一种酶制剂微生物菌种液体发酵装置及其发酵工艺的制作方法

[0001]
本发明涉及生物发酵技术领域，尤其是涉及一种酶制剂微生物菌种液体发酵装置及其发酵工艺。


背景技术：

[0002]
酶的发酵生产方式有两种，一种是固体发酵，另一种是液体深层发酵。固体发酵法主要是用于真菌来源的商业酶生产，其中用米曲霉生产淀粉酶，以及用曲霉和毛霉生产蛋白酶在中国和日本已有悠久的历史。这种培养方式虽然简单，但是操作条件不容易控制。现在大多数的酶是通过液体深层发酵培养生产的。
[0003]
液体深层发酵也称浸没式培养，它利用液体培养基，在发酵罐内进行的一种搅拌通气培养方式。在发酵过程中菌种只能利用溶解氧，因此，必须向发酵液中连续补充大量的氧，并不断进行搅拌，以提高氧在发酵液中的溶解度。而现有的发酵罐的搅拌方式简单，不能充分的搅拌发酵液，导致发酵液局部溶解氧不够充足，影响发酵效果。而且在发酵过程中，通气、搅拌、微生物的代谢过程以及培养基中某些成分的分解等，都有可能产生泡沫，过多的持久性泡沫对发酵是不利的，而添加消泡剂则会影响溶解氧的含量。


技术实现要素：

[0004]
有鉴于此，本发明旨在提出一种酶制剂微生物菌种液体发酵装置及其发酵工艺，以解决发酵过程中搅拌不充分、溶解氧分布不均而影响发酵效果的问题，以及在不影响溶解氧的情况下进行消泡。
[0005]
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种酶制剂微生物菌种液体发酵装置，包括发酵罐和设置在发酵罐内部的搅拌机构；所述发酵罐的顶部设有进气管，发酵罐的侧壁上设有进料口，发酵罐的底部设有出料口；所述发酵罐的内部上方液位线处固定设有水平筛网，水平筛网的上方为消泡区，水平筛网的下方为搅拌区；所述搅拌机构包括转轴、搅拌片、搅拌杆、刮板和电机；所述转轴竖直转动设置在发酵罐的中心位置，且转轴自下至上穿过水平筛网并穿出发酵罐的顶端，转轴由设置在发酵罐顶端的电机驱动；位于上方消泡区的转轴侧壁上固定连接有竖直筛网，且竖直筛网下端与水平筛网上表面贴合；位于下方搅拌区的转轴的外周套设有冷却盘管，且冷却盘管的进水端和出水端均穿出发酵罐壁；所述转轴上固定连接有搅拌片和搅拌杆，搅拌片位于冷却盘管的内侧，搅拌杆从冷却盘管的间隙穿出并连接有刮板，刮板与发酵罐内侧壁相贴合。
[0006]
进一步，位于上方消泡区的转轴的内部设有空腔，转轴的顶端转动连接有连接管，连接管还与发酵罐的下部连通，连接管上连接有水泵；转轴的侧壁上固定连接有与空腔相连通的淋液管，淋液管上设有若干个滴液管；所述转轴的顶端还固定套设有从动齿轮，发酵罐的顶端转动设有与从动齿轮相啮合的主动齿轮，主动齿轮由电机驱动。
[0007]
进一步，所述淋液管的下表面还固定连接有若干根消泡针。
[0008]
进一步，所述搅拌片下方的转轴上还设有锚式搅拌器；所述搅拌片为网格状结构。
[0009]
进一步，所述发酵罐的侧壁上还连接有回流管，回流管的一端连接发酵罐的下部，另一端连接发酵罐的上部，回流管上设有高压泵。
[0010]
进一步，所述回流管有2根，分别为第一回流管和第二回流管，第一回流管上设有第一高压泵，第二回流管上设有第二高压泵；所述第一回流管的下端为进液端，上端为出液端；所述第二回流管的下端为出液端，上端为进液端。
[0011]
本发明还提供了一种利用上述所述的酶制剂微生物菌种液体发酵装置的菌液发酵工艺，该工艺包括如下步骤：1）清洗关闭出料口和进气管，通过进料口向发酵罐内通入酸洗液并浸泡30-60min，之后开启搅拌机构，进行搅拌清洗10-20min，之后通过出料口（23）排出酸洗液；然后通入纯化水进行冲洗，冲洗的同时开启搅拌机构搅动，30-40min后，排净废水；再向发酵罐内通入碱洗液并浸泡30-60min，之后开启搅拌机构，进行搅拌清洗10-20min，之后通过出料口排出碱洗液；然后通入纯化水进行冲洗2-3次，冲洗的同时开启搅拌机构搅动，每次冲洗30-40min后，排净废水；2）空罐灭菌关闭进料口和出料口，通过进气管向发酵罐内通入纯蒸汽灭菌，使罐内温度达到120-140℃，并维持30-60min；3）加料先将发酵用纯化水通入发酵罐中，之后将发酵原料投入发酵罐内，同时开启搅拌机构对物料进行搅拌，随后补充纯化水至液位线以下5-10cm处；4）物料灭菌向发酵罐内通入蒸汽，使罐内温度达到100-110℃，保持20-30min；之后向冷却盘管中通入液氮或冷水，将罐内的温度下降至30-40℃，在冷却过程中不断搅拌，以保证温度均匀下降；5）接种发酵向发酵罐内加入发酵菌种并不断搅拌，同时向罐体内通入30-45℃灭菌空气以提供足够的溶解氧，并保证罐体内的温度维持在35-40℃；在搅拌过程中在液面处产生的泡沫在通过水平筛网时进行一级消泡，穿过水平筛网的泡沫在转动的竖直筛网的作用下进行二级消泡；6）发酵结束细菌生长进入稳定期后，停止培养收获菌液。
[0012]
进一步，所述步骤1）还包括在酸洗液、碱洗液以及冲洗的过程中开启水泵、第一高压泵和第二高压泵对与转轴内空腔连通的淋液管和滴液管、与发酵罐侧壁相连的第一回流管和第二回流管同时进行清洗；所述步骤2）还包括在灭菌的过程中开启水泵、第一高压泵和第二高压泵对与转轴内空腔连通的淋液管和滴液管、与发酵罐侧壁相连的第一回流管和第二回流管同时进行灭菌。
[0013]
进一步，所述步骤5）中，在发酵过程中还要开启第一高压泵和第二高压泵，通过与
发酵罐侧壁相连的第一回流管和第二回流管进行发酵液回流以便于提高发酵液的混匀程度，从而提高发酵液中溶解氧的浓度。
[0014]
进一步，所述步骤5）中，在发酵过程中还要开启水泵，通过与发酵罐下部连通的连接管将发酵液抽至转轴上部的空腔内，并通过与空腔连通的淋液管向水平筛网上的泡沫滴水，以刺穿泡沫进行消泡。
[0015]
相对于现有技术，本发明所述的酶制剂微生物菌种液体发酵装置及其发酵工艺具有以下优势：1）在发酵过程中通气、搅拌、微生物的代谢过程以及培养基中某些成分的分解等，都有可能产生泡沫，过多的持久性泡沫对发酵是不利的。该发酵罐内液位线处设有水平筛网，水平筛网上方的转轴上设有竖直筛网，搅拌产生的泡沫首先会通过具有细密筛孔的水平筛网并被水平筛网切割，实现一级消泡，之后泡沫在水平筛网上表面聚集，竖直筛网在转轴的带动下转动，进一步对泡沫进行切割消泡，通过上述结构实现了机械性消泡，避免了持久性泡沫对发酵产生不利，同时还能避免引入消泡剂对发酵产生的不利影响。搅拌机构包括搅拌片和搅拌杆，搅拌片在冷却盘管的内侧，搅拌杆则伸出冷却盘管的间隙，保证搅拌更全面，而且搅拌杆的端部还设有刮板，能够叫发酵罐内壁上的物料刮下，保证搅拌的均匀，由于在发酵过程中不断的通入灭菌空气，空气为溶解氧进行补足，搅拌的充分性能够促进提高发酵液中的溶解氧浓度，更有利于发酵的进行。
[0016]
（2）在上方消泡区的转轴的内部设有空腔，转轴侧壁上固定连接有与空腔相连通的淋液管，淋液管上设有若干个滴液管，空腔还通过连接管与发酵罐的下部连通。在发酵过程中，通过水泵将发酵液抽至空腔内，随后发酵液进入淋液管，再通过滴液管向泡沫滴水，喷洒的水流或水珠能打碎浮气泡，气泡释放的液体重新恢复沉降性能，可以有效减少泡沫。淋液管的下表面还固定连接有若干根消泡针，消泡针随转轴转动，对气泡产生一定的切割效果，也起到一定的消泡的作用。
[0017]
（3）搅拌叶片为网格状结构，使得其在搅拌的过程中增加了液体的混流程度，进而提高了发酵液的搅拌效果。
[0018]
（4）发酵罐的侧壁上还连接有2个回流管，第一回流管和第二回流管，通过回流管实现液体的回流，回流的液体也起到一定的搅拌效果。第一回流管的下端为进液端，上端为出液端，第二回流管的下端为出液端，上端为进液端，两个回流管的流动方向不同，更有利于液体的混合。
[0019]
（5）通过设置冷却盘管进行冷却，减少外来气体的通入，一定程度上避免引入外来细菌。
附图说明
[0020]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明实施例所述的酶制剂微生物菌种液体发酵装置的结构示意图；图2为本发明实施例所述的酶制剂微生物菌种液体发酵装置的正视图；图3为本发明实施例所述的酶制剂微生物菌种液体发酵装置的a-a剖视图；图4为本发明实施例所述的酶制剂微生物菌种液体发酵装置的侧视图；
图5为本发明实施例所述的酶制剂微生物菌种液体发酵装置的b-b剖视图；图6为本发明实施例所述的搅拌机构的结构示意图。
[0021]
附图标记说明：1-发酵罐；2-转轴；3-搅拌片；4-搅拌杆；5-刮板；6-锚式搅拌器；7-冷却盘管；8-水平筛网；9-淋液管；10-竖直筛网；11-空腔；12-滴液管；13-从动齿轮；14-主动齿轮；15-电机；16-连接管；17-水泵；18-第一回流管；19-第一高压泵；20-第二回流管；21-第二高压泵；22-进料口；23-出料口；24-进气管；25-消泡针。
具体实施方式
[0022]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0023]
下面将结合实施例来详细说明本发明。
[0024]
如图1-4所示，一种酶制剂微生物菌种液体发酵装置，包括发酵罐1和设置在发酵罐1内部的搅拌机构；所述发酵罐1的顶部设有进气管24，发酵罐1的侧壁上设有进料口22，发酵罐1的底部设有出料口23；具体的，进料口22可以设置在液位线以下，方便进料；所述发酵罐1的内部上方液位线处固定设有水平筛网8，水平筛网8的上方为消泡区，水平筛网8的下方为搅拌区；所述搅拌机构包括转轴2、搅拌片3、搅拌杆4、刮板5和电机15；所述转轴2竖直转动设置在发酵罐1的中心位置，且转轴2自下至上穿过水平筛网8并穿出发酵罐1的顶端，转轴2由设置在发酵罐1顶端的电机15驱动；位于上方消泡区的转轴2侧壁上固定连接有竖直筛网10，且竖直筛网10下端与水平筛网8上表面贴合；位于下方搅拌区的转轴2的外周套设有冷却盘管7，且冷却盘管7的进水端和出水端均穿出发酵罐壁；所述转轴2上固定连接有搅拌片3和搅拌杆4，搅拌片3位于冷却盘管7的内侧，搅拌杆4从冷却盘管7的间隙穿出并连接有刮板5，刮板5与发酵罐内侧壁相贴合。
[0025]
其中，冷却盘管7所围成的区域半径为发酵罐1半径的2/3，搅拌片3为4个且均匀分布，其长度大于冷却盘管7所围成区域的长度；冷却盘管7之间的间隙为15cm。
[0026]
在发酵过程中通气、搅拌、微生物的代谢过程以及培养基中某些成分的分解等，都有可能产生泡沫，过多的持久性泡沫对发酵是不利的。该发酵罐1内液位线处设有水平筛网8，水平筛网8上方的转轴2上设有竖直筛网10，搅拌产生的泡沫首先会通过具有细密筛孔的水平筛网8并被水平筛网切割，实现一级消泡，之后泡沫在水平筛网8上表面聚集，竖直筛网10在转轴的带动下转动，进一步对泡沫进行切割消泡，通过上述结构实现了机械性消泡，避免了持久性泡沫对发酵产生不利，同时还能避免引入消泡剂对发酵产生的不利影响。搅拌机构包括搅拌片3和搅拌杆4，搅拌片3在冷却盘管的内侧，搅拌杆4则伸出冷却盘管的间隙，保证搅拌更全面，而且搅拌杆4的端部还设有刮板5，能够叫发酵罐内壁上的物料刮下，保证搅拌的均匀，由于在发酵过程中不断的通入灭菌空气，空气为溶解氧进行补足，搅拌的充分性能够促进提高发酵液中的溶解氧浓度，更有利于发酵的进行。通过设置冷却盘管7进行冷却，减少外来气体的通入，一定程度上避免引入外来细菌。
[0027]
示例性的，如图3所示，位于上方消泡区的转轴2的内部设有空腔11，转轴2的顶端转动连接有连接管16，连接管16还与发酵罐1的下部连通，连接管16上连接有水泵17；转轴2
的侧壁上固定连接有与空腔11相连通的淋液管9，淋液管9上设有若干个滴液管12；所述转轴2的顶端还固定套设有从动齿轮13，发酵罐1的顶端转动设有与从动齿轮13相啮合的主动齿轮14，主动齿轮14由电机15驱动。
[0028]
具体的，所述淋液管9的下表面还固定连接有若干根消泡针25。
[0029]
在上方消泡区的转轴2的内部设有空腔11，转轴2侧壁上固定连接有与空腔11相连通的淋液管9，淋液管9上设有若干个滴液管12，空腔11还通过连接管16与发酵罐的下部连通。在发酵过程中，通过水泵17将发酵液抽至空腔11内，随后发酵液进入淋液管9，再通过滴液管12向泡沫滴水，喷洒的水流或水珠能打碎浮气泡，气泡释放的液体重新恢复沉降性能，可以有效减少泡沫。淋液管9的下表面还固定连接有若干根消泡针25，消泡针随转轴转动，对气泡产生一定的切割效果，也起到一定的消泡的作用。
[0030]
示例性的，所述搅拌片3下方的转轴2上还设有锚式搅拌器6；所述搅拌片3为网格状结构，网格状结构使得其在搅拌的过程中增加了液体的混流程度，进而提高了发酵液的搅拌效果。
[0031]
示例性的，如图5所示，所述发酵罐1的侧壁上还连接有回流管，回流管的一端连接发酵罐1的下部，另一端连接发酵罐1的上部，回流管上设有高压泵。
[0032]
具体的，所述回流管有2根，分别为第一回流管18和第二回流管20，第一回流管18上设有第一高压泵19，第二回流管20上设有第二高压泵21；所述第一回流管18的下端为进液端，上端为出液端；所述第二回流管20的下端为出液端，上端为进液端。
[0033]
发酵罐1的侧壁上还连接有2个回流管，第一回流管18和第二回流管20，通过回流管实现液体的回流，回流的液体也起到一定的搅拌效果。第一回流管18的下端为进液端，上端为出液端，第二回流管20的下端为出液端，上端为进液端，两个回流管的流动方向不同，更有利于液体的混合。
[0034]
利用上述所述的酶制剂微生物菌种液体发酵装置的菌液发酵工艺，该工艺包括如下步骤：1）清洗关闭出料口23和进气管24，通过进料口22向发酵罐1内通入酸洗液并浸泡45min，之后开启搅拌机构，转速为1000 r/min，进行搅拌清洗15min，之后通过出料口23排出酸洗液；然后通入纯化水进行冲洗，冲洗的同时开启搅拌机构搅动，30min后，排净废水；再向发酵罐1内通入碱洗液并浸泡35min，之后开启搅拌机构，转速为1000 r/min，进行搅拌清洗10min，之后通过出料口23排出碱洗液；然后通入纯化水进行冲洗3次，冲洗的同时开启搅拌机构搅动，每次冲洗30min后，排净废水；在酸洗液、碱洗液以及冲洗的过程中开启水泵17、第一高压泵19和第二高压泵21对与转轴2内空腔11连通的淋液管9和滴液管12、与发酵罐1侧壁相连的第一回流管18和第二回流管20同时进行清洗；2）空罐灭菌关闭进料口22和出料口23，通过进气管24向发酵罐1内通入纯蒸汽灭菌，使罐内温度达到132℃，并维持50min；在灭菌的过程中开启水泵17、第一高压泵19和第二高压泵21对与转轴2内空腔11连通的淋液管9和滴液管12、与发酵罐1侧壁相连的第一回流管18和第二回流管20同时进行蒸汽
灭菌；3）加料先将发酵用纯化水通入发酵罐1中，之后将发酵原料投入发酵罐1内，同时开启搅拌机构对物料进行搅拌，转速为1500 r/min，随后补充纯化水至液位线以下10cm处；4）物料灭菌向发酵罐1内通入蒸汽，使罐内温度达到105℃，保持30min；之后向冷却盘管7中通入液氮，将罐内的温度下降至30-40℃，在冷却过程中不断搅拌，转速为1000 r/min，以保证温度均匀下降；5）接种发酵向发酵罐1内加入发酵菌种并不断搅拌，转速为800r/min，同时向罐体内通入40
±
2℃灭菌空气以提供足够的溶解氧，并保证罐体内的温度维持在37℃，另外，还要根据罐内的实际温度调整通入空气的温度；在搅拌过程中在液面处产生的泡沫在通过水平筛网8时进行一级消泡，穿过水平筛网8的泡沫在转动的竖直筛网10的作用下进行二级消泡；另外，在发酵过程中要开启第一高压泵19和第二高压泵21，通过与发酵罐1侧壁相连的第一回流管18和第二回流管20进行发酵液回流以便于提高发酵液的混匀程度，从而提高发酵液中溶解氧的浓度；在发酵过程中还要开启水泵17，通过与发酵罐1下部连通的连接管16将发酵液抽至转轴2上部的空腔11内，并通过与空腔11连通的淋液管9向水平筛网8上的泡沫滴水，以刺穿泡沫进行消泡。
[0035]
细菌在增殖过程中会不断消耗营养物质，随着细菌菌数增加，需氧量也增加，因此需要根据需要补充碳源、氮源等养份和增大溶氧量，同时随着代谢产物增多，引起ph值改变，因此根据需要纠正ph值。
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6）发酵结束培养过程中取样做纯粹性检测。
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当细菌生长进入稳定期后，停止培养收获菌液。
[0038]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。