專利名稱：一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)酵設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及蘇云金芽胞桿菌(Bt)發(fā)酵后期產(chǎn)芽胞和晶體階段的發(fā)酵設(shè)備， 即蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞發(fā)酵罐。
背景技術(shù)：
一般情況下氧氣很難溶于水，當發(fā)酵液中含有其它各種成分，氧的溶解度比在純水中更低，而且發(fā)酵液的濃度越高溶氧速率越慢，而微生物呼吸和代謝活動中需要的氧氣必須溶解于發(fā)酵液中才能被直接利用，供氧的不足和供氧的短暫中斷將對發(fā)酵造成嚴重的不可逆損害。因此，有效、合理地設(shè)計發(fā)酵罐，具有重大意義。近年來，國內(nèi)外研究者為了解決通風(fēng)發(fā)酵過程的溶氧和節(jié)能問題，提出的通風(fēng)發(fā)酵罐種類很多，已開發(fā)了氣升式、自吸式、噴射式等若干新型發(fā)酵罐.發(fā)展的主要趨勢之一是從機械攪拌過渡到氣流攪拌，而改進的核心是提高傳氧系數(shù)和節(jié)約能量。機械攪拌發(fā)酵罐典型代表是通用式機械攪拌發(fā)酵罐和自吸式發(fā)酵罐。在這類罐內(nèi)氣體在液相中受到兩次分散，這種罐氣體分散的能量利用率較低。自吸式發(fā)酵罐采用負壓發(fā)酵，可獲得遠比氣升式發(fā)酵罐高的Kla值(液相體積氧傳遞系數(shù)，單位L/h)，但不能實施空氣保壓，一旦遇到設(shè)備故障攪拌受阻或停電等情況.就會造成菌體窒息死亡，使發(fā)酵停滯，甚至造成倒罐。目前國內(nèi)外普遍用的Bt發(fā)酵反應(yīng)器都為機械攪拌式發(fā)酵罐，Bt最常用的生產(chǎn)方法是在一個攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐內(nèi)完成Bt的發(fā)酵生產(chǎn)，其攪拌器一般采用六彎葉渦輪式和箭葉式，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜和軸封處有傳動部件，使罐內(nèi)有死角和難以實現(xiàn)密封，易感染雜菌和噬菌體，造成發(fā)酵失敗，而且受結(jié)構(gòu)限制，罐體高徑比小，不能較多地利用無菌空氣中的氧氣，因而無菌空氣需要量大，罐造價高、能耗大，增加了生產(chǎn)成本。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，用于機械式攪拌所消耗的能源占發(fā)酵全過程的一半左右。隨著高產(chǎn)菌株的不斷使用，高密度發(fā)酵單靠增加通風(fēng)量和攪拌速度，氧的供給有限，且Bt的發(fā)酵分為菌體培養(yǎng)階段和芽胞、 晶體蛋白產(chǎn)生脫落階段，生產(chǎn)的目的是為了獲得最多的有毒力活性的芽胞和晶體蛋白，在 Bt發(fā)酵的后期，強烈的機械攪拌，對菌體、芽胞和晶體造成傷害，不利于殺蟲毒素的形成。氣流攪拌發(fā)酵罐主要通過噴嘴和內(nèi)外環(huán)流管配合或篩板來分散氣體，無機械轉(zhuǎn)動部件，典型代表是氣升式發(fā)酵罐。一些研究者對生產(chǎn)Bt的機械通風(fēng)發(fā)酵罐進行改良，如采用環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器代替機械攪拌發(fā)酵罐發(fā)酵生產(chǎn)Bt。氣升式發(fā)酵罐通入的空氣使罐內(nèi)的不同區(qū)域形成密度差和宏觀循環(huán)流，同時形成局部湍流和微觀混合流，以達到攪拌、混合和使空氣中的氧氣溶解在發(fā)酵液中的目的，其優(yōu)點是具有結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、 無菌操作可靠性高、電耗少、操作維修方便和造價低，較高的發(fā)酵罐高經(jīng)比(H/D)，如高經(jīng)比 1:5-1: 8，可以增加氧與料液的接觸時間，增加氧在料液中的溶解度；實踐證明，當通風(fēng)量和單位體積的功率消耗一定的時候，H/D為2的通風(fēng)效率是H/D為1的1. 4倍。采用氣升式發(fā)酵罐發(fā)酵，可使Bt的發(fā)酵時間縮短，菌數(shù)提高。氣升式發(fā)酵罐用于低含固量培養(yǎng)基發(fā)酵時，性能優(yōu)良，但不能用于高含固量培養(yǎng)基發(fā)酵，反應(yīng)器的供氧能力有待進一步提高。有報道在氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器的導(dǎo)流筒內(nèi)安置若干折流元件、網(wǎng)狀的氣升式發(fā)酵罐，性能得到了提高，但發(fā)酵罐放大受限，與機械攪拌相比需增加通風(fēng)量，如配置外環(huán)流管增加溶氧， 則外部泵送和循環(huán)系統(tǒng)易使發(fā)酵液受到雜菌污染和使細胞損傷，而且過高的高徑比使溫度混勻較難，細胞、蛋白等的沉淀也較難。傳統(tǒng)的通用式發(fā)酵罐所采用的通氣裝置存在的問題氣泡直徑隨著通氣量的增大而增大，氣泡上升速度也隨之增大；氣泡粉碎程度卻并不隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加而增大，它只能維持在同一個數(shù)量級上，增大通氣量和增加攪拌功率對容器傳質(zhì)系數(shù)不僅不能有較大幅度的提高，相反將導(dǎo)致大量能源的消耗和產(chǎn)品成本的提高。有研究者采用噴嘴、混合管和循環(huán)管組成的射流混合器來強化氣體分散，減小氣泡直徑，有利于氣、液二相比表面積的增力口、接觸時間的增長和容量傳質(zhì)系數(shù)的提高。生產(chǎn)實踐表明，用射流混合器使攪拌器的層數(shù)減少，使機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐提高溶氧效果、節(jié)約能耗20%以上。發(fā)酵生產(chǎn)Bt產(chǎn)品，需要的是Bt的晶體、芽胞和上清液。目前的發(fā)酵罐一般都是圓底，罐體沒有采用多段冷卻，也沒有分段出料，無法對發(fā)酵液分段降溫促進沉淀，并按其不同濃度分別出料，而是由罐下部出料閥一起出料，過濾和離心工藝周期長，能耗也大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵 罐，以減少發(fā)酵過程的能耗，提高芽胞、晶體的產(chǎn)量，同時有利于晶體和芽胞的分離。本發(fā)明是以如下方式實現(xiàn)的，一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐，其高徑比2 1至3 1，錐底，罐頂橢圓封頭；罐體錐底上方安裝有2-4個射流混合器，罐體錐底設(shè)1個冷卻帶、罐體錐底上方的1/3-2/3處設(shè)2個冷卻帶；罐頂設(shè)有安全閥、真空閥、汽液分流器接口、檢修入孔，罐體錐底處設(shè)有一個出料口、罐體上部2個冷卻帶的下方各設(shè)1個出料口。上述的一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐，錐底角度為70°，罐體內(nèi)設(shè) CIP原位清洗裝置。本發(fā)明所提供的一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐的前端，可以選擇機械攪拌或氣升式發(fā)酵罐用于菌體培養(yǎng)，即做為培養(yǎng)基進料、接種至芽胞剛形成階段，或稱前發(fā)酵階段的發(fā)酵罐；而本發(fā)明的一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐，用于晶體、芽胞形成，即后期發(fā)酵用，可以減少通風(fēng)發(fā)酵罐的攪拌能或氣升式發(fā)酵罐的通風(fēng)量，也相當于中轉(zhuǎn)罐的作用。其發(fā)酵效果及效益十分明顯(1)安裝2-4個射流混合器以增強氣體對流與分散，并可更具溶氧要求選擇開啟射流混合器大小和個數(shù)，便于氧的控制。無攪拌裝置，可以克服機械攪拌發(fā)酵罐的弱點又比氣升式發(fā)酵罐攪拌和溶氧好。(2)介于機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐和氣升式發(fā)酵罐之間的高徑比(2 1至3 1)，可延長空氣與料液的接觸時間，增加氧在料液中的溶解度，并使整罐發(fā)酵液具有良好的對流混合效果。(3)發(fā)酵罐從錐底向上分別設(shè)有3段冷卻帶，合理的溫度控制可以使發(fā)酵液形成大循環(huán)和無數(shù)小循環(huán)，促進氧的溶解和溫度的混勻，使整個發(fā)酵液的溫度均勻，有利于發(fā)酵液在罐內(nèi)的對流和熱交換。該發(fā)酵罐混合原理除了氣升式發(fā)酵罐的混合形成的湍流和微觀混合流外，還有射流混合器進氣形成的攪拌作用、冷熱溫差作用、液體和氣體的密度變化引起的對流。(4)設(shè)有三個出料口，可依次從上到下出料。分段出料可以獲得不同的渾濁度的發(fā)酵液，由清至濃進行發(fā)酵液的后處理，大大減少過濾堵塞現(xiàn)象，提高過濾速度。底部排出的較濃的發(fā)酵液可直接用于干燥或離心，減少后期發(fā)酵液的處理量，縮短后處理時間，降低生產(chǎn)成本。
設(shè)有冷卻帶，后期靜置或加入絮凝劑等預(yù)處理發(fā)酵液后，有利于晶體、芽胞等較大物質(zhì)的沉淀、收集于錐形底部。發(fā)酵罐底為錐底，可以減少圓形罐底橢圓封頭沉淀物的殘留。錐底角度為70°，可減少排除阻力，便于沉積物的排出。此外，罐頂采用橢圓封頭，在罐頂設(shè)置安全閥、真空閥、汽液分流器接口，供氣體排出及發(fā)酵罐清洗液進入，設(shè)入孔，供檢修用；設(shè)CIP原位清洗裝置、燈鏡和視鏡；瘦長的錐形發(fā)酵罐向立面發(fā)展，節(jié)約了地方。


下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明圖1 一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐1、冷卻帶；2、無菌空氣進氣管；3、物料進料管；4、排氣管；5、出料口；6、CIP原位清洗裝置；7、射流混合器.
具體實施例實施例1菌株以8010為發(fā)酵菌株發(fā)酵生產(chǎn)Bt。設(shè)備培養(yǎng)進料、接種至剛產(chǎn)胞階段，采用傳統(tǒng)的1. 5L機械通風(fēng)攪拌罐；蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵階段，采用1. 5L如圖1所示的一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐，其高徑比2 1,70°錐底，罐頂橢圓封頭，罐體錐底上方安裝有2個射流混合器，罐體錐底及其上方1/3和2/3高處各設(shè)1個冷卻帶，在罐頂設(shè)有安全閥、真空閥、汽液分流器接口、檢修入孔，罐體錐底處設(shè)有一個出料口，錐底上方的1/4和1/2的處各設(shè)1個出料口。培養(yǎng)基配方玉米淀粉1 %，豆粕1. 3%，花生餅粉1 %，玉米漿1 %，酵母粉0. 1 %， CaCO3O. 3%, KH2PO4 0. 2%, MgSO4 0. 07%, pH 7. 0-7. 5，121°C高壓滅菌 40min。發(fā)酵液芽胞計數(shù)方法取發(fā)酵剛結(jié)束的發(fā)酵液85°C加熱處理5min，迅速冷卻，采用稀釋平板活菌技術(shù)法計數(shù)；毒力測定方法發(fā)酵液經(jīng)1000倍稀釋后對2-3齡小菜蛾生物測定。方法培養(yǎng)基進料、接種至剛產(chǎn)胞階段在1. 5L機械通風(fēng)攪拌罐內(nèi)發(fā)酵，經(jīng)滅菌的培養(yǎng)基接種后，按培養(yǎng)基與無菌空氣量1 1.5v/v/min、發(fā)酵溫度控制在30°C，攪拌轉(zhuǎn)速 250r/min、罐壓0. 5atm的發(fā)酵條件，在1. 5L機械通風(fēng)攪拌罐內(nèi)發(fā)酵，培養(yǎng)至芽胞剛開始形成時，其產(chǎn)生的發(fā)酵液稱前發(fā)酵液前發(fā)酵液轉(zhuǎn)入本發(fā)明所提供的一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐，控制無菌空氣量1 lv/v/min，溫度控制在33°C發(fā)酵，發(fā)酵至芽胞剛開始脫落時，停止通風(fēng)，維持 33°C至芽胞50%以上脫落時，調(diào)pH至5左右，添加絮凝劑等，出料轉(zhuǎn)入后期處理階段。結(jié)果發(fā)酵時間為60h，終產(chǎn)品芽胞數(shù)95億/mL，芽胞同步率95%以上，晶體整齊；48h小菜蛾校正死亡率100% ；而傳統(tǒng)單罐發(fā)酵方案，發(fā)酵時間需要為71h，終產(chǎn)品的芽胞數(shù) 61億/mL、芽胞形成率80%左右，48h 2_3齡小菜蛾校正死亡率83%。按每度電0.73元，每罐1.5t計算，可節(jié)省攪拌能耗300元以上，發(fā)酵周期縮短llh，發(fā)酵液芽胞數(shù)增加了 34億/ mL，對小菜蛾殺蟲能力提高20%。后期膜過濾加快，可提前Ih完成后處理階段。實施例2如實施例1，培養(yǎng)基進料、接種至剛產(chǎn)胞階段，采用傳統(tǒng)的2. 5L機械通風(fēng)攪拌罐； 蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵階段，采用2. 5L如圖1所示的一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐，其高徑比2. 5 1，錐底，罐頂橢圓封頭，罐體錐底上方安裝有4個射流混合器，罐體錐底及其上方1/3和3/5高處各設(shè)1個冷卻帶，在罐頂設(shè)有安全閥、真空閥、汽液分流器接口、檢修入孔，罐體錐底處設(shè)有一個出料口、錐底上方的1/4和1/2處各設(shè)1個出料口。產(chǎn)品的效果同實施例1，效益比實施例1略 高。
權(quán)利要求
1.一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐，其特征是發(fā)酵罐高徑比2 1至3 1， 錐底，罐頂橢圓封頭；罐體錐底上方安裝有2-4個射流混合器，罐體錐底設(shè)1個冷卻帶、罐體錐底上方的1/3-2/3處設(shè)2個冷卻帶；罐頂設(shè)有安全閥、真空閥、汽液分流器接口、檢修入孔，罐體錐底處設(shè)有一個出料口、罐體上部2個冷卻帶的下方各設(shè)1個出料口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐，其特征是錐底角度為70°，罐體內(nèi)設(shè)CIP原位清洗裝置。
全文摘要
一種蘇云金芽胞桿菌產(chǎn)晶胞階段的發(fā)酵罐，其高徑比2∶1至3∶1，錐底，罐頂橢圓封頭；罐體錐底上方安裝有2-4個射流混合器，罐體錐底設(shè)1個冷卻帶、罐體錐底上方的1/3-2/3處設(shè)2個冷卻帶；罐頂設(shè)有安全閥、真空閥、汽液分流器接口、檢修入孔，罐體錐底處設(shè)有一個出料口、罐體上部2個冷卻帶的下方各設(shè)1個出料口；該設(shè)備與常規(guī)的發(fā)酵罐配合，專門用于常規(guī)的發(fā)酵罐培養(yǎng)至芽胞剛開始形成時發(fā)酵液的后發(fā)酵處理能減少發(fā)酵過程的能耗，提高芽胞、晶體的產(chǎn)量，同時有利于晶體、芽胞的分離。
文檔編號C12M1/00GK102154091SQ20101062374
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月25日
發(fā)明者關(guān)雄, 吳麗云 申請人:福建農(nóng)林大學(xué)