CN110184186A - 一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置 - Google Patents

一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置 Download PDF

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Abstract

一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置，涉及生物制取生产装备领域。包括生物预反应压力容器、生物反应压力容器和气液混合器，所述生物预反应压力容器内的两侧安装有相对布置的脉冲磁场发生器，生物反应压力容器内固定安装有电磁波发生器，生物反应压力容器上部的一侧设置有进液口，生物反应压力容器上部的另一侧连接有出液管，生物反应压力容器的底部一侧设置有回流口，出液管与气液混合器的进口端连接，气液混合器的出口端连接生物反应压力容器的回流口。本发明可以令培养基生物转化效率提高1倍以上，生产能力和成品质量均能得到提高，虹吸气液混合器可以使整个微生物生长过程中的消泡工艺实现零添加。

Description

一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置
技术领域
本发明涉及生物制取生产装备领域，具体为一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置。
背景技术
微生物发酵即是指利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。微生物发酵生产水平主要取决于菌种本身的遗传特性和培养条件。目前，纳豆发酵是以枯草芽孢杆菌为菌株，只是单纯的把微生物原料放置在发酵罐内，常用加热、搅拌等常规手段加快发酵反应，存在生物转化效率较低，不能改变微生物细胞的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置，可以有效背景技术中的问题。
实现上述目的的技术方案是：一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置，其特征在于：包括生物预反应压力容器、生物反应压力容器和气液混合器，
生物反应压力容器内固定安装有电磁波发生器，生物反应压力容器的顶端设置有第一排气口，第一排气口连接有第二流量调节阀，生物反应压力容器上部的一侧设置有进液口，生物反应压力容器上部的另一侧连接有出液管，生物反应压力容器的底部一侧设置有回流口，出液管与气液混合器的进口端连接，气液混合器的出口端连接生物反应压力容器的回流口；
所述生物预反应压力容器内的两侧安装有相对布置的脉冲磁场发生器，述生物预反应压力容器的顶端设置有第二排气口，第二排气口连接有第三流量调节阀，所述生物预反应压力容器的底端通过第三控制阀与生物反应压力容器的进液口连接。
进一步地，所述电磁波发生器为TDP神灯，电磁波发生器设置有两个、并对称安装在生物反应压力容器的顶部两侧。
进一步地，所述出液管设置有呈上下布置的多根、并且出口端相互并接后，通过第四控制阀连接气液混合器。
进一步地，生物反应压力容器的内壁上固定有多根竖向布置的虹吸管，虹吸管的上方的生物反应压力容器内固定安装有环形压缩空气管，环形压缩空气管连接有进气管，进气管通过相互串接的第一流量调节阀、第一控制阀连接压缩空气源，环形压缩空气管上还连接有分别延伸至虹吸管的上端口内的喷气管。
进一步地，生物反应压力容器内安装有第一搅拌装置。
进一步地，所述生物预反应压力容器内安装有第二搅拌装置。
进一步地，所述生物预反应压力容器通过相互串接的第二流量调节阀、第二控制阀连接压缩空气源。
本发明的有益效果：
本发明工作时，生物预反应压力容器中的培养基在脉冲磁场发生器的磁场环境下进行发酵扩培，扩培完成后，生物培养基再接种至生物反应压力容器内，正常发酵过程中，打开生物反应压力容器内的电磁波发生器，提高微生物代谢活性；启动压缩空气，压缩空气通过虹吸管到达反应容器的底部再向上将培养基表面产生的泡沫快速以虹吸的方式输送至气液混合器混合，之后再输送至生物反应压力容器内的液体底部，实现以物理循环消泡替代化学消泡的目的，大大节约了成本，保证了发酵效果。
磁场和TDP神灯的设置可以令培养基生物转化效率提高1倍以上，生产能力和成品质量均能得到提高，虹吸气液混合器可以使整个微生物生长过程中的消泡工艺实现零添加。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为虹吸管在生物反应压力容器内的分布结构示意图。
具体实施方式
一、本发明的技术方案
如图1、2所示，本发明主要应用于以枯草芽孢杆菌为菌株的纳豆发酵，包括30L容积的生物预反应压力容器1、10000L容积的生物反应压力容器2以及气液混合器3，生物预反应压力容器1、生物反应压力容器2均为密闭的压力容器。
生物预反应压力容器1内的两侧安装有相对布置的脉冲磁场发生器1.1，生物预反应压力容器1的顶端设置有第二排气口21，第二排气口21连接有第三流量调节阀22，磁场强度为 0.5-1.5T，脉冲数为5-15。
生物反应压力容器2内固定安装有电磁波发生器4，电磁波发生器4为TDP神灯，电磁波发生器4设置有两个、并对称安装在生物反应压力容器2的顶部两侧，生物反应压力容器 2的顶端设置有第一排气口19，第一排气口19连接有第二流量调节阀20，生物反应压力容器2上部的一侧设置有进液口2.1，生物反应压力容器2上部的另一侧连接有出液管5，生物反应压力容器2的底部一侧设置有回流口2.2，生物反应压力容器2的进液口2.1通过第三控制阀13连接生物预反应压力容器1，出液管5设置有呈上下布置的多根，出液管5的出口端相互并接后通过第四控制阀18与气液混合器3的进口端连接，气液混合器3的出口端连接生物反应压力容器2的回流口2.2。
生物反应压力容器2的内壁上固定有多根竖向布置的虹吸管6，虹吸管6的上方的生物反应压力容器2内固定安装有环形压缩空气管7，环形压缩空气管7上还连接有分别延伸至虹吸管6的上端口内的喷气管9，环形压缩空气管7连接有向外伸出生物反应压力容器2的进气管8，进气管8通过相互串接的第一流量调节阀14、第一控制阀15连接压缩空气源，压缩空气源同时还通过相互串接的第二流量调节阀16、第二控制阀17连接生物预反应压力容器1。
生物预反应压力容器1和生物反应压力容器2内分别设置有搅拌装置，所述搅拌装置包括分别设置在生物预反应压力容器1和生物反应压力容器2内的的搅拌轴10，搅拌轴10上安装有搅拌叶片11，生物预反应压力容器1、生物反应压力容器2的顶端安装有驱动搅拌轴 10转动的驱动电机12。
二、以纳豆芽孢杆菌株为对象，试验脉冲磁场发生器1.1对微生物发酵的影响，试验步骤如下：
试验例一
1)制取纳豆芽孢杆菌株；
2)制取生产纳豆激酶的离子培养基：称取胰蛋白胨180g、葡萄糖180g、酵母粉18g、牛肉浸粉90g以及氯化钠90g置于生物预反应压力容器1中，再加入14公斤纯化水并搅拌均匀，即得生产纳豆激酶的离子培养基；
3)纳豆芽孢杆菌株被接种于步骤2)制取的离子培养基中，并置于36～37℃振荡器摇瓶中，经100～120r/min振荡培养8～12h，制得发酵种子；
4)按3～10％的接种比，将发酵种子投入生物预反应压力容器1内，打开第二控制阀17、并调节第二流量控制阀16的流量，使得生物预反应压力容器1内压力为0.1MPa，每公斤发酵液的空气输入量为0.1m3/min，磁场强度为0.5T，脉冲数为5的环境下，持续发酵培养24h、并以100r/min的速度持续搅拌；
5)持续发酵过程中，每两个小时对发酵液进行取样，测定丝氨酸酶活性值；
6)发酵停止后，在24h以内对发酵种子进行干燥处理。
试验例二：与试验例一的步骤相同，所不同的是：
步骤(4)中发酵过程在磁场强度为1T、脉冲数为10的环境下进行；
试验例三：与试验例一的步骤相同，所不同的是：
步骤4)中发酵过程在磁场强度为1.5T、脉冲数为15的环境下进行；
试验例四：与试验例一的步骤相同，所不同的是：
步骤4)中发酵过程在磁场强度为3.3T、脉冲数为25的环境下进行；
试验例五：与试验例一的步骤相同，所不同的是：
步骤4)中发酵过程在磁场强度为10T、脉冲数为48的环境下进行；
在不同磁场强度下各实施案例的活性值:
表1
由表1可知：磁场强度、脉冲数对枯草芽孢杆菌生长效果有很大的影响，枯草芽孢杆菌在对数生长期对脉冲磁场最为敏感，随着磁场强度(＞1.5T)和脉冲数(>15)的增加，枯草芽孢杆菌代谢减少，酶活呈下降趋势；但在磁场强度(≤1.5T)和脉冲数(≤15)相对较低时，脉冲磁场对枯草芽孢杆菌起到了促进其生长及加快代谢的作用。
三、以纳豆芽孢杆菌株为对象，试验TDP神灯对微生物发酵的影响，试验步骤如下：
分别用三支试管，每支试管中盛放0.2ml纳豆芽孢杆菌菌液，分别用TDP神灯照射，照射距离为30cm，辐照度为54mW/平方厘米，每次照射15min，上午10点和下午4点各一次，照射后放入30℃的恒温箱中培养，在第二天上午观察。照射的环境温度为26℃。若试管温度过高，采用旋转试管法，以达到温度均衡。
OD(被检测物吸收掉的光密度)值测定照射处理完后，用紫外分光光度计分别测量每组菌液的OD值，测量结果如表2所示。
表2照射处理后纳豆芽孢杆菌菌液的OD值
试管编号 1 2 3
OD值 0.650 0.813 0.519
注：纳豆芽孢杆菌菌液的初始OD＝0.054，OD＝lg(1/trans)其中trans为检测物的透光值)
本实验研究结果显示：在相同的条件下，TDP神灯照射具有独特的生物效应。有一个重要的前提是TDP辐射的电磁波必须被机体吸收后才能对机体发挥作用。微生物的生长必须需要炭源、氮源、能源、无机盐等营养要素，TDP神灯能够激活微生物体内的大分子活性，使微生物体的分子能够被激发而处于较高振动状态，这样便激活了蛋白质等大分子的活性。酶是活细胞制造的具有催化作用的水溶性蛋白质，由酶蛋白和辅助因子组成，特点是一种酶只能作用于一类底物。对于微生物体有益无害的特定电磁波，能促进微生物体内酶系统的变化，增加酶代谢，提高酶的活性，增加生长因子，从而促进机体组织生长、发育、繁殖和修复。
四、以纳豆芽孢杆菌株为对象，试验本实施例所述技术方案对微生物发酵的影响，试验步骤如下：
1)制取纳豆芽孢杆菌株；
2)按照以下质量的成分称取胰蛋白胨180g、葡萄糖180g、酵母粉18g、牛肉浸粉90g以及氯化钠90g置于生物预反应压力容器1中，并加入14L纯化水搅拌均匀即得生产纳豆激酶的离子培养基；
3)按照以下质量的成分称取芸豆粉250kg，葡萄糖100kg，氯化钠25kg，氢氧化钠2.5kg，硫酸镁0.15kg，氯化钙0.35kg，氢氧化钠2.5kg，吐温(80)150g，磷酸二氢钾1.5kg，磷酸氢二钠20kg置于生物反应压力容器2中，再加入5000L纯化水搅拌均匀即得离子培养基。
4)纳豆芽孢杆菌株被接种于步骤2)中制备的离子培养基中，并置于36～37℃振荡器摇瓶中，100～120r/min振荡培养8～12h，制得发酵种子；
5)按3～10％的接种比，将发酵种子投入步骤2)中生物预反应压力容器1内，打开第二控制阀17、并调节第二流量控制阀16的流量，调整生物预反应压力容器1内压力为0.06MPa，每公斤发酵液的空气输入量为0.1m3/min，调整脉冲磁场发生器1.1，控制磁场强度为1.4T，脉冲数为14，以400r/min的速度搅拌持续发酵培养12h；
5)扩培完成后，打开第三控制阀13，将扩培好的菌液接种至生物反应压力容器2内，打开第一控制阀15，通过第一流量调节阀14、第二流量调节阀20调整生物反应压力容器2 内压力为0.05MPa，保证容器内空气输入量为10m3/min，排气量6.5m3/min，生物反应压力容器2搅拌桨速度保持80-120r/min。
6)正常发酵至4h时，打开TDP神灯，对发酵液表面进行持续照射30min后再关闭，发酵至8h，12h，16h，20h时，分别打开TDP神灯，对发酵液表面进行持续照射30min。
7)发酵过程中，若泡沫高度过高，打开第四控制阀18、上部泡沫在压缩空气的作用下，由出液管5进入气液混合器7混合后由回流口2.2进入生物反应压力容器2，从而实现以物理的方式循环消泡。
8)持续发酵过程中，每两个小时对发酵液进行取样，并分批取样四次，测定纳豆激酶活性值；
9)发酵停止后，在24h以内进行干燥处理。
四个批次的最终酶活如表3所示:
批次 酶活(U/g)
1 158200
2 165378
3 158653
4 169621
常规发酵 78232
表3
结论：电磁波的设置可以令培养基生物转化效率提高1倍以上，生产能力和成品质量均能得到提高，虹吸气液混合器可以使整个微生物生长过程中的消泡工艺实现零添加。

Claims (7)

1.一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置，其特征在于：包括生物预反应压力容器、生物反应压力容器和气液混合器，
生物反应压力容器内固定安装有电磁波发生器，生物反应压力容器的顶端设置有第一排气口，第一排气口连接有第二流量调节阀，生物反应压力容器上部的一侧设置有进液口，生物反应压力容器上部的另一侧连接有出液管，生物反应压力容器的底部一侧设置有回流口，出液管与气液混合器的进口端连接，气液混合器的出口端连接生物反应压力容器的回流口；
所述生物预反应压力容器内的两侧安装有相对布置的脉冲磁场发生器，所述生物预反应压力容器的顶端设置有第二排气口，第二排气口连接有第三流量调节阀，所述生物预反应压力容器的底端通过第三控制阀与生物反应压力容器的进液口连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置，其特征在于：所述电磁波发生器为TDP神灯，电磁波发生器设置有两个、并对称安装在生物反应压力容器的顶部两侧。
3.根据权利要求1所述的一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置，其特征在于：所述出液管设置有呈上下布置的多根、并且出口端相互并接后，通过第四控制阀连接气液混合器。
4.根据权利要求1所述的一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置，其特征在于：生物反应压力容器的内壁上固定有多根竖向布置的虹吸管，虹吸管的上方的生物反应压力容器内固定安装有环形压缩空气管，环形压缩空气管连接有进气管，进气管通过相互串接的第一流量调节阀、第一控制阀连接压缩空气源，环形压缩空气管上还连接有分别延伸至虹吸管的上端口内的喷气管。
5.根据权利要求4所述的一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置，其特征在于：生物反应压力容器内安装有第一搅拌装置。
6.根据权利要求1所述的一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置，其特征在于：所述生物预反应压力容器内安装有第二搅拌装置。
7.根据权利要求6所述的一种用于纳豆发酵的电磁波虹吸自消泡生物反应装置，其特征在于：所述生物预反应压力容器通过相互串接的第二流量调节阀、第二控制阀连接压缩空气源。
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