一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐的製作方法

2024-04-02 19:52:05

專利名稱：一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐的製作方法
技術領域：
本發明屬於發酵設備領域，特別是涉及蘇雲金芽胞桿菌(Bt)發酵後期產芽胞和晶體階段的發酵設備， 即蘇雲金芽胞桿菌產晶胞發酵罐。
背景技術：
一般情況下氧氣很難溶於水，當發酵液中含有其它各種成分，氧的溶解度比在純水中更低，而且發酵液的濃度越高溶氧速率越慢，而微生物呼吸和代謝活動中需要的氧氣必須溶解於發酵液中才能被直接利用，供氧的不足和供氧的短暫中斷將對發酵造成嚴重的不可逆損害。因此，有效、合理地設計發酵罐，具有重大意義。近年來，國內外研究者為了解決通風發酵過程的溶氧和節能問題，提出的通風發酵罐種類很多，已開發了氣升式、自吸式、噴射式等若干新型發酵罐.發展的主要趨勢之一是從機械攪拌過渡到氣流攪拌，而改進的核心是提高傳氧係數和節約能量。機械攪拌發酵罐典型代表是通用式機械攪拌發酵罐和自吸式發酵罐。在這類罐內氣體在液相中受到兩次分散，這種罐氣體分散的能量利用率較低。自吸式發酵罐採用負壓發酵，可獲得遠比氣升式發酵罐高的Kla值(液相體積氧傳遞係數，單位L/h)，但不能實施空氣保壓，一旦遇到設備故障攪拌受阻或停電等情況.就會造成菌體窒息死亡，使發酵停滯，甚至造成倒罐。目前國內外普遍用的Bt發酵反應器都為機械攪拌式發酵罐，Bt最常用的生產方法是在一個攪拌通風發酵罐內完成Bt的發酵生產，其攪拌器一般採用六彎葉渦輪式和箭葉式，內部結構複雜和軸封處有傳動部件，使罐內有死角和難以實現密封，易感染雜菌和噬菌體，造成發酵失敗，而且受結構限制，罐體高徑比小，不能較多地利用無菌空氣中的氧氣，因而無菌空氣需要量大，罐造價高、能耗大，增加了生產成本。數據統計表明，用於機械式攪拌所消耗的能源佔發酵全過程的一半左右。隨著高產菌株的不斷使用，高密度發酵單靠增加通風量和攪拌速度，氧的供給有限，且Bt的發酵分為菌體培養階段和芽胞、 晶體蛋白產生脫落階段，生產的目的是為了獲得最多的有毒力活性的芽胞和晶體蛋白，在 Bt發酵的後期，強烈的機械攪拌，對菌體、芽胞和晶體造成傷害，不利於殺蟲毒素的形成。氣流攪拌發酵罐主要通過噴嘴和內外環流管配合或篩板來分散氣體，無機械轉動部件，典型代表是氣升式發酵罐。一些研究者對生產Bt的機械通風發酵罐進行改良，如採用環隙氣升式內環流反應器代替機械攪拌發酵罐發酵生產Bt。氣升式發酵罐通入的空氣使罐內的不同區域形成密度差和宏觀循環流，同時形成局部湍流和微觀混合流，以達到攪拌、混合和使空氣中的氧氣溶解在發酵液中的目的，其優點是具有結構簡單、無運動部件、 無菌操作可靠性高、電耗少、操作維修方便和造價低，較高的發酵罐高經比(H/D)，如高經比 1:5-1: 8，可以增加氧與料液的接觸時間，增加氧在料液中的溶解度；實踐證明，當通風量和單位體積的功率消耗一定的時候，H/D為2的通風效率是H/D為1的1. 4倍。採用氣升式發酵罐發酵，可使Bt的發酵時間縮短，菌數提高。氣升式發酵罐用於低含固量培養基發酵時，性能優良，但不能用於高含固量培養基發酵，反應器的供氧能力有待進一步提高。有報導在氣升式內環流反應器的導流筒內安置若干折流元件、網狀的氣升式發酵罐，性能得到了提高，但發酵罐放大受限，與機械攪拌相比需增加通風量，如配置外環流管增加溶氧， 則外部泵送和循環系統易使發酵液受到雜菌汙染和使細胞損傷，而且過高的高徑比使溫度混勻較難，細胞、蛋白等的沉澱也較難。傳統的通用式發酵罐所採用的通氣裝置存在的問題氣泡直徑隨著通氣量的增大而增大，氣泡上升速度也隨之增大；氣泡粉碎程度卻並不隨著攪拌轉速的增加而增大，它只能維持在同一個數量級上，增大通氣量和增加攪拌功率對容器傳質係數不僅不能有較大幅度的提高，相反將導致大量能源的消耗和產品成本的提高。有研究者採用噴嘴、混合管和循環管組成的射流混合器來強化氣體分散，減小氣泡直徑，有利於氣、液二相比表面積的增力口、接觸時間的增長和容量傳質係數的提高。生產實踐表明，用射流混合器使攪拌器的層數減少，使機械攪拌通風發酵罐提高溶氧效果、節約能耗20%以上。發酵生產Bt產品，需要的是Bt的晶體、芽胞和上清液。目前的發酵罐一般都是圓底，罐體沒有採用多段冷卻，也沒有分段出料，無法對發酵液分段降溫促進沉澱，並按其不同濃度分別出料，而是由罐下部出料閥一起出料，過濾和離心工藝周期長，能耗也大。

發明內容
本發明的目的是提供一種用於蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵 罐，以減少發酵過程的能耗，提高芽胞、晶體的產量，同時有利於晶體和芽胞的分離。本發明是以如下方式實現的，一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐，其高徑比2 1至3 1，錐底，罐頂橢圓封頭；罐體錐底上方安裝有2-4個射流混合器，罐體錐底設1個冷卻帶、罐體錐底上方的1/3-2/3處設2個冷卻帶；罐頂設有安全閥、真空閥、汽液分流器接口、檢修入孔，罐體錐底處設有一個出料口、罐體上部2個冷卻帶的下方各設1個出料口。上述的一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐，錐底角度為70°，罐體內設 CIP原位清洗裝置。本發明所提供的一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐的前端，可以選擇機械攪拌或氣升式發酵罐用於菌體培養，即做為培養基進料、接種至芽胞剛形成階段，或稱前發酵階段的發酵罐；而本發明的一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐，用於晶體、芽胞形成，即後期發酵用，可以減少通風發酵罐的攪拌能或氣升式發酵罐的通風量，也相當於中轉罐的作用。其發酵效果及效益十分明顯(1)安裝2-4個射流混合器以增強氣體對流與分散，並可更具溶氧要求選擇開啟射流混合器大小和個數，便於氧的控制。無攪拌裝置，可以克服機械攪拌發酵罐的弱點又比氣升式發酵罐攪拌和溶氧好。(2)介於機械攪拌通風發酵罐和氣升式發酵罐之間的高徑比(2 1至3 1)，可延長空氣與料液的接觸時間，增加氧在料液中的溶解度，並使整罐發酵液具有良好的對流混合效果。(3)發酵罐從錐底向上分別設有3段冷卻帶，合理的溫度控制可以使發酵液形成大循環和無數小循環，促進氧的溶解和溫度的混勻，使整個發酵液的溫度均勻，有利於發酵液在罐內的對流和熱交換。該發酵罐混合原理除了氣升式發酵罐的混合形成的湍流和微觀混合流外，還有射流混合器進氣形成的攪拌作用、冷熱溫差作用、液體和氣體的密度變化引起的對流。(4)設有三個出料口，可依次從上到下出料。分段出料可以獲得不同的渾濁度的發酵液，由清至濃進行發酵液的後處理，大大減少過濾堵塞現象，提高過濾速度。底部排出的較濃的發酵液可直接用於乾燥或離心，減少後期發酵液的處理量，縮短後處理時間，降低生產成本。
設有冷卻帶，後期靜置或加入絮凝劑等預處理髮酵液後，有利於晶體、芽胞等較大物質的沉澱、收集於錐形底部。發酵罐底為錐底，可以減少圓形罐底橢圓封頭沉澱物的殘留。錐底角度為70°，可減少排除阻力，便於沉積物的排出。此外，罐頂採用橢圓封頭，在罐頂設置安全閥、真空閥、汽液分流器接口，供氣體排出及發酵罐清洗液進入，設入孔，供檢修用；設CIP原位清洗裝置、燈鏡和視鏡；瘦長的錐形發酵罐向立面發展，節約了地方。


下面將結合附圖對本發明進一步說明圖1 一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐1、冷卻帶；2、無菌空氣進氣管；3、物料進料管；4、排氣管；5、出料口；6、CIP原位清洗裝置；7、射流混合器.
具體實施例實施例1菌株以8010為發酵菌株發酵生產Bt。設備培養進料、接種至剛產胞階段，採用傳統的1. 5L機械通風攪拌罐；蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵階段，採用1. 5L如圖1所示的一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐，其高徑比2 1,70°錐底，罐頂橢圓封頭，罐體錐底上方安裝有2個射流混合器，罐體錐底及其上方1/3和2/3高處各設1個冷卻帶，在罐頂設有安全閥、真空閥、汽液分流器接口、檢修入孔，罐體錐底處設有一個出料口，錐底上方的1/4和1/2的處各設1個出料口。培養基配方玉米澱粉1 %，豆粕1. 3%，花生餅粉1 %，玉米漿1 %，酵母粉0. 1 %， CaCO3O. 3%, KH2PO4 0. 2%, MgSO4 0. 07%, pH 7. 0-7. 5，121°C高壓滅菌 40min。發酵液芽胞計數方法取發酵剛結束的發酵液85°C加熱處理5min，迅速冷卻，採用稀釋平板活菌技術法計數；毒力測定方法發酵液經1000倍稀釋後對2-3齡小菜蛾生物測定。方法培養基進料、接種至剛產胞階段在1. 5L機械通風攪拌罐內發酵，經滅菌的培養基接種後，按培養基與無菌空氣量1 1.5v/v/min、發酵溫度控制在30°C，攪拌轉速 250r/min、罐壓0. 5atm的發酵條件，在1. 5L機械通風攪拌罐內發酵，培養至芽胞剛開始形成時，其產生的發酵液稱前發酵液前發酵液轉入本發明所提供的一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐，控制無菌空氣量1 lv/v/min，溫度控制在33°C發酵，發酵至芽胞剛開始脫落時，停止通風，維持 33°C至芽胞50%以上脫落時，調pH至5左右，添加絮凝劑等，出料轉入後期處理階段。結果發酵時間為60h，終產品芽胞數95億/mL，芽胞同步率95%以上，晶體整齊；48h小菜蛾校正死亡率100% ；而傳統單罐發酵方案，發酵時間需要為71h，終產品的芽胞數 61億/mL、芽胞形成率80%左右，48h 2_3齡小菜蛾校正死亡率83%。按每度電0.73元，每罐1.5t計算，可節省攪拌能耗300元以上，發酵周期縮短llh，發酵液芽胞數增加了 34億/ mL，對小菜蛾殺蟲能力提高20%。後期膜過濾加快，可提前Ih完成後處理階段。實施例2如實施例1，培養基進料、接種至剛產胞階段，採用傳統的2. 5L機械通風攪拌罐； 蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵階段，採用2. 5L如圖1所示的一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐，其高徑比2. 5 1，錐底，罐頂橢圓封頭，罐體錐底上方安裝有4個射流混合器，罐體錐底及其上方1/3和3/5高處各設1個冷卻帶，在罐頂設有安全閥、真空閥、汽液分流器接口、檢修入孔，罐體錐底處設有一個出料口、錐底上方的1/4和1/2處各設1個出料口。產品的效果同實施例1，效益比實施例1略 高。
權利要求
1.一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐，其特徵是發酵罐高徑比2 1至3 1， 錐底，罐頂橢圓封頭；罐體錐底上方安裝有2-4個射流混合器，罐體錐底設1個冷卻帶、罐體錐底上方的1/3-2/3處設2個冷卻帶；罐頂設有安全閥、真空閥、汽液分流器接口、檢修入孔，罐體錐底處設有一個出料口、罐體上部2個冷卻帶的下方各設1個出料口。
2.根據權利要求1所述的一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐，其特徵是錐底角度為70°，罐體內設CIP原位清洗裝置。
全文摘要
一種蘇雲金芽胞桿菌產晶胞階段的發酵罐，其高徑比2∶1至3∶1，錐底，罐頂橢圓封頭；罐體錐底上方安裝有2-4個射流混合器，罐體錐底設1個冷卻帶、罐體錐底上方的1/3-2/3處設2個冷卻帶；罐頂設有安全閥、真空閥、汽液分流器接口、檢修入孔，罐體錐底處設有一個出料口、罐體上部2個冷卻帶的下方各設1個出料口；該設備與常規的發酵罐配合，專門用於常規的發酵罐培養至芽胞剛開始形成時發酵液的後發酵處理能減少發酵過程的能耗，提高芽胞、晶體的產量，同時有利於晶體、芽胞的分離。
文檔編號C12M1/00GK102154091SQ20101062374
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月25日 優先權日2010年12月25日
發明者關雄, 吳麗雲 申請人:福建農林大學