CN112481073B - 一种微界面强化发酵系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微界面强化发酵系统及工艺，包括：细菌进料单元、气相进料单元、液相进料单元、发酵单元、微界面发生器和后处理单元。与传统方法相比，本发明通过破碎空气使其形成微米尺度的微米级气泡，使微米级气泡与原料混合形成气液乳化物，以增大气液两相的相界面积，并达到在较低预设操作条件范围内强化传质的效果；同时，微米级气泡能够与原料充分混合形成气液乳化物，通过将气液两相充分混合，能够保证系统中的细菌能够充分吸收物料中的氧气，进一步提高了所述系统的发酵效率。
Description
技术领域
本发明涉及细菌发酵技术领域，尤其涉及一种微界面强化发酵系统及工艺。
背景技术
发酵指人们借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身、或者直接代谢产物或次级代谢产物的过程。发酵有时也写作酦酵，其定义由使用场合的不同而不同。通常所说的发酵，多是指生物体对于有机物的某种分解过程。发酵是人类较早接触的一种生物化学反应，如今在食品工业、生物和化学工业中均有广泛应用。
传统上人们利用固态发酵生产面包、麦芽、酒曲、酒精饮料、酱油、豆豉、蘑菇等食品或生产中间原料。近代研究发现利用固态发酵生产的一些食品中含有生理活性物质，表明了固态发酵在生产这些食品及食品添加剂上有优势。随着能源危机与环境问题的日益严重，固态发酵技术以其特有的优点引起人们极大的兴趣。人们在固态发酵领域的研究及其在资源环境、蛋白质饲料中的应用取得了较大进展，主要表现在生物饲料、生物燃料、生物农药、生物转化、生物解毒及生物修复等方面的成功开发应用，为固态发酵的不断发展提供了强有力支持，为传统技术发扬光大提供了广阔的应用前景。
中国专利公开号：CN207632812U公开了一种嗜酸普鲁兰芽孢杆菌发酵系统，所述发酵系统包括培养瓶、一级种子罐、二级种子罐、混合罐、缓冲罐、发酵罐、贮料罐及碟片离心机；所述培养瓶连接所述混合罐顶部；所述一级种子罐连接所述二级种子罐；所述二级种子罐连接所述发酵罐；所述混合罐连接所述缓冲罐，混合罐设有第一搅拌叶，第一搅拌叶上端连接有第一搅拌电机；所述缓冲罐连接在所述混合罐和发酵罐之间；所述发酵罐设有第二搅拌叶，所述第二搅拌叶连接有第二搅拌电机；所述贮料罐上部连接所述发酵罐下部；所述贮料罐下部连接所述碟片离心机。由此可见，所述系统存在以下问题：
第一，所述系统中仅通过搅拌叶对空气进行破碎，空气在破碎后形成大气泡，然而由于气泡体积过大，无法与混合后的物料充分混合，细菌吸收氧气不均匀，降低了所述系统的发酵效率。
第二，所述系统在细菌与氧气接触不均匀的情况下，易产生副产物，从而导致系统中物料无法使用，增加了所述系统的能耗。
第三，所述系统使用搅拌叶对细菌和物料进行搅拌，在搅拌过程中搅拌叶会对细菌造成破坏，从而导致原料中细菌数量减少，降低发酵效率。
发明内容
为此，本发明提供一种微界面强化发酵系统及工艺，用以克服现有技术中无菌空气不能与物料充分混合导致的发酵效率低的问题。
一方面，本发明提供一种微界面强化发酵系统，包括：
细菌进料单元，其用以为系统培养和提供含有培养基的细菌；
气相进料单元，其用以为系统提供无菌空气；
液相进料单元，其用以为系统提供液相原料；
发酵单元，其分别与所述细菌进料单元、气相进料单元和液相进料单元相连，用以混合所述细菌、无菌空气和原料并进行发酵；
微界面发生器，其设置在所述发酵单元中并与所述气相进料单元相连，将气体的压力能和/或液体的动能转变为气泡表面能并传递给空气，使空气破碎形成直径≥1μm、＜1mm的微米级气泡以提高培养基与混合气体间的传质面积，减小液膜厚度，降低传质阻力，并在破碎后将煤浆与微米级气泡混合形成气液乳化物，以在预设操作条件范围内强化所述发酵单元中细菌的发酵效率；
后处理单元，其与所述发酵单元相连，用以对所述发酵单元发酵完成的产物进行后处理以生成成品晶体。
进一步地，所述细菌进料单元与所述发酵单元相连，包括：
培养皿，用以培养母种细菌；
培养罐，用以对所述培养皿中的母种细菌进行进一步培养以形成原种细菌；
所述培养皿采用纯粹分离对细菌进行培养以形成母种细菌，并在培养完成后将母种细菌移植至所述培养罐中进行扩大培养以形成原种细菌。
进一步地，在移植所述母种细菌时，使用试管作为移植容器。
进一步地，所述气相进料单元包括：
空气压缩机，用以将空气输送至所述发酵单元；
第一灭菌器，其设置在所述空气压缩机和所述发酵单元之间，用以对所述空气压缩机输送的空气进行杀菌，并将杀菌后的无菌空气输送至所述发酵单元。
进一步地，所述液相进料单元包括：
多个原料罐，用以分别装载指定种类的用以发酵的原料；
配制槽，其分别与各所述原料罐相连，用以混合和调配各原料罐中的原料；
第二灭菌器，其设置在所述配制槽与所述发酵单元之间，用以对所述配制槽输出的混合原料进行灭菌并将除菌后的混合原料输送至发酵单元。
进一步地，所述发酵单元包括：
一级发酵罐，其分别与所述细菌进料单元、气相进料单元和液相进料单元相连，用以分别接收细菌、无菌空气和原料并使细菌在培养基中进行一级发酵；
二级发酵罐，其分别与所述气相进料单元和液相进料单元相连且二级发酵罐与所述一级发酵罐出料口相连，用以将一级发酵罐中发酵完成的物料及细菌输送至二级发酵罐以进行二级发酵；
pH调节罐，其与所述二级发酵罐相连，用以通过向二级发酵罐中输送指定溶液以将二级发酵罐内物料的pH值维持在指定范围内。
进一步地，所述微界面发生器分别设置在所述一级发酵罐和二级发酵罐内部，用以将微米级气泡直接输送至各所述发酵罐内部并在发酵罐内使微米级气泡与物料充分混合形成气液乳化物以使各发酵罐中细菌与微米级气泡充分接触。
进一步地，所述后处理单元包括：
离心分离机，其与所述发酵单元相连，用以对发酵单元输出的发酵液进行固液分离以对发酵液进行浓缩；
离子交换柱，其与所述离心分离机相连，用以对离心分离机输出的浓缩发酵液进行离子交换；
结晶槽，其与所述离子交换柱相连，用以将离子交换完成的浓缩发酵液进行结晶形成成品晶体；
晶体分离器，其与所述结晶槽相连，用以对结晶槽输出的成品晶体与液体进行分离；
干燥器，其与所述晶体分离器相连，用以对晶体分离器输出的成品晶体进行干燥以去除成品晶体表面附着的水分；
成品罐，其与所述干燥器相连，用以装载所述干燥器输出的干燥后成品晶体。
进一步地，所述系统中还设有蒸汽抽离机，其分别与所述细菌进料单元、液相进料单元和发酵单元，用以抽离各所述单元中的水蒸汽。
另一方面，本发明提供一种微界面强化发酵工艺,包括：
步骤1：使用细菌进料单元中的培养皿并采用纯粹分离对细菌进行培养以形成母种细菌，在培养完成后使用试管将母种细菌移植至培养罐中以进行扩大培养，形成原种细菌，原种细菌形成后，将含有原种细菌的培养基输送至所述发酵单元；
步骤2：将指定的原料分别装入对应的原料罐中，并分别将各原料罐中的原料输送至所述配置槽中以进行混合和调配，调配完成后，配制槽将调配后的混合原料输送至所述发酵单元；
步骤3：使用所述空气压缩机向所述发酵单元中输送空气，空气在输送过程中经过所述第一灭菌器，第一灭菌器会对空气进行灭菌，将空气中含有的细菌去除，并将灭菌后的无菌空气输送至所述微界面发生器；
步骤4：微界面发生器会对无菌空气进行破碎，使无菌空气形成微米尺度的微米级气泡，破碎完成后，微界面发生器会将微米级气泡输送至所述发酵单元中；
步骤5：微米级气泡进入所述发酵单元后，与混合原料以及培养基混合形成气液乳化物，原种细菌在所述发酵单元中进行发酵；
步骤6：所述原种细菌会输送至所述发酵单元中的一级发酵罐以进行一级发酵，并在发酵完成后将发酵液输送至所述二级发酵罐中以进行二级发酵，在二级发酵罐发酵过程中，所述pH调节罐会通过向二级发酵罐中输送指定溶液的方式以调节二级发酵罐中物料的pH值；
步骤7：二级发酵完成后，二级发酵罐将发酵液输送至所述后处理单元以进行处理，通过所述离心分离机对发酵液进行浓缩，通过所述离子交换柱对浓缩发酵液进行离子交换，通过所述结晶槽析出离子交换后浓缩发酵液中的成品晶体，通过所述晶体分离器将浓缩发酵液中的成品晶体与液体分离，通过所述干燥器去除成品晶体表面附着的水分，并在干燥后将成品晶体装入所述成品罐以完成工艺；
步骤8：在所述系统运行时，所述蒸汽抽离机会抽取所述细菌进料单元、液相进料单元和发酵单元在运行过程中产生的水蒸汽并将抽取的水蒸汽排出系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，与传统方法相比，本发明通过破碎空气使其形成微米尺度的微米级气泡，使微米级气泡与原料混合形成气液乳化物，以增大气液两相的相界面积，并达到在较低预设操作条件范围内强化传质的效果；同时，微米级气泡能够与原料充分混合形成气液乳化物，通过将气液两相充分混合，能够保证系统中的细菌能够充分吸收物料中的氧气，从而防止副产物的生成，进一步提高了所述系统的发酵效率。
此外，可以根据不同原料组成或不同的产品要求，而对预设操作条件的范围进行灵活调整，进一步确保了反应的充分有效进行，进而保证了反应速率，达到了强化反应的目的。
进一步地，本发明通过大幅度强化传质，因此可大幅减小气液比，在减少了气体的物耗的同时，降低了后续气体循环压缩的能耗。
尤其，本发明通过使用微米级的微米级气泡，强化了气液传质效果，具有更大的气液传质面积，有利于气液两相在反应体系中以可控的方式快速进行，缩短反应时间，减少设备体积，提高气体利用率，反应过程安全，产品质量稳定。
尤其，微米级气泡在运动过程中，不容易发生气泡的聚并，基本可以保持原有形态。因此系统中气相与液相的接触面积呈几何倍数的增加，并使得乳化混合更加充分和稳定，从而达到强化传质和宏观反应的效果。
进一步地，所述细菌进料单元中包括试管，通过使用试管将母种细菌移植至培养罐，能够有效避免细菌与外界接触导致细菌收到污染，进一步提高所述系统的发酵效率。
进一步地，所述气相进料单元中设有第一灭菌器，能够有效的对所述空气压缩机输送的空气进行灭菌，从而将灭菌后的无菌空气输送至所述发酵系统中，从而防止空气中的杂菌进入发酵系统以对细菌进行污染并导致发酵过程无法顺利进行，进一步提高了所述系统的发酵效率。
进一步地，所述液相进料单元包括多个原料罐和配制槽，通过选取指定种类和指定分数的原料，能够根据所使用菌种快速配置和混合系统中细菌所需原料，从而提高了所述系统的适用范围。
尤其，所述液相进料单元中还设有第二灭菌器，所述第二灭菌器能够对所述配制槽输出的混合原料进行灭菌，以去除混合原料中的杂菌，从而防止所述发酵系统中接收的细菌受到杂菌污染导致系统无法顺利进行发酵，进一步提高了所述系统的发酵效率。
进一步地，所述发酵系统中设有一级发酵罐和二级发酵罐，所述一级发酵罐用以接收所述细菌进料单元输出的原种细菌并进行一级发酵，并在一级发酵罐发酵完成后将发酵后的物料和细菌输送至二级发酵罐，并在二级发酵罐内进行二级发酵，通过使用多级发酵以使细菌完全和高效的进行发酵，从而进一步提高了所述系统的发酵效率。
尤其，所述二级发酵罐上还设有pH调节罐，所述pH调节罐中装载有指定溶液，通过将指定溶液输送至二级发酵罐以调节二级发酵罐内物料的pH值，通过调节二级发酵罐内物料的pH值，以制造更适宜细菌生存的环境，从而进一步提高所述发酵系统的发酵效率。
进一步地，所述系统还包括后处理单元，当所述发酵单元中细菌对物料完成发酵后，所述后处理单元会对发酵完成的物料进行后处理，通过浓缩、离子交换、结晶、分离和干燥等工艺将制得的成品析出与并将成品与液相物料分离，从而快速制得成品，提高了所述系统的运行效率。
进一步地，所述系统中还设有蒸汽抽离机，通过使用蒸汽抽离机能够将系统中各单元产生的水蒸汽排出以防止水蒸汽的高温使细菌失活，从而提供了所述系统的使用寿命。
附图说明
图1为本发明所述微界面强化发酵系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，其为本发明所述微界面强化发酵系统的结构示意图，包括细菌进料单元1、气相进料单元2、液相进料单元3、发酵单元4、微界面发生器5、后处理单元6和蒸汽抽离机7。其中，所述细菌进料单元1与所述发酵单元4相连，用以培养指定种类的细菌并将带有细菌的培养基输送至所述发酵单元4。所述气相进料单元2与所述微界面发生器5相连，用以将空气输送至微界面发生器5。所述液相进料单元3与所述发酵单元4相连，用以将配置完成的混合原料输送至所述发酵单元4。所述微界面发生器5设置在所述发酵单元4内部，用以将所述气相进料单元3输出的空气破碎形成直径≥1μm、＜1mm的微米级气泡并将微米级气泡输出至所述发酵单元4内部。所述后处理单元6与所述发酵单元4相连，用以对发酵单元4输出的物料进行后处理。所述蒸汽抽离机7分别与所述细菌进料单元1、液相进料单元3和发酵单元4中的对应部件相连，用以将指定部件中产生的水蒸汽抽离系统。
当所述系统运行时，先使用所述细菌进料单元1对指定菌种进行培养，培养完成后将带有细菌的培养基输送至所述发酵系统4，使用所述液相进料单元3配置混合原料，并在配置完成后将混合原料输送至所述发酵单元4内部并与培养基混合，所述气相进料单元2将空气输送至所述微界面发生器5，微界面发生器5会将空气破碎形成微米尺度的微米级气泡，并将微米级气泡输出至发酵单元4内部，微米级气泡与混合物料充分混合形成气液乳化物，细菌与气液乳化物中的微米级气泡充分接触并发酵，在发酵后发酵单元4将发酵完成的物料输出至所述后处理单元6，经处理后得到成品结晶，在系统运行过程中，所述蒸汽抽离机7会将指定部件中产生的水蒸汽抽离系统。本领域的技术人员可以理解的是，本发明所述发酵系统可以用于酿酒，制药或其它应用发酵过程的产品的制备，只要满足所述系统能够达到其指定的工作状态即可。
请继续参阅图1所示，本发明所述细菌进料单元1包括培养皿11、试管12和培养罐13。当所述系统运行时，先使用培养皿11对指定种类的细菌进行培养，培养完成后得到母种细菌，将母种细菌装入所述试管12进行储存和运输，将试管中12的母种细菌输送至所述培养罐13以进行二次培养，并在培养后得到原种细菌，在原种细菌培育完成后，将培养罐13中含有细菌的培养基输送至所述发酵单元4中。可以理解的是，所述细菌进料单元1中各部件的材质和尺寸本实施例均不做具体限制，只要满足各所述部件均能够达到其指定的工作状态即可。
请继续参阅图1所示，本发明所述气相进料单元2包括空气压缩机21和第一灭菌器22。其中所述空气压缩机21与所述第一灭菌器22相连，用以将空气输送至所述第一灭菌器22。所述第一灭菌器与所述微界面发生器5相连，用以对所述空气压缩机21输出的空气进行灭菌并将灭菌后的无菌空气输送至微界面发生器5。当系统运行时，所述空气压缩机21会将空气吸入并输送至所述第一灭菌器22，第一灭菌器22对空气进行灭菌后将无菌空气输送至微界面发生器。可以理解的是，所述第一灭菌器22可以为蒸汽灭菌器、煮沸灭菌器、压力蒸汽灭菌器或其它种类的灭菌器，只要满足所述第一灭菌器22能够达到其指定的工作状态即可。
请继续参阅图1所示，本发明所述液相进料单元3包括原料罐31、配制槽32和第二灭菌器33。其中所述原料罐31与所述配制槽32相连，用以装载指定种类的原料。所述配制槽32与各所述原料罐31相连，用以调配和混合所述原料罐31输出的原料。所述第二灭菌器33与所述配制槽32相连，用以对所述配制槽32输出的原料进行灭菌。当所述系统运行时，先将各原料按照指定重量份装入对应的原料罐31中，装入完成后，将各原料分别输送至所述配制槽32中，将各原料混合以形成混合原料，所述第二灭菌器33会对配制槽32输出的混合原料进行灭菌，并在灭菌后将混合原料输送至所述发酵单元4。可以理解的是，所述液相进料单元3中原料罐31和配制槽32的材料和尺寸本实施例均不作具体限制，只要满足所述原料罐31和配制槽32能够具有指定容量以装载物料即可。当然，所述第二灭菌器33可以为蒸汽灭菌器、煮沸灭菌器、压力蒸汽灭菌器或其它种类的灭菌器，只要满足所述第二灭菌器33能够达到其指定的工作状态即可。
请继续参阅图1所示，本发明所述发酵单元4包括一级发酵罐41、二级发酵罐42和pH调节罐43。其中所述一级发酵罐41分别与所述细菌进料单元1、液相进料单元3和微界面发生器5相连。所述二级发酵罐42与所述一级发酵罐41相连且二级发酵罐42分别与所述液相进料单元3和微界面发生器5相连。所述pH调节罐43与所述二级发酵罐42相连，用以调节二级发酵罐42中物料的pH值。当所述系统运行时，所述一级发酵罐41会混合所述细菌进料单元1输出的带有细菌的培养基以及所述液相进料单元3输出的混合原料，并向混合后的物料输送氧气以使细菌对混合原料进行发酵。所述二级发酵罐42会接收所述一级发酵罐41输出的发酵后物料以及细菌，并通过所述微界面发生器5供养以使细菌在二级发酵罐42中进行二级发酵。在二级发酵罐42发酵过程中，所述pH调节罐43会向所述二级发酵罐42中输送指定种类的溶液以调节二级发酵罐42中物料的pH值。
具体而言，所述一级发酵罐41为一小型罐，在其顶端分别开设有细菌进料口和液相进料口，用以分别向罐体内输送含有细菌的培养基和混合原料，在罐体侧壁设有气相进料口，用以接收所述气相进料单元2输出的无菌空气，在罐体底部设有出料口，用以将发酵完成的物料输送至所述二级发酵罐42。当所述一级发酵罐41内装载有指定物料后，所述气相进料单元2会将无菌空气输送至所述微界面发生器5，微界面发生器5对空气进行破碎，使空气形成微米尺度的微米级气泡并将微米级气泡与物料混合形成气液乳化物以使细菌充分与氧气接触。可以理解的是，所述一级发酵罐41的尺寸和材质本实施例均不作具体限制，只要满足所述一级发酵罐41能够达到其指定的工作状态即可。
具体而言，所述二级发酵罐42为一大型罐，在其顶端分别开设有细菌进料口和也想进料口，用以分别向罐体内输送一级发酵完成的物料和混合原料，在罐体侧壁设有气相进料口，用以接收所述气相进料单元2输出的无菌空气，在罐体底部设有出料口，用以将发酵完成的物料输送至所述后处理单元6。当所述一级发酵罐41发酵完成后，其会将发酵完成的物料和细菌输送至所述二级发酵罐42内部，同时所述液相进料单元3会向二级发酵罐42输送混合物料，物料与混合原料混合后，所述微界面发生器5会将所述气相进料单元2输出的无菌空气破碎，形成微米尺度的微米级气泡，微米级气泡与罐体内液体充分混合形成气液乳化物以使细菌充分与氧气接触。可以理解的是，所述二级发酵罐42的尺寸和材质本实施例均不作具体限制，只要满足所述二级发酵罐42能够达到其指定的工作状态即可。
具体而言，所述pH调节罐43设置在所述二级发酵罐42上方，用以向二级发酵罐42中输送溶剂以调节二级发酵罐42内物料的pH值。所述pH调节罐43与所述二级发酵罐42的连接管道之间设有阀门，用以调节pH调节罐43内溶液的输送流量。当所述二级发酵罐42运行时，所述pH调节罐43会根据二级发酵罐42内溶液的pH值向二级发酵罐42输送对应的溶液以使发酵罐内pH值维持在指定范围内。可以理解的是，所述pH调节罐43内装载的溶液可以为糖、天然油脂、CaCO3、氨水或其它可用于调节pH值的溶液，只要满足所述溶液在与所述二级发酵罐42内物料混合后不会对细菌造成损坏即可。
请继续参阅图1所示，本发明所述微界面发生器5包括第一微界面发生器51和第二微界面发生器52，所述第一微界面发生器51设置在所述一级发酵罐41内部，用以将微米级气泡输出至一级发酵罐41。所述第二微界面发生器52设置在所述二级发酵罐42内部，用以将微米级气泡输出至二级发酵罐42。
当所述微界面发生器5运作时，所述第一微界面发生器51和第二微界面发生器52会分别接收指定量的无菌空气，接收完成后第一微界面发生器51和第二微界面发生器52会破碎接收的无菌空气并使无菌空气破碎至微米尺度以形成微米级气泡，破碎完成后将微米级气泡输出至各级发酵罐内并与发酵罐内物料混合形成气液乳化物，混合完成后细菌会充分吸收气液乳化物中的空气并对物料进行发酵。可以理解的是，本发明所述微界面发生器5还可用于其它多相反应中，如通过微界面、微纳界面、超微界面、微泡生化反应器或微泡生物反应器等设备，使用微混合、微流化、超微流化、微泡发酵、微泡鼓泡、微泡传质、微泡传递、微泡反应、微泡吸收、微泡增氧、微泡接触等工艺或方法，以使物料形成多相微混流、多相微纳流、多相乳化流、多相微结构流、气液固微混流、气液固微纳流、气液固乳化流、气液固微结构流、微米级气泡、微米级气泡流、微泡沫、微泡沫流、微气液流、气液微纳乳化流、超微流、微分散流、两项微混流、微湍流、微泡流、微鼓泡、微鼓泡流、微纳鼓泡以及微纳鼓泡流等由微米尺度颗粒形成的多相流体、或由微纳尺度颗粒形成的多相流体(简称微界面流体)，从而有效地增大了反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积。
具体而言，所述第一微界面发生器51设置在所述一级发酵罐41内并与第一灭菌器22相连，用以破碎无菌空气并将微米级气泡输出至所述一级发酵罐41内部。当微界面发生器5运行时，所述第一微界面发生器51会接收指定量的无菌空气，并将无菌空气气泡破碎至微米尺度，破碎完成后将微米级气泡输出至所述一级发酵罐41内。
具体而言，所述第二微界面发生器52设置在所述二级发酵罐42内并与第一灭菌器22相连，用以破碎无菌空气并将微米级气泡输出至所述二级发酵罐42内部。当微界面发生器5运行时，所述第二微界面发生器52会接收指定量的无菌空气，并将无菌空气气泡破碎至微米尺度，破碎完成后将微米级气泡输出至所述二级发酵罐42内。
请继续参阅图1所示，本发明所述后处理单元6与所述发酵单元4相连，包括离心分离机61、离子交换柱62、结晶槽53、晶体分离器64、干燥器65和成品罐66。其中所述离心分离机61与所述二级发酵罐42相连，用以对二级发酵罐42输出的成品进行浓缩。所述离子交换柱62与所述离心分离机相连，用以对浓缩后成品进行离子交换。所述结晶槽63与所述离子交换柱62相连，用以对成品溶液中的成品进行结晶以析出成品结晶。所述晶体分离器64与所述结晶槽63相连，用以将成品结晶与溶液分离。所述干燥器65与所述晶体分离器64相连，用以将成品晶体表面水分去除。所述成品罐66与所述干燥器65相连，用以装载和存储成品结晶。当二级发酵罐42发酵完成后，二级发酵罐42将发酵液输送至所述后处理单元6以进行处理，通过所述离心分离机61对发酵液进行浓缩，通过所述离子交换柱62对浓缩发酵液进行离子交换，通过所述结晶槽63析出离子交换后浓缩发酵液中的成品晶体，通过所述晶体分离器64将浓缩发酵液中的成品晶体与液体分离，通过所述干燥器65去除成品晶体表面附着的水分，并在干燥后将成品晶体装入所述成品罐66以完成工艺。
请继续参阅图1所示，本发明所述蒸汽抽离机7分别与所述培养罐13、第二灭菌器33、一级发酵罐42和二级发酵罐42相连，用以抽离各所述部件中的水蒸汽。在所述系统运行时，所述蒸汽抽离机7会分别抽取所述培养罐13、第二灭菌器33、一级发酵罐42和二级发酵罐42在运行过程中产生的水蒸汽并将抽取的水蒸汽排出系统。
一种微界面强化发酵工艺,包括以下步骤：
步骤1：使用细菌进料单元中的培养皿并采用纯粹分离对细菌进行培养以形成母种细菌，在培养完成后使用试管将母种细菌移植至培养罐中以进行扩大培养，形成原种细菌，原种细菌形成后，将含有原种细菌的培养基输送至所述发酵单元；
步骤2：将指定的原料分别装入对应的原料罐中，并分别将各原料罐中的原料输送至所述配置槽中以进行混合和调配，调配完成后，配制槽将调配后的混合原料输送至所述发酵单元；
步骤3：使用所述空气压缩机向所述发酵单元中输送空气，空气在输送过程中经过所述第一灭菌器，第一灭菌器会对空气进行灭菌，将空气中含有的细菌去除，并将灭菌后的无菌空气输送至所述微界面发生器；
步骤4：微界面发生器会对无菌空气进行破碎，使无菌空气形成微米尺度的微米级气泡，破碎完成后，微界面发生器会将微米级气泡输送至所述发酵单元中；
步骤5：微米级气泡进入所述发酵单元后，与混合原料以及培养基混合形成气液乳化物，原种细菌在所述发酵单元中进行发酵；
步骤6：所述原种细菌会输送至所述发酵单元中的一级发酵罐以进行一级发酵，并在发酵完成后将发酵液输送至所述二级发酵罐中以进行二级发酵，在二级发酵罐发酵过程中，所述pH调节罐会通过向二级发酵罐中输送指定溶液的方式以调节二级发酵罐中物料的pH值；
步骤7：二级发酵完成后，二级发酵罐将发酵液输送至所述后处理单元以进行处理，通过所述离心分离机对发酵液进行浓缩，通过所述离子交换柱对浓缩发酵液进行离子交换，通过所述结晶槽析出离子交换后浓缩发酵液中的成品晶体，通过所述晶体分离器将浓缩发酵液中的成品晶体与液体分离，通过所述干燥器去除成品晶体表面附着的水分，并在干燥后将成品晶体装入所述成品罐以完成工艺；
步骤8：在所述系统运行时，所述蒸汽抽离机会抽取所述细菌进料单元、液相进料单元和发酵单元在运行过程中产生的水蒸汽并将抽取的水蒸汽排出系统。
可以理解的是，可以根据不同原料组成或不同的产品要求，而灵活地进行预设操作条件的范围调整，以确保反应的充分有效进行，进而保证反应速率，达到了强化反应的目的。
实施例一
使用上述系统及工艺进行青霉素的生物发酵，其中：
在使用培养皿11培育细菌时，使用琼脂斜面培养基，并在培养基中以25℃环境下培养7-9d以生成斜面孢子。培养完成后，用斜面孢子悬浮液接种于大米或小米基质上25℃培养6-7d以生成米孢子。用孢子米粒或孢子悬浮液接种，在26℃环境下通气、搅拌培养60-68h生成发酵用细菌。
发酵单元中溶液的温度为26℃-27℃，pH为6.5-7.0，pH调节罐43内分别装有糖、天然油脂、CaCO3和氨水，当pH较高时可通过加糖或天然油脂进行控制；当pH较低时可加入CaCO3；或氨水进行调节。
使用微界面发生器5输送空气时保证发酵罐内溶氧浓度大于等于30％。
经检测，使用本发明所述系统制得的青霉素纯度为99.63％。
实施例二
使用上述系统及工艺进行氨基酸的生物发酵，其中：
在适应期时：对接种量和发酵条件进行控制以缩短适应期的周期，适应期持续2-4h。
在对数生长期时：将发酵单元4中温度维持在30-32℃，pH调整罐43内装有尿素，并采取流加尿素办法及时供给菌体生长必须的氮源，将发酵罐内pH维持在7.5-8.0。
在生长停止期时：将发酵单元4中温度维持在34-37℃，pH调整罐43内装有尿素，并及时流加尿素以提供足够的氨，将发酵罐内pH维持在7.2-7.4。
在发酵后期时，对发酵罐内的酸浓度进行检测，当营养物耗尽酸浓度不增加时，及时放罐。发酵周期一般为30h。
经检测，使用本发明所述系统制得的氨基酸纯度为99.59％。
实施例三
使用上述系统及工艺进行柠檬酸的生物发酵，其中：
对菌种的培养包括：在4-6波美度的麦芽汁内加入25％至30％的琼脂，然后接入黑曲霉菌种(无菌操作)，在30-32℃条件下培养4天。将麸皮和水以1：1的比例掺拌，再加入10％的碳酸钙、0.5％的硫酸铵，拌匀后装入容量为250毫升的三角瓶中，用1.5公斤压力灭菌60分钟。接人斜面培养法培养出的菌种，培养96-120小时后待用。
对原料的预处理包括：对湿粉渣进行压榨脱水，使含水量在60％；干粉渣按60％的比例补足水分；结块的粉渣需粉碎成2-4mm颗粒。然后加入2％碳酸钙、10％至11％的米糠，搅拌均匀后，堆放2h，进行蒸煮，蒸煮可采用加压蒸料和常压蒸料两种方式。先用扬麸机将蒸煮好的料破碎，再加入含抗污染药品的沸水。
接种过程包括：上述原料水温冷却到37-40℃时，接入菌种悬浮液。接种后，送入曲室发酵(此时料温大于等于27℃)。其中，生产过程为无菌操作。
在发酵时包括：使所述发酵单元4中各发酵罐保持通风，且相对湿度保持在86-90％。在发酵时包括三个阶段：第一阶段为前18h，室温在27-30℃之间，料温在27-35℃左右；第二阶段为18-60h，料温为40-43℃，不能超过44℃，室温要求33℃左右；第三阶段为60h,料温在35-37℃左右，室温为30-32℃。
在使用所述结晶槽63对柠檬酸进行提取时，将发酵后溶液用减压法浓缩(真空度在600-740毫米汞柱，温度为50-60℃)。当浓缩达到36.7-37波美度时即可出罐。柠檬酸结晶后，用晶体分离器64将母液脱净，然后用冷水洗涤晶体，最后用干燥器65除去晶体表面的水。其中，母液可以再直接进行一次结晶，剩下的母液往往因含大量杂质，不宜作第三次结晶，但可以在酸解液中套用，或用碳酸钙重新中和。干燥器65的温度低于35℃，当气温高于20℃时，可采用常温气流干燥。
经检测，使用本发明所述系统制得的柠檬酸纯度为99.51％。
实施例四
使用上述系统及工艺进行淀粉的生物发酵，其中：
将灭过菌的马铃薯淀粉投入发酵单元4中的发酵罐中，向发酵罐装入3L发酵原料，按10％接种量接入种子，控制转速为240±2r/min，通气量35L/h，温度为32℃，发酵时间72h。所述pH调节罐中装入轻质碳酸钙并控制发酵罐内溶液pH维持在5.1-5.2。
经检测，使用本发明所述系统制得的淀粉纯度为99.79％。
综上所述，使用本发明所述发酵系统后在制备指定产物时均能够达到很高的纯度，发酵效率高。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微界面强化发酵系统，其特征在于，包括：
细菌进料单元，其用以为系统培养和提供含有培养基的细菌；
气相进料单元，其用以为系统提供无菌空气；
液相进料单元，其用以为系统提供液相原料；
发酵单元，其分别与所述细菌进料单元、气相进料单元和液相进料单元相连，用以混合所述细菌、无菌空气和原料并进行发酵；
微界面发生器，其设置在所述发酵单元中并与所述气相进料单元相连，将气体的压力能和/或液体的动能转变为气泡表面能并传递给空气，使空气破碎形成直径≥1μm、＜1mm的微米级气泡以提高培养基与混合气体间的传质面积，减小液膜厚度，降低传质阻力，并在破碎后将原料与微米级气泡混合形成气液乳化物，以在预设操作条件范围内强化所述发酵单元中细菌的发酵效率；
后处理单元，其与所述发酵单元相连，用以对所述发酵单元发酵完成的产物进行后处理以生成成品晶体；
所述发酵单元包括：
一级发酵罐，其分别与所述细菌进料单元、气相进料单元和液相进料单元相连，用以分别接收细菌、无菌空气和原料并使细菌在培养基中进行一级发酵；
二级发酵罐，其分别与所述气相进料单元和液相进料单元相连且二级发酵罐与所述一级发酵罐出料口相连，用以将一级发酵罐中发酵完成的物料及细菌输送至二级发酵罐以进行二级发酵；
pH调节罐，其与所述二级发酵罐相连，用以通过向二级发酵罐中输送指定溶液以将二级发酵罐内物料的pH值维持在指定范围内；
所述微界面发生器分别设置在所述一级发酵罐和二级发酵罐内部，用以将微米级气泡直接输送至各所述发酵罐内部并在发酵罐内使微米级气泡与物料充分混合形成气液乳化物以使各发酵罐中细菌与微米级气泡充分接触；
所述后处理单元包括：
离心分离机，其与所述发酵单元相连，用以对发酵单元输出的发酵液进行固液分离以对发酵液进行浓缩；
离子交换柱，其与所述离心分离机相连，用以对离心分离机输出的浓缩发酵液进行离子交换；
结晶槽，其与所述离子交换柱相连，用以将离子交换完成的浓缩发酵液进行结晶形成成品晶体；
晶体分离器，其与所述结晶槽相连，用以对结晶槽输出的成品晶体与液体进行分离；
干燥器，其与所述晶体分离器相连，用以对晶体分离器输出的成品晶体进行干燥以去除成品晶体表面附着的水分；
成品罐，其与所述干燥器相连，用以装载所述干燥器输出的干燥后成品晶体。
2.根据权利要求1所述的微界面强化发酵系统，其特征在于，所述细菌进料单元与所述发酵单元相连，包括：
培养皿，用以培养母种细菌；
培养罐，用以对所述培养皿中的母种细菌进行进一步培养以形成原种细菌；
所述培养皿采用纯粹分离对细菌进行培养以形成母种细菌，并在培养完成后将母种细菌移植至所述培养罐中进行扩大培养以形成原种细菌。
3.根据权利要求2所述的微界面强化发酵系统，其特征在于，在移植所述母种细菌时，使用试管作为移植容器。
4.根据权利要求1所述的微界面强化发酵系统，其特征在于，所述气相进料单元包括：
空气压缩机，用以将空气输送至所述发酵单元；
第一灭菌器，其设置在所述空气压缩机和所述发酵单元之间，用以对所述空气压缩机输送的空气进行杀菌，并将杀菌后的无菌空气输送至所述发酵单元。
5.根据权利要求1所述的微界面强化发酵系统，其特征在于，所述液相进料单元包括：
多个原料罐，用以分别装载指定种类的用以发酵的原料；
配制槽，其分别与各所述原料罐相连，用以混合和调配各原料罐中的原料；
第二灭菌器，其设置在所述配制槽与所述发酵单元之间，用以对所述配制槽输出的混合原料进行灭菌并将除菌后的混合原料输送至发酵单元。
6.根据权利要求1-5任一项权利要求所述的微界面强化发酵系统，其特征在于，所述系统中还设有蒸汽抽离机，其分别与所述细菌进料单元、液相进料单元和发酵单元相连接，用以抽离各所述单元中的水蒸气。
7.一种微界面强化发酵工艺,其特征在于，使用如权利要求1-6任一项所述的微界面强化发酵系统，包括：
步骤1：使用细菌进料单元中的培养皿并采用纯粹分离对细菌进行培养以形成母种细菌，在培养完成后使用试管将母种细菌移植至培养罐中以进行扩大培养，形成原种细菌，原种细菌形成后，将含有原种细菌的培养基输送至所述发酵单元；
步骤2：将指定的原料分别装入对应的原料罐中，并分别将各原料罐中的原料输送至所述配置槽中以进行混合和调配，调配完成后，配制槽将调配后的混合原料输送至所述发酵单元；
步骤3：使用所述空气压缩机向所述发酵单元中输送空气，空气在输送过程中经过所述第一灭菌器，第一灭菌器会对空气进行灭菌，将空气中含有的细菌去除，并将灭菌后的无菌空气输送至所述微界面发生器；
步骤4：微界面发生器会对无菌空气进行破碎，使无菌空气形成微米尺度的微米级气泡，破碎完成后，微界面发生器会将微米级气泡输送至所述发酵单元中；
步骤5：微米级气泡进入所述发酵单元后，与混合原料以及培养基混合形成气液乳化物，原种细菌在所述发酵单元中进行发酵；
步骤6：所述原种细菌会输送至所述发酵单元中的一级发酵罐以进行一级发酵，并在发酵完成后将发酵液输送至所述二级发酵罐中以进行二级发酵，在二级发酵罐发酵过程中，所述pH调节罐会通过向二级发酵罐中输送指定溶液的方式以调节二级发酵罐中物料的pH值；
步骤7：二级发酵完成后，二级发酵罐将发酵液输送至所述后处理单元以进行处理，通过所述离心分离机对发酵液进行浓缩，通过所述离子交换柱对浓缩发酵液进行离子交换，通过所述结晶槽析出离子交换后浓缩发酵液中的成品晶体，通过所述晶体分离器将浓缩发酵液中的成品晶体与液体分离，通过所述干燥器去除成品晶体表面附着的水分，并在干燥后将成品晶体装入所述成品罐以完成工艺；
步骤8：在所述系统运行时，所述蒸汽抽离机会抽取所述细菌进料单元、液相进料单元和发酵单元在运行过程中产生的水蒸气并将抽取的水蒸气排出系统。
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