专利名称：一种气升式环流反应器及利用其进行青霉素发酵的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于青霉素发酵的反应器及利用该反应器进行青霉素发酵的方法，特别是涉及一种气升式环流反应器及利用气升式环流反应器进行青霉素发酵的方法。
背景技术：
高粘度非牛顿流体的丝状菌体系的好氧发酵，典型如青霉素发酵，一般采用带有机械搅拌的罐式发酵反应器，通入空气的条件下进行生产，机械搅拌使空气均匀的分布在罐体中，以保证菌体的生长代谢的需要，但这种方法存在两个重要的问题一方面，搅拌电机的能耗和压缩空气的能耗使发酵过程的能耗普遍较高，一般动力消耗占到成本的30-50%，在青霉素发酵生产中，采用机械搅拌式发酵罐进行发酵，电耗平均为20 25Kwh/BOU (B0U青霉素活性单位，下同)；另一方面，机械搅拌的剪切力同样对丝菌体生长构成影响。青霉素发酵属于二级发酵，分为青霉菌生长繁殖和产抗两个阶段；在青霉素的发酵第一 个阶段，机械剪切是有利的，它可促进菌丝体的无性繁殖；但在后期产抗阶段，机械剪切加速了菌丝体的自溶，进而影响青霉素生物合成，并且不利于下游生产工序的处理。另外，机械搅拌式反应器存在易染菌、维护成本高等缺点。非搅拌式发酵反应器的开发一直是发酵反应器的发展方向，而气升式环流反应器是其中最有希望取代搅拌反应器的发酵反应器。气升式环流反应器利用反应器内导流筒内外的气液密度差为推动力，而产生围绕的导流筒环流，是一类高效气-液，气-液-固或气-液-液多相反应器，其结构简单，传质性能好，能耗较低，易于工程放大，在化学工业、石油工业、环境工程、生化工程以及其它工业过程中有着广泛的应用。目前，国内外在气升式环流反应器应用于低黏度牛顿或拟牛顿流体的发酵过程有广泛的应用的研究，典型的如柠檬酸发酵；100m3和250m3采用气升循环部分替代搅拌的半气升式发酵罐已在柠檬酸发酵过程中的应用，可使总耗电量节约30 40 %。而在气升式内环流反应器中直接培养产黄青霉菌株并进行发酵的的相关技术则未见报道。气升式环流反应器难以应用于青霉素发酵的主要原因是(I)由于气升式环流反应器的环流推动力(导流筒内外气液的密度差)较小，往往达不到发酵过程的对溶解氧的需要；或者需要过大的气速以维持环流，使过程的经济性下降并使反应器难以操作。(2)气升式环流反应器的流体剪切力小，在青霉菌在初级代谢阶段，在充足的气体和营养物质供应的情况下，若外界的剪切力小，青霉菌易结成团，不利于在次级代谢阶段的产抗。
发明内容
本发明的第一个目的是开发和提出一种用于青霉素发酵的气升式内环流反应器。本发明的第二个目的在于提供一种利用气升式内环流反应器进行青霉素发酵的方法，以减小过程的能耗，提高发酵效率。
本发明的第一个目的由如下技术方案实施，一种用于青霉素发酵的气升式内环流反应器，其包括塔体、与塔体同轴安装的导流筒、气体分布器，其中导流筒为单段或多级，其特征在于，所述气升式环流反应器的塔体下部为反应段，上部为扩大的气液分离段，气液分离段和反应段的高度比为O. 15 O. 25，直径比为I. 25 I. 42，塔体总高与反应段内径之比为4. 5 8，导流筒内径和反应段内径比为O. 5 O. 78，导流筒高度和反应段高度比为O. 9 O. 65。所述导流筒的上下边为由三角形缺口构成的锯齿边缘，每个缺口的深度10 2Ctam,宽度10 2Ctam,缺口间距离5 15臟。空气分布器的设计保证空气沿与轴向夹角为30° 60°的锥面喷出，且出口线速率不小于2m/s.本发明的第二个目的在于提供一种利用气升式环流反应器进行青霉素发酵的方 法，在产黄青霉菌株种子培养完成后，按照8 10% (v/v)的接种量接入气升式环流反应器内开始发酵。发酵温度为20 30°C;pH为6. O 7. O ;发酵全过程通气比控制在O. 8 3vvm,通过调节通气比，控制溶氧在30 %以上；发酵压力为O. 08 O. IMpa ;发酵周期为160 170h ;整个发酵过程控制发酵液菌丝浓度在35 45%。发酵过程需要补加碳源、氮源和前体，流加碳源为葡萄糖，葡萄糖浓度控制在70 85% (v/v)，葡萄糖流加量为I 2L/h ;流加氮源为硫酸铵，硫酸铵的浓度控制在30 40% (v/v)，硫酸铵流加量为O. I O. 2L/h ;流加前体物质为苯乙酸，苯乙酸浓度控制在30 40% (v/v)，苯乙酸流加量为O. I O. 2L/h。本发明从优化反应器结构、调整和优化发酵工艺参数的角度实现上述目标，本发明的优点在于(I)气液分离段直径大于反应段直径的涉及使得为反应气体和发酵过程中产生的其他气体能迅速的扩散，保证反应的良好运行，导流筒缺口和气体分布器的设计和有利于增加一定量的剪切力，克服青霉菌易结成团等问题。(3)利用气升式多级环流反应器进行青霉素发酵，发酵效率高于机械搅拌式发酵罐的发酵，发酵周期可从缩短20%左右，发酵单位可提高10%以上；(4)相对于机械式发酵罐，发酵过程对菌丝体的剪切力小，菌丝体自溶的比例小，不会为后序的处理造成困难；(5)机械搅拌发酵罐的电耗平均为20 25Kwh/B0U，利用环流反应器进行青霉菌发酵，发酵过程中电耗平均为10 21Kwh/B0U，只相当于械搅拌发酵罐电耗损失的50%。(6)由于气升式多级环流反应器不存在机械搅拌式发酵罐的联轴器及轴承等辅助设备，大大降低了染菌率。附图概要说明附图I显示了本发明所述的气升式环流反应器附图2显示了气升式环流反应器中导流筒的缺口设计附图3显示了气升式环流反应器中气体分布器的一种设计附图4显示了用于流加发酵的气升式环流反应器的具体设计
具体实施方式
实施例I气升式环流反应器对于附
图1-4中各个部件的说明如下I-反应段，2-气液分离段，3-反应器顶盖，4-反应器底封头，5-换热夹套，6_导流筒，7-导流筒开孔，8-进料口，9-循环水入口，10-循环水出口，11-视镜液位计，2-导流筒上定位支架，13-气体分布器，14-导流筒下支架，15-进气管，16-排料口，17-流加口，18-流加口蒸汽保护，19-排气口，20-安全阀，21-缺口设计本发明是对气升式环流反应器的各部件间的设计做出了具体的改进，对于反应罐的具体运行与一般气升式环流反应器一致。实施例2
一种利用200L气升式环流反应器进行青霉素发酵的方法，种子培养完成后，按照8 10% (v/v)的接种量接入气升式内环流反应器内开始发酵。发酵温度为26°C ;pH为
6.5±0. I ;发酵过程通气比2. 8vvm，控制溶氧在30%以上；发酵压力为O. IMpa ;发酵周期为165h ;整个发酵过程控制发酵液菌丝浓度为40%左右。利用200L气升式环流反应器进行青霉素发酵过程中，补加碳源为葡萄糖，葡萄糖浓度为83% (w/v)，运转过程葡萄糖补加量为I. 8L/h;补加氮源为硫酸铵，硫酸铵的浓度为37% (w/v)，运转过程硫酸铵补加量为O. 19L/h ;补加前体物质为苯乙酸，苯乙酸浓度为36% (w/v)，运转过程苯乙酸补加量为O. 19L/h。发酵终止后，放罐体积152L ;镜检菌丝形态完整，自溶较少；发酵液经真空抽滤，滤速为I. 70mL/s，得到青霉素发酵单位为106880U/
mLo实施例3利用200L机械搅拌式发酵罐进行对比实验。种子培养完成后，按照8 10% (v/v)的接种量接入搅拌式发酵罐内开始发酵。发酵温度为25V ;pH为6. 4±0. I ;搅拌转速380r/min ;发酵过程通气比I. 3vvm,控制溶氧在30%以上；发酵压力为O. 08Mpa ;发酵周期为192h ;整个发酵过程控制发酵液菌丝浓度为40%左右。利用200L机械搅拌式发酵罐进行青霉素发酵过程中，补加碳源为葡萄糖，葡萄糖浓度为83% (w/v)，运转过程葡萄糖补加量为I. 7L/h;补加氮源为硫酸铵，硫酸铵的浓度为36% (w/v)，运转过程硫酸铵补加量为O. 21L/h ;补加前体物质为苯乙酸,苯乙酸浓度为36% (w/v),运转过程苯乙酸补加量为O. 20L/h。发酵终止后，放罐体积155L ;镜检多数菌丝断裂、破碎，自溶较多，发酵液经真空抽滤，滤速为I. 32mL/s，得到青霉素发酵单位为98643u/mL。实施例4按照实施例2实施方式，对气升式环流反应器连续运转10批。发酵终止后，镜检菌丝形态完好；平均过滤速度I. 73mL/s ;平均发酵周期为163h ;得到青霉素平均发酵单位为 106320u/mL。按实施例3实施方式，对200L机械搅拌式发酵罐连续运转10批。发酵终止后，镜检多数菌丝断裂、破碎，自溶较多；平均滤速为I. 20mL/s ;平均发酵周期为192h ;得到青霉素平均发酵单位为96810u/mL。在发酵运转过程中，搅拌运转动力平均为O. 75Kwh。通过以上实施例对比，利用气升式内环流反应器进行青霉素发酵，发酵周期可以缩短15% ;发酵单位可提高10%左右；发酵设备对菌丝体的剪切力小，菌丝体的自溶比例小；发酵液抽滤速度提高了 40%以上；省去了机械搅拌，发酵过程中的动力成本显著降低。实施例6为更好获得青霉素发酵效果，本发明发酵过程的参数可分段进行控制发酵种子培养菌丝浓度至20 40% (v/v)后，转入气升式环流反应器开始发酵，发酵液体积168L。发酵温度为25°C，压力为O. 08Mpa。整个发酵周期170h，前O 60h通气量8. 5m3/h (标况，相当于空塔气速4cm/s),通气比为O. 84vvm ;后60 90h通气量13m3/h(标况,相当于空塔气速6cm/s)，通气比为1.29vvm;90h后，通气量控制在20m3/h，(标况，相当于空塔气速9.5cm/s)，通气比为L98vvm。补充碳源为葡萄糖，糖浓度在82 % (w/v)，流加量O 60h，在lL/h ；60 100h，流加量在I. 5L/h ；100h后，流加量在I. 8L/h ;硫铵浓度在35% (w/v)，O 60h，流加量在O. llL/h ；60 100h，流加量在O. 14L/h ; IOOh后，流加量在O. 17L/h ;苯乙酸浓度在38% (w/v)，在O 60h，流加量在O. 10L/h ;60 100h，流加量在0. 14L/h ；100h后，流加量在0. 19L/h ;发酵过程中最高菌丝浓度40%，溶解氧浓度维持在35%以上。发酵 结束时，得到青霉素发酵单位为100943u/ml。
权利要求
1.一种用于青霉素发酵的气升式环流反应器，其包括塔体、与塔体同轴安装的导流筒、空气分布器，其中导流筒为单段或多级，其特征在于，所述气升式环流反应器的塔体下部为反应段，上部为扩大的气液分离段，气液分离段和反应段的高度比为O. 15 O. 25，直径比为I. 25 I. 42，塔体总高与反应段内径之比为4. 5 8，导流筒内径和反应段内径比为O.5 O. 78，导流筒高度和反应段高度比为O. 9 O. 65。
2.根据权利要求I所述的一种用于青霉素发酵的气升式环流反应器，其特征在于，所述导流筒的上下边为由三角形缺口构成的锯齿边缘，每个缺口的深度10 20mm,宽度10 2Ctam,缺口间距离5 15臟。
3.根据权利要求I或2所述的气升式环流反应器，其中空气分布器保证空气沿与轴向夹角为30° 60°的锥面喷出，且出口线速率不小于2m/s。
4.一种利用权利要求1-3的气升式环流反应器进行青霉素发酵的方法，其特征在于，在产黄青霉菌株种子培养完成后，按照8 10% (v/v)的接种量接入气升式环流反应器内开始发酵，发酵温度为20 30°C;pH为6. O 7. O ;发酵全过程通气比控制在O. 8 3vvm,通过调节通气比，控制溶氧在30%以上；发酵压力为O. 08 O. IMpa;发酵周期为160 170h ;整个发酵过程控制发酵液菌丝浓度在35 45%。
5.根据权利要求4所述的青霉素发酵的方法，其特征在于，发酵过程需要补加碳源、氮源和前体，流加碳源为葡萄糖，葡萄糖浓度控制在70 85% (w/v)，葡萄糖流加量为I 2L/h ;流加氮源为硫酸铵，硫酸铵的浓度控制在30 40% (w/v)，硫酸铵流加量为O. I O.2L/h;流加前体为苯乙酸，苯乙酸浓度控制在30 40% (w/v)，苯乙酸流加量为O. I O.2L/h。
全文摘要
本发明公开了一种气升式环流反应器及利用其进行青霉素发酵的方法，气升式环流反应器的塔体下部为反应段，上部为扩大的气液分离段，气液分离段和反应段的高度比为0.15～0.25，直径比为1.25～1.42，塔体总高与反应段内径之比为4.5～8，导流筒内径和塔体内径比为0.5～0.78，导流筒高度和反应段高度比为0.9～0.65。在气升式环流反应器中，通入空气，采用产黄青霉菌株生产青霉素，发酵温度为20～30℃，pH为6.0～7.0，发酵压力为0.08～0.1MPa，通气比控制在0.8～3vvm之间，发酵时间160～170h。
文档编号C12M1/04GK102732416SQ20121020156
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月7日 优先权日2012年6月7日
发明者乔文庆, 刘振涛, 周天舒, 盖来兵 申请人:石药集团中润制药(内蒙古)有限公司