本发明属于发酵工程和过程工程技术领域，涉及一种通过气升式与搅拌式联用生物反应器及其在鼠李糖胶制备中的应用。
背景技术
鼠李糖胶（rhamsangum）是由鞘氨醇单胞菌产生的一种胞外多糖，是结冷胶类多糖的一种，又称s-194。结冷胶类多糖具有相同的四糖重复单元主链结构：d-葡萄糖、d-葡糖醛酸、d-葡萄糖和l-鼠李糖，只是侧链或其它结构有些细微的区别。鼠李糖胶结构如（1）所示。鼠李糖胶以其独特的物理学和流变学特性以及使用安全性，可作为悬浮剂、稳定剂、增稠剂、乳化剂、成膜剂等广泛用于食品、石油、水泥、涂料等行业。
目前，国际上有关鼠李糖胶的研究尚处于起步阶段，目前有关鼠李糖胶的研究报告主要见于peikja，diegos等申请的美国专利[heteropolysaccharides-194,us313440，1983年8月30日]，该专利采用游离细胞发酵鼠李糖胶，产量约14.8g/l。未见采用除游离细胞以外的生产方式生产鼠李糖胶的报道。国内目前鼠李糖胶研究尚属空白，未见相关发酵研究与产业化生产报道。
气升式生物反应器是针对一些对溶氧要求高、对剪切力敏感产品生产而开发的。其流动性较其他生物反应器更为均匀，而且结构简单，没有其他生物反应器具有的如有较多泄漏点和死角等缺点。与机械搅拌罐相比，设备制造成本降低30%以上，节约能耗30%左右。气升式生物反应器用于高粘度培养物发酵，能利用高粘度假塑性发酵液剪切变稀的流变性质，大幅度降低其表观粘度，提高传质速率和溶氧水平。同时，发酵液在反应器中循环，宏观混和较好，不会产生传统的机械搅拌发酵罐中高粘度物料在远离搅拌桨的近壁区常出现的滞流边界层，能显蓍缩短发酵周期，提高产率。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种发酵生产鼠李糖胶的搅拌式与气升式联用生物反应器。
本发明还要解决的一个技术问题是提供利用上述装置在鼠李糖胶制备中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种搅拌式与气升式联用生物反应器，该装置由搅拌式反应器部分与气升式反应器部分组成，两部分通过恒流泵相连接进行物料交换；
搅拌式反应器部分，由搅拌式反应器、ph自动控制装置和补料装置、第一通气装置及搅拌装置组成；搅拌装置置于搅拌式反应器内；ph自动控制装置和补料装置位于搅拌式反应器外并分别通过恒流泵与其连接；第一通气装置向搅拌式反应器内通气；
气升式反应器部分，由气升式反应器、恒温水浴及第二通气装置组成；恒温水浴与气升式反应器的夹套连通以控制气升式反应器内部温度；第二通气装置向气升式反应器内通气。
其中，所述的ph自动控制装置，由ph检测器、ph探头、恒流泵、碱液瓶、空气过滤器及相互连接管路所构成，ph探头接于搅拌式反应器上与反应器中的发酵液相接触，当反应器内ph低于所控ph时，碱液瓶通过恒流泵向反应器中补入碱液，空气过滤器置于碱液瓶密封口处。
其中，所述的补料装置，由恒流泵、补料瓶、空气过滤器及相互连接的管路所构成，当需要进行补料操作时，补料瓶通过恒流泵将培养基补入搅拌式反应器中，空气过滤器置于补料瓶密封口处。
其中，所述的第一通气装置，由空气流量计、空气过滤器、通气进管及相互连接的管路所构成，通入进搅拌式反应器中的空气，经空气流量计调节流量，并经空气过滤器进行过滤后通过通气进管进入搅拌式反应器中。
其中，所述的第二通气装置由空气流量计、空气过滤器及相互连接的管路所构成，通入进气升式反应器中的空气，经空气流量计调节流量，并经空气过滤器进行过滤后由气升式反应器的底部通入气升式反应器中。
上述搅拌式与气升式联用生物反应器在鼠李糖胶发酵制备中的应用。
具体的工艺方法是，将鼠李糖胶生产菌鞘氨醇单胞菌sphingomonassp.rh-1接入装有灭菌发酵培养基的搅拌式反应器后，开启恒流泵实现搅拌式反应器和气升式反应器中的物质交换，开启恒温水浴实现气升式反应器中的物料温度恒定且与搅拌式反应器中物料温度相同，培养24~100h，通过搅拌式与气升式连用生物反应器充分满足鼠李糖胶生产菌sphingomonassp.rh-1生产鼠李糖胶过程中对溶氧的需求。
其中，鼠李糖胶单批次发酵结束后，将搅拌式反应器中的鼠李糖胶发酵液全部移除，仅保留气升反应器中的发酵液，将新鲜灭菌后的发酵培养基补入搅拌式反应器中，通过恒流泵继续实现下一批次的鼠李糖胶的发酵生产，如此循环操作，即可实现鼠李糖胶的多批次发酵生产。
其中，搅拌式反应器中鞘氨醇单胞菌发酵反应温度为25~38℃，反应ph为6.0~8.5，通气量为0.4~1.8vvm，搅拌转速为300~1000r/min；气升式反应器中鞘氨醇单胞菌发酵反应温度为25~38℃，反应ph为6.0~8.5，通气量为0.4~1.8vvm。
其中，所述的鼠李糖胶生产菌为鞘氨醇单胞菌sphingomonassp.rh-1，目前该菌株保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心（简称cgmcc），保藏地址：北京市朝阳区大屯路中国科学院微生物研究所，邮编：100101。登记入册的编号是cgmccno：6833，保藏日期是：2012年11月15日。该菌株的特性已经在专利201210504461.3中公开。
有益效果：
与传统的游离细胞发酵生产鼠李糖胶的装置及工艺相比，本发明所述的搅拌式与气升式联用反应器生产鼠李糖胶的装置及工艺具有如下优点：
1、生产效率高：搅拌式与气升式联用反应器应用于鼠李糖胶生产，鼠李糖胶产量可达28.2g/l，远高于游离细胞发酵鼠李糖胶（18.9g/l），这对于鼠李糖胶发酵生产是非常有利的。
2、传质效率高、剪切力小：气升式生物反应器用于高粘度培养物发酵，能利用高粘度假塑性发酵液剪切变稀的流变性质，大幅度降低其表观粘度，提高传质速率和溶氧水平。同时，发酵液在反应器中循环，混和较好，不会产生传统的机械搅拌发酵罐中高粘度物料在远离搅拌桨的近壁区常出现的滞流边界层，特别是在挡板后面不会形成静止区或滞流区，该区的气体通过罐中心形成倒漏斗形通道逃逸而不能均匀地和液体混合。
附图说明
图1是发酵生产鼠李糖胶的搅拌式与气升式联用的生物反应器装置结构示意图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
由图1所示，本发明的搅拌式与气升式联用生物反应器，该装置由搅拌式反应器部分与气升式反应器部分组成，两部分通过恒流泵2-3相连接进行物料交换。
搅拌式反应器部分，由搅拌式反应器11、ph自动控制装置和补料装置、第一通气装置及搅拌装置10组成；搅拌装置10置于搅拌式反应器11内，由电机6驱动；ph自动控制装置和补料装置位于搅拌式反应器11外并分别通过恒流泵2-1、2-2与其连接；第一通气装置向搅拌式反应器11内通气。所述的ph自动控制装置，由ph检测器5、ph探头7、恒流泵2-1、碱液瓶1-1、空气过滤器1-1及相互连接管路所构成，ph探头7接于搅拌式反应器11上与反应器中的发酵液相接触，当反应器内ph低于所控ph时，碱液瓶4-1通过恒流泵2-1向反应器中补入碱液，空气过滤器1-1置于碱液瓶4-1密封口处。所述的补料装置，由恒流泵2-2、补料瓶4-2、空气过滤器1-2及相互连接的管路所构成，当需要进行补料操作时，补料瓶4-2通过恒流泵2-2将培养基补入搅拌式反应器11中，空气过滤器1-2置于补料瓶4-2密封口处。所述的第一通气装置，由空气流量计3-1、空气过滤器1-3、通气进管9及相互连接的管路所构成，通入进搅拌式反应器11中的空气，经空气流量计3-1调节流量，并经空气过滤器1-3进行过滤后通过通气进管9进入搅拌式反应器11中。温度探头8接于搅拌式反应器11上与反应器中的发酵液相接触。
气升式反应器部分，由气升式反应器12、恒温水浴13及第二通气装置组成；恒温水浴13与气升式反应器12的夹套连通以控制气升式反应器12内部温度并保持与搅拌式反应器11内温度一致；第二通气装置向气升式反应器12内通气。所述的第二通气装置由空气流量计3-2、空气过滤器1-4及相互连接的管路所构成，通入进气升式反应器12中的空气，经空气流量计3-2调节流量，并经空气过滤器1-4进行过滤后由气升式反应器12的底部通入气升式反应器12中。
具体生产工艺为：将鞘氨醇单胞菌sphingomonassp.rh-1(cgmccno.6833)以0.5-10%（v/v）的接种量接种于预装有发酵培养基的搅拌式反应器11中，开启恒流泵2-3实现搅拌式反应器11和气升式反应器12中的物质交换（发酵液从搅拌式反应器底部抽出进入气升式反应器底部，再从气升式反应器顶部抽出返回搅拌式反应器顶部，完成物质交换和循环），开启恒温水浴13实现气升式反应器12中的物料温度恒定，搅拌式反应器中发酵温度为25~38℃，反应ph为6.0~8.5，通气量为0.4~1.8vvm，搅拌转速为300~1000r/min；气升式反应器12中的反应温度为25~38℃，反应ph为6.0~8.5，通气量为0.4-~1.8vvm。培养24~100h，实现鞘氨醇单胞菌在搅拌式与气升式联用生物反应器上单批次发酵生产鼠李糖胶。在鼠李糖胶单批次发酵结束后，将搅拌式反应器11中的鼠李糖胶发酵液全部移除，仅保留固定于气升式反应器12中的鞘氨醇单胞菌，将新鲜灭菌后的发酵培养基补入搅拌式反应器11中，通过恒流泵2-3继续实现下一批次的鼠李糖胶的发酵生产，如此循环操作，即可实现鼠李糖胶的多批次发酵生产。
实施例1：3l搅拌式反应器以葡萄糖为碳源单批次游离细胞发酵生产鼠李糖胶（不接气升式反应器）。
以葡萄糖为碳源，利用本实验室已申请专利的鞘氨醇单胞菌sphingomonassp.rh-1(cgmccno.6833)游离细胞单批次发酵生产鼠李糖胶。
种子培养基：葡萄糖10g/l，牛肉膏3g/l，蛋白胨5g/l，mgso4·7h2o0.5g/l，利用naoh溶液调ph6.8。
发酵培养基：葡萄糖40g/l，酵母膏5g/l，(nh4)2so45g/l，k2hpo4·3h2o2g/l，mgso4·7h2o0.5g/l，利用naoh溶液调ph6.8。
刮取新鲜sphingomonassp.rh-1斜面上的菌株，接种于新鲜种子培养基中，30℃、200r/min的摇床条件下培养18h，将种子液按8%（v/v）的种子量接种于预装有2.1l灭菌后的发酵培养基的3l搅拌式反应器11中进行培养，培养条件：30℃，600r/min，通气量2.3l/min，发酵过程中开启ph自动控制装置，利用3mol/lnaoh溶液控制发酵液ph值在7.0-7.2之间，发酵72h，鼠李糖胶含量达到18.9g/l。
实施例2：3l搅拌式与气升式联用生物反应器以葡萄糖为碳源单批次发酵生产鼠李糖胶。
菌株、种子培养基和发酵培养基同实施例1。
刮取新鲜sphingomonassp.rh-1斜面上的菌株，接种于新鲜种子培养基中，30℃、200r/min的摇床条件下培养18h，将种子液按8%（v/v）的种子量接种于预装有2.6l灭菌后的发酵培养基的3l搅拌式反应器11中进行培养，开启恒流泵2-3，实现搅拌式反应器11和气升式反应器12中的物质交换，开启恒温水浴13实现气升式反应器12中的物料温度30℃恒定，搅拌式反应器反应条件：30℃，600r/min，通气量2.3l/min，发酵过程中开启ph自动控制装置，利用3mol/lnaoh溶液控制发酵液ph值在7.0-7.2之间。气升式反应器中0.5l体积，反应温度30℃，通气量0.6l/min，发酵48h，鼠李糖胶含量达到25.9g/l。
实施例3：3l搅拌式与气升式联用生物反应器以葡萄糖为碳源多批次发酵生产鼠李糖胶。
菌株、种子培养基和发酵培养基同实施例1。
刮取新鲜sphingomonassp.rh-1斜面上的菌株，接种于新鲜种子培养基中，30℃、200r/min的摇床条件下培养18h，将种子液按10%（v/v）的种子量接种于预装有2.6l灭菌后的发酵培养基的3l搅拌式反应器11中进行培养，开启恒流泵2-3，实现搅拌式反应器11和气升式反应器12中的物质交换，开启恒温水浴13实现气升式反应器12中的物料温度32℃恒定，搅拌式反应器反应条件：32℃，1000r/min，通气量2.3l/min，发酵过程中开启ph自动控制装置，利用3mol/lnaoh溶液控制发酵液ph值在6.8-7.0之间。气升式反应器中0.5l体积，反应温度32℃，通气量0.7l/min，发酵48h，鼠李糖胶含量达到26.8g/l。
移除3l搅拌式反应器11中的所有发酵液，仅保留气升式反应器12中的鞘氨醇单胞菌，将新鲜灭菌后的发酵培养基补入搅拌式反应器11中，通过恒流泵2-3继续实现下一批次的鼠李糖胶的发酵生产，如此循环操作，即可实现鼠李糖胶的多批次发酵生产，连续发酵5批次，从第2批次开始，发酵条件与第1批次一致，但发酵时间缩短至36h，鼠李糖胶6批次平均产量达26.4g/l。
实施例4：100l搅拌式反应器以葡萄糖为碳源多批次固定化细胞发酵生产鼠李糖胶。
菌株、种子培养基和发酵培养基同实施例1。
刮取新鲜sphingomonassp.rh-1斜面上的菌株，接种于新鲜种子培养基中，30℃、200r/min的摇床条件下培养18h，将种子液按10%（v/v）的种子量接种于预装有62l灭菌后的发酵培养基的搅拌式反应器11中进行培养，开启恒流泵2-3，实现搅拌式反应器11和气升式反应器12中的物质交换，开启恒温水浴13实现气升式反应器12中的物料温度30℃恒定，搅拌式反应器反应条件：30℃，600r/min，通气量80l/min，发酵过程中开启ph自动控制装置，利用3mol/lnaoh溶液控制发酵液ph值在7.0-7.2之间。气升式反应器中20l体积，反应温度30℃，通气量25l/min，发酵48h，鼠李糖胶含量达到28.2g/l。
移除100l搅拌式反应器11所有发酵液，仅保留固定于气升式反应器12中的鞘氨醇单胞菌，将新鲜灭菌后的发酵培养基补入搅拌式反应器11中，通过恒流泵2-3继续实现下一批次的鼠李糖胶的发酵生产，如此循环操作，即可实现鼠李糖胶的多批次发酵生产，连续发酵5批次，从第2批次开始，发酵条件与第1批次一致，但发酵时间缩短至36h，鼠李糖胶6批次平均产量达27.9g/l。