一種基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝的製作方法
2023-09-19 18:30:40
專利名稱：一種基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於微生物發酵技術領域，具體涉及一種基於轉筒式發酵反應器的細菌纖 維素生產工藝。
背景技術：
纖維素是地球上最豐富的天然聚合體，廣泛存在樹木、棉花等植物中，每年由植物 產生的纖維素達億萬噸。但是，合成纖維素並不是植物特有的功能，某些細菌也以異養方式 比植物更高效的產生胞外纖維素，我們把這種細菌來源的纖維素稱為「細菌纖維素」。細菌 合成纖維素是在1886年由Brown首次報導的，是木醋酸菌(Acetobacter xylinum)在靜置 培養時於培養基表面形成的一層白色纖維狀物質。後來在許多革蘭氏陰性細菌，如土壤杆 菌、致瘤膿桿菌和革蘭氏陽性細菌如八疊球菌中也發現了細菌纖維素的產生。細菌纖維素 與天然纖維素結構非常相似，都是D-葡萄糖以β -1，4糖苷鍵連接而成的鏈狀高分子，具有 (C6H10O5)n的組成。但與之相比，細菌纖維素具有更優越的特性，它是以純纖維素的形式存 在，而植物纖維素的存在形式是與半纖維素和木質素等組成三級立體結構。同時細菌纖維 素還具有高結晶度、高強度及良好的親水性能。目前細菌纖維素已經在食品、醫藥、化工、面膜、造紙、高級音響設備、濾膜滲透膜 和精紡等方面取得成功應用。但由於它的低產量所造成的高成本，限制了它的廣泛應用。傳 統的細菌纖維素生產主要是淺盤發酵方式，其特點是勞動密集並且生產力低下。試驗發現， 淺盤培養由於受到營養成分傳質的限制，產量不高。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種處理量大、效率高、操作方便， 可實現連續化、機械化運轉的基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝。本發明解決其技術問題是通過以下技術方案實現的一種基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，其特徵在於該生產工藝的 步驟為(1).設備空消在進行發酵之前先對轉筒式發酵反應器進行空消，關閉反應器的空氣雜塵隔離外 殼，通過蒸汽管道向反應器殼體內通入蒸汽，罐壓控制在0. 11 0. 16Mpa之內，空消時間 30 50分鐘，當罐溫降至80°C時，打開排氣閥，卸去罐內壓力，完成設備空消；(2).培養基實消將培養基原液通過進料口注入轉筒式發酵反應器的料槽內，關閉空氣雜塵隔離外 殼，通過蒸汽管道通入蒸汽對培養基原液進行實消，罐壓控制在0. 1 0. IlMpa之內，實消 時間20 30分鐘，實消後，向夾套中通冷卻水進行冷卻，將料槽內培養基原液溫度降低到 28 30°C，完成培養基實消；(3).接種
將培養好的木醋桿菌種子液以5 10%比例通過進料口接入培養基原液中；(4).旋轉發酵打開轉筒式發酵反應器的電機，轉筒旋轉，使轉筒外壁周期性地接觸料槽內的菌 體和培養基原液，旋轉速度在4 20轉/分鐘，通過向夾套中通入冷熱水調節培養基原液 的溫度，使培養基保持在28 30°C，發酵6 10天，發酵過程中通過無菌空氣通風系統向 殼體內通入空氣，給菌體提供充足的氧氣；(5)細菌纖維素膜的收割當培養的纖維素膜達到一定厚度時發酵停止，出料時通過刮刀將筒壁上的纖維素 膜刮下，並隨之將規整的整片纖維素膜移出反應器，再根據工藝要求進行切割和整形後處 理，料槽內的發酵殘液通過料液出口排出。而且，在所述步驟(4)旋轉發酵的過程中還包括酸鹼控制步驟發酵過程中通過 料槽內的PH檢測器檢測培養基pH值，當培養基pH達到3. 5 3. 8以下時，通過料液進口 泵入NaOH以調節pH值。而且，在所述步驟(4)旋轉發酵的過程中還包括培養基原液的增補步驟發酵過 程中通過料槽內的液面高度檢測器檢測培養基液面高度，當培養基原液高度低於規定要求 時，通過料液進口補充新鮮培養基原液。而且，在所述步驟(4)旋轉發酵的過程中還包括細菌纖維素膜的修飾步驟通過 向培養基原液中加入修飾成分，隨著細菌纖維素膜不斷加厚，將修飾成分均勻的包裹入膜 內，該修飾成分為羧甲基纖維素及其衍生物或多糖類物質或膠類物質。而且，所述的轉筒式發酵反應器的結構為主要由支架、臥式殼體、水平安裝於該 臥式殼體內的轉筒、驅動電機及刮刀構成，臥式殼體由底部夾套式料液槽及上部空氣雜塵 隔離外殼對合安裝而成，夾套式料液槽設置有料液進口、出口，夾套式料液槽的夾套上設置 有循環水進口、出口，空氣雜塵隔離外殼內的頂部水平安裝有蒸汽管道，空氣雜塵隔離外殼 上設置有無菌空氣進口、出口，刮刀設置於臥式殼體外部並可移動至與轉筒筒壁接觸。而且，所述刮刀由可移動刀座、安裝於刀座上的刀片、安裝在刀片後部的輸送帶及 輸送帶驅動機構構成。而且，所述蒸汽管道的管體上間隔制有出汽孔。而且，所述轉筒為端面密閉的中空式轉筒，轉筒外壁為光滑壁面或粗糙壁面。而且，在空氣雜塵隔離外殼內部安裝有壓力檢測器及溫度檢測器，在夾套式料液 槽內安裝有料液高度檢測器、PH檢測器及溫度檢測器。本發明的優點和有益效果為1.本細菌纖維素生產工藝與現有淺盤培養的最大區別為將膜和培養基原液分開， 使附著於轉筒外壁的菌體始終和培養基原液保持接觸，突破了淺盤培養時纖維素膜的厚度 對營養成分傳輸的限制，而且發酵所用底物濃度也可適當降低，提高生產效率，節約原料成 本。2.本細菌纖維素生產工藝還通過設備的監控裝置，檢測培養基的料液高度及pH 的變化並進行調節，相比傳統的淺盤發酵，實現了發酵過程的可調控性。3.本細菌纖維素生產工藝的發酵過程中可通過向培養基原液中加入修飾成分，隨 著細菌纖維素膜不斷加厚，將修飾成分均勻的包裹入膜內。
4.本細菌纖維素生產工藝中當纖維素膜厚度滿足要求後，使用刮刀在轉筒轉動一 周后便將膜全部卸下，實現自動收料，大大減少了人力需求，因此操作方便、生產能力強、應 用範圍廣。5.本細菌纖維素生產工藝突破了傳統淺盤培養以手工為主，生產效率低下的局 限，實現了細菌纖維素髮酵生產和膜片收穫的連續化和機械化作業，具有處理量大、高效便 捷、自動化程度高等諸多優點，可有效提高勞動生產率、降低生產成本、穩定產品質量。
圖1為本發明所採用的轉筒式發酵反應器的主視圖(省略驅動電機及刮刀)；圖2為圖1的剖視圖；圖3為圖1的右視圖；圖4為本發明所採用的轉筒式發酵反應器的刮刀的結構示意圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限 定性的，不能以此限定本發明的保護範圍。為更好的闡述本發明細菌纖維素的生產工藝，首先對本發明所採用的轉筒式發酵 反應器的結構進行說明。本細菌纖維素生產工藝所採用的轉筒式細菌纖維素髮酵反應器的結構為主要由 支架9、臥式殼體、水平安裝於該臥式殼體內的轉筒16、驅動電機(圖中未示出)及刮刀構 成。臥式殼體由上部空氣雜塵隔離外殼1及底部夾套式料液槽2通過其周邊的法蘭連接 邊3對合安裝而成。轉筒為端面密閉的中空式轉筒，轉筒外壁為光滑壁面或粗糙壁面。當 料液粘度較大時採用光滑壁面的轉筒。當料液粘度較小時採用粗糙壁面的轉筒以便料液附 著。轉筒通過其兩端的轉動軸6安裝於臥式殼體內，驅動電機採用變頻調速電機，轉筒轉速 可以根據工藝要求進行調節。刮刀設置於臥式殼體外部並可移動至與轉筒筒壁接觸。刮刀 由可移動刀座25、安裝於刀座上的刀片23、安裝在刀片後部的輸送帶24及輸送帶驅動機構 26構成，驅動機構由驅動電機及其傳動機構構成。刀片長度與轉筒軸向長度相同。空氣雜塵隔離外殼內的頂部水平安裝有蒸汽管道14。蒸汽管道的管體上間隔制有 出汽孔15。空氣雜塵隔離外殼上安裝有洩壓閥22。通過蒸汽管道可實現對該設備在線滅 菌。在空氣雜塵隔離外殼內部安裝有壓力檢測器17及溫度檢測器18，壓力檢測器及溫度檢 測器均與控制裝置連接。可實現蒸汽滅菌過程中的壓力及溫度控制。空氣雜塵外殼的兩端 分別設置有無菌空氣進口 5、出口 13，以便在發酵過程中補充無菌空氣，滿足菌體生長和產 物形成的需要。空氣雜塵隔離外殼的正面安裝視窗4。夾套式料液槽設置有料液進口 7、出口 11。夾套式料液槽內安裝有料液高度檢測 器19、pH檢測器20及溫度檢測器21，料液高度檢測器、pH檢測器及溫度檢測器均與控制裝 置連接。以便及時補充培養基並調節PH值。夾套式料液槽的夾套設置有循環水進口 8、出 口 12。以便容器滅菌後及時冷卻和維持培養基質的溫度要求。在夾套式料液槽的底部設有 冷凝水出口 10，以便及時排除冷凝液。一種基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，該生產工藝的步驟為
(1).設備空消在進行發酵之前先對轉筒式發酵反應器進行空消，關閉反應器的空氣雜塵隔離外 殼，通過蒸汽管道向反應器殼體內通入蒸汽，罐壓控制在0. 11 0. 16Mpa之內，空消時間 30 50分鐘，當罐溫降至80°C時，打開排氣閥，卸去罐內壓力，完成設備空消；(2).培養基實消將培養基原液通過進料口注入轉筒式發酵反應器的料槽內，關閉空氣雜塵隔離外 殼，通過蒸汽管道通入蒸汽對培養基原液進行實消，罐壓控制在0. 1 0. IlMpa之內，實消 時間20 30分鐘，實消後，向夾套中通冷卻水進行冷卻，將料槽內培養基原液溫度降低到 28 30°C，完成培養基實消；(3) ·接種將培養好的木醋桿菌種子液以5 10%比例通過進料口接入培養基原液中；(4).旋轉發酵打開轉筒式發酵反應器的電機，轉筒旋轉，使轉筒外壁周期性地接觸料槽內的菌 體和培養基原液，旋轉速度在4 20轉/分鐘，通過向夾套中通入冷熱水進行調節培養基 原液的溫度，使培養基保持在28 30°C，發酵6 10天，發酵過程中通過無菌空氣通風系 統向殼體內通入空氣，給菌體提供充足的氧氣；(5)酸鹼控制步驟發酵過程中通過料槽內的PH檢測器，當培養基pH達到3. 5 3.8以下時，通過料液進口泵入NaOH以調節pH值。(6)培養基的增補步驟發酵過程中通過料槽內的液面高度檢測器，當培養基高 度低於規定要求時，通過料液進口補充新鮮培養基原液。(7)細菌纖維素膜的修飾步驟通過向培養基中加入修飾成分，隨著細菌纖維素 膜不斷加厚，將修飾成分均勻的包裹入膜內，該修飾成分為羧甲基纖維素及其衍生物、多 糖類物質、膠類物質，如羧甲基纖維素、甘露聚糖、葡聚糖、瓊脂、明膠等。(8)細菌纖維素膜的收割當培養的纖維素膜達到一定厚度時發酵停止，出料時通過刮刀將筒壁上的纖維素 膜刮下，並隨之將規整的整片纖維素膜移出反應器，再根據工藝要求進行切割和整形後處 理，料槽內的發酵殘液通過料液出口排出；(9)設備清洗待纖維素膜收割完成後，對殘留在反應器殼體內的物質進行清洗。
權利要求
一種基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，其特徵在於該生產工藝的步驟為(1).設備空消在進行發酵之前先對轉筒式發酵反應器進行空消，關閉反應器的空氣雜塵隔離外殼，通過蒸汽管道向反應器殼體內通入蒸汽，罐壓控制在0.11～0.16Mpa之內，空消時間30～50分鐘，當罐溫降至80℃時，打開排氣閥，卸去罐內壓力，完成設備空消；(2).培養基實消將培養基原液通過進料口注入轉筒式發酵反應器的料槽內，關閉空氣雜塵隔離外殼，通過蒸汽管道通入蒸汽對培養基原液進行實消，罐壓控制在0.1～0.11Mpa之內，實消時間20～30分鐘，實消後，向夾套中通冷卻水進行冷卻，將料槽內培養基原液溫度降低到28～30℃，完成培養基實消；(3).接種將培養好的木醋桿菌種子液以5～10％比例通過進料口接入培養基原液中；(4).旋轉發酵打開轉筒式發酵反應器的電機，轉筒旋轉，使轉筒外壁周期性地接觸料槽內的菌體和培養基原液，旋轉速度在4～20轉/分鐘，通過向夾套中通入冷熱水調節培養基原液的溫度，使培養基保持在28～30℃，發酵6～10天，發酵過程中通過無菌空氣通風系統向殼體內通入空氣，給菌體提供充足的氧氣；(5)細菌纖維素膜的收割當培養的纖維素膜達到一定厚度時發酵停止，出料時通過刮刀將筒壁上的纖維素膜刮下，並隨之將規整的整片纖維素膜移出反應器，再根據工藝要求進行切割和整形後處理，料槽內的發酵殘液通過料液出口排出。
2.根據權利要求1所述的基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，其特徵在 於在所述步驟(4)旋轉發酵的過程中還包括酸鹼控制步驟發酵過程中通過料槽內的PH 檢測器檢測培養基PH值，當培養基pH達到3. 5 3. 8以下時，通過料液進口泵入NaOH以 調節PH值。
3.根據權利要求1所述的基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，其特徵在 於在所述步驟(4)旋轉發酵的過程中還包括培養基原液的增補步驟發酵過程中通過料 槽內的液面高度檢測器檢測培養基液面高度，當培養基原液高度低於規定要求時，通過料 液進口補充新鮮培養基原液。
4.根據權利要求1所述的基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，其特徵在 於在所述步驟(4)旋轉發酵的過程中還包括細菌纖維素膜的修飾步驟通過向培養基原 液中加入修飾成分，隨著細菌纖維素膜不斷加厚，將修飾成分均勻的包裹入膜內，該修飾成 分為羧甲基纖維素及其衍生物或多糖類物質或膠類物質。
5.根據權利要求1所述的基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，其特徵在 於所述的轉筒式發酵反應器的結構為主要由支架、臥式殼體、水平安裝於該臥式殼體內 的轉筒、驅動電機及刮刀構成，臥式殼體由底部夾套式料液槽及上部空氣雜塵隔離外殼對 合安裝而成，夾套式料液槽設置有料液進口、出口，夾套式料液槽的夾套上設置有循環水進 口、出口，空氣雜塵隔離外殼內的頂部水平安裝有蒸汽管道，空氣雜塵隔離外殼上設置有無菌空氣進口、出口，刮刀設置於臥式殼體外部並可移動至與轉筒筒壁接觸。
6.根據權利要求1所述的基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，其特徵在 於所述刮刀由可移動刀座、安裝於刀座上的刀片、安裝在刀片後部的輸送帶及輸送帶驅動 機構構成。
7.根據權利要求1所述的基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，其特徵在 於所述蒸汽管道的管體上間隔制有出汽孔。
8.根據權利要求1所述的基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，其特徵在 於所述轉筒為端面密閉的中空式轉筒，轉筒外壁為光滑壁面或粗糙壁面。
9.根據權利要求1所述的基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，其特徵在 於在空氣雜塵隔離外殼內部安裝有壓力檢測器及溫度檢測器，在夾套式料液槽內安裝有 料液高度檢測器、PH檢測器及溫度檢測器。
全文摘要
本發明涉及一種基於轉筒式發酵反應器的細菌纖維素生產工藝，該生產工藝的步驟為(1)設備空消；(2)培養基實消；(3)接種；(4)旋轉發酵；(5)細菌纖維素膜的收割；(6)設備清洗。本細菌纖維素生產工藝突破了傳統淺盤培養以手工為主，生產效率低下的局限，實現了細菌纖維素髮酵生產和膜片收穫的連續化和機械化作業，具有處理量大、高效便捷、自動化程度高等諸多優點，可有效提高勞動生產率、降低生產成本、穩定產品質量。
文檔編號C12M1/34GK101979635SQ201010532809
公開日2011年2月23日 申請日期2010年11月4日 優先權日2010年11月4日
發明者王祥河, 胡婭君, 趙瓊 申請人:天津實發中科百奧工業生物技術有限公司