一种γ-聚谷氨酸工业化发酵罐的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种γ-聚谷氨酸工业化发酵罐，包括罐体、温控夹层、保温层、罐盖、压力表、恒压阀、温度表、溢流管、加料计量泵、pH监测仪、循环料仓、循环泵、净化气泵、布气管、配气板、菌床支架和纤维菌床；所述罐体设置有温控夹层和保温层；所述罐盖上设置有压力表、恒压阀和温度表；所述罐体的圆锥体内部设置有布气管，所述罐体下端设置有配气板，所述罐体内部设置有菌床支架，所述菌床支架上设置有多个均布的同向倾斜的纤维菌床；所述罐体侧面上方设置溢流管，所述循环料仓上方设置有pH监测仪和加料计量泵；本新型采用固定式与游离式菌体发酵相结合，实现均匀混合、搅拌与物料传递，减少能耗，缩短发酵时间，提高产量与生产效率。
【专利说明】一种Y-聚谷氨酸工业化发酵罐
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种聚谷氨酸生产技术设备领域，特别涉及一种聚谷氨 酸工业化发酵罐。
【背景技术】
[0002] Υ -聚谷氨酸（Y-polyglutamic acid,简称γ-PGA)是由微生物产生的一种聚氨 基酸型生物高分子，它由一分子谷氨酸的羧基与另一分子谷氨酸的α-氨基缩合而成， 分子量可达2000kDa以上，结构式为：
[0003] 〇 ^ 丫'、為、 COOH
[0004] 聚谷氨酸具有极佳的生物可降解性、成膜性、成纤维性、可塑性、粘结性、保湿 性等许多独特的理化和生物学特性，在注重环保、强调可持续发展的今天，Y -聚谷氨酸及 其衍生物有十分广阔的应用前景，可用于化妆品、肥料增效剂、食品、分散剂、螯合剂、建筑 涂料、防尘等领域。
[0005] 关于Y -聚谷氨酸的发酵生产有二种方式：游离菌体发酵方式和固定化菌体发酵 方式，游离菌体发酵方式的缺点是发酵时间长、能耗大、产量低、生产效率低；固定化菌体发 酵方式更适合工业化生产聚谷氨酸，可进行多批次连续发酵生产，适合于聚谷氨酸 高粘度活细胞发酵工艺。
[0006] 现有技术发明专利CN103194374A，公开了一种发酵生产γ -聚谷氨酸的柱式固定 化反应器及其工艺，该装置由搅拌式反应器部分和好氧固定化柱部分组成，两部分通过恒 流泵相连接进行物料交换；缺点为反应器与固化菌体分离，影响整体发酵效果；工业化使 用复杂菌体发酵面积受限制；物料的混合、搅拌和传递均匀性不理想。 实用新型内容
[0007] 为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种聚谷氨酸工业化发酵罐，针对 现有技术中的不足，设计一种适合工业化发酵生产Y -聚谷氨酸的发酵罐，将固定化菌体 发酵与游离式菌体发酵相结合，优化结构，减少能源消耗，提高混合、搅拌和物质传递的均 匀性，提升整体发酵产量与效率。
[0008] 为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种聚谷氨酸工业化发酵罐， 包括罐体、温控夹层、保温层、出水口、罐盖、压力表、安全阀、恒压阀、温度表、溢流管、加料 计量泵、pH监测仪、循环料仓、循环泵、出料口、气阀、净化气泵、冷水口、热水口、布气管、配 气板、菌床支架和纤维菌床，其特征在于：
[0009] 所述罐体由圆柱体、圆锥体和罐盖构成，所述圆柱体下端与圆锥体焊接固定，所述 圆柱体上端设置有法兰盘，所述法兰盘与所述罐盖通过螺栓密封连接；所述罐体设置有温 控夹层，所述温控夹层外侧设置有保温层；所述温控夹层上方设置有出水口，所述温控夹层 的圆锥体部分设置有热水口和冷水口；所述罐盖上设置有压力表、恒压阀和温度表，所述恒 压阀旁路设置有安全阀；所述罐体圆锥体底部设置有出料口，所述出料口管道旁路与气阀 和净化气泵连通，所述罐体的圆锥体内部设置有布气管，所述罐体下端与圆锥体交界处设 置有配气板，所述罐体内部至少设置有二层菌床支架，所述菌床支架上设置有多个均布的 同向倾斜的纤维菌床；所述罐体侧面上方设置溢流管，所述罐体圆锥体下部设置有循环料 口，所述溢流管与所述循环料仓上部连通，所述循环料仓底部通过管道与循环泵连通，所述 循环泵通过管道与循环料口连通；所述循环料仓上方设置有pH监测仪和加料口，所述加料 口与所述的加料计量泵通过管道连通，所述加料计量泵通过管道与加料仓连通（未标出）； 所述净化气泵与空气净化系统（未标出）通过管道连通。
[0010] 所述布气管与所述出料口连通，因此出料口旁路的净化空气可以通过净化气泵送 入发酵罐，所述布气管至少设置有二根，所述布气管在罐体圆锥体内沿所述圆锥面倾斜角 度均匀分布，所述布气管的管壁上设置有多个均布的布气孔。
[0011] 所述配气板上设置有均布的配气孔，所述配气孔直径为1_一 1〇_。
[0012] 所述菌床支架由金属材料制造，通过焊接与罐体内壁固定；所述菌床支架上设置 有多个纤维菌床，所述纤维菌床为圆柱状纤维螺旋卷，所述纤维菌床通过菌床支架固定；所 述纤维菌床与菌床支架上下面平齐，所述纤维菌床在所述菌床支架内部同向均布倾斜设 置，所述轴向倾斜角度为纤维菌床轴线与菌床支架轴线的夹角，所述轴向夹角角度为30- 75度；所述径向倾斜角度为菌床支架横截面径向与纤维菌床轴线之间的夹角，所述径向夹 角角度为45- 75度。
[0013] 所述相邻菌床支架之间留有间隔层，所述间隔层距离为100mm - 300mm。
[0014] 所述菌床支架高度为150mm -500mm ;所述相邻菌床支架内的纤维菌床的径向倾 斜方向相反设置。
[0015] 所述罐体内填加聚谷氨酸发酵液，所述循环料仓内储存有溢流出来的发酵 液，所述发酵罐物料流动、混合、搅拌通过循环泵驱动发酵液，从发酵罐底部进入罐体圆锥 体部分，进而通过配气板均布后，进入所述菌床支架区，在循环泵压力驱动下，逐层通过纤 维菌床螺旋层，发酵液中的活性成份，会附着在纤维菌床的螺旋状纤维中，在相邻的菌床之 间，由于纤维菌床的倾斜状态设置，使得流经的发酵液的流动是交错上升；随着发酵液的上 升和循环泵传质量的增加，罐体内部的发酵液量增加，液位升高，当发酵液液位达到并超过 溢流管时，发酵液通过溢流管会流入循环料仓中，进入下一轮循环传质过程。
[0016] 所述空气，通过净化系统净化后，送入到布气管中，经过布气管布气，均匀分布气 体，并与罐体圆锥体内的发酵液充分接触，在循环泵传送发酵液流动下，通过配气板进一步 将气体与发酵液混合与分配；所述净化空气随同发酵液一起上升并进入菌床支架，并通过 菌床支架上设置的多个纤维菌床，为纤维菌床中的活性发酵菌和罐体中游离的活性发酵菌 带来氧气，进而增加了氧气的交换和发酵液的传递交换，所述空气经过各层纤维菌床后，上 升到罐体顶部，并通过恒压阀间歇式向外排放，确保罐体内部一定的压力，因此可提升发酵 液中的含氧量。
[0017] 所述发酵罐内发酵液的温度，通过热交换器的热水和冷水进行恒温控制；所述罐 体内的压力与温度数据通过压力表和温度表检测；在发酵过程中，发酵体系中需要流加的 培养基料体，通过加料计量泵定量加入，发酵体系中的pH值和总残糖量通过循环料仓进行 监测，并通过对循环料仓的pH值进行调节，来控制整个发酵体系中的各项发酵参数。
[0018] 当发酵罐中的发酵液发酵结束后，通过出料口将发酵液排出体系，进一步进行分 离与提纯，获得聚谷氨酸溶液或者纯品晶体；而发酵体系中的活性菌体会留存在纤维 菌床中，填加下一批次的发酵液即可继续进行Y -聚谷氨酸发酵，从而可实现多批次连续 生产。
[0019] 通过上述技术方案，本实用新型技术方案的有益效果是：采用固定化菌体发酵与 游离式菌体发酵相结合，设置螺旋倾斜式固定化纤维菌床，优化纤维菌床结构，通过强制循 环物料流，实现均匀混合、搅拌与物料传递，从而减少能源消耗，提高混合、搅拌和物质传递 的均勻性，大大缩短发酵时间，提升整体γ-聚谷氨酸发酵产量与γ-聚谷氨酸发酵的效 率。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021] 图1为本实用新型实施例所公开的一种聚谷氨酸工业化发酵罐结构示意图。
[0022] 图中数字和字母所表示的相应部件名称：
[0023] 1.罐体 2.温控夹层 3.保温层 4.出水口
[0024] 5.罐盖 6.压力表 7.安全阀 8.恒压阀
[0025] 9.温度表 10.溢流管 11.加料计量泵 12. pH监测仪
[0026] 13.循环料仓 14.循环泵 15.出料口 16.气阀
[0027] 17.净化气泵 18.冷水口 19.热水口 20.布气管
[0028] 21.配气板 22.菌床支架 23.纤维菌床
【具体实施方式】
[0029] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0030] 根据图1，本实用新型提供了一种聚谷氨酸工业化发酵罐，包括罐体1、温控夹 层2、保温层3、出水口 4、罐盖5、压力表6、安全阀7、恒压阀8、温度表9、溢流管10、加料计 量泵11、pH监测仪12、循环料仓13、循环泵14、出料口 15、气阀16、净化气泵17、冷水口 18、 热水口 19、布气管20、配气板21、菌床支架22和纤维菌床23。
[0031] 所述罐体1由圆柱体、圆锥体和罐盖5构成，所述圆柱体下端与圆锥体焊接固定， 所述圆柱体上端设置有法兰盘，所述法兰盘与所述罐盖5通过螺栓密封连接；所述罐体1设 置有温控夹层2,所述温控夹层2外侧设置有保温层3 ;所述温控夹层2上方设置有出水口 4,所述温控夹层2的圆锥体部分设置有热水口 19和冷水口 18 ;所述罐盖5上设置有压力 表6、恒压阀8和温度表9,所述恒压阀8旁路设置有安全阀7 ;所述罐体1圆锥体底部设置 有出料口 15,所述出料口 15管道旁路与气阀16和净化气泵17连通，所述罐体1的圆锥体 内部设置有布气管20,所述罐体1下端与圆锥体交界处设置有配气板21，所述罐体1内部 设置有五层菌床支架22,所述菌床支架22上设置有多个均布的同向倾斜的纤维菌床23 ;所 述罐体1侧面上方设置溢流管10,所述罐体1圆锥体下部设置有循环料口，所述溢流管10 与所述循环料仓13上部连通，所述循环料仓13底部通过管道与循环泵14连通，所述循环 泵14通过管道与循环料口连通；所述循环料仓13上方设置有pH监测仪12和加料口，所述 加料口与所述的加料计量泵11通过管道连通，所述加料计量泵11通过管道与加料仓连通 (未标出）；所述净化气泵17与空气净化系统（未标出）通过管道连通。
[0032] 所述布气管20与所述出料口 15连通，因此出料口 15旁路的净化空气可以通过净 化气泵17送入发酵罐，所述布气管20设置有6根，所述布气管20在罐体1圆锥体内沿所 述圆锥面倾斜角度均匀分布，所述布气管20的管壁上设置有多个均布的布气孔。
[0033] 所述配气板21上设置有均布的配气孔，所述配气孔直径为3mm。
[0034] 所述菌床支架22由金属材料制造，通过焊接与罐体1内壁固定；所述菌床支架22 上设置有多个纤维菌床23,所述纤维菌床23为圆柱状纤维螺旋卷，所述纤维菌床23通过菌 床支架22固定；所述纤维菌床23与菌床支架22上、下面平齐，所述纤维菌床23在所述菌 床支架22内部同向均布倾斜设置，所述轴向倾斜角度为纤维菌床23轴线与菌床支架22轴 线的夹角，所述轴向夹角角度为45度；所述径向倾斜角度为菌床支架22横截面径向与纤维 菌床23轴线之间的夹角，所述径向夹角角度为60度。
[0035] 所述相邻菌床支架22之间留有间隔层，所述间隔层距离为200mm。
[0036] 所述菌床支架22高度为300mm ;所述相邻菌床支架22内的纤维菌床23的径向倾 斜方向相反设置。
[0037] 所述罐体1内填加聚谷氨酸发酵液，所述循环料仓13内储存有溢流出来的发 酵液，所述发酵罐物料流动、混合、搅拌通过循环泵14驱动发酵液，从发酵罐底部进入罐体 1圆锥体部分，进而通过配气板21均布后，进入所述菌床支架22区，在循环泵14压力驱动 下，逐层通过纤维菌床23螺旋层，发酵液中的活性成份，会附着在纤维菌床23的螺旋状纤 维中，在相邻的菌床之间，由于纤维菌床23的倾斜状态设置，使得流经的发酵液的流动是 交错上升；随着发酵液的上升和循环泵14传质量的增加，罐体1内部的发酵液量增加，液位 升高，当发酵液液位达到并超过溢流管10时，发酵液通过溢流管10会流入循环料仓13中， 进入下一轮循环传质过程。
[0038] 所述空气，通过净化系统净化后，送入到布气管20中，经过布气管20布气，均匀分 布气体，并与罐体1圆锥体内的发酵液充分接触，在循环泵14传送发酵液流动下，通过配气 板21进一步将气体与发酵液混合与分配；所述净化空气随同发酵液一起上升并进入菌床 支架22,并通过菌床支架22上设置的多个纤维菌床23,为纤维菌床23中的活性发酵菌和 罐体中游离的活性发酵菌带来氧气，进而增加了氧气的交换和发酵液的传递交换，所述空 气经过各层纤维菌床23后，上升到罐体1顶部，并通过恒压阀8间歇式向外排放，确保罐体 1内部一定的压力，因此可提升发酵液中的含氧量。
[0039] 所述发酵罐内发酵液的温度，通过热交换器的热水和冷水进行恒温控制；所述罐 体内的压力与温度数据通过压力表6和温度表9检测；在发酵过程中，发酵体系中需要流加 的培养基料体，通过加料计量泵11定量加入，发酵体系中的pH值和总残糖量通过循环料仓 13进行监测，并通过对循环料仓13的pH值进行调节，来控制整个发酵体系中的各项发酵参 数。
[0040] 当发酵罐中的发酵液发酵结束后，通过出料口 15将发酵液排出体系，进一步进行 分离与提纯，获得聚谷氨酸溶液或者纯品晶体；而发酵体系中的活性菌体会留存在纤 维菌床23中，填加下一批次的发酵液即可继续进行γ -聚谷氨酸发酵，从而可实现多批次 连续生产。
[0041] 通过上述具体实施例，本实用新型的有益效果是：采用固定化菌体发酵与游离式 菌体发酵相结合，设置螺旋倾斜式固定化纤维菌床，优化纤维菌床结构，通过强制循环物料 流，实现均匀混合、搅拌与物料传递，从而减少能源消耗，提高混合、搅拌和物质传递的均匀 性，大大缩短发酵时间，提升整体聚谷氨酸发酵产量与聚谷氨酸发酵的效率。
[0042] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新 型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定 义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因 此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理 和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1. 一种聚谷氨酸工业化发酵罐，其特征在于，包括罐体、温控夹层、保温层、出水 口、罐盖、压力表、安全阀、恒压阀、温度表、溢流管、加料计量泵、pH监测仪、循环料仓、循环 泵、出料口、气阀、净化气泵、冷水口、热水口、布气管、配气板、菌床支架和纤维菌床；所述罐 体由圆柱体、圆锥体和罐盖构成，所述圆柱体下端与圆锥体焊接固定，所述圆柱体上端设置 有法兰盘，所述法兰盘与所述罐盖通过螺栓密封连接；所述罐体设置有温控夹层，所述温控 夹层外侧设置有保温层；所述温控夹层上方设置有出水口，所述温控夹层的圆锥体部分设 置有热水口和冷水口；所述罐盖上设置有压力表、恒压阀和温度表，所述恒压阀旁路设置有 安全阀；所述罐体圆锥体底部设置有出料口，所述出料口管道旁路与气阀和净化气泵连通， 所述罐体的圆锥体内部设置有布气管，所述罐体下端与圆锥体交界处设置有配气板，所述 罐体内部至少设置有二层菌床支架，所述菌床支架上设置有多个均布的同向倾斜的纤维菌 床；所述罐体侧面上方设置溢流管，所述罐体圆锥体下部设置有循环料口，所述溢流管与所 述循环料仓上部连通，所述循环料仓底部通过管道与循环泵连通，所述循环泵通过管道与 循环料口连通；所述循环料仓上方设置有pH监测仪和加料口，所述加料口与所述加料计量 泵通过管道连通，所述加料计量泵通过管道与加料仓连通；所述净化气泵与空气净化系统 通过管道连通。
2. 根据权利要求1所述的一种聚谷氨酸工业化发酵罐，其特征在于，所述布气管与 所述出料口连通，所述出料口旁路与净化气泵连通，所述布气管至少设置有二根，所述布气 管在罐体圆锥体内沿所述圆锥面倾斜角度均匀分布，所述布气管的管壁上设置有多个均布 的布气孔。
3. 根据权利要求1所述的一种聚谷氨酸工业化发酵罐，其特征在于，所述菌床支架 上设置有多个纤维菌床，所述纤维菌床为圆柱状纤维螺旋卷，所述纤维菌床通过菌床支架 固定；所述纤维菌床与菌床支架上下面平齐，所述相邻菌床支架内的纤维菌床径向倾斜方 向相反设置。
4. 根据权利要求1所述的一种聚谷氨酸工业化发酵罐，其特征在于，所述纤维菌床 在所述菌床支架内部同向均布倾斜设置，所述轴向夹角角度为30- 75度；所述径向夹角角 度为45- 75度。
【文档编号】C12M1/34GK203890363SQ201420229568
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年5月7日 优先权日:2014年5月7日
【发明者】邵洪 申请人:昆山博尔日生物科技有限公司