专利名称：一种固态发酵袋及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微生物固态发酵技术，特别是一种适合多种微生物如真菌、细菌、酵母和放线菌的固态好氧发酵的发酵袋及其应用。
背景技术：
固态发酵是微生物如真菌、酵母、细菌和放线菌在一定温度、湿度、氧气条件下利用固体基质进行发酵生长的技术。目前被广泛应用于食品工业、医药、农业等领域生产酶制剂、单细胞蛋白、有机酸、酒精和生物杀虫剂等。由于固态发酵与液体发酵相比，具有管理要求不高、工艺流程简单，原料来源广、价格低廉，能耗低和成本低等特点，当前逐渐受到世界各国的重视。
但固态发酵存在热传递难度高、搅拌困难和生产场所空间利用率低等缺点，难以达到大规模工业化生产的要求。近些年，各国投入大量的人力、物力对固态发酵设备进行研究开发，使固体发酵工业得到发展，先后开发多种固态发酵装置，目前使用较多的有盘式生物反应器、空气固体流化床生物反应器、填充床式生物反应器、转鼓式生物反应器和搅拌式生物反应器等。这些固态反应器存在装载率低、设备昂贵、能耗大、适用范围窄和不能规模化等缺陷，使得这些发酵设备难以广泛推广应用。如空气固体流化床生物设备昂贵、装载率小、耗能；填充床式生物反应器床层的底部到顶部产生温度梯度，采用强制通风来扩散微生物产生热量，使物料干燥，影响微生物生长；转鼓式生物反应器与搅拌反应器通过外壳散热，当大规模生产时热传递效率下降，同时在转动或搅拌过程中剪切力会破坏正在生长的霉菌结构，不适宜霉菌的发酵等。
目前国内工业固态发酵普遍采用投入低的传统设备浅盘或培养池进行发酵。浅盘或培养池发酵具有传热传质效率高，通过环境条件能有效调节发酵的温、湿、气，理论上能满足绝大部分需氧固态发酵过程。但浅盘或培养池发酵为开放系统，易污染，影响了发酵产物的纯度。为了解决污染问题，人们采用带有透气窗的聚丙烯塑料袋密封发酵代替浅盘或培养池发酵，在一定程度上降低了发酵感杂几率。但由于小面积通气膜通气量有限，氧气的供应有限，塑料袋的装料容积在1～4升之间，难以扩大生产规模，另外，水份散发困难，发酵期间产生的冷凝水影响菌体生长，出料干燥时也会增加感杂的机会。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效避免感染杂菌，适合多种微生物固态好氧发酵的发酵袋。采用这种发酵袋进行发酵，可以达到大规模工业化生产的要求。
本发明的另一目的在于提供用上述固态发酵袋的新用途，即在固态发酵中的新应用。
本发明是这样实现的一种固态发酵袋，其特征在于它由微孔透气材料制成，其微孔孔径为0.01～5.0μm。
上述微孔透气材料是由微孔透气膜层及透气载体层复合而成的双层或三层结构。当为三层结构时，微孔透气膜层设置于两透气载体层之间。
上述微孔透气膜层或为聚偏二氟乙烯膜层(PVDF)或为聚四氟乙烯膜层(PTFE)或为聚醚砜膜层(PES)或为混纤膜层(CN-CA)或为聚丙烯微孔滤膜层，其孔径为0.01～5.0μm。
上述透气载体层或为聚酯机织布层或为聚酯针刺毡层或为玻璃纤维机织布层。实际上，本发明关键在于微孔透气膜层的选择，对于透气载体层，它起到的仅仅是载体的作用，只要是具备一定强度的透气材料均可，此载体层的孔径也可以大于微孔透气膜的微孔孔径。
采用本发明所述固态发酵袋发酵物料时，先将固体培养物料灭菌处理后接菌种在无菌的条件下装入经过灭菌处理的所述固态发酵袋并密封，然后将其置于发酵室或发酵装置中，通过调节发酵室或发酵装置的温度、相对湿度和空气量控制发酵。
本发明还提供了上述固态发酵袋所用的微孔透气材料的新应用，即它在作为生产绿僵菌孢子、白僵菌孢子、Bt苏云金杆菌杀虫剂、菌体蛋白的发酵装置中的应用。
采用本发明所述的固态发酵袋，其袋内所装物料的厚度可根据物料性质和菌株特性等进行调节，由于微孔透气材料具有良好通气性能，外界氧气能有效透过透气材料各层进入发酵袋内，满足发酵对氧的需求，同时发酵袋内发酵热释放出来，相当于薄层发酵，通过环境温、湿、气能有效控制发酵。另外，所述微孔透气材料的微孔透气膜的孔径为0.01～5μm，具有防水功能，在静止的固态发酵过程中能有效阻止外界杂菌的进入和控制发酵袋内的微生物与发酵产物外泄。由微孔透气材料做成的发酵袋密封进行固态发酵时具有传热传质效率高、易控制和抗污染的优点，能满足微生物需氧固态发酵过程。发酵后期，如发酵产物需要干燥，可以利用微孔透气材料做成的发酵袋通透性好的特点密封干燥，从而防止开放式干燥过程中发酵产品受到污染和发酵产物扩散到环境中。
总体说来，本发明具有以下优点1、适用范围广。因微孔透气材料制作成的发酵袋进行固态发酵具有隔菌、透气特性，发酵过程中传热传质效率高、易控制和抗污染的优点，能满足多种微生物需氧固态发酵过程。
2、有效防止杂菌污染。微生物在密闭的发酵袋内静止发酵，微孔透气膜的微孔直径为0.01～5.0μm，能有效防止杂菌的污染，防杂操作方便，降低对发酵环境的要求。
3、发酵过程具有良好可控性。发酵袋为微孔透气材料制成，能有效与外界发生气体交换，通过动态调节发酵环境的温度、湿度、氧气，能有效控制发酵。
4、采用这种发酵袋进行发酵，发酵装置的装载率高，节约空间，易实现大规模工业化生产。
5、采用本发明所述的发酵袋进行密封发酵，发酵后的通风干燥可在原位进行，避免传统工艺的翻料工序，降低劳动强度。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明并不仅限于此。
图1本发明实施例1所述固态发酵袋采用的微孔透气材料的双层结构示意图；图2本发明实施例3所述固态发酵袋采用的微孔透气材料的三层结构示意图。
具体实施例方式
实施例1采用微孔透气材料制成的固态发酵袋发酵生产绿僵菌孢子绿僵菌(Metarhizium)是最早用于防治害虫的杀虫真菌之一，现在发现全世界约有200多种昆虫能被这种真菌感染致死，也是最重要的杀虫真菌之一。
实施例1-1一种固态发酵袋，其特征在于它由微孔透气材料制成；本例中的微孔透气材料是由微孔透气膜层1及透气载体层2复合而成的双层结构(参见图1)；其微孔透气膜层1为聚偏二氟乙烯膜层(PVDF)，其孔径为0.1μm，其透气载体层2为聚酯机织布层。将微孔透气材料做成直径20cm、长40cm的圆袋。
实施例1-2一种固态发酵袋，其特征在于它由微孔透气材料制成；本例中的微孔透气材料是由微孔透气膜层1及透气载体层2复合而成的双层结构(参见图1)；其微孔透气膜层1为聚四氟乙烯膜层(PTFE)，其孔径为0.2μm，其透气载体层2为聚酯机织布层。将微孔透气材料做成直径20cm、长40cm的圆袋。
发明人采用上述实施例1-1、1-2所述的固态发酵袋与传统的聚丙烯发酵袋分别作为生产绿僵菌孢子的发酵装置固体物料大米在28℃水中浸泡2～3h，121℃湿热灭菌30min，冷却后接入液体绿僵菌菌种，在无菌条件下倒入灭菌实施例1-1、1-2所述的发酵圆袋中，填装系数95％，封闭袋口；以两端用无菌封口膜密封的直径20cm、长40cm的聚丙烯发酵袋为对照，填装系数为30％(是其最大填装系数，再增加填装系数将难以散热)，置入固体发酵车间，保持室内温度25～28℃、相对湿度90％～100％。发酵8天后，开始排风干燥，对照组将物料倒入塑料盆中，料厚10cm(对照组必须将物料倒出才能干燥)，实施例1-1、1-2发酵袋中物料仍留在袋中原位干燥。发酵、干燥结束后采用旋风分离器收集孢子计算产孢率并测定孢子含水量、杂菌污染率(结果见表1)。
表1 固态发酵袋与聚丙烯发酵袋生产绿僵菌孢子的对比数据
从表1可以看出本发明所述的固态发酵袋在物料装载率高于传统聚丙烯袋3～5倍的条件下，产孢率与含孢量达到或略高于传统聚丙烯袋生产水平，说明本发明所述发酵袋适于真菌固态好氧发酵；本发明所述发酵袋发酵产物绿僵菌孢子经排风干燥、收集后的含水量与聚丙烯袋无显著差异，这是由于本发明所述固态发酵袋在发酵后期，经强力排风使发酵袋内水分通过蒸发的形式散失，说明本发明所述固态发酵袋在密封的条件下仍具有良好的干燥特性；本发明所述固态发酵袋生产绿僵菌孢子杂菌污染率为0.001％左右，仅为聚丙烯袋生产的孢子杂菌污染率的十分之一，说明本发明所述固态发酵袋适于生产对杂菌污染要求严格的固态发酵。因此，采用本发明所述固态发酵袋生产绿僵菌孢子粉具有简便、省工省时、污染率低、生产能力高(是聚丙烯袋的3倍以上)等明显优势。
实施例2采用微孔透气材料制成的固态发酵袋发酵生产白僵菌孢子实施例2-1一种固态发酵袋，其特征在于它由微孔透气材料制成；本例中的微孔透气材料是由微孔透气膜层1及透气载体层2复合而成的双层结构(参见图1)；其微孔透气膜层1为聚醚砜膜层(PES)，其孔径为0.8μm，其透气载体层2为聚酯针刺毡层。将微孔透气材料做成直径16cm、长80cm的圆袋。
实施例2-2一种固态发酵袋，其特征在于它由微孔透气材料制成；本例中的微孔透气材料是由微孔透气膜层1及透气载体层2复合而成的双层结构(参见图1)；其微孔透气膜层1为混纤膜层(CN-CA)，其孔径为0.8μm，其透气载体层2为聚酯针刺毡层。将微孔透气材料做成直径16cm、长80cm的圆袋。
实施例2-3一种固态发酵袋，其特征在于它由微孔透气材料制成；本例中的微孔透气材料是由微孔透气膜层1及透气载体层2复合而成的双层结构(参见图1)；其微孔透气膜层1为聚丙烯微孔滤膜层，其孔径为0.8μm，其透气载体层2为聚酯针刺毡层。将微孔透气材料做成直径16cm、长80cm的圆袋。
仍以聚丙烯发酵袋为对照组，除采用的菌各为白僵菌外，生产方式同实施例1。发酵、干燥后采用旋风分离器收集孢子计算产孢率并测定杂菌污染率与含孢量(结果见表2)。
表2固态发酵袋与聚丙烯发酵袋生产白僵菌孢子的对比数据
从表2可以看出本发明所述的实施例2-1、2-2、2-3固态发酵袋，能明显提高发酵质量与产率，同时具有良好的抗杂性能。
实施例3采用微孔透气材料制成的固态发酵袋发酵生产苏云金杆菌杀虫剂(BT)苏云金杆菌杀虫剂(BT)是目前使用最广泛的一种细菌生物农药，该杀虫剂对10个目526种昆虫均有不同程度的毒杀作用，对鳞翅目的100多种，例如菜青虫、棉龄虫、玉米螟、烟青虫等水果、棉花、森林、烟草等的昆虫均有毒杀作用，是广谱的杀虫剂，在农业、卫生、环保中杀灭害虫具有广阔的应用前景。
实施例3-1一种固态发酵袋，其特征在于它由微孔透气材料制成；本例中的微孔透气材料是由微孔透气膜层1及透气载体层2复合而成的三层结构(参见图2)；其微孔透气膜层1为聚四氟乙烯膜层(PTFE)，其孔径为2μm，其透气载体层2为聚酯机织布层，聚四氟乙烯膜层为中间层。将微孔复合膜做成为长1m、宽0.5m、厚3cm±0.5cm的条形袋。
利用麸皮固体培养基生产BT。将麸皮、石灰粉与水按5∶0.5∶4.5拌匀，装入本例所述发酵袋后封闭蒸料30min，冷却后接入0.5％商品BT菌粉，放入固体发酵室的发酵架上，保持温度25～30℃、相对湿度90％以上。以浅盘发酵为对照组，麸皮固体培养基蒸30min冷却后接入0.5％商品BT菌粉，放入发酵室的浅盘中，料厚2cm±0.5cm。发酵2天后，检查感杂情况并干燥粉碎后测定单位芽孢数、毒力效价(结果见表3)。
表3固态发酵袋与浅盘发酵生产苏云金杆菌(BT)的对比数据
从表3可以看出采用本发明所述固态发酵袋发酵生产苏云金杆菌明显优于浅盘发酵，本发明所述固态发酵袋生产苏云金杆菌时感杂率为零，而同期浅盘发酵的感杂率为5.2％；固态发酵袋可直接获得含芽孢数280～340亿个/g，其毒杀效价达19000～20000IU/mg的苏云金杆菌产品，显著高于浅盘发酵。
实施例4采用微孔透气材料制成的固态发酵袋发酵生产菌体蛋白实施例4-1一种固态发酵袋，其特征在于它由微孔透气材料制成；本例中的微孔透气材料是由微孔透气膜层1及透气载体层2复合而成的双层结构(参见图1)；其微孔透气膜层1为聚四氟乙烯膜层(PTFE)，其孔径为4μm，其透气载体层2为玻璃纤维机织布层。将微孔透气材料做成为长2m、宽0.5m、厚4cm±1cm的条形袋。
以大米、淀粉生产葡萄糖后的废渣为原料，采用啤酒酵母固态发酵生产饲料蛋白(菌体蛋白)。将废渣、配料加水与适量的无机盐拌匀使培养基初始含水量为65％、初始pH6.2，装入上述固态发酵袋封闭后蒸30min，冷却后接入浓度为1×108个/m1的啤酒酵母，接种量为5％，放入固体发酵室的发酵架上，发酵温度为28～30℃、相对湿度90％以上。以发酵池发酵为对照组。培养3天后，65℃烘干至恒重用凯氏定氮法测定粗蛋白。结果表明利用固态发酵袋生产的粗菌体蛋白达到了30％以上，平均为34.5％，比对照组提高30％，说明本发明所述固态发酵袋适于固体发酵生产菌体蛋白饲料。
权利要求
1.一种固态发酵袋，其特征在于它由微孔透气材料制成，其微孔孔径为0.01～5.0μm。
2.如权利要求1所述的固态发酵袋，其特征在于所述微孔透气材料是由微孔透气膜层(1)及透气载体层(2)复合而成的双层或三层结构。
3.如权利要求2所述的固态发酵袋，其特征在于所述三层结构的微孔透气膜层(1)设置于两透气载体层(2)之间。
4.如权利要求2或3所述的固态发酵袋，其特征在于所述微孔透气膜层(1)或为聚偏二氟乙烯膜层或为聚四氟乙烯膜层或为聚醚砜膜层或为混纤膜层或为聚丙烯微孔滤膜层，其孔径为0.01～5.0μm；所述透气载体层(2)或为聚酯机织布层或为聚酯针刺毡层或为玻璃纤维机织布层。
5.一种用权利要求1～4任一权利要求所述的固态发酵袋发酵物料的方法，其特征在于发酵物料时，先将固体培养物料灭菌处理后接菌种在无菌的条件下装入经过灭菌处理的所述固态发酵袋并密封，然后将其置于发酵室或发酵装置中，通过调节发酵室或发酵装置的温度、相对湿度和空气量控制发酵。
6.如1～4任一权利要求所述的微孔透气材料在作为生产绿僵菌孢子的发酵装置中的应用。
7.如1～4任一权利要求所述的微孔透气材料在作为生产白僵菌孢子的发酵装置中的应用。
8.如1～4任一权利要求所述的微孔透气材料在作为生产苏云金杆菌杀虫剂的发酵装置中的应用。
9.如1～4任一权利要求所述的微孔透气材料在作为生产菌体蛋白的发酵装置中的应用。
全文摘要
本发明涉及一种适合多种微生物的固态好氧发酵的发酵袋及其应用。它由微孔透气材料制成，其微孔孔径为0.01～5.0μm。本发明适用范围广，能满足多种微生物需氧固态发酵过程；有效防止杂菌污染；发酵过程具有良好可控性。采用这种发酵袋进行发酵，发酵装置的装载率高，节约空间，易实现规模化生产。
文档编号C12M1/16GK1958780SQ200610054318
公开日2007年5月9日 申请日期2006年5月23日 优先权日2006年5月23日
发明者夏玉先, 彭国雄, 王中康, 殷幼平, 曾德玉, 夏友先 申请人:重庆大学, 重庆重大生物技术发展有限公司