專利名稱:微生物通風(fēng)培養(yǎng)的方法和裝置的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于一種通風(fēng)培養(yǎng)微生物的方法和裝置，具有氧傳遞速率高，能耗低的特點(diǎn)，尤其適用于單細(xì)胞旦白的生產(chǎn)。
好氣微生物的通風(fēng)培養(yǎng)要求氧氣傳遞速率高和能耗低的發(fā)酵裝置。通常采用的機(jī)械攪拌罐，能耗高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，罐型放大困難。為此原因，人們轉(zhuǎn)而使用氣流攪拌方式的空氣提升式發(fā)酵罐來通風(fēng)培養(yǎng)微生物。但是一般空氣提升式發(fā)酵罐的缺點(diǎn)是必需采用大型高罐的形式。由于罐高，則必需采用空氣壓縮機(jī)作為通風(fēng)源，其壓力范圍在3-7公斤/厘米2之間。如英.帝國化學(xué)工業(yè)公司的空氣提升式發(fā)酵罐合適的高度在40-60米之間(聯(lián)邦德國專利2423766)。有50米高度的例子(英國專利2，108，151)。利用甲醇為原料生產(chǎn)單細(xì)胞旦白的發(fā)酵罐體積為3.000米3(International Symposium on Single Cell Proteins，P.165，Editor J.C.Senez，1981，Paris)。日本墨水化學(xué)公司利用正烷烴生產(chǎn)單細(xì)胞旦白的發(fā)酵罐體積為1.260米3高度32米(International Symposium on Single Cell Proteins，P.288，Editor J.C.Senez，1981，Paris)。一般空氣提升式發(fā)酵罐的能耗為0.51～2.0千瓦小時/公斤氧(Chemie Ingenieur Technik 49(1977)Nr.R.S.595)。
本發(fā)明的目的是在于提供一種微生物通風(fēng)培養(yǎng)的方法和裝置，其特點(diǎn)是采用低風(fēng)壓風(fēng)源的空氣提升式發(fā)酵罐，采用的風(fēng)源壓力為0.3-10公斤/厘米2，優(yōu)先推薦的低風(fēng)壓風(fēng)源為羅茲鼓風(fēng)機(jī)。
本發(fā)明采用的低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐高度范圍為6-20米且?guī)в欣錈崴銣貖A套。罐內(nèi)裝有帶有多道水平縫隙的空氣提升內(nèi)管。
本發(fā)明提供的微生物通風(fēng)培養(yǎng)的方法和裝置用于一般微生物通風(fēng)培養(yǎng)，如細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物液體深層通風(fēng)培養(yǎng)，尤其適用于單細(xì)胞旦白的生產(chǎn)，例如酵母生產(chǎn)，食用酵母、面包酵母、藥用酵母和飼料酵母生產(chǎn)。采用的培養(yǎng)基為水溶性培養(yǎng)基，由氨水、磷酸、無機(jī)鹽，如(NH4)2SO4、M8SO4、FeSO4、ZnSO4，以及水溶性碳源所組成，水溶性碳源可以是甲醇、乙醇、醋酸、葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉水解糖、糖蜜、淀粉廢水、乙醇廢水、味精廢水葡萄糖廢水等。
本發(fā)明提供的微生物通風(fēng)培養(yǎng)的方法和裝置可以用于微生物間歇培養(yǎng)，由于低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐內(nèi)裝有帶有多道水平縫隙的空氣提升內(nèi)管，因此增加了培養(yǎng)液循環(huán)混和作用，並解決了用糖蜜或糖濃度在10-20%的任何工業(yè)廢水為碳源培養(yǎng)微生物細(xì)胞起始時，由于培養(yǎng)基投料量少而引起的循環(huán)困難問題。
本發(fā)明提供的微生物通風(fēng)培養(yǎng)的方法和裝置可以用于微生物連續(xù)培養(yǎng)。由于通風(fēng)和由此而產(chǎn)生的培養(yǎng)液強(qiáng)烈循環(huán)混和作用，導(dǎo)致培養(yǎng)液內(nèi)物料，酵母、空氣、培養(yǎng)基分布均勻，連續(xù)流出的培養(yǎng)液的酵母濃度等于發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)液的酵母濃度，發(fā)酵罐內(nèi)的不同部位的酵母濃度也保持一致，這樣連續(xù)過程易于穩(wěn)定。
本發(fā)明提供的微生物通風(fēng)培養(yǎng)的方法和裝置，第一個特點(diǎn)是不僅適用于大型發(fā)酵罐，而且也適用于中小型發(fā)酵罐，其適用范圍在10-1，000米3之間。第二個特點(diǎn)是氧傳遞速率高，單細(xì)胞旦白生產(chǎn)能力高達(dá)6.3克/升·小時。第三個特點(diǎn)是能耗低，由于采用低壓風(fēng)源，如輸出風(fēng)壓為0.5公斤/厘米2的羅茲鼓風(fēng)機(jī)的單位風(fēng)量的能耗≤輸出風(fēng)壓為3公斤/厘米2的空氣壓縮機(jī)的1/3，因此達(dá)到節(jié)能目的。本發(fā)明采用低壓風(fēng)源代替高壓風(fēng)源，解決了一般空氣提升式發(fā)酵罐降低能耗必須高罐大型化的缺點(diǎn)。本發(fā)明提供的微生物通風(fēng)培養(yǎng)的方法和裝置，其能耗為0.59千瓦小時/公斤酵母，相當(dāng)于0.59千瓦小時/公斤氧。
本發(fā)明提供的微生物通風(fēng)培養(yǎng)的方法和裝置，采用低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐培養(yǎng)微生物。低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐由風(fēng)壓范圍為0.3-1.0公斤/厘米2的低風(fēng)壓風(fēng)源和空氣提升式發(fā)酵罐所組成?？諝馓嵘桨l(fā)酵罐內(nèi)帶有冷熱水恒溫夾套的培養(yǎng)罐本體，帶有多道水平縫隙的空氣提升內(nèi)管和空氣分布器所組成。圖1是本發(fā)明提供的低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐，其中1是培養(yǎng)罐本體，2是空氣提升內(nèi)管，3是內(nèi)管縫隙，4是培養(yǎng)基，5是冷熱水恒溫夾套，6是培養(yǎng)基流加，7是氨水流加，8是發(fā)酵液連續(xù)流出，9是空氣分布器，10是廢氣排放，11是低壓風(fēng)源。圖2為圖1的A-A橫剖面，1是發(fā)酵罐外壁2是空氣提升內(nèi)管，3是冷熱水恒溫夾套。
在圖1所示的發(fā)酵罐內(nèi)，放入一定量的含有無機(jī)鹽，碳源，或含有微生物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基后，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基至一定PH值通過冷熱水夾套5維持所需溫度，接入預(yù)先培養(yǎng)好的微生物種子，如細(xì)菌、放絨菌、真菌。從低壓風(fēng)源11通過空氣分布器9通入的低壓空氣從空氣提升內(nèi)管2內(nèi)上升，由于內(nèi)管流體靜壓力小于內(nèi)管2和發(fā)酵罐外壁之間的環(huán)形區(qū)域的靜壓力，因此環(huán)形區(qū)域內(nèi)的發(fā)酵液帶有空氣氣泡向下移動，流入內(nèi)管底部，產(chǎn)生發(fā)酵液的連續(xù)循環(huán)。在空氣提升內(nèi)管2上開有多道水平環(huán)狀縫隙3，培養(yǎng)液既可從內(nèi)管2的頂部外溢循環(huán)。又可從縫隙3處外溢循環(huán)，從而增強(qiáng)了培養(yǎng)液的循環(huán)作用。因此，微生物細(xì)胞和空氣、培養(yǎng)基良好接觸混和，迅速生長繁殖。氨水從7處流加以維持培養(yǎng)液的PH值和補(bǔ)充氮源。本發(fā)明既可用于微生物間歇培養(yǎng)，又可用于微生物連續(xù)培養(yǎng)。如在以糖蜜或糖濃度在10-20%的任何工業(yè)廢水為碳源間歇培養(yǎng)微生物時，由于糖液必須以流加形式逐漸補(bǔ)入，所以起始培養(yǎng)時，培養(yǎng)基體積僅為終止培養(yǎng)時的 1/2 左右，也就是說起始培養(yǎng)時的培養(yǎng)基高度僅為空氣提升內(nèi)管2的一半，因此若用無縫隙的空氣提升內(nèi)管，則在微生物起始培養(yǎng)時，培養(yǎng)基就難以產(chǎn)生循環(huán)或者循環(huán)能力差。若采用帶有多道水平環(huán)狀縫隙的空氣提升內(nèi)管，培養(yǎng)液可以從縫隙3中噴出，經(jīng)空氣提升內(nèi)管和發(fā)酵罐外壁之間的環(huán)形區(qū)域參加循環(huán)，因此在內(nèi)管上添置了多道水平環(huán)狀縫隙解決了起始培養(yǎng)時，培養(yǎng)液循環(huán)困難的問題，在微生物連續(xù)培養(yǎng)時，培養(yǎng)基從6處用泵連續(xù)流加，從8處用泵或閥門控制連續(xù)流出，由于罐內(nèi)物料均勻，易于連續(xù)操作。
低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐的罐型放大采用水平橫向放大，即在罐型高度固定后，放大罐體的直徑、橫截面積，參數(shù)簡單、例如已從容積33升、罐高2.5米的實(shí)驗(yàn)室裝置一次放大到罐高10米的18米3的中試性工業(yè)生產(chǎn)裝置，再從中試性的18米3擴(kuò)大到200-1000米3的工業(yè)性生產(chǎn)裝置時，基本上采用水平橫向放大，參數(shù)簡單。而一般空氣提升式發(fā)酵罐從中試20米3規(guī)模放大到200-1000米3的生產(chǎn)規(guī)模時，既需要采用橫向放大，又需采用縱向放大(增加發(fā)酵罐的高度)。隨著發(fā)酵罐高度增加，培養(yǎng)液的循環(huán)，微生物細(xì)胞接觸空氣、培養(yǎng)基以及氧氣傳遞速率的狀況也隨著變化，參數(shù)復(fù)雜，放大有一定難度。因此本發(fā)明提供的低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐還具有容易放大的特點(diǎn)。
本發(fā)明提供的微生物通風(fēng)培養(yǎng)的方法和裝置適用于一般微生物通風(fēng)培養(yǎng)，如細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物液體深層通風(fēng)培養(yǎng)，特別適用于單細(xì)胞旦白的生產(chǎn)，例如酵母生產(chǎn)(食用酵母、面包酵母、藥用酵母和飼料酵母的生產(chǎn))。也可用于廢水生化曝氣處理。
本發(fā)明提供的微生物通風(fēng)培養(yǎng)的方法和裝置適用于水溶性培養(yǎng)基質(zhì)，如甲醇、乙醇、醋酸、葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉水解糖、糖蜜、淀粉廢水、乙醇廢水、味精廢水、葡萄糖廢水等。
下面的實(shí)例用于說明本發(fā)明最合適的具體實(shí)施。
實(shí)例一通風(fēng)壓力對低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐的氧傳遞速率OTR的影響。
按圖1所示，放入亞硫酸鈉溶液15升，以銅鹽為催化劑，在不同的通風(fēng)壓力和不同的通風(fēng)比條件下，測定發(fā)酵罐的氧傳遞速率OTR。
通風(fēng)比＝每分鐘通入空氣體積/亞硫酸鈉溶液體積。
表1，通風(fēng)壓力對OTR的影響OTR＝毫克分子氧/升·小時。
從表1看出通風(fēng)壓力從10公斤/厘米2降到0.3公斤/厘米2，在相同的通風(fēng)比5時，發(fā)酵罐的OTR反而略有升高。本發(fā)明提供的空氣提升式發(fā)酵罐只需要低壓風(fēng)源。因此可以利用一切低壓風(fēng)源，包括羅茲鼓風(fēng)機(jī)代替空氣壓縮機(jī)，以降低能耗。
實(shí)例二低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐和鼓泡式發(fā)酵罐酵母培養(yǎng)對比試驗(yàn)。
低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐如圖1所示。鼓泡式發(fā)酵罐為把圖1所示的空氣提升式發(fā)酵罐去除空氣提升內(nèi)管2。其他條件均相同。
菌種熱帶假絲酵母 Candida tpcpiealis變種K-79。
培養(yǎng)基(NH4)2SO415克MgSO4·7H2O 7.5克FeSO4·7H2O 0.75克ZnSO4·7H2O 0.75克H3PO4(80%) 30毫升上述無機(jī)鹽加水至11.4升，用2N氨水調(diào)節(jié)培養(yǎng)基溶液至PH4.5，並在整個發(fā)酵過程中維持在4.5。溫度33℃。通風(fēng)壓力0.3公斤/厘米2，通風(fēng)比6，接入預(yù)先培養(yǎng)好的酵母菌種子后，糖蜜溶液采用流加形式補(bǔ)入，加入總糖量為1370克，發(fā)酵終止時發(fā)酵液總體積為15升。離心，分離酵母菌體，水洗一次，110℃烘至恒重，稱重得酵母菌重量。
酵母菌濃度＝酵母菌重量(克)/發(fā)酵液總體積(升)
酵母菌轉(zhuǎn)化率＝ ((酵母菌重量(克)-酵母菌種子(克)))/(投糖量(克)) ×100%結(jié)果見表2。
表2，低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐和鼓泡式發(fā)酵罐酵母培養(yǎng)對比試驗(yàn)。
實(shí)例3利用低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐的酵母菌間歇培養(yǎng)。
除投糖量減至609克外，其他條件均同實(shí)例2。培養(yǎng)時間為5小時。得酵母菌447克，酵母菌濃度29.8克/升，扣除酵母菌種子后得酵母菌產(chǎn)值375克，酵母菌對糖轉(zhuǎn)化61.6%。
實(shí)例4利用低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐的酵母菌連續(xù)培養(yǎng)。
除表3所列的條件，其他條件同實(shí)例3，稀釋率0.33～0.40小時-1，結(jié)果見表3。稀釋率為0.33小時-1時，酵母菌連續(xù)培養(yǎng)42小時，酵母菌平均濃度19.0克/升，平均轉(zhuǎn)化率44.9%，酵母菌平均生產(chǎn)能力6.3克/升·小時。
實(shí)例5面包酵母Saceharomyces cerivsiae高濃度培養(yǎng)。
菌種面包酵母Saccharomyees cerivisiac。
培養(yǎng)基含磷酸(80%)量為1毫升/升?？偼短橇?124克。其他條件均同實(shí)例3。培養(yǎng)11小時結(jié)束，得酵母菌864.7克，酵母菌濃度57.6克/升。減去酵母菌種子71克，酵母菌實(shí)際增殖793.7克，酵母菌對糖轉(zhuǎn)化率37.4%。
實(shí)例6面包酵母Saceharomyces cerivisiae工業(yè)化連續(xù)培養(yǎng)低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐如圖2所示，培養(yǎng)基投入量8米3，稀釋率D＝0.25小時-1，每小時流入的糖蜜溶液中含糖138公斤，其他條件如菌種，培養(yǎng)基，PH，溫度均同實(shí)例5。用羅茲鼓風(fēng)機(jī)作為風(fēng)源，風(fēng)壓0.5公斤/厘米2，風(fēng)量20米3/分，羅茲鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時實(shí)測功率為27.1千瓦，連續(xù)培養(yǎng)16小時，發(fā)酵液酵母菌濃度平均為23.1克/升，酵母菌生產(chǎn)能力5.8克/升·小時。酵母菌對糖轉(zhuǎn)化率33.5%。酵母菌能耗0.59千瓦小時/公斤。
權(quán)利要求
1.一種采用空氣提升式發(fā)酵罐，利用水溶性培養(yǎng)基的通風(fēng)培養(yǎng)微生物的方法，其特征是采用低風(fēng)壓空氣供氧的空氣提升式發(fā)酵罐。
2.如權(quán)利要求
1所述的培養(yǎng)微生物的方法，其特征是水溶性培養(yǎng)基由氨水、磷酸、無機(jī)鹽，如(NH4)2SO4、MgSO4、FeSO4、ZnSO4，水溶性碳源所組成。
3.如權(quán)利要求
2所述的培養(yǎng)微生物的方法，其特征是水溶性碳源可以是甲醇、乙醇、醋酸、葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉水解糖、糖蜜，也可以是淀粉廢水、乙醇廢水、味精廢水或葡萄糖廢水等。
4.如權(quán)利要求
1所述的培養(yǎng)微生物的方法所用的低風(fēng)壓空氣供氧的空氣提升式發(fā)酵罐，其特征是低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐是由風(fēng)壓范圍為0.3-1.0公斤/厘米2的低風(fēng)壓風(fēng)源、空氣提升式發(fā)酵罐所組成。
5.如權(quán)利要求
1所述的培養(yǎng)微生物的方法，其中所說的低風(fēng)壓空氣供氧的空氣提升式發(fā)酵罐，其特征是空氣提升式發(fā)酵罐的高度為6-20米。
6.如權(quán)利要求
4或5所述的培養(yǎng)微生物方法，所用的低風(fēng)壓空氣供氧的空氣提升式發(fā)酵罐其特征是低風(fēng)壓風(fēng)源為羅茲鼓風(fēng)機(jī)。
7.如權(quán)利要求
4或5所述的培養(yǎng)微生物方法所用的發(fā)酵罐，其特征是空氣提升式發(fā)酵罐內(nèi)裝有帶有多道縫隙的空氣提升內(nèi)管。
8.如權(quán)利要求
1或2所述的培養(yǎng)微生物方法，其特征是采用間歇培養(yǎng)法培養(yǎng)微生物。
9.如權(quán)利要求
1或2所述的培養(yǎng)方法，其特征是采用連續(xù)培養(yǎng)法培養(yǎng)微生物。
10.如權(quán)利要求
1或2所述的培養(yǎng)方法，其特征是用于一般微生物通風(fēng)培養(yǎng)，如細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物液體深層通風(fēng)培養(yǎng)。
11.如權(quán)利要求
10所述的培養(yǎng)方法，其特征是微生物液體深層通風(fēng)培養(yǎng)用于單細(xì)胞旦白生產(chǎn)。
12.如權(quán)利要求
11所述的培養(yǎng)方法生產(chǎn)單細(xì)胞旦白，其特征是尤其適合于酵母生產(chǎn)，如食用酵母，面包酵母，藥用酵母和飼料酵母的生產(chǎn)。
13.如權(quán)利要求
4或5所述的低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐，其特征是采用間歇培養(yǎng)法培養(yǎng)微生物。
14.如權(quán)利要求
4或5所述的低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐，其特征是采用連續(xù)培養(yǎng)法培養(yǎng)微生物。
15.如權(quán)利要求
4或5所述的低風(fēng)壓空氣提升式發(fā)酵罐，其特征是用于一般微生物通風(fēng)培養(yǎng)，如細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物液體深層通風(fēng)培養(yǎng)。
16.如權(quán)利要求
15所述的培養(yǎng)方法，其特征是微生物液體深層通風(fēng)培養(yǎng)用于單細(xì)胞旦白生產(chǎn)。
17.如權(quán)利要求
16所述的培養(yǎng)方法，其特征是單細(xì)胞旦白生產(chǎn)尤其適用于酵母生產(chǎn)，如食用酵母、面包酵母、藥用酵母和飼料酵母的生產(chǎn)。
專利摘要
一種通風(fēng)培養(yǎng)微生物的方法和裝置。采用低風(fēng)壓在空氣提升式發(fā)酵罐間歇或連續(xù)培養(yǎng)微生物。風(fēng)壓范圍是0.3-1.0公斤/厘米
文檔編號C12N1/00GK85100522SQ85100522
公開日1986年7月9日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者李祥鵬, 胡立侃, 孫冰, 王大琛 申請人:中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan