專利名稱:微生物通風培養的方法和裝置的制作方法
本發明是關于一種通風培養微生物的方法和裝置，具有氧傳遞速率高，能耗低的特點，尤其適用于單細胞旦白的生產。
好氣微生物的通風培養要求氧氣傳遞速率高和能耗低的發酵裝置。通常采用的機械攪拌罐，能耗高，結構復雜，罐型放大困難。為此原因，人們轉而使用氣流攪拌方式的空氣提升式發酵罐來通風培養微生物。但是一般空氣提升式發酵罐的缺點是必需采用大型高罐的形式。由于罐高，則必需采用空氣壓縮機作為通風源，其壓力范圍在3-7公斤/厘米2之間。如英.帝國化學工業公司的空氣提升式發酵罐合適的高度在40-60米之間(聯邦德國專利2423766)。有50米高度的例子(英國專利2，108，151)。利用甲醇為原料生產單細胞旦白的發酵罐體積為3.000米3(International Symposium on Single Cell Proteins，P.165，Editor J.C.Senez，1981，Paris)。日本墨水化學公司利用正烷烴生產單細胞旦白的發酵罐體積為1.260米3高度32米(International Symposium on Single Cell Proteins，P.288，Editor J.C.Senez，1981，Paris)。一般空氣提升式發酵罐的能耗為0.51～2.0千瓦小時/公斤氧(Chemie Ingenieur Technik 49(1977)Nr.R.S.595)。
本發明的目的是在于提供一種微生物通風培養的方法和裝置，其特點是采用低風壓風源的空氣提升式發酵罐，采用的風源壓力為0.3-10公斤/厘米2，優先推薦的低風壓風源為羅茲鼓風機。
本發明采用的低風壓空氣提升式發酵罐高度范圍為6-20米且帶有冷熱水恒溫夾套。罐內裝有帶有多道水平縫隙的空氣提升內管。
本發明提供的微生物通風培養的方法和裝置用于一般微生物通風培養，如細菌、放線菌、真菌等微生物液體深層通風培養，尤其適用于單細胞旦白的生產，例如酵母生產，食用酵母、面包酵母、藥用酵母和飼料酵母生產。采用的培養基為水溶性培養基，由氨水、磷酸、無機鹽，如(NH4)2SO4、M8SO4、FeSO4、ZnSO4，以及水溶性碳源所組成，水溶性碳源可以是甲醇、乙醇、醋酸、葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉水解糖、糖蜜、淀粉廢水、乙醇廢水、味精廢水葡萄糖廢水等。
本發明提供的微生物通風培養的方法和裝置可以用于微生物間歇培養，由于低風壓空氣提升式發酵罐內裝有帶有多道水平縫隙的空氣提升內管，因此增加了培養液循環混和作用，並解決了用糖蜜或糖濃度在10-20%的任何工業廢水為碳源培養微生物細胞起始時，由于培養基投料量少而引起的循環困難問題。
本發明提供的微生物通風培養的方法和裝置可以用于微生物連續培養。由于通風和由此而產生的培養液強烈循環混和作用，導致培養液內物料，酵母、空氣、培養基分布均勻，連續流出的培養液的酵母濃度等于發酵罐內培養液的酵母濃度，發酵罐內的不同部位的酵母濃度也保持一致，這樣連續過程易于穩定。
本發明提供的微生物通風培養的方法和裝置，第一個特點是不僅適用于大型發酵罐，而且也適用于中小型發酵罐，其適用范圍在10-1，000米3之間。第二個特點是氧傳遞速率高，單細胞旦白生產能力高達6.3克/升·小時。第三個特點是能耗低，由于采用低壓風源，如輸出風壓為0.5公斤/厘米2的羅茲鼓風機的單位風量的能耗≤輸出風壓為3公斤/厘米2的空氣壓縮機的1/3，因此達到節能目的。本發明采用低壓風源代替高壓風源，解決了一般空氣提升式發酵罐降低能耗必須高罐大型化的缺點。本發明提供的微生物通風培養的方法和裝置，其能耗為0.59千瓦小時/公斤酵母，相當于0.59千瓦小時/公斤氧。
本發明提供的微生物通風培養的方法和裝置，采用低風壓空氣提升式發酵罐培養微生物。低風壓空氣提升式發酵罐由風壓范圍為0.3-1.0公斤/厘米2的低風壓風源和空氣提升式發酵罐所組成。空氣提升式發酵罐內帶有冷熱水恒溫夾套的培養罐本體，帶有多道水平縫隙的空氣提升內管和空氣分布器所組成。圖1是本發明提供的低風壓空氣提升式發酵罐，其中1是培養罐本體，2是空氣提升內管，3是內管縫隙，4是培養基，5是冷熱水恒溫夾套，6是培養基流加，7是氨水流加，8是發酵液連續流出，9是空氣分布器，10是廢氣排放，11是低壓風源。圖2為圖1的A-A橫剖面，1是發酵罐外壁2是空氣提升內管，3是冷熱水恒溫夾套。
在圖1所示的發酵罐內，放入一定量的含有無機鹽，碳源，或含有微生物生長所需的營養物質的培養基后，調節培養基至一定PH值通過冷熱水夾套5維持所需溫度，接入預先培養好的微生物種子，如細菌、放絨菌、真菌。從低壓風源11通過空氣分布器9通入的低壓空氣從空氣提升內管2內上升，由于內管流體靜壓力小于內管2和發酵罐外壁之間的環形區域的靜壓力，因此環形區域內的發酵液帶有空氣氣泡向下移動，流入內管底部，產生發酵液的連續循環。在空氣提升內管2上開有多道水平環狀縫隙3，培養液既可從內管2的頂部外溢循環。又可從縫隙3處外溢循環，從而增強了培養液的循環作用。因此，微生物細胞和空氣、培養基良好接觸混和，迅速生長繁殖。氨水從7處流加以維持培養液的PH值和補充氮源。本發明既可用于微生物間歇培養，又可用于微生物連續培養。如在以糖蜜或糖濃度在10-20%的任何工業廢水為碳源間歇培養微生物時，由于糖液必須以流加形式逐漸補入，所以起始培養時，培養基體積僅為終止培養時的 1/2 左右，也就是說起始培養時的培養基高度僅為空氣提升內管2的一半，因此若用無縫隙的空氣提升內管，則在微生物起始培養時，培養基就難以產生循環或者循環能力差。若采用帶有多道水平環狀縫隙的空氣提升內管，培養液可以從縫隙3中噴出，經空氣提升內管和發酵罐外壁之間的環形區域參加循環，因此在內管上添置了多道水平環狀縫隙解決了起始培養時，培養液循環困難的問題，在微生物連續培養時，培養基從6處用泵連續流加，從8處用泵或閥門控制連續流出，由于罐內物料均勻，易于連續操作。
低風壓空氣提升式發酵罐的罐型放大采用水平橫向放大，即在罐型高度固定后，放大罐體的直徑、橫截面積，參數簡單、例如已從容積33升、罐高2.5米的實驗室裝置一次放大到罐高10米的18米3的中試性工業生產裝置，再從中試性的18米3擴大到200-1000米3的工業性生產裝置時，基本上采用水平橫向放大，參數簡單。而一般空氣提升式發酵罐從中試20米3規模放大到200-1000米3的生產規模時，既需要采用橫向放大，又需采用縱向放大(增加發酵罐的高度)。隨著發酵罐高度增加，培養液的循環，微生物細胞接觸空氣、培養基以及氧氣傳遞速率的狀況也隨著變化，參數復雜，放大有一定難度。因此本發明提供的低風壓空氣提升式發酵罐還具有容易放大的特點。
本發明提供的微生物通風培養的方法和裝置適用于一般微生物通風培養，如細菌、放線菌、真菌等微生物液體深層通風培養，特別適用于單細胞旦白的生產，例如酵母生產(食用酵母、面包酵母、藥用酵母和飼料酵母的生產)。也可用于廢水生化曝氣處理。
本發明提供的微生物通風培養的方法和裝置適用于水溶性培養基質，如甲醇、乙醇、醋酸、葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉水解糖、糖蜜、淀粉廢水、乙醇廢水、味精廢水、葡萄糖廢水等。
下面的實例用于說明本發明最合適的具體實施。
實例一通風壓力對低風壓空氣提升式發酵罐的氧傳遞速率OTR的影響。
按圖1所示，放入亞硫酸鈉溶液15升，以銅鹽為催化劑，在不同的通風壓力和不同的通風比條件下，測定發酵罐的氧傳遞速率OTR。
通風比＝每分鐘通入空氣體積/亞硫酸鈉溶液體積。
表1，通風壓力對OTR的影響OTR＝毫克分子氧/升·小時。
從表1看出通風壓力從10公斤/厘米2降到0.3公斤/厘米2，在相同的通風比5時，發酵罐的OTR反而略有升高。本發明提供的空氣提升式發酵罐只需要低壓風源。因此可以利用一切低壓風源，包括羅茲鼓風機代替空氣壓縮機，以降低能耗。
實例二低風壓空氣提升式發酵罐和鼓泡式發酵罐酵母培養對比試驗。
低風壓空氣提升式發酵罐如圖1所示。鼓泡式發酵罐為把圖1所示的空氣提升式發酵罐去除空氣提升內管2。其他條件均相同。
菌種熱帶假絲酵母 Candida tpcpiealis變種K-79。
培養基(NH4)2SO415克MgSO4·7H2O 7.5克FeSO4·7H2O 0.75克ZnSO4·7H2O 0.75克H3PO4(80%) 30毫升上述無機鹽加水至11.4升，用2N氨水調節培養基溶液至PH4.5，並在整個發酵過程中維持在4.5。溫度33℃。通風壓力0.3公斤/厘米2，通風比6，接入預先培養好的酵母菌種子后，糖蜜溶液采用流加形式補入，加入總糖量為1370克，發酵終止時發酵液總體積為15升。離心，分離酵母菌體，水洗一次，110℃烘至恒重，稱重得酵母菌重量。
酵母菌濃度＝酵母菌重量(克)/發酵液總體積(升)
酵母菌轉化率＝ ((酵母菌重量(克)-酵母菌種子(克)))/(投糖量(克)) ×100%結果見表2。
表2，低風壓空氣提升式發酵罐和鼓泡式發酵罐酵母培養對比試驗。
實例3利用低風壓空氣提升式發酵罐的酵母菌間歇培養。
除投糖量減至609克外，其他條件均同實例2。培養時間為5小時。得酵母菌447克，酵母菌濃度29.8克/升，扣除酵母菌種子后得酵母菌產值375克，酵母菌對糖轉化61.6%。
實例4利用低風壓空氣提升式發酵罐的酵母菌連續培養。
除表3所列的條件，其他條件同實例3，稀釋率0.33～0.40小時-1，結果見表3。稀釋率為0.33小時-1時，酵母菌連續培養42小時，酵母菌平均濃度19.0克/升，平均轉化率44.9%，酵母菌平均生產能力6.3克/升·小時。
實例5面包酵母Saceharomyces cerivsiae高濃度培養。
菌種面包酵母Saccharomyees cerivisiac。
培養基含磷酸(80%)量為1毫升/升。總投糖量2124克。其他條件均同實例3。培養11小時結束，得酵母菌864.7克，酵母菌濃度57.6克/升。減去酵母菌種子71克，酵母菌實際增殖793.7克，酵母菌對糖轉化率37.4%。
實例6面包酵母Saceharomyces cerivisiae工業化連續培養低風壓空氣提升式發酵罐如圖2所示，培養基投入量8米3，稀釋率D＝0.25小時-1，每小時流入的糖蜜溶液中含糖138公斤，其他條件如菌種，培養基，PH，溫度均同實例5。用羅茲鼓風機作為風源，風壓0.5公斤/厘米2，風量20米3/分，羅茲鼓風機運轉時實測功率為27.1千瓦，連續培養16小時，發酵液酵母菌濃度平均為23.1克/升，酵母菌生產能力5.8克/升·小時。酵母菌對糖轉化率33.5%。酵母菌能耗0.59千瓦小時/公斤。
權利要求
1.一種采用空氣提升式發酵罐，利用水溶性培養基的通風培養微生物的方法，其特征是采用低風壓空氣供氧的空氣提升式發酵罐。
2.如權利要求
1所述的培養微生物的方法，其特征是水溶性培養基由氨水、磷酸、無機鹽，如(NH4)2SO4、MgSO4、FeSO4、ZnSO4，水溶性碳源所組成。
3.如權利要求
2所述的培養微生物的方法，其特征是水溶性碳源可以是甲醇、乙醇、醋酸、葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉水解糖、糖蜜，也可以是淀粉廢水、乙醇廢水、味精廢水或葡萄糖廢水等。
4.如權利要求
1所述的培養微生物的方法所用的低風壓空氣供氧的空氣提升式發酵罐，其特征是低風壓空氣提升式發酵罐是由風壓范圍為0.3-1.0公斤/厘米2的低風壓風源、空氣提升式發酵罐所組成。
5.如權利要求
1所述的培養微生物的方法，其中所說的低風壓空氣供氧的空氣提升式發酵罐，其特征是空氣提升式發酵罐的高度為6-20米。
6.如權利要求
4或5所述的培養微生物方法，所用的低風壓空氣供氧的空氣提升式發酵罐其特征是低風壓風源為羅茲鼓風機。
7.如權利要求
4或5所述的培養微生物方法所用的發酵罐，其特征是空氣提升式發酵罐內裝有帶有多道縫隙的空氣提升內管。
8.如權利要求
1或2所述的培養微生物方法，其特征是采用間歇培養法培養微生物。
9.如權利要求
1或2所述的培養方法，其特征是采用連續培養法培養微生物。
10.如權利要求
1或2所述的培養方法，其特征是用于一般微生物通風培養，如細菌、放線菌、真菌等微生物液體深層通風培養。
11.如權利要求
10所述的培養方法，其特征是微生物液體深層通風培養用于單細胞旦白生產。
12.如權利要求
11所述的培養方法生產單細胞旦白，其特征是尤其適合于酵母生產，如食用酵母，面包酵母，藥用酵母和飼料酵母的生產。
13.如權利要求
4或5所述的低風壓空氣提升式發酵罐，其特征是采用間歇培養法培養微生物。
14.如權利要求
4或5所述的低風壓空氣提升式發酵罐，其特征是采用連續培養法培養微生物。
15.如權利要求
4或5所述的低風壓空氣提升式發酵罐，其特征是用于一般微生物通風培養，如細菌、放線菌、真菌等微生物液體深層通風培養。
16.如權利要求
15所述的培養方法，其特征是微生物液體深層通風培養用于單細胞旦白生產。
17.如權利要求
16所述的培養方法，其特征是單細胞旦白生產尤其適用于酵母生產，如食用酵母、面包酵母、藥用酵母和飼料酵母的生產。
專利摘要
一種通風培養微生物的方法和裝置。采用低風壓在空氣提升式發酵罐間歇或連續培養微生物。風壓范圍是0.3-1.0公斤/厘米
文檔編號C12N1/00GK85100522SQ85100522
公開日1986年7月9日 申請日期1985年4月1日
發明者李祥鵬, 胡立侃, 孫冰, 王大琛 申請人:中國科學院上海有機化學研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan