CN1207391C - 多孔吸附载体固态发酵方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多孔吸附载体固态发酵方法及装置；该方法是在传统的卧式固态发酵的基础上采用多孔吸附材料作为固态发酵中培养基的载体；发酵完毕后，采用逆流浸提方法提取分离产品；其装置也是在传统卧式发酵罐的基础上内设一多孔吸附载体筒；本发明选用多孔吸附惰性载体，完全避免固体物中的杂质带入发酵提取液中；由于多孔吸附载体在无游离水状态下固态发酵，利于气液固传递，发酵水平比液体发酵提高3-5倍，设备投资比液体深层发酵低得多；采用培养基实消、液体种子在位无菌接种和在位超声控湿等配套的无菌操作方法，解决了大规模固体培养基难以灭菌和大规模无菌接种的问题；本发明将拓宽固体发酵应用范围，具有广泛的适用性与推广意义。
Description
技术领域
本发明属于发酵工业技术领域，特别涉及一种多孔吸附载体固态发酵技术及其装置。
背景技术
固态发酵是人类利用微生物生产产品历史最悠久的技术之一，几千年前就被人类用以制造各种传统食品。近几年来，固态发酵在有机酸、酒精、抗生素、基因重组菌发酵药物等领域的研究得到迅速发展及应用，固态发酵应用具有巨大的潜能。
固态发酵一般是指培养基呈固态，没有或几乎没有自由流动水的状态下进行的一种或多种微生物发酵过程。固态发酵具有以下特点：(1)可以直接利用粗农产品原料(粮食与纤维质原料)等为底物，原料廉价；(2)模拟自然生长环境，使微生物保持与自然界相似的生长状态；(3)无大量有机废水产生，属于清洁生产工艺；(4)发酵产物吸附在发酵剩余物中(粗农产品原料)，后处理复杂，不利于发酵纯度要求高的产品。随着人们环境保护意识的增强，大家开始关注固态发酵这一清洁生产工艺，但传统的固态发酵只适用于对纯度要求低的发酵产品生产，由于采用粗料发酵，难以应用于纯度要求高的发酵产品，大大限制了固态发酵的发展。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前固态发酵罐存在的难以应用于纯度要求高的发酵产品等问题，而提供一种多孔吸附载体固态发酵方法。
本发明的另一目的是为了提供一种多孔吸附载体固态发酵装置，该装置。
本发明的目的可通过如下措施来实现：
一种多孔吸附载体固态发酵方法，包括下述步骤：
(1)将多孔吸附载体容置在发酵容器内，并在多孔吸附载体上按固液体积比为1∶1.5-2.5吸附可溶性培养基；
(2)在多孔吸附载体中接种发酵菌，发酵菌的重量为培养基的重量的2-10％；
(3)控制多孔载体内的温度25--35℃，湿度85％--95％，进行发酵；
(4)发酵结束后，进入分离纯化步骤。
在上述(1)步还包括一灭菌过程，即将吸附有可溶性培养基的多孔吸附载体灭菌。
在上述(3)步后还包括在固态发酵过程中，为控制发酵湿度，在发酵容器内通入无菌空气，其通气量为0.8-1.2vvm。
所述的多孔吸附载体选自海绵、纸浆、蛭石、沸石类多孔性的惰性材料中的至少一种。
上述(4)步中的分离纯化包括下述步骤：将其多孔载体和发酵产物分别倒入三个抽提罐内；首先在第1提取罐内加入提取液，提取液与多孔吸附载体的重量比为10-20∶1倍，搅拌浸提1小时，然后，将其浸提液压入第2提取罐浸提，依次，到第三提取罐浸提，再将浸提液按传统分离纯化方法精制不同产品。
本发明的另一目的可通过如下措施来实现：
一种多孔吸附载体固态发酵装置，该装置包括种子发酵罐、循环风机、固态发酵密封罐，其中种子发酵罐与固态发酵密封罐相连；其特征在于在固态发酵密封罐内设有多孔吸附载体筒，且固态发酵密封罐与多孔吸附载体筒之间为气体循环通道；在多孔吸附载体筒内放有多孔吸附载体；在多孔吸附载体筒的两端设有气体分布板，在多孔吸附载体筒的一端气体分布板前设有气体分布环。
在所述的气体分布环前设循环风机。
所述的气体分布环的直径为气体分布板直径的1/2-2/3，气体分布环上开孔率为0.2-0.5。
所述的气体分布板的直径为固态发酵密封罐直径的1/2-8/10，气体分布板上的开孔率为0.5-07。
所述的多孔吸附载体选自海绵、纸浆、蛭石、沸石类多孔性的惰性材料中的一种。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、本发明选用海绵、纸浆、蛭石、沸石等多孔吸附载体，吸附可溶性培养基，这样完全避免了固体物中的杂质带入发酵提取液中，同时，多孔吸附载体可循环使用，大大降低生产成本。
2、本发明的方法是模拟自然生长环境，使微生物保持与自然界相似的生长状态，发酵过程中温度、湿度、pH可控。
3、本发明由于多孔吸附载体在无游离水状态下固态发酵，利于气液固传递，容易满足微生物发酵所需要的氧气和发酵产生的二氧化碳、热量的排出，完全避免固定化细胞发酵过程中不易供氧和二氧化碳排出的问题，发酵水平比液体发酵提高3--5倍，设备投资比液体深层发酵低得多。
4、本发明采用三级逆流提取工艺，可有限控制提取液的用量，避免大量有机废水的产生。
5、本发明采用培养基实消、液体种子在位无菌接种和在位超声控湿等配套的无菌操作方法，解决了大规模固体培养基难以灭菌和大规模无菌接种的问题，实现了严格意义上的纯种培养。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图
1-种子发酵罐 2-文氏接种管 3-超声雾化器 4-循环风机
5-固态发酵密封罐 6-气体分布板 7-多孔吸附载体筒
8-气体循环通道 9-固态发酵罐盖门 10-阀门 11-气体分布环
图2为本发明的固态发酵罐横切面及气体分布环结构示意图
具体的实施方式
参照图1，为本发明的工艺流程系统图。本发明是采用的多孔吸附载体固态发酵的装置来发酵生产抗生素、基因工程重组菌蛋白酶和高密度脂蛋白药物等。
下面结合图1、2来进一步说明本发明的装置。该装置包括液体种子发酵罐1、文氏接种管2、超声雾化器3、循环风机4、固态发酵密封罐5、气体分布板6、多孔吸附载体筒7、气体循环通道8、固态发酵罐盖门9、阀门10、气体分布环11和多孔吸附载体支架12；在卧式固态发酵密封罐5内的支架12上放置装有多孔吸附载体的多孔吸附载体筒7，在多孔吸附载体筒7的两端设有气体分布板6；该气体分布板6的直径为固态发酵罐5直径的8/10，气体分布板6上的开孔率0.5-07；在卧式固态发酵密封罐5一端安装循环风机4以及与气体分布板6相对的气体分布环11，该气体分布环11的直径为气体分布板6直径的2/3，气体分布环11上开孔率为0.2-0.5；固态发酵密封罐5的另一端为进出多孔吸附载体筒7的快开盖门9；在卧式固态发酵密封罐体5内，通过循环风机4使罐体内的气体由多孔吸附载体内筒7内与气体循环通道8之间形成循环；在卧式固态发酵密封罐体5外部，由文氏接种管2将液体种子发酵罐1内种子液接种到多孔吸附载体上；根据固态发酵罐内湿度状况，开启超声雾化器3控制罐体内的一定湿度。其中开孔率是指在一板上所开孔占总面积的比例。
本发明的多孔吸附载体固态发酵方法为：
(1)在卧式固态发酵密封罐体5中的多孔吸附载体筒7内装入海绵、纸浆、沸石和蛭石等多孔吸附载体及其可溶性培养基，其中多孔吸附载体与培养基的固液比为1∶2，升温到120℃灭菌20-30分钟，开启循环风机4，将培养基冷却到40℃后，由文氏管2接种液体种子罐1内的种子液(相对于培养基重量5％的种子液)于接入多孔吸附载体中，控制多孔载体内的温度30℃，湿度85％--95％，进行发酵；
(2)在固态发酵过程中，通过超声雾化器控制罐体内一定湿度，进入罐体内的无菌空气通气量为0.8-1.2vvm(每分钟通入罐体的空气量为罐体体积的0.8-1.2倍)；
(3)发酵终点后，打开罐体快开盖门9，取出多孔吸附载体内筒7，将其多孔载体和发酵产物分别倒入三个抽提罐内；首先加入10倍的提取液于第1提取罐内，搅拌浸提1小时，然后，将其浸提液压入第2提取罐浸提，依次，到第三提取罐浸提，再将浸提液按传统分离纯化方法精制不同产品；
实施例1：多孔吸附载体固态发酵技术克拉维酸
在卧式固态发酵密封罐体5中的多孔吸附载体筒7内装入纸浆多孔吸附载体及其可溶性培养基(固液比为1∶2.5)，升温到120-125℃灭菌20-30分钟，开启循环风机4，将培养基冷却到40℃后，由文氏管2接种液体种子罐内的种子液(相对于培养基重量5％的种子液)于接入多孔吸附载体中，控制多孔载体内的温度25--28℃，湿度85％--95％，进行发酵；在固态发酵过程中，通过超声雾化器控制罐体内一定湿度，进入罐体内的无菌空气通气量为1.0vvm(每分钟通入罐体的空气量为罐体体积的1.0倍)；发酵终点后，打开罐体快开盖门9，取出多孔吸附载体内筒7，将其多孔载体和发酵产物分别倒入三个抽提罐内；首先加入10倍的提取液于第1提取罐内，搅拌浸提1小时，然后，将其浸提液压入第2提取罐浸提，依次，到第三提取罐浸提，再将浸提液按传统分离纯化方法精制不同产品；
菌种：克拉维链霉菌(Streptomyces clavuligerus)；
多孔吸附载体：木浆；
培养基：大豆蛋白胨0.5％，甘油0.8％，KH2PO4 0.1％，FeSO4.7H2O0.001％，LiCl 0.8％，pH7.0；
载体(固相)与培养基(液相)比：1∶2；
发酵温度：25--28℃
液体接种量：10％(与固相比)；
发酵周期：4-5天
发酵效价：120-150r/g(固相)；
发酵浸提液纯度：45-53％。
实施例2：多孔吸附载体固态发酵技术基因工程菌碱性蛋白酶
其操作过程同实施例1；
菌种：枯草杆菌(Bacillus subtilis PG1723-3)；
多孔吸附载体：海绵；
培养基：可溶性淀粉0.8％，胰蛋白胨0.2％，乳糖0.2％，卡那霉素0.005％，氯化钙0.02％，pH10.5；
载体(固相)与培养基(液相)比：1∶1.5；
发酵温度：28--32℃
液体接种量：10％(与固相比)；
发酵周期：3--4天
发酵效价：12160-12350IU/g(固相)；
发酵浸提液纯度：45--55％。
实施例3：多孔吸附载体固态发酵技术基因工程菌高密度脂蛋白药物
其操作过程同实施例1；
菌种：巴斯德毕赤酵母菌(Pichia pastoris YAC)；
多孔吸附载体：海绵或蛭石；
培养基：甲醇0.8％，甘油12.5％，油酸0.1％，组氨酸0.1％，硫酸铵1.0％，pH5.5；
载体(固相)与培养基(液相)比：1∶1--1.5；
发酵温度：25--27℃
液体接种量：10％(与固相比)；
发酵周期：3--4天
发酵效价：1.12g/g(固相)；
发酵浸提液纯度：45--50％。
Claims (10)
1、一种多孔吸附载体固态发酵方法，包括下述步骤：
(1)将多孔吸附载体容置在发酵容器内，并在多孔吸附载体上按固液体积比为1∶1.5-2.5吸附可溶性培养基；
(2)在多孔吸附载体中接种发酵菌，发酵菌的重量为培养基的重量的2-10％；
(3)控制多孔载体内的温度25--35℃，湿度85％--95％，进行发酵；
(4)发酵结束后，进入分离纯化步骤。
2、如权利要求1所述的多孔吸附载体固态发酵方法，其特征在于在上述(1)步还包括一灭菌过程，即将吸附有可溶性培养基的多孔吸附载体灭菌。
3、如权利要求1所述的多孔吸附载体固态发酵方法，其特征在于在上述(3)步后还包括在固态发酵过程中，为控制发酵湿度，在发酵容器内通入无菌空气，其通气量为0.8-1.2vvm。
4、如权利要求1所述的多孔吸附载体固态发酵方法，其特征在于所述的多孔吸附载体选自海绵、纸浆、蛭石、沸石类多孔性的惰性材料中的至少一种。
5、如权利要求1所述的多孔吸附载体固态发酵方法，其特征在于上述(4)步中的分离纯化包括下述步骤：将其多孔载体和发酵产物分别倒入三个抽提罐内；首先在第1提取罐内加入提取液，提取液与多孔吸附载体的重量比为10-20∶1，搅拌浸提1-2小时，然后，将其浸提液压入第2提取罐浸提，依次，到第三提取罐浸提，再将浸提液按传统分离纯化方法精制不同产品。
6、一种应用于权利要求1所述的多孔吸附载体固态发酵方法的装置，该装置包括循环风机(4)、固态发酵密封罐(5)；其特征在于在固态发酵密封罐(5)内设有多孔吸附载体筒(7)，且固态发酵密封罐(5)与多孔吸附载体筒(7)之间为气体循环通道(8)；在多孔吸附载体筒(7)内放有多孔吸附载体：在多孔吸附载体筒(7)的两端设有气体分布板(6)，在多孔吸附载体筒(7)的一端气体分布板(6)前设有气体分布环(11)。
7、如权利要求6所述的多孔吸附载体固态发酵装置，其特征在于在所述的气体分布环(11)前设循环风机(4)。
8、如权利要求6所述的多孔吸附载体固态发酵装置，其特征在于所述的气体分布环(11)的直径为气体分布板(6)直径的1/2-2/3，气体分布环(11)上开孔率为0.2-0.5。
9、如权利要求6所述的多孔吸附载体固态发酵装置，其特征在于气体分布板(6)的直径为固态发酵密封罐(5)直径的1/2-8/10，气体分布板(6)上的开孔率为0.5-07。
10、如权利要求6所述的多孔吸附载体固态发酵装置，其特征在于所述的多孔吸附载体选自海绵、纸浆、蛭石、沸石类多孔性的惰性材料中的一种。
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