[发明专利]好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法及设备，属于发酵工程技术领域。

背景技术

在好氧发酵过程中微生物的生物氧化过程要求供给足够的氧，供氧不足会严重影响好氧微生物的生长及其代谢产物的合成，而且微生只能利用溶解在液相的氧。为了提高生产率，就必须使整个发酵过程中“供氧大于耗氧”，消除氧供给不足的影响。在发酵过程中氧的消耗量会随着发酵罐中微生物的生长代谢速率和微生物浓度的增加而增大。但是，氧是难溶于水的气体，在32℃、0.1Mpa下空气中氧在水中的溶解度仅为7.6ppm。因此在好氧微生物发酵过程常常会出现供氧不足，在工业化的大型发酵过程尤为严重。

为了克服好氧发酵过程中供氧不足的问题，许多研究机构和工程技术人员一直致力于这方面的研究和开发工作。从反应器的结构设计、提高发酵过程的操作压力、优化菌种、降低发酵过程微生物的生长代谢速率等方面尽量提高氧的供给，防止发酵过程因缺氧而导致过程的恶化。

上述措施在一定程度上可以改善供氧环境，但仍然无法在高密度发酵过程中完全达到“供氧大于耗氧”的要求。氧气在液相中的溶解度会随着气相中氧的浓度的升高而增大，目前实验室通常在发酵过程中采用供给高浓度氧气来有效地克服供氧不足，实现高密度发酵，细胞浓度可以达到180g/L(干重)以上。利用氧气发生器制备高浓度的氧气已经有成熟的技术和设备。虽然好氧微生物高密度发酵过程中需要大量的供氧，但如果供入高浓度的氧气，其绝大部分(80％或更多)会随发酵过程的尾气而排空以致无法被微生物利用，这样就会造成发酵过程氧的利用率降低、发酵过程因通入高浓度氧气而成本大幅度升高，因而无法在工业中得到应用。

因此，针对大规模工业化的好氧微生物高密度发酵，仍需要更有效、更经济的供氧以及氧气回收再利用的措施，以提高好氧发酵过程的生产率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，提供一种氧的利用率高、成本低、好氧发酵过程生产率高的好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法，其步骤包括：

(1)在好氧微生物发酵过程中，通过第一个氧气发生器I以空气为气源制得浓度为50％～99％的高浓度氧气，然后将浓度为50％～99％的高浓度氧气以规定的流量连续通入好氧微生物发酵罐中，从而提高发酵罐内溶解氧的浓度，满足微生物的生长和合成代谢产物的需要，同时第一个氧气发生器I继续以空气为气源制备高浓度氧气；

(2)再将从发酵罐出口排出的通常含有尚未溶解的氧气、难溶的氮气、水汽和微生物生长代谢释放出来的二氧化碳等的气体，通入第二个氧气发生器II回收其中的氧气，除去二氧化碳、水汽及部分氮气制得高浓度的氧气，将其与第一个氧气发生器I制得的高浓度氧气混合后，再次通入发酵罐供发酵过程循环使用。

本发明的上述方法还包括：将发酵罐气体出口排出的通常含有尚未溶解的氧气、难溶的氮气、水汽和微生物生长代谢释放出来的二氧化碳等的气体，先送入一个水汽分离器，以除去部分水分，使其含水量降低(相对湿度小于50％)，再通入第二个氧气发生器II，除去其中二氧化碳和剩余的水汽后，制得高浓度的氧气，送入贮气罐供发酵过程使用。

上述步骤(1)中所述的规定的流量是根据每种好氧微生物在发酵罐培养时的需氧量来控制。

本发明要解决的另一个技术问题是：提供一种上述好氧微生物高密度发酵过程中氧的供给与回收再利用方法所采用的设备，该设备包括：氧气发生器I、气体储罐、发酵罐、氧气发生器II；氧气发生器I的顶部通过管道与气体储罐下部相连，气体储罐顶部由出口管道通到发酵罐的下部，发酵罐的顶部设有出口管道通到氧气发生器II的下部；氧气发生器II的顶部由出口管道连到氧气发生器I的上部。

本明的上述设备中所述的发酵罐与氧气发生器II之间还连接有水汽分离器；事实上，所有的氧气发生器其内部都含有一个水汽分离器。但由于从发酵罐出口出来的气体含湿量几乎达到了饱和程度，再用一个水汽分离器先将部分水汽除去，可以减轻氧气发生器中水汽分离的负荷，延长氧气发生器的使用寿命。

本发明所述的氧气发生器I与氧气发生器II均购自市售的变压吸附氧发生器(VPSA)，为了在上述设备中便于区分，定义为氧气发生器I和氧气发生器II。

本发明与现有技术相比存在的优点和有益效果：