CN114921376B - 一种丁酸梭菌高密度培养装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微生物发酵领域，特别是涉及一种丁酸梭菌高密度培养装置与方法，所述丁酸梭菌高密度培养装置，包括一级罐体、二级罐体和设置在一级罐体和二级罐体之间的转移装置，一级罐体用于盛放接种有丁酸梭菌的培养液，并提供无氧环境使接种有丁酸梭菌的培养液发酵形成发酵混合液，转移装置用于分层抽取一级罐体内的发酵混合液，并在调节抽取的发酵混合液的PH值后，将其移至二级罐体中继续发酵。本发明的一种丁酸梭菌高密度培养装置，避免了碱度调节时，对相邻层级发酵混合液的扰动，保证了不同分层的丁酸梭菌能够在酸碱度调和时更好的存活，同时也保证调节后丁酸梭菌的生长环境适宜。从而再进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
Description
技术领域
本发明涉及微生物发酵领域，特别是涉及一种丁酸梭菌高密度培养装置与方法。
背景技术
微生物的高密度培养以低成本获得高生产率和高产品效益，已成为食品、药品等方面的研究热点。
丁酸梭菌，又名酪酸菌，丁酸梭状芽孢杆菌，丁酸菌，主要分布在人的粪便和土壤中，其厌氧培养的过滤物中含有较少的脂肪酸，具有极强的整肠作用，它可抑制肠道中的致病菌，促进肠道中有益菌如双歧杆菌和乳杆菌的生长。
在丁酸梭菌的培养过程中PH值是影响高密度培养的重要因素之一。由于丁酸梭菌在工业培养过程中会发酵葡萄糖、蔗糖、果糖、乳糖等碳水化合物产酸，随着时间的推移会使得培养液的PH值逐步降低，进而使得发酵环境不再适宜菌体的生长。因此在丁酸梭菌工业培养过程中，会定时往发酵罐中加入碱性物质，中和丁酸梭菌在发酵过程中产生的酸，从而使发酵罐内的环境始终满足丁酸梭菌生长的。但依然存在不足，具体如下所述：
在丁酸梭菌的培养中，由于其代谢产生的酸性物质本身分子质量较大，容易聚集在发酵罐的底部，造成发酵罐中培养液的PH值出现分布不均的情况，特别是发酵罐上部的酸性物质在逐渐向下部聚集的过程中，容易使发酵管内培养液的PH值呈阶梯状分布，即由发酵罐顶部至底部培养液的PH值逐渐减小。而现有技术中，在发酵过程中对发酵罐内酸碱度的调和，是针对发酵罐内的培养液整体进行的，这样可能造成发酵罐内某些区域的酸碱度值的变化幅度过大，而由此带来的过于强烈的环境变化，可能会对丁酸梭菌的生长繁殖带来不利影响。
因此，现在亟须一种丁酸梭菌高密度培养装置与方法，解决现有技术中存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的，在丁酸梭菌的培养中，由于其代谢产生的酸性物质本身分子质量较大，容易聚集在发酵罐的底部，造成发酵罐中培养液的PH值出现分布不均的情况，特别是发酵罐上部的酸性物质在逐渐向下部聚集的过程中，容易使发酵管内培养液的PH值呈阶梯状分布，即由发酵罐顶部至底部培养液的PH值逐渐减小。而现有技术中，在发酵过程中对发酵罐内酸碱度的调和，是针对发酵罐内的培养液整体进行的，这样可能造成发酵罐内某些区域的酸碱度值的变化幅度过大，而由此带来的过于强烈的环境变化，可能会对丁酸梭菌的生长繁殖带来不利影响的问题，提供一种丁酸梭菌高密度培养装置与方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种丁酸梭菌高密度培养方法，包括下述步骤：
A、丁酸梭菌接种：在发酵罐中装入接种有丁酸梭菌的培养液，进行无氧发酵得到发酵混合液。
B、PH值测定：测定所述步骤A中制得的发酵混合液在发酵罐中由顶部至底部不同部位的PH值，并根据测得的PH值对发酵罐中的发酵混合液进行划层。
C、调节发酵罐中发酵混合液的PH值：根据所述步骤B中划定的发酵混合液的层次，在丁酸梭菌能够承受的PH值变化幅度范围内，调节发酵罐内不同层级的发酵混合液的酸碱度。
根据发酵的时间，在无氧条件下重复所述步骤B和所述步骤C，完成丁酸梭菌的培养。
优选地，在所述步骤B中每层发酵混合液PH值的测定，至少选取靠发酵罐侧壁和靠发酵罐中心两个部位的发酵混合液的PH平均值确定。
优选地，在所述步骤B对发酵罐内发酵混合液的划层≥4层。
优选地，所述步骤C中完成发酵罐内各层级的发酵混合液PH值的调节后，拌合发酵罐内的发酵混合液，使发酵罐内不同层级的发酵混合液相互混合。
优选地，拌合发酵罐内的发酵混合液时，包括一级拌合和二级拌合；
一级拌合：先依次拌合相邻两个层级或者相邻三个层级的发酵混合液，使发酵混合液的分层数至少减少一半；
二级拌合：由发酵罐的顶部向底部搅拌，使发酵罐内不同层级的发酵混合液完全混合。
优选地，一级拌合时在发酵罐底部由两个层级单独划分为一组进行拌合。
优选地，在进行二级拌合时，相邻层级的发酵混合液拌合的时间间隔为a，且a≥30min。
一种丁酸梭菌高密度培养装置，包括一级罐体、二级罐体和设置在所述一级罐体和所述二级罐体之间的转移装置，所述一级罐体用于盛放接种有丁酸梭菌的培养液，并提供无氧环境使接种有丁酸梭菌的培养液发酵形成发酵混合液，所述转移装置用于分层抽取所述一级罐体内的发酵混合液，并在调节抽取的发酵混合液的PH值后，将其移至所述二级罐体中继续发酵。
优选地，所述转移装置从所述一级罐体的顶部至底部依次抽取其内部盛放的发酵混合液。
优选地，所述转移装置包括中转罐体，所述中转罐体上设置有进液管和出液管，所述液管伸入所述一级罐体内用于抽取其内部盛放的发酵混合液至所述中转罐体中，所述出液管伸入所述二级罐体内将所述中转罐体内的发酵混合液转运至所述二级罐体中继续发酵，所述进液管伸入所述一级罐体内的部分设置为可伸缩的管道，所述进液管的进液面对应所述一级罐体的底部设置，所述出液管的出液面对应所述二级罐体的顶部设置。
优选地，在所述进液管上设置有浮力件，所述浮力件用于使所述进液管的进液面始终与所述一级罐体内盛放的发酵混合液的液面保持齐平。
优选地，所述出液管出液面的设置高度≥所述一级罐体内盛放的发酵混合液液面的高度。
优选地，在所述二级罐体内还设置有搅拌装置，所述搅拌装置包括电机、驱动控制器、传动轴和搅拌叶片，所述电机安装在所述二级罐体的外部，所述传动轴一端与所述电机连接另一端与所述搅拌叶片连接，传递所述电机的动力驱动所述搅拌叶片在所述二级罐体内旋转，所述驱动控制器用于控制所述搅拌叶片呈周期转动，且使所述搅拌叶片在一个周期内转动的角度≤180°。
优选地，所述搅拌叶片转动时，使所述二级罐体内的培养液产生的径向流的比例大于产生的轴向流的比例。
优选地，所述搅拌叶片在旋转时弯曲变形，使所述搅拌叶片的旋转半径减小。
优选地，在所述搅拌叶片上还设置有加热部件，所述加热部件用于提升所述二级罐体内的发酵混合液的温度。
优选地，所述加热部件为若干加热片，所述加热片布满所述搅拌叶片的表面；且在所述搅拌叶片的一面上，所述加热片由所述搅拌叶片的表面向所述传动轴方向延伸，与所述搅拌叶片的表面形成小于90°的锐角；另一面上，所述加热片由所述搅拌叶片的表面向其端部方向延伸，与所述搅拌叶片的表面形成小于90°的锐角。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的一种丁酸梭菌高密度培养方法，根据发酵罐内不同部位PH值得差异，对发酵罐中的发酵混合液进行划层处理，之后依据对发酵混合液划分的层次，在丁酸梭菌能够承受的PH值变化幅度范围内，调节发酵罐内不同层级的发酵混合液的酸碱度。避免了PH值调节时发酵罐内某些区域的酸碱度值的变化幅度过大，给发酵罐内丁酸梭菌的生长环境带来的过于强烈的改变，造成丁酸梭菌在培养中死亡，从而提高了丁酸伸梭菌的发酵密度；
2、本发明所述的一种丁酸梭菌高密度培养装置，避免了发酵混合液酸碱度调节时，对相邻层级发酵混合液的扰动，一方面，保证了不同分层的丁酸梭菌能够在酸碱度调和时更好的存活；另一方面，可以使得对发酵混合液的PH值的调节更加精准，保证调节后丁酸梭菌的生长环境适宜。从而再进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度；
3、本发明所述的一种丁酸梭菌高密度培养装置，所述转移装置从所述一级罐体的顶部至底部依次抽取其内部盛放的发酵混合液。采用这种结构设置，对于所述一级罐体内底部生长的丁酸梭菌在而言，压力的减小是逐步进行了，有效避免了发酵混合液在转移时，由于压力环境的变化幅度过大，造成丁酸梭菌的死亡，从而再进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度；
4、本发明所述的一种丁酸梭菌高密度培养装置，通过设置所述驱动控制器使所述搅拌叶片呈周期转动，且进一步约束所述搅拌叶片在一个周期内转动的角度≤180°，减弱了发酵混合液中所形成的剪切力的强度，从而减小了在培养过程中丁酸梭菌受到的伤害，保证了丁酸梭菌在培养中的成活率，进而保证了丁酸伸梭菌最终的发酵密度；
5、本发明所述的一种丁酸梭菌高密度培养装置，在所述搅拌叶片上还设置有加热部件。所述加热部件在运行时可提升所述二级罐体内的发酵混合液的温度，发酵混合液中的微粒在热运动原理下产生的物质迁移现象，即微观粒子在不停地做无规则的运动，且温度越高，热运动则越剧烈。在这一条件下，所述搅拌叶片可以在更低的转速下，将所述二级罐体内的发酵混合液搅拌均匀。从而，有效解决了现有技术中存在的，在丁酸梭菌的工业培养中，为了保证大型发酵罐内的发酵混合液能够搅拌均匀，所述搅拌装置需要较高的搅动强度，在发酵混合液中所形成剪切力也随之增大，虽然是确保了发酵混合液的均匀，但是在搅拌过程中丁酸梭菌收到的损伤也随之增大，造成了大规模丁酸梭菌培养中，丁酸梭菌成活率不高、发育迟缓以及繁殖率较低等问题，保证了丁酸伸梭菌最终的发酵密度。
附图说明
图1是一种丁酸梭菌高密度培养方法的流程示意图；
图2是一种丁酸梭菌高密度培养装置的结构示意图；
图3是一种丁酸梭菌高密度培养装置二级罐体内设置搅拌装置的结构示意图；
图4是搅拌装置的局部结构示意图；
图5是图4中所述A的结构示意图；
图6是搅拌装置转动过程中的局部俯视结构示意图。
图中标记：1-一级罐体，2-二级罐体，3-转移装置，4-中转罐体，5-进液管，6-出液管，7-浮力件，8-搅拌装置，9-电机，10-驱动控制器，11-传动轴，12-搅拌叶片，13-加热部件，14-加热片。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种丁酸梭菌高密度培养方法，包括下述步骤：
A、丁酸梭菌接种：在发酵罐中装入接种有丁酸梭菌的培养液，进行无氧发酵得到发酵混合液。
B、PH值测定：测定所述步骤A中制得的发酵混合液在发酵罐中由顶部至底部不同部位的PH值，并根据测得的PH值对发酵罐中的发酵混合液进行划层。
C、调节发酵罐中发酵混合液的PH值：根据所述步骤B中划定的发酵混合液的层次，在丁酸梭菌能够承受的PH值变化幅度范围内，调节发酵罐内不同层级的发酵混合液的酸碱度。
根据发酵的时间，在无氧条件下重复所述步骤B和所述步骤C，完成丁酸梭菌的培养。
采用本发明所述的一种丁酸梭菌高密度培养方法，根据发酵罐内不同部位PH值得差异，对发酵罐中的发酵混合液进行划层处理，之后依据对发酵混合液划分的层次，在丁酸梭菌能够承受的PH值变化幅度范围内，调节发酵罐内不同层级的发酵混合液的酸碱度。避免了PH值调节时发酵罐内某些区域的酸碱度值的变化幅度过大，给发酵罐内丁酸梭菌的生长环境带来的过于强烈的改变，造成丁酸梭菌在培养中死亡，从而提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
具体地，在本实施例中，丁酸梭菌在培养过程中，由于其代谢产生的酸性物质本身分子质量较大，容易聚集在发酵罐的底部，造成发酵罐中培养液的PH值出现分布不均的情况，特别是发酵罐上部的酸性物质在逐渐向下部聚集的过程中，容易使发酵管内培养液的PH值呈阶梯状分布，即由发酵罐顶部至底部培养液的PH值逐渐减小。而现有技术中，在发酵过程中对发酵罐内酸碱度的调和，是针对发酵罐内的培养液整体进行的，这样可能造成发酵罐内某些区域的酸碱度值的变化幅度过大，而由此带来的过于强烈的环境变化，可能会对丁酸梭菌的生长繁殖带来不利影响。基于上述原因，在本实施例中，发明人根据发酵罐内不同部位PH值得差异，对发酵罐中的发酵混合液进行划层处理，之后依据对发酵混合液划分的层次，在丁酸梭菌能够承受的PH值变化幅度范围内，调节发酵罐内不同层级的发酵混合液的酸碱度。避免了PH值调节时发酵罐内某些区域的酸碱度值的变化幅度过大，给发酵罐内丁酸梭菌的生长环境带来的过于强烈的改变，造成丁酸梭菌在培养中死亡，从而提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，在所述步骤B中每层发酵混合液PH值的测定，至少选取靠发酵罐侧壁和靠发酵罐中心两个部位的发酵混合液的PH平均值确定。采用这种培养方法，保证了测定的发酵混合液PH值的准确性，从而使得发酵混合液调节后的酸碱环境更加适宜丁酸梭菌的生长繁殖，从而进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
而在本实施例中，发明人设置靠发酵罐侧壁和靠发酵罐中心两个部位取样，保证了样本的覆盖范围，从而使得测定的PH值更加接近每层发酵混合液整体的PH值。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，在所述步骤B对发酵罐内发酵混合液的划层≥4层。采用这种培养方法，在调节发酵罐内的PH值时，能进一步避免造成
本实施例中，发明人考虑到，在工业发酵工程中使用的发酵罐的体量十分巨大，若对发酵罐内的发酵混合液的划层数量过少，可能还是会出现局部区域的酸碱度值的变化幅度过大，进而影响丁酸梭菌的生长繁殖。基于此，在本实施例中发明人设置对发酵罐内发酵混合液的划层≥4层。采用这种培养方法，能更加明确发酵罐中不同区域的PH值，从而在调节发酵罐中整体的酸碱度时，能更少的较少丁酸梭菌的死亡，从而再进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
实施例2
如图1所示，本发明所述的一种丁酸梭菌高密度培养方法，在上述方式基础上，进一步的，所述步骤C中完成发酵罐内各层级的发酵混合液PH值的调节后，拌合发酵罐内的发酵混合液，使发酵罐内不同层级的发酵混合液相互混合。
丁酸梭菌在实际的发酵过程中，由于发酵罐内酸碱度的不同，必然导致不同区域丁酸梭菌的密度存在差异，若不调整发酵罐不同区域的丁酸梭菌的密度，在后续的的发酵过程中可能出现，原本丁酸梭菌密集的部位，可能出现菌体生长繁殖缓慢的情况，并且在丁酸梭菌聚集的区域，其代谢产生酸性物质的速度也会更快，会更快形成抑制丁酸梭菌生长的环境。基于上述原因，在本实施例中，发明人设置所述步骤C中完成发酵罐内各层级的发酵混合液PH值的调节后，拌合发酵罐内的发酵混合液，使发酵罐内不同层级的发酵混合液相互混合。在发酵罐中整体的PH值调整后，进一步对不同区域的丁酸梭菌的密度进行调整，避免了上述问题的出现，从而使得丁酸梭菌在后续的发酵过程中能够更好的生长繁殖，再进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，拌合发酵罐内的发酵混合液时，包括一级拌合和二级拌合；
一级拌合：先依次拌合相邻两个层级或者相邻三个层级的发酵混合液，使发酵混合液的分层数至少减少一半；
二级拌合：由发酵罐的顶部向底部搅拌，使发酵罐内不同层级的发酵混合液完全混合。
在上述实施例中，发明人设置所述步骤C中完成发酵罐内各层级的发酵混合液PH值的调节后，拌合发酵罐内的发酵混合液，使发酵罐内不同层级的发酵混合液相互混合。在发酵罐中整体的PH值调整后，进一步对不同区域的丁酸梭菌的密度进行调整，避免了由于发酵罐内丁酸梭菌密布分布不均，影响丁酸梭菌的生长繁殖，再进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。但依然存在不足，由于工业发酵工程中使用的发酵管的体量非常巨大，造成了在发酵管的底部区域和顶部区域之间形成了较大的压力差，而在拌合发酵管中的发酵混合液时，若在短时间内将两个区域丁酸梭菌的生长环境对调，丁酸梭菌会因为生长环境的急剧变化而出现死亡。因此，在本实施例中，发明人将发酵混合液的拌合分为两个步骤：一级拌合时先依次拌合相邻两个层级或者相邻三个层级的发酵混合液，使发酵混合液的分层数至少减少一半。二级拌合由发酵罐的顶部向底部搅拌，使发酵罐内不同层级的发酵混合液完全混合。通过这样的搅拌方法，使发酵罐内不同区域生长的丁酸梭菌能够逐步适应拌合过程中带来的生长环境压力的变化，从而减少了造成丁酸梭菌在培养中死亡，再进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，一级拌合时在发酵罐底部由两个层级单独划分为一组进行拌合。
本实施例中，发明人考虑到，由于发酵罐底部区域的压强最大，在一级拌合时若拌合的发酵混合液的层级过多，可能会造成底部区域丁酸梭菌的生长环境变化过大，进而引起丁酸梭菌的死亡。因此，在本实施例中，发明人设置一级拌合时在发酵罐底部由两个层级单独划分为一组进行拌合。通过现在发酵罐底部区域发酵混合液的拌合层级数，避免了造成底部区域丁酸梭菌的生长环境变化过大，进而引起丁酸梭菌的死亡，再进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，在进行二级拌合时，相邻层级的发酵混合液拌合的时间间隔为a，且a≥30min。采用这种培养方法，在进行二级拌合时，为跨越不同层级环境的丁酸梭菌提供了缓冲，避免了拌合时环境变化速度过快，丁酸梭菌由于来不及适应而死亡，从而再进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
实施例3
如图2所示，本发明所述的一种丁酸梭菌高密度培养装置，包括一级罐体1、二级罐体2和设置在所述一级罐体1和所述二级罐体2之间的转移装置3，所述一级罐体1用于盛放接种有丁酸梭菌的培养液，并提供无氧环境使接种有丁酸梭菌的培养液发酵形成发酵混合液，所述转移装置3用于分层抽取所述一级罐体1内的发酵混合液，并在调节抽取的发酵混合液的PH值后，将其移至所述二级罐体2中继续发酵。
在本实施例在使用时，先将接种有丁酸梭菌的培养液倒入所述一级罐体1内，经过一段时间的无氧发酵后，对发酵罐内的发酵混合液进行酸碱度的调节。具体为：先测定制得的发酵混合液在发酵罐中由顶部至底部不同部位的PH值，并根据测得的PH值对发酵罐中的发酵混合液进行划层。之后根据划定的发酵混合液的层次，抽取所述一级罐体1内的发酵混合液，并在调节抽取的发酵混合液的PH值后，将其移至所述二级罐体2中继续发酵。采用本实施例所述的丁酸梭菌高密度培养装置，避免了发酵混合液酸碱度调节时，对相邻层级发酵混合液的扰动，一方面，保证了不同分层的丁酸梭菌能够在酸碱度调和时更好的存活；另一方面，可以使得对发酵混合液的PH值的调节更加精准，保证调节后丁酸梭菌的生长环境适宜。从而再进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，所述转移装置3从所述一级罐体1的顶部至底部依次抽取其内部盛放的发酵混合液。采用这种结构设置，对于所述一级罐体1内底部生长的丁酸梭菌在而言，压力的减小是逐步进行了，有效避免了发酵混合液在转移时，由于压力环境的变化幅度过大，造成丁酸梭菌的死亡，从而再进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，所述转移装置3包括中转罐体4，所述中转罐体4上设置有进液管5和出液管6，所述液管伸入所述一级罐体1内用于抽取其内部盛放的发酵混合液至所述中转罐体4中，所述出液管6伸入所述二级罐体2内将所述中转罐体4内的发酵混合液转运至所述二级罐体2中继续发酵，所述进液管5伸入所述一级罐体1内的部分设置为可伸缩的管道，所述进液管5的进液面对应所述一级罐体1的底部设置，所述出液管6的出液面对应所述二级罐体2的顶部设置。
本实施例中，发明人将所述进液管5的进液面对应所述一级罐体1的底部设置，有效避免了抽取所述一级罐体1内的发酵混合液时，对相邻分层的扰动，而将所述出液管6的出液面对应所述二级罐体2的顶部设置，可增大对所述二级罐体2的发酵混合液的扰动，使得发酵混合液在移至所述二级罐体2时能够得到初步拌合。提高了本发明在实际使用中的实用性。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，在所述进液管5上设置有浮力件7，所述浮力件7用于使所述进液管5的进液面始终与所述一级罐体1内盛放的发酵混合液的液面保持齐平。
在本实施例中，所述浮力件7使所述进液管5的进液面始终与所述一级罐体1内盛放的发酵混合液的液面保持齐平。避免了所述进液管5在抽吸时，将相邻分层的发酵混合液吸入，使得相邻分层的丁酸梭菌在酸碱度调节时因环境变化过大而死亡，从而提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。同时，采用这样过得结构设置，也保证了发酵混合液酸碱度调节的准确度，使得丁酸梭菌的生存环境更加适宜，进一步提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，所述出液管6出液面的设置高度≥所述一级罐体1内盛放的发酵混合液液面的高度。采用这种结构设置，进一步保证了发酵混合液在移至所述二级罐体2时能够得到更好的混合，提高了本发明在实际应用中的实用性。
实施例4
如图3至图6所示，本发明所述的一种丁酸梭菌高密度培养装置，在所述二级罐体2内还设置有搅拌装置8，所述搅拌装置8包括电机9、驱动控制器10、传动轴11和搅拌叶片12，所述电机9安装在所述二级罐体2的外部，所述传动轴11一端与所述电机9连接另一端与所述搅拌叶片12连接，传递所述电机9的动力驱动所述搅拌叶片12在所述二级罐体2内旋转，所述驱动控制器10用于控制所述搅拌叶片12呈周期转动，且使所述搅拌叶片12在一个周期内转动的角度≤180°。
采用发明所述的一种丁酸梭菌发酵罐的搅拌装置8，通过设置所述驱动控制器10使所述搅拌叶片12呈周期转动，且进一步约束所述搅拌叶片12在一个周期内转动的角度≤180°，减弱了发酵混合液中所形成的剪切力的强度，从而减小了在培养过程中丁酸梭菌受到的伤害，保证了丁酸梭菌在培养中的成活率，进而保证了丁酸伸梭菌最终的发酵密度。
具体地，在本实施例中，发明人考虑到现有技术中在进行丁酸梭菌的培养过程中，搅拌装置8的运转时会使发酵混合液产生剪切力，特别是在搅拌装置8桨叶的端部由于其线速度最大，所形成的剪切力也最为强烈。而对于丁酸梭菌而言，搅拌装置8的运转时产生的剪切力，可能会使菌体上的鞭毛缠绕甚至造成菌体上的鞭毛断裂，进而造成丁酸梭菌的成活率下降。因此，在本实施例中，发明人过设置所述驱动控制器10使所述搅拌叶片12呈周期转动，且进一步约束所述搅拌叶片12在一个周期内转动的角度≤180°，减弱了发酵混合液中所形成的剪切力的强度，从而减小了在培养过程中丁酸梭菌受到的伤害，保证了丁酸梭菌在培养中的成活率，进而保证了丁酸伸梭菌最终的发酵密度。
本实施例中，剪切力形成的原因如下，当所述搅拌叶片12在所述二级罐体2内搅动养液时，可以将发酵混合液看成是一层层的流动，由于相邻层的发酵混合液之间流动速度存在差异，造成了发酵混合液相对移动的各层之间产生了内摩擦力，其方向一般是沿液层面的切线。单位面积上的剪切力与沿运动平面法线方向每单位长度的速度变化成正比，即流体的速度梯度越大，所形成的剪切力也就越大。本实施例中，所述搅拌叶片12在工作时，转动最多180°后停止一段时间，在所述述搅拌叶片12停止的时间段内，所述二级罐体2内被搅动的流动速度较快的发酵混合液分层会带动流动速度较慢的发酵混合液分层，使相邻层发酵混合液之间的流动速度差异逐渐减小；当所述搅拌叶片12第二次转动时，进一步加速所述搅拌叶片12所在位置的发酵混合液，但此时相邻分层的发酵混合液的流动速度已经提升，使得相邻分层的发酵混合液之间的流动速度差减小，从而使得形成的剪切力减小，从而减小了在培养过程中丁酸梭菌受到的伤害，保证了丁酸梭菌在培养中的成活率，进而保证了丁酸伸梭菌最终的发酵密度。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，所述搅拌叶片12转动时，使所述二级罐体2内的发酵混合液产生的径向流的比例大于产生的轴向流的比例。
本实施例中，轴向流是指所述搅拌叶片12运行时，使所述二级罐体2内发酵混合液的流动方向平行于搅拌轴，发酵混合液由所述搅拌叶片12推动，使发酵混合液向下流动，遇到所述二级罐体2底面再向上翻，形成上下循环流；径向流是指所述搅拌叶片12运行时，使所述二级罐体2内发酵混合液的流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到所述二级罐体2侧壁分成二股流体分别向上、向下流动，再回到所述搅拌叶片12的叶端，不穿过所述搅拌叶片12，形成上、下二个循环流动。本实施例中，发明人考虑到，对于丁酸梭菌的工业培养而言，其使用的发酵罐的体量较为巨大，造成所述二级罐体2底部和顶部的压力差异十分巨大，若所述搅拌装置8对所述二级罐体2内发酵混合液的扰动过大，可能使得所述二级罐体2内底部和顶部的丁酸梭菌的生长位置发生快速的调换，造成丁酸梭菌的生长环境发生剧烈变化，进而对其生长繁殖带来不利影响。本实施例中，发明人设置所述搅拌叶片12转动时，使所述述二级罐体2内的发酵混合液产生的径向流的比例大于产生的轴向流的比例。有效避免了所述搅拌叶片12转动时对所述二级罐体2内发酵混合液的扰动过大，所述搅拌叶片12运行时主要推动发酵混合液向所述二级罐体2的侧壁流动，所述二级罐体2内发酵混合液上下流动的趋势较小，避免了发酵混合液出现剧烈的上下翻腾效应，从而避免了所述二级罐体2内丁酸梭菌的生长环境出现剧烈的变化，造成丁酸梭菌的死亡，进一步保证了丁酸伸梭菌最终的发酵密度。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，所述搅拌叶片12在旋转时弯曲变形，使所述搅拌叶片12的旋转半径减小。
在上述方案中，发明人通过设置所述驱动控制器10使所述搅拌叶片12呈周期转动，且进一步约束所述搅拌叶片12在一个周期内转动的角度≤180°，使得相邻分层的发酵混合液之间的流动速度差减小，从而使得形成的剪切力减小，从而减小了在培养过程中丁酸梭菌受到的伤害，提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。但依然存在不足，所述搅拌叶在周期性转动时，在所述搅拌叶片12的端部区域由于其线速度最大，依然会带动其所在位置发酵混合液产生较大的剪切力。特别是，对于工业培养中使用的大型发酵罐而言，所述搅拌叶片12端部形成的剪切力，极易使得丁酸梭菌菌体破裂，造成丁酸梭菌的死亡。基于此，在本实施例中发明人设置所述搅拌叶片12在旋转时弯曲变形，使所述搅拌叶片12的旋转半径减小。进而降低了所述搅拌叶片12端部的线速度，减弱了所述搅拌叶片12端部形成的剪切力，降低了所述搅拌叶片12转动时对丁酸梭菌菌体造成的破坏，提高了丁酸梭菌的成活率，再进一步保证了丁酸伸梭菌最终的发酵密度。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，在所述搅拌叶片12上还设置有加热部件13，所述加热部件13用于提升所述二级罐体2内的发酵混合液的温度。
在上述方案中，发明人通过设置所述驱动控制器10控制所述搅拌叶片12呈周期转动、设置所述搅拌叶片12在旋转时弯曲变形，使所述搅拌叶片12的旋转半径减小等方案，减弱了所述搅拌装置8运行时发酵混合液中所形成的剪切力的强度，从而减小了在培养过程中丁酸梭菌受到的伤害，提高了丁酸伸梭菌的发酵密度。但依然存在不足：
在丁酸梭菌的工业培养中，所使用的发酵罐体量十分巨大，在实际的应用中，发明人发现为了保证这种大型发酵罐内的发酵混合液能够搅拌均匀，所述搅拌装置8需要较高的搅动强度，由于搅动强度的增大，在发酵混合液中所形成剪切力也随之增大，所以，这样的方式，虽然是确保了发酵混合液的均匀，但是在搅拌过程中丁酸梭菌收到的损伤也随之增大，这也是目前大规模丁酸梭菌培养中，丁酸梭菌成活率不高、发育迟缓以及繁殖率较低的问题所在，使得最终得到的丁酸梭菌的发酵密度难以达到设定的目标值。
因此，在本实施例中，发明人在所述搅拌叶片12上还设置有加热部件13。所述加热部件13在运行时可提升所述二级罐体2内的发酵混合液的温度，发酵混合液中的微粒在热运动原理下产生的物质迁移现象，即微观粒子在不停地做无规则的运动，且温度越高，热运动则越剧烈。在这一条件下，所述搅拌叶片12可以在更低的转速下，将所述二级罐体2内的发酵混合液搅拌均匀。从而，有效解决了现有技术中存在的，在丁酸梭菌的工业培养中，为了保证大型发酵罐内的发酵混合液能够搅拌均匀，所述搅拌装置8需要较高的搅动强度，在发酵混合液中所形成剪切力也随之增大，虽然是确保了发酵混合液的均匀，但是在搅拌过程中丁酸梭菌收到的损伤也随之增大，造成了大规模丁酸梭菌培养中，丁酸梭菌成活率不高、发育迟缓以及繁殖率较低等问题，保证了丁酸伸梭菌最终的发酵密度。
作为优选的实施方式，在上述方式基础上，进一步的，所述加热部件13为若干加热片14，所述加热片14布满所述搅拌叶片12的表面；且在所述搅拌叶片12的一面上，所述加热片14由所述搅拌叶片12的表面向所述传动轴11方向延伸，与所述搅拌叶片12的表面形成小于90°的锐角；另一面上，所述加热片14由所述搅拌叶片12的表面向其端部方向延伸，与所述搅拌叶片12的表面形成小于90°的锐角。
将所述加热片14布满所述搅拌叶片12的表面，提高了所述加热部件13对发酵混合液的加热效果，使得发酵混合液中微粒的运动更加剧烈；而在所述搅拌叶片12的一面上，设置所述加热片14由所述搅拌叶片12的表面向所述传动轴11方向延伸，与所述搅拌叶片12的表面形成小于90°的锐角；另一面上，设置所述加热片14由所述搅拌叶片12的表面向其端部方向延伸，与所述搅拌叶片12的表面形成小于90°的锐角。提高了所述搅拌叶片12在转动时，发酵混合液在所述加热片14形成的槽口内停留的时间，进一步提高了对发酵混合液的加热效果，保证了所述搅拌叶片12在更低的转速下能将发酵混合液搅拌均匀。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种丁酸梭菌高密度培养方法，其特征在于，包括下述步骤：
A、丁酸梭菌接种：在发酵罐中装入接种有丁酸梭菌的培养液，进行无氧发酵得到发酵混合液；
B、PH值测定：测定所述步骤A中制得的发酵混合液在发酵罐中由顶部至底部不同部位的PH值，并根据测得的PH值对发酵罐中的发酵混合液进行划层；
C、调节发酵罐中发酵混合液的PH值：根据所述步骤B中划定的发酵混合液的层次，在丁酸梭菌能够承受的PH值变化幅度范围内，调节发酵罐内不同层级的发酵混合液的酸碱度；
根据发酵的时间，在无氧条件下重复所述步骤B和所述步骤C，完成丁酸梭菌的培养；
丁酸梭菌高密度培养方法所使用的培养装置，包括一级罐体、二级罐体和设置在所述一级罐体和所述二级罐体之间的转移装置，所述一级罐体用于盛放接种有丁酸梭菌的培养液，并提供无氧环境使接种有丁酸梭菌的培养液发酵形成发酵混合液，所述转移装置用于分层抽取所述一级罐体内的发酵混合液，并在调节抽取的发酵混合液的PH值后，将其移至所述二级罐体中继续发酵；所述转移装置从所述一级罐体的顶部至底部依次抽取其内部盛放的发酵混合液。
2.根据权利要求1所述的丁酸梭菌高密度培养方法，其特征在于，在所述步骤B中每层发酵混合液PH值的测定，至少选取靠发酵罐侧壁和靠发酵罐中心两个部位的发酵混合液的PH平均值确定。
3.根据权利要求1所述的丁酸梭菌高密度培养方法，其特征在于，所述步骤C中完成发酵罐内各层级的发酵混合液PH值的调节后，拌合发酵罐内的发酵混合液，使发酵罐内不同层级的发酵混合液相互混合。
4.根据权利要求3所述的丁酸梭菌高密度培养方法，其特征在于，拌合发酵罐内的发酵混合液时，包括一级拌合和二级拌合；
一级拌合：先依次拌合相邻两个层级或者相邻三个层级的发酵混合液，使发酵混合液的分层数至少减少一半；
二级拌合：由发酵罐的顶部向底部搅拌，使发酵罐内不同层级的发酵混合液完全混合。
5.根据权利要求4所述的丁酸梭菌高密度培养方法，其特征在于，一级拌合时在发酵罐底部由两个层级单独划分为一组进行拌合。
6.根据权利要求5所述的丁酸梭菌高密度培养方法，其特征在于，在进行二级拌合时，相邻层级的发酵混合液拌合的时间间隔为a，且a≥30min。
7.根据权利要求1所述的丁酸梭菌高密度培养方法，其特征在于，在所述二级罐体内还设置有搅拌装置，所述搅拌装置包括电机、驱动控制器、传动轴和搅拌叶片，所述电机安装在所述二级罐体的外部，所述传动轴一端与所述电机连接另一端与所述搅拌叶片连接，传递所述电机的动力驱动所述搅拌叶片在所述二级罐体内旋转，所述驱动控制器用于控制所述搅拌叶片呈周期转动，且使所述搅拌叶片在一个周期内转动的角度≤180°。
8.根据权利要求7所述的丁酸梭菌高密度培养方法，其特征在于，在所述搅拌叶片上还设置有加热部件，所述加热部件用于提升所述二级罐体内的发酵混合液的温度；所述加热部件为若干加热片，所述加热片布满所述搅拌叶片的表面；且在所述搅拌叶片的一面上，所述加热片由所述搅拌叶片的表面向所述传动轴方向延伸，与所述搅拌叶片的表面形成小于90°的锐角；另一面上，所述加热片由所述搅拌叶片的表面向其端部方向延伸，与所述搅拌叶片的表面形成小于90°的锐角。
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