生物反应系统优化：随程溶剂萃取技术的探索与挑战

王中泰

生物反应系统优化：随程溶剂萃取技术的探索与挑战

在利用微生物细胞或植物细胞生产有用物质的过程中，常发现产物的生成会抑制培养的进一步进行。

       一方面是因为产物本身对细胞有毒性或有抑制作用，如丙酮丁醇发酵中，当丁醇浓度达到10~15g/L时细胞的生长就受到明显抑制;

       另一方面是因为产物的生成恶化了细胞生长的环境，如随着产物的积累，培养液黏度升高，限制了传氧过程；还有一种情况，即产物容易被酶降解或被反应器的搅拌剪切力破坏。

     在这些情况下，都希望能够随时分离产物，以免产物抑制培养的继续进行，或培养环境对产物造成破坏。将萃取技术与培养结合起来的随程溶剂萃取技术，就是一种可以有效提高反应器生产强度的方法。这种技术包括内部随程萃取和外部随程萃取两种方式。

1.内部随程萃取

     内部随程萃取是指萃取剂在反应器中与培养基直接接触，以便将产物萃取到溶剂中去。在利用帚状地霉发酵生产酯类风昧物质的研究中，内部溶剂萃取技术得到了很好的应用。

      由于选用的萃取剂对各组分均有较大的分配系数(大于20)，因而能迅速将产物从水相转移入有机相，从而有效地降低了产物对菌体生长的反馈抑制作用，使总酯量和生产强度均有较大的提高。采用多级萃取发酵的优点更加明显，总酯量比非萃取发酵提高了近一倍。

      该研究为了对这一特定萃取发酵过程进行较为完善的描述，还建立了萃取发酵中预测菌体生长、产物浓度和生产强度的数学模型。

Jones等在假热带假丝酵母（Cadida preudotropicalis）转化乳糖为乙醇的研究中采用内部溶剂随程萃取技术，实验结果也有明显提高。内部溶剂萃取的特点是溶剂和液相混合均匀，因而有利于传质的进行; 但溶剂也可能在培养液中形成稳定的乳化作用，这对溶剂与产物的分离不利。

      萃取发酵中有机溶剂的选择是十分关键的。溶剂应当有优良的萃取性能，但人们似乎对溶剂的疏水性以及溶剂对生物催化剂的毒性更感兴趣。生物相容性指数IgP(有机溶剂在水-辛醇两相系统中的分配系数的对数值)是用来衡量有机溶剂的疏水性的重要指标，一般说来，lgP大于4的有机溶剂疏水性较强，而且通常对生物催化剂没有毒性。

      Bruce和 Daugulis对生物催化的草取反应系统所应采用的溶剂选择策略进行了研究，他们认为，可对各种有机溶剂进行组合使它们既表现出优良的萃取性能，又表现出良好的生物相容性。采用这种策略，就有可能使用那些适于萃取但生物相容性相对高的有机溶剂。生物相容性并不是衡量有机溶剂适用性的唯一指标。

      在Qureshi等人的研究中，虽然油醇是一种优良的萃取剂，而且油醇的生物相容性指数lgP值(7.0)高于有机溶剂对这种生物的临界值(5.0)，但由于油醇对生物体的一些不明抑制作用，因此他们所采用的直接萃取方法并没有完全成功。

2.外部随程萃取   

    外部随程莘取是指萃取剂和培养液在反应器外的萃取装置中逆流接触，从而萃取产物的过程。用这种方法可以减轻内部溶剂萃取中的乳化问题。

       采用外部溶剂萃取方法来转移产物，可减轻毛状根霉(Hyoscyamus mutians)培养生产茄香根酮(solavetivone)过程的反馈阻遏。由于这一培养是植物次级代谢产物的积累过程，因此人们更关心的是次级代谢物的物理性质及提取过程的经济性，而非溶剂的生物相容性。茄香根酮(solavetivone)的沸点较高，采用低沸点的溶剂可以使溶剂与产物的分离变得容易，而这些溶剂常是非生物相容的。

      Corry等人选用已烷作为萃取剂，已烷的IgP值为3.5，虽然小于有机溶剂对毛状根霉的临界lgP值(大约为5)，但在外循环中用己烷来转移产物却能够显著提高整个系统的转化率。

     假如用已烷进行内部溶剂萃取就不会收到这样好的效果，因为在发酵系统中加入挥发性溶剂、会导致传氧困难，即便细胞处于产物合成的旺盛期也会减少产物的生成，即所谓的“相毒性”(phase toxocity)。外部随程萃取则不存在这一问题，在外循环中多余的溶剂可用气体抽提去除，若细胞对溶剂敏感，还可在微量溶剂回流反应器前进行脱气处理。这些因素表明，外部溶剂萃取有其独到的优点。

      目前，虽然在乙醇的萃取发酵生产过程中，150L规模的发酵罐已经成功地通过中试，进人年产3000t的工业化阶段，但培养结合萃取技术的广泛应用仍存在许多困难，这些困难集中表现在高效无毒的萃取溶剂的筛选中。

      随程溶剂萃取技术含内部与外部随程萃取，前者在酯类及乙醇生产中有应用，但乳化问题待解；后者用于茄香根酮生产，可避内部萃取弊端。随着对其研究的深入和技术的改进，有望在更多的发酵生产过程中得到应用和优化，进一步提高生产效率和产品雷竞技百科 。

内容引用《发酵过程优化原理与技术》