，保护了环境。另外，本发明工艺简单合理，易于控制，危险性小，安全系数高。

附图说明

图1是本发明实施例1的装置结构示意图，其中1为反应罐，2为出气流量计，3为吸水树脂柱，4为第一输气装置，5为第一流量计，6为CO₂气体罐，7为第二输气装置，8为进气流量计，9为搅拌桨，10为加热夹套。

图2为本发明实施例3的装置结构示意图。

图3为实施例1赖氨酸盐酸盐浓度与时间曲线图。

图4为实施例2赖氨酸盐酸盐浓度与时间曲线图。

图5为实施例3赖氨酸盐酸盐浓度与时间曲线图。

图6为实施例4谷氨酸钠浓度与时间曲线图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。

实施例1

一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置，包括依次通过回路管道的反应罐1、出气流量计2、吸水树脂柱3、第一输气设备4、第一流量计5、CO₂气体罐6、第二输气设备7、进气流量计8，所述反应罐1内设有搅拌桨9和加热夹套10。装置图见图1所示。

上述调节脱羧反应中pH的装置在脱羧反应中的应用，包括以下步骤：

步骤1，搭建装置；

步骤2，在不锈钢反应罐中加入200g/l赖氨酸盐酸盐溶液，搅拌速率为300rpm,温度为36℃,调节pH至6.5，得转化液；

步骤3，取3.5g产赖氨酸脱羧酶的菌株溶于10ml纯水中得菌种溶液，所述产赖氨酸脱羧酶的菌株来源于申请号为CN2014107999948.8专利名称为《一种基因工程菌及其在生产1,5-戊二胺中的用途》；

步骤4,在不锈钢反应罐中加入菌种溶液和终摩尔浓度为1.5mmol/l的磷酸吡哆醛，同时打开CO₂气体罐通入CO₂保证转化液的pH不变，开始脱羧反应，其中菌体溶液加入后的菌体浓度在600nm时OD为5；

步骤5,每隔一小时用生物传感仪检测转化液中残留赖氨酸浓度，出气口的尾气经吸水树脂除水去杂后再经输气设备加压后储存在CO₂气体罐中，反应4小时后结束反应。

实施例2

一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置，包括依次通过回路管道的反应罐1、出气流量计2、吸水树脂柱3、第一输气设备4、第一流量计5、CO₂气体罐6、第二输气设备7、进气流量计8，所述反应罐1内设有搅拌桨9和加热夹套10。装置图见图1所示。

上述调节脱羧反应中pH的装置在脱羧反应中的应用，除步骤2中加入赖氨酸盐酸盐溶液的浓度改为300g/l，其他同实施例1一致。

实施例3

一种生物脱羧反应过程中ph的调节装置，包括依次通过回路管道的反应罐1、出气流量计2、吸水树脂柱3、第一输气设备4、第一流量计5、CO₂气体罐6、第二输气设备7、进气流量计8，所述反应罐1内设有搅拌桨9和加热夹套10。装置图见图2所示。其中一个所述的反应罐1与一个所述的出气流量计2组成一个反应单元，该回路管道上具有四个反应单元，每个反应单元相互串连。

上述调节脱羧反应中pH的装置在脱羧反应中的应用，包括以下步骤：

步骤1，搭建装置；

步骤2，在不锈钢反应罐中都加入300g/l赖氨酸盐酸盐溶液，搅拌速率为300rpm,温度为36℃,调节pH至6.5，得转化液；

步骤3，取14g产赖氨酸脱羧酶的菌株溶于40ml纯水中得菌种溶液,平均加入4个发酵罐中，所述产赖氨酸脱羧酶的菌株来源于申请号为CN2014107999948.8专利名称为《一种基因工程菌及其在生产1,5-戊二胺中的用途》；

步骤4,在不锈钢反应罐中加入菌种溶液和终摩尔浓度为1.5mmol/l的磷酸吡哆醛，同时打开CO₂气体罐通入CO₂保证转化液的pH不变，开始脱羧反应，其中，菌体溶液加入后的菌体浓度在600nm时OD为5。

步骤5, 1号罐未溶解的CO₂与赖氨酸脱羧产生的CO₂一起调节2号罐pH, 2号罐未溶解的CO₂与赖氨酸脱羧产生的CO₂一起调节3号罐pH,3号罐未溶解的CO₂与赖氨酸脱羧产生的CO₂一起调节4号罐PH, 4号罐未溶解的CO₂与赖氨酸脱羧产生的CO₂通过吸水树脂除去水分，再经输气设备加压后储存在CO₂气体罐中。每隔一小时用生物传感仪检测转化液中残留赖氨酸浓度，反应4小时后结束反应。

实施例4

一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置，包括依次通过回路管道的反应罐1、出气流量计2、吸水树脂柱3、第一输气设备4、第一流量计5、CO₂气体罐6、第二输气设备7、进气流量计8，所述反应罐1内设有搅拌桨9和加热夹套10。装置图见图1所示。

上述调节脱羧反应中pH的装置在脱羧反应中的应用，包括以下步骤：

步骤1，搭建装置；

步骤2，在不锈钢反应罐中加入乙酸-乙酸钠缓冲液，加入终浓度100g/l谷氨酸钠溶液，搅拌速率为300rpm,温度为36℃，调节pH至4.8，得转化液；

步骤3，取5.0g产谷氨酸脱羧酶的菌株溶于10ml纯水中得菌种溶液；

步骤4,在不锈钢反应罐中加入菌种溶液和终摩尔浓度为1.5mmol/l的磷酸吡哆醛，同时打开CO₂气体罐通入CO₂，间接性的流加盐酸保证转化液的pH不变，开始脱羧反应，其中菌体溶液加入后的菌体浓度在600nm时OD为10；

步骤5,每隔一小时用生物传感仪检测转化液中残留谷氨酸浓度，出气口的尾气经吸水树脂除水去杂后再经输气设备加压后储存在CO₂气体罐中，反应4小时后结束反应。

综上所述，一种生物脱羧反应过程中pH的调节装置及其应用，与旧工艺相比，该发明利用脱羧反应的副产物CO₂溶于转化液生成碳酸，成功代替外源酸调节转化的pH，且不影响脱羧反应的进行。这一方法即可以减少外源酸的加入量节约生产成本，同时利用了副产物CO₂也减轻了环境压力。