CN101979635B - 一种基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺 - Google Patents

一种基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺，该生产工艺的步骤为：(1).设备空消；(2).培养基实消；(3).接种；(4).旋转发酵；(5)细菌纤维素膜的收割；(6)设备清洗。本细菌纤维素生产工艺突破了传统浅盘培养以手工为主，生产效率低下的局限，实现了细菌纤维素发酵生产和膜片收获的连续化和机械化作业，具有处理量大、高效便捷、自动化程度高等诸多优点，可有效提高劳动生产率、降低生产成本、稳定产品质量。

Description

一种基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺
技术领域
本发明属于微生物发酵技术领域，具体涉及一种基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺。
背景技术
纤维素是地球上最丰富的天然聚合体，广泛存在树木、棉花等植物中，每年由植物产生的纤维素达亿万吨。但是，合成纤维素并不是植物特有的功能，某些细菌也以异养方式比植物更高效的产生胞外纤维素，我们把这种细菌来源的纤维素称为“细菌纤维素”。细菌合成纤维素是在1886年由Brown首次报道的，是木醋酸菌(Acetobacter xylinum)在静置培养时于培养基表面形成的一层白色纤维状物质。后来在许多革兰氏阴性细菌，如土壤杆菌、致瘤脓杆菌和革兰氏阳性细菌如八叠球菌中也发现了细菌纤维素的产生。细菌纤维素与天然纤维素结构非常相似，都是D-葡萄糖以β-1，4糖苷键连接而成的链状高分子，具有(C6H10O5)n的组成。但与之相比，细菌纤维素具有更优越的特性，它是以纯纤维素的形式存在，而植物纤维素的存在形式是与半纤维素和木质素等组成三级立体结构。同时细菌纤维素还具有高结晶度、高强度及良好的亲水性能。
目前细菌纤维素已经在食品、医药、化工、面膜、造纸、高级音响设备、滤膜渗透膜和精纺等方面取得成功应用。但由于它的低产量所造成的高成本，限制了它的广泛应用。传统的细菌纤维素生产主要是浅盘发酵方式，其特点是劳动密集并且生产力低下。试验发现，浅盘培养由于受到营养成分传质的限制，产量不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种处理量大、效率高、操作方便，可实现连续化、机械化运转的基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺，其特征在于：该生产工艺的步骤为：
(1).设备空消：
在进行发酵之前先对转筒式发酵反应器进行空消，关闭反应器的空气杂尘隔离外壳，通过蒸汽管道向反应器壳体内通入蒸汽，罐压控制在0.11～0.16Mpa之内，空消时间30～50分钟，当罐温降至80℃时，打开排气阀，卸去罐内压力，完成设备空消；
(2).培养基实消：
将培养基原液通过进料口注入转筒式发酵反应器的料槽内，关闭空气杂尘隔离外壳，通过蒸汽管道通入蒸汽对培养基原液进行实消，罐压控制在0.1～0.11Mpa之内，实消时间20～30分钟，实消后，向夹套中通冷却水进行冷却，将料槽内培养基原液温度降低到28～30℃，完成培养基实消；
(3).接种：
将培养好的木醋杆菌种子液以5～10％比例通过进料口接入培养基原液中；
(4).旋转发酵：
打开转筒式发酵反应器的电机，转筒旋转，使转筒外壁周期性地接触料槽内的菌体和培养基原液，旋转速度在4～20转/分钟，通过向夹套中通入冷热水调节培养基原液的温度，使培养基保持在28～30℃，发酵6～10天，发酵过程中通过无菌空气通风系统向壳体内通入空气，给菌体提供充足的氧气；
(5)细菌纤维素膜的收割：
当培养的纤维素膜达到一定厚度时发酵停止，出料时通过刮刀将筒壁上的纤维素膜刮下，并随之将规整的整片纤维素膜移出反应器，再根据工艺要求进行切割和整形后处理，料槽内的发酵残液通过料液出口排出。
而且，在所述步骤(4)旋转发酵的过程中还包括酸碱控制步骤：发酵过程中通过料槽内的pH检测器检测培养基pH值，当培养基pH达到3.5～3.8以下时，通过料液进口泵入NaOH以调节pH值。
而且，在所述步骤(4)旋转发酵的过程中还包括培养基原液的增补步骤：发酵过程中通过料槽内的液面高度检测器检测培养基液面高度，当培养基原液高度低于规定要求时，通过料液进口补充新鲜培养基原液。
而且，在所述步骤(4)旋转发酵的过程中还包括细菌纤维素膜的修饰步骤：通过向培养基原液中加入修饰成分，随着细菌纤维素膜不断加厚，将修饰成分均匀的包裹入膜内，该修饰成分为羧甲基纤维素及其衍生物或多糖类物质或胶类物质。
而且，所述的转筒式发酵反应器的结构为：主要由支架、卧式壳体、水平安装于该卧式壳体内的转筒、驱动电机及刮刀构成，卧式壳体由底部夹套式料液槽及上部空气杂尘隔离外壳对合安装而成，夹套式料液槽设置有料液进口、出口，夹套式料液槽的夹套上设置有循环水进口、出口，空气杂尘隔离外壳内的顶部水平安装有蒸汽管道，空气杂尘隔离外壳上设置有无菌空气进口、出口，刮刀设置于卧式壳体外部并可移动至与转筒筒壁接触。
而且，所述刮刀由可移动刀座、安装于刀座上的刀片、安装在刀片后部的输送带及输送带驱动机构构成。
而且，所述蒸汽管道的管体上间隔制有出汽孔。
而且，所述转筒为端面密闭的中空式转筒，转筒外壁为光滑壁面或粗糙壁面。
而且，在空气杂尘隔离外壳内部安装有压力检测器及温度检测器，在夹套式料液槽内安装有料液高度检测器、pH检测器及温度检测器。
本发明的优点和有益效果为：
1.本细菌纤维素生产工艺与现有浅盘培养的最大区别为将膜和培养基原液分开，使附着于转筒外壁的菌体始终和培养基原液保持接触，突破了浅盘培养时纤维素膜的厚度对营养成分传输的限制，而且发酵所用底物浓度也可适当降低，提高生产效率，节约原料成本。
2.本细菌纤维素生产工艺还通过设备的监控装置，检测培养基的料液高度及pH的变化并进行调节，相比传统的浅盘发酵，实现了发酵过程的可调控性。
3.本细菌纤维素生产工艺的发酵过程中可通过向培养基原液中加入修饰成分，随着细菌纤维素膜不断加厚，将修饰成分均匀的包裹入膜内。
4.本细菌纤维素生产工艺中当纤维素膜厚度满足要求后，使用刮刀在转筒转动一周后便将膜全部卸下，实现自动收料，大大减少了人力需求，因此操作方便、生产能力强、应用范围广。
5.本细菌纤维素生产工艺突破了传统浅盘培养以手工为主，生产效率低下的局限，实现了细菌纤维素发酵生产和膜片收获的连续化和机械化作业，具有处理量大、高效便捷、自动化程度高等诸多优点，可有效提高劳动生产率、降低生产成本、稳定产品质量。
附图说明
图1为本发明所采用的转筒式发酵反应器的主视图(省略驱动电机及刮刀)；
图2为图1的剖视图；
图3为图1的右视图；
图4为本发明所采用的转筒式发酵反应器的刮刀的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
为更好的阐述本发明细菌纤维素的生产工艺，首先对本发明所采用的转筒式发酵反应器的结构进行说明。
本细菌纤维素生产工艺所采用的转筒式细菌纤维素发酵反应器的结构为：主要由支架9、卧式壳体、水平安装于该卧式壳体内的转筒16、驱动电机(图中未示出)及刮刀构成。卧式壳体由上部空气杂尘隔离外壳1及底部夹套式料液槽2通过其周边的法兰连接边3对合安装而成。转筒为端面密闭的中空式转筒，转筒外壁为光滑壁面或粗糙壁面。当料液粘度较大时采用光滑壁面的转筒。当料液粘度较小时采用粗糙壁面的转筒以便料液附着。转筒通过其两端的转动轴6安装于卧式壳体内，驱动电机采用变频调速电机，转筒转速可以根据工艺要求进行调节。刮刀设置于卧式壳体外部并可移动至与转筒筒壁接触。刮刀由可移动刀座25、安装于刀座上的刀片23、安装在刀片后部的输送带24及输送带驱动机构26构成，驱动机构由驱动电机及其传动机构构成。刀片长度与转筒轴向长度相同。
空气杂尘隔离外壳内的顶部水平安装有蒸汽管道14。蒸汽管道的管体上间隔制有出汽孔15。空气杂尘隔离外壳上安装有泄压阀22。通过蒸汽管道可实现对该设备在线灭菌。在空气杂尘隔离外壳内部安装有压力检测器17及温度检测器18，压力检测器及温度检测器均与控制装置连接。可实现蒸汽灭菌过程中的压力及温度控制。空气杂尘外壳的两端分别设置有无菌空气进口5、出口13，以便在发酵过程中补充无菌空气，满足菌体生长和产物形成的需要。空气杂尘隔离外壳的正面安装视窗4。
夹套式料液槽设置有料液进口7、出口11。夹套式料液槽内安装有料液高度检测器19、pH检测器20及温度检测器21，料液高度检测器、pH检测器及温度检测器均与控制装置连接。以便及时补充培养基并调节pH值。夹套式料液槽的夹套设置有循环水进口8、出口12。以便容器灭菌后及时冷却和维持培养基质的温度要求。在夹套式料液槽的底部设有冷凝水出口10，以便及时排除冷凝液。
一种基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺，该生产工艺的步骤为：
(1).设备空消：
在进行发酵之前先对转筒式发酵反应器进行空消，关闭反应器的空气杂尘隔离外壳，通过蒸汽管道向反应器壳体内通入蒸汽，罐压控制在0.11～0.16Mpa之内，空消时间30～50分钟，当罐温降至80℃时，打开排气阀，卸去罐内压力，完成设备空消；
(2).培养基实消：
将培养基原液通过进料口注入转筒式发酵反应器的料槽内，关闭空气杂尘隔离外壳，通过蒸汽管道通入蒸汽对培养基原液进行实消，罐压控制在0.1～0.11Mpa之内，实消时间20～30分钟，实消后，向夹套中通冷却水进行冷却，将料槽内培养基原液温度降低到28～30℃，完成培养基实消；
(3).接种：
将培养好的木醋杆菌种子液以5～10％比例通过进料口接入培养基原液中；
(4).旋转发酵：
打开转筒式发酵反应器的电机，转筒旋转，使转筒外壁周期性地接触料槽内的菌体和培养基原液，旋转速度在4～20转/分钟，通过向夹套中通入冷热水进行调节培养基原液的温度，使培养基保持在28～30℃，发酵6～10天，发酵过程中通过无菌空气通风系统向壳体内通入空气，给菌体提供充足的氧气；
(5)酸碱控制步骤：发酵过程中通过料槽内的pH检测器，当培养基pH达到3.5～3.8以下时，通过料液进口泵入NaOH以调节pH值。
(6)培养基的增补步骤：发酵过程中通过料槽内的液面高度检测器，当培养基高度低于规定要求时，通过料液进口补充新鲜培养基原液。
(7)细菌纤维素膜的修饰步骤：通过向培养基中加入修饰成分，随着细菌纤维素膜不断加厚，将修饰成分均匀的包裹入膜内，该修饰成分为：羧甲基纤维素及其衍生物、多糖类物质、胶类物质，如羧甲基纤维素、甘露聚糖、葡聚糖、琼脂、明胶等。
(8)细菌纤维素膜的收割：
当培养的纤维素膜达到一定厚度时发酵停止，出料时通过刮刀将筒壁上的纤维素膜刮下，并随之将规整的整片纤维素膜移出反应器，再根据工艺要求进行切割和整形后处理，料槽内的发酵残液通过料液出口排出；
(9)设备清洗：
待纤维素膜收割完成后，对残留在反应器壳体内的物质进行清洗。

Claims (7)

1.一种基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺，其特征在于：该生产工艺的步骤为：
⑴.设备空消：
在进行发酵之前先对转筒式发酵反应器进行空消，关闭反应器的空气杂尘隔离外壳，通过蒸汽管道向反应器壳体内通入蒸汽，罐压控制在0.11～0.16Mpa之内，空消时间30～50分钟，当罐温降至80℃时，打开排气阀，卸去罐内压力，完成设备空消；
⑵.培养基实消：
将培养基原液通过料液进口注入转筒式发酵反应器的料槽内，关闭空气杂尘隔离外壳，通过蒸汽管道通入蒸汽对培养基原液进行实消，罐压控制在0.1～0.11Mpa之内，实消时间20～30分钟，实消后，向夹套中通冷却水进行冷却，将料槽内培养基原液温度降低到28～30℃，完成培养基实消；
⑶.接种：
将培养好的木醋杆菌种子液以5～10%比例通过料液进口接入培养基原液中；
⑷.旋转发酵：
打开转筒式发酵反应器的驱动电机，转筒旋转，使转筒外壁周期性地接触料槽内的菌体和培养基原液，旋转速度在4～20转/分钟，通过向夹套中通入冷热水调节培养基原液的温度，使培养基保持在28～30℃，发酵6～10天，发酵过程中通过无菌空气进口向壳体内通入空气，给菌体提供充足的氧气；
⑸细菌纤维素膜的收割：
当培养的纤维素膜达到一定厚度时发酵停止，出料时通过刮刀将筒壁上的纤维素膜刮下，并随之将规整的整片纤维素膜移出反应器，再根据工艺要求进行切割和整形后处理，料槽内的发酵残液通过料液出口排出；
所述的转筒式发酵反应器的结构为：主要由支架、卧式壳体、水平安装于该卧式壳体内的转筒、驱动电机及刮刀构成，卧式壳体由底部夹套式料槽及上部空气杂尘隔离外壳对合安装而成，夹套式料槽设置有料液进口、出口，夹套式料槽的夹套上设置有循环水进口、出口，空气杂尘隔离外壳内的顶部水平安装有蒸汽管道，空气杂尘隔离外壳上设置有无菌空气进口、出口，刮刀设置于卧式壳体外部并可移动至与转筒筒壁接触；
所述刮刀由可移动刀座、安装于刀座上的刀片、安装在刀片后部的输送带及输送带驱动机构构成。
2.根据权利要求1所述的基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺，其特征在于：在所述步骤⑷旋转发酵的过程中还包括酸碱控制步骤：发酵过程中通过料槽内的p H检测器检测培养基p H值，当培养基p H达到3.8以下时，通过料液进口泵入NaOH以调节p H值。
3.根据权利要求1所述的基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺，其特征在于：在所述步骤⑷旋转发酵的过程中还包括培养基原液的增补步骤：发酵过程中通过料槽内的液面高度检测器检测培养基液面高度，当培养基原液高度低于规定要求时，通过料液进口补充新鲜培养基原液。
4.根据权利要求1所述的基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺，其特征在于：在所述步骤⑷旋转发酵的过程中还包括细菌纤维素膜的修饰步骤：通过向培养基原液中加入修饰成分，随着细菌纤维素膜不断加厚，将修饰成分均匀的包裹入膜内，该修饰成分为羧甲基纤维素及其衍生物或多糖类物质或胶类物质。
5.根据权利要求1所述的基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺，其特征在于：所述蒸汽管道的管体上间隔制有出汽孔。
6.根据权利要求1所述的基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺，其特征在于：所述转筒为端面密闭的中空式转筒，转筒外壁为光滑壁面或粗糙壁面。
7.根据权利要求1所述的基于转筒式发酵反应器的细菌纤维素生产工艺，其特征在于：在空气杂尘隔离外壳内部安装有压力检测器及温度检测器，在夹套式料槽内安装有液面高度检测器、pH检测器及温度检测器。
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