专利名称：红曲霉固态发酵方法及其发酵设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种红曲霉发酵方法和发酵设备，特别是红曲霉固态发酵方法及其发酵设备。
红曲霉发酵目前有液态和固态两种。固态发酵与液态发酵相比具有许多优点固态发酵的技术要求相对较低，易于移植；可降低单位体积底物所占的反应器体积，有较高的产物浓度，能减少废物的处理量，其初级原料可被利用。
目前以生产洛伐他汀为目的的红曲霉发酵多在曲房的浅盘中进行，发酵过程中工艺条件不易控制，比如，培养发酵的温度靠升高或降低整个曲房温度来控制，不精确；物料的温度靠多次撒水来保持，不易掌握；发酵热量的散发靠多次人工或机械翻动物料进行散热，频繁地翻动物料，会使菌丝破坏、原料破碎，透气性变差，且易染菌，而且大大延迟了发酵时间，严重影响红曲霉发酵产物质量。
本发明目的在于克服上述红曲霉发酵工艺中存在的诸多缺陷，提供一种免除人工或机械翻动物料，采用自动雾化补充水份和菌体生长及代谢所需要的营养物质，易于放大的红曲霉固态发酵方法及其发酵设备。
本发明提供的红曲霉固态发酵方法为①将以碳源为主要原料的发酵原料，经浸泡、滤干加入适量的氮源和少重的无机盐，并在120℃温度下，灭菌60分钟；②将上述发酵原料均匀地堆放于立式或卧式密闭容器中的一层或多层水平放置的载料器上，并接入10％红曲霉菌种，每层载料器的一侧均留有气体流动口，每相隔的两层载料器的气体流动口在同一侧，气体在密闭容器中沿载料器呈折流流动，流速小于5m/s，密闭容器为带压操作，压力小于10Kg/cm2，在密闭容器内部或外部安装的一台或多台雾化装置自动地间歇或连续地给密闭容器内的发酵原料补充水份和养份，密闭容器内湿度保持在40％～100％范围内，营养成份包括碳源、有机或无机氮源、无机盐、生长素等，雾化的雾滴直径小于1mm；发酵温度为20℃～40℃。③发酵数天后，一般为5-8天，取出发酵后的物料，冷冻干燥即得红曲霉发酵固体产物。
上述的红曲霉固态发酵方法中所述氮源包括有机氮源(蛋白胨、牛内膏、豆粉等)和无机氮源(氯化铵(NH4Cl)、硝酸铵(NH4NO3)、硫酸铵((NH4)2SO4)等)，所述的无机盐为镁盐(MgSO4)，磷盐(磷酸氢二钾，磷酸二氢钾等)，锌盐(ZnSO4)等。
密闭容器发酵热量的交换除采用常规的放在密闭容器外部的换热夹套或放在密闭容器内部的蛇形管换热装置外，可以采用控制密闭容器内空气流动的变化(流量、压力)带走高温气体和雾滴，而达到以水蒸汽吸热去除发酵热的目的，气体流速度小于5m/s。
发酵过程中物料湿度的控制，主要采用雾化装置进行间歇或连续脉动喷雾增湿，有利于发酵物料处于最佳状态。
整个发酵过程一直处于带压状态，这样可以大大避免染菌机会，采用气体流速变化方式，(一般应小于5m/s)，可以促进物料湿度与温度的均匀，可挥发性付产物的及时移出，以及空气中氧气及所夹带营养成份的传递，从而使整个发酵处于良好的状态。
实现本发明红曲霉固态发酵方法的发酵设备包括密闭容器和雾化装置。其密闭容器可以是塔式或箱式，安放方式可以是立式，也可以是卧式；密闭容器内设有单层或多层水平放置的载料器，载料器底部为网格或带孔的结构，密闭容器中每层载料器的一侧均留有气体流动口，每相隔的载料器的气体流动口在同一侧，使密闭容器中的气体沿载料器呈折流流动；密闭容器上部的气体出口处有控制压力的控制阀，其容器的操作为带压操作，压力范围小于10Kg/cm2(表压)。
雾化装置可安装于密闭容器内的底部，也可以安装于密闭容器的外部，通过雾化控制阀将雾化喷嘴通入每层载料器的上方或下方，可以每层载料器安装一台或多台雾化装置，也可以各层载料器共用一台或多台雾化装置。其具体数量根据密闭容器中菌体发酵的需要而确定。雾化装置可以是高速气流粉碎雾化装置，也可以是超声波雾化装置，其雾化液可以是单纯的纯水，也可以是含有营养成分(碳源、有机或无机氮源、无机盐、维生素、生长素等)的水溶液。
本发明提供的发酵设备，由于菌体是在密闭容器内进行发酵反应，所以染菌机会少，其载料器为多层，不但可增加产量，同时使每层物料可以相对放的薄一些，这样可以增加其透气性，利于发酵过程中热量的扩散，载料器的一端设有气体流动口，可使气体在密闭容器内的载料器中进行折流流动，使得容器内温度梯度降低，气体混合均匀。
设置的雾化装置根据需要，可以在每层安装一个或多个，可以几层共用一个或多个，也可以整个容器用一个或多个。雾化装置根据需要可以安装在密闭容器内部，可以安装在外部，可以作为设备的辅件与设备安装在一起。
雾化方法采用高速气流粉碎法、超声波雾化等方法。雾化液的成份可以是纯水，也可以是含有营养成份(碳源、有机或无机氮源、无机盐、维生素、生长素等)的水溶液。即该发酵设备补充水份及营养采用雾化形式，以连续或间歇方式，补充水份的目的在于保持容器内物料的水份及空气的湿度，带走发酵产生的热量，补充的营养更有利于菌体生长、产物的积累。水或含营养物的溶液通过雾化装置形成直径小于1mm的雾滴，可以与空气混合后进入反应器，也可以直接进入反应器，也可以直接在容器内产生。
下面结合附图、实施例详细描述本红曲霉固态发酵设备。
附
图1为本红曲霉固态发酵设备的结构示意图。
附图2为超声波雾化装置的结构示意图。
附图3为高速气流粉碎雾化装置的结构示意图。其中1-雾化器控制阀 2-雾化装置 3-空气进气 4-密闭容器5-气体流动口 6-载料器 7-发酵物料 8-气体出口9-控压阀 10-压力表101-气体入口 11-气体加速室12-雾化喷嘴 13-液体进14-储液室15-调节阀16-气体调节口17-液体导管 18-储液室19-雾化液20-超声波雾化发生器21-气液混合室 22-气体入口25-折流板24-气液分离室 25-气体出口由图1知，本发明及实施例提供的红曲霉固态发酵设备的密闭容器(4)为立式放置的长圆罐状密闭容器，其中水平安装有八层堆放有发酵物料(7)的载料器(6)，每层载料器(6)一侧留有气体流动口(5)，每相隔的载料器的气体流动口在同一侧，气体在密闭容器(4)中由下至上经过各层载料器呈折流流动。使得每层载料器上的物料免去机械和人力搅动，同时有利于热量的传递，使其温度、湿度分布均匀。在密闭容器(4)的外部一侧安装多台(9台)雾化装置(2)，其雾化装置(2)分别通过雾化器控制阀(1)将雾化喷嘴安置于密闭容器(4)中每层载料器(6)下方，和最上层载料器(6)上方，当然这些雾化装置也可以设置于密闭容器内部，可以每层载料器用一台或多台雾化装置，也可以整个密闭容器中的载料器共用一台或多台雾化装置，密闭容器(4)上部的气体出口(8)上安装有控压阀(9)，其压力通过压力表(10)显示，密闭容器(4)为带压操作，压力范围小于10Kg/cm2(表压)。
雾化装置可以为高速气流雾化器，高速气流雾化器将气流与待雾化液体分离，使得雾化液体量可调，雾化的液滴大小亦可调，结合图2对此装置做进一步说明高压气流通过气体入口(101)进入气体加速室(11)到达液体雾化喷嘴(12)处，液体由液体进口(13)进入储液室(14)，储液室(14)中液位可由液体调节阀(15)调节，一定压力的气体经气体调节口(16)进入储液室(14)调节储液室压力，储液室液体在一定压力作用下经液体导管(17)到达液体雾化喷嘴(12)处与高速气流混合，从而产生雾化气流。
本装置可以是超声波雾化装置，超声波雾化装置将超声波发生装置产生的液体雾滴与气流混合，经过沉降，将大液滴除去，保留微小液滴，调节液滴大小可通过气体流量及雾化发生装置的控制，结合图3做进一步说明。
储液室(18)中的雾化液(19)经超声波雾化发生器(20)以一定功率雾化，雾滴悬浮于气液混合室(21)与经气体入口(22)流入的高压气体混合，混合气体绕过折流板(23)，在气液分离室(24)内将较大尺寸的雾滴除去，经气体出口(25)离开雾化发生装置。
本发明提供的红曲霉固态发酵方法及其发酵设备具有以下优势1.红曲霉在密闭容器内培养发酵，操作为带压操作，发酵过程中无机械搅拌和翻料，操作上也无需人力翻料，这样便完全避免了操作过程中的染菌。2.除采用常规的夹套或换热管进行热交换外，发酵过程中通过控制密闭容器的调压装置、气体流动的变化以及雾滴蒸发吸热，从而除去大量发酵热，使发酵过程中物料层的温度均匀，避免产生较大温度梯度，从而有利于次级代谢产物的积累。3.采用雾化方法增湿及补充营养物，可使菌体生长迅速健壮，从而缩短发酵周期，提高产物质量。4.设备中的调压装置及气体流动变化的控制，可以大大降低可挥发性代谢产物对菌体生长及代谢的抑制，使发酵过程中菌体生长及代谢处于良好状态。
反应物料发酵完全，较常规工艺缩短发酵时间2-5天，物料发酵程度可用发酵时间来控制。
采用间歇或连续雾化脉动增湿，有利于发酵物料处于最佳状态。
下面结合实施例进一步说明采用本发明提供的红曲霉固态发酵方法及其发酵装置所得到的效果(和常规的红曲霉发酵相对比)取3Kg大米，浸泡24hr，蒸熟，等分成3份，分别放入三个结构相同的发酵反应器1号，2号3号的35×25×7cm的载料器中，接相同量的红曲霉菌种，密闭操作，通无菌空气的流量为50l/hr，1号反应器为本发明所指的密闭容器，操作时，同时采用超声波将含蛋白胨溶液雾化，与气流混合后，进入反应器，雾化操作每2hr进行一次，每次持续30分钟。2号反应器操作采用密闭操作，发酵过程中不补加水份；3号反应器操作采用传统方法，即发酵过程中多次喷撒水，发酵开始前2天补一次水，后一天补一次，补水量视物料状况定，6天后，三个反应器同时停止发酵，取出固体发酵产物，1号密闭容器式反应器物料发酵完全，产物干燥后，总重量为0.41Kg，洛伐他汀含量经HPLC测量为20mg/g干料。2号反应器物料发酵大部分不完全，产物干燥后，总重量为0.85Kg，物料中含洛伐他汀含量经HPLC测量为0.2mg/g干料。3号反应器物料发酵大部分不完全，产物干燥后，总重量为0.65Kg，物料中含洛伐他汀含量经HPLC测量为8mg/g干料。对于三种反应器操作方式的重复实验表明，1号反应器发酵5天即达到发酵终点，2号反应器再延长时间，物料洛伐他汀含量提高不大，3号反应器的结果可以重复，且适当延长时间，如延长2-3天，可达到更好效果，实验中最高达到12mg/g干料(发酵时间为9天)。3号反应器最大问题是染菌，在进行的4次发酵中，有两次染菌。实施例1将3Kg大米浸泡24hr，滤干，加入适量的氮源及无机盐，氮源最好为有机氮源，如蛋白胨、牛肉膏、豆粉等，无机盐为镁盐，如MgSO4，KH2PO4，等，锌盐，如硫酸锌等，取蛋白胨4％，硫酸镁2％，磷酸二氢钾0.5％，硫酸锌0.2％，放入灭菌锅中121℃灭菌60分钟，之后，等分成三份，分别放入发酵设备的密闭容器中的三层载料器上，载料器的尺寸为35×25×7cm，接入10％的红曲霉菌种，将培养温度保持在30℃，罐压保持0.3Kg/cm2(表压)。雾化装置采用超声波雾化，水为无菌水，每5hr开启雾化装置一次，每次持续30分钟，气速为1cm/s，7天后停止发酵，取出固体发酵产物，冷冻干燥，得到干燥固体产物0.55Kg，取固体干燥物1g，用70％丙硐超声波处理30分钟溶解，静止，取上清液经HPLC测量，含洛伐他汀15mg。实施例2操作过程与实施例1相同，改为变速进气，气速由5mm/s在2hr内增至5cm/s，之后再恢复到5mm/s，6天后停止发酵，取出物料，冷冻干燥，得干燥固体物0.5Kg，取1g固体干燥物经实施例1所述过程处理，测得含洛伐他汀20mg。实施例3将1Kg大米浸泡24hr，滤干，加入5％蛋白胨，硫酸镁0.2％MgSO4，0.2％KH2PO4混匀，放入灭菌锅中121℃60分钟，之后，将其冷却，等分放入含双层载料器的反应器中，载料器尺寸为35×25×7cm，接入10％的红曲霉菌种，保持在30℃培养，气体呈折流流动，流速为1cm/s，罐压保持0.2Kg/cm2(表压)。采用高速气流雾化器将5％蛋白胨溶液以0.2Kg/cm2压力的气体夹带喷入反应器中，每10hr进行一次，一次持续20分钟，发酵6天后，停止发酵，取出发酵物料，冷冻干燥，得固体产物0.45Kg，产物经实施例1所述测定方法测得含洛伐他汀含量为25mg。
权利要求
1.一种红曲霉固态发酵方法，其特征在于①将以碳源为主要原料的发酵物料，经浸泡、滤干加入适量的氮源和少量的无机盐，并在120℃温度下，灭菌60分钟；②将上述发酵物料均匀地堆放于立式或卧式密闭容器中的一层或多层水平放置的载料器上，并接入10％红曲霉菌种，每层载料器的一侧均留有气体流动口，每相隔的两层载料器的气体流动口在同一侧，气体在密闭容器中沿载料器呈折流流动，流速小于5m/s，密闭容器中压力小于10Kg/cm2。密闭容器内部或外部安装一台或多台雾化装置自动地间歇或连续地给密闭容器内的发酵原料补充水份和养份，密闭容器内湿度保持在40％～100％范围内，养分包括碳源、有机或无机氮源、无机盐、生长素等，雾化的雾滴直径小于1mm；发酵温度为20℃～40℃。③发酵数天后，取出发酵后的物料，冷冻干燥即得红曲霉发酵固体产物。
2.按权利要求1所述的红曲霉固态发酵方法，其特征在于所述氮源包括有机氮源(蛋白胨、牛肉膏、豆粉等)和无机氮源(氯化铵(NH4Cl)、硝酸铵(NH4NO3)、硫酸铵(NH4)2SO4)等，所述的无机盐为镁盐(MgSO4)，磷盐(磷酸氢二钾，磷酸二氢钾，锌盐(ZnSO4))等。
3.按权利要求1所述的红曲霉固态发酵设备，由发酵反应容器和载料器组成，其特征在于其组成还包括雾化装置，其中发酵反应容器为密闭容器，密闭容器内设有多层水平放置的载料器，每层载料器一侧留有使密闭容器内的气体呈折流流动的气体流动口，每相隔的载料器的气体流动口在同一侧；密闭容器上部的气体出口处有控制压力的控制阀，一台或多台雾化装置安装于密闭容器内的底部或安装在密闭容器的外部，并通过雾化控制阀，将雾化喷嘴安置于每层载料器的上方或下方，可以每层安装一台或多台雾化装置，也可以各层载料器共用一台或多台雾化装置。
4.按权利要求3所述的红曲霉固态发酵设备，其特征在于所述的密闭容器为塔式或箱式密闭容器，安放方式可以为立式或卧式。
5.按权利要求3所述的红曲霉固态发酵设备，其特征在于所述的载料器底部为网格或带孔结构。
6.按权利要求3所述的红曲霉固态发酵设备，其特征在于所述的密闭容器内压力小于10Kg/cm2(表压)。
7.按权利要求1所述的红曲霉固态发酵设备，其特征在于所述的雾化装置中的雾化液为纯水或含有营养成份(碳源、有机或无机氮源、无机盐、维生素、生长素等)的水溶液。
8.按权利要求3或4或5或6所述的红曲霉固态发酵设备，其特征在于在所述的密闭容器的外部可安装换热夹套或在其内部安装蛇形管换热装置。
全文摘要
本发明涉及红曲霉固态发酵方法和设备:将以碳原为主并辅以适量氮源和少量无机盐的发酵原料,放入密闭容器中水平放置的一侧留有气体流动口的载料器上,接入10%的红曲霉菌种,在小于10kg/cm
文档编号C12N1/14GK1187536SQ97100139
公开日1998年7月15日 申请日期1997年1月9日 优先权日1997年1月9日
发明者王立新, 欧阳藩, 陈春珍, 李占铭, 石红, 莫海涛, 柳丽萍 申请人:中国科学院化工冶金研究所