[发明专利]一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐

说明书

技术领域

本发明属于发酵设备领域，特别是涉及苏云金芽胞杆菌(Bt)发酵后期产芽胞和晶体阶段的发酵设备，即苏云金芽胞杆菌产晶胞发酵罐。

背景技术

一般情况下氧气很难溶于水，当发酵液中含有其它各种成分，氧的溶解度比在纯水中更低，而且发酵液的浓度越高溶氧速率越慢，而微生物呼吸和代谢活动中需要的氧气必须溶解于发酵液中才能被直接利用，供氧的不足和供氧的短暂中断将对发酵造成严重的不可逆损害。因此，有效、合理地设计发酵罐，具有重大意义。近年来，国内外研究者为了解决通风发酵过程的溶氧和节能问题，提出的通风发酵罐种类很多，已开发了气升式、自吸式、喷射式等若干新型发酵罐.发展的主要趋势之一是从机械搅拌过渡到气流搅拌，而改进的核心是提高传氧系数和节约能量。

机械搅拌发酵罐典型代表是通用式机械搅拌发酵罐和自吸式发酵罐。在这类罐内气体在液相中受到两次分散，这种罐气体分散的能量利用率较低。自吸式发酵罐采用负压发酵，可获得远比气升式发酵罐高的Kla值(液相体积氧传递系数，单位：L/h)，但不能实施空气保压，一旦遇到设备故障搅拌受阻或停电等情况.就会造成菌体窒息死亡，使发酵停滞，甚至造成倒罐。目前国内外普遍用的Bt发酵反应器都为机械搅拌式发酵罐，Bt最常用的生产方法是在一个搅拌通风发酵罐内完成Bt的发酵生产，其搅拌器一般采用六弯叶涡轮式和箭叶式，内部结构复杂和轴封处有传动部件，使罐内有死角和难以实现密封，易感染杂菌和噬菌体，造成发酵失败，而且受结构限制，罐体高径比小，不能较多地利用无菌空气中的氧气，因而无菌空气需要量大，罐造价高、能耗大，增加了生产成本。数据统计表明，用于机械式搅拌所消耗的能源占发酵全过程的一半左右。随着高产菌株的不断使用，高密度发酵单靠增加通风量和搅拌速度，氧的供给有限，且Bt的发酵分为菌体培养阶段和芽胞、晶体蛋白产生脱落阶段，生产的目的是为了获得最多的有毒力活性的芽胞和晶体蛋白，在Bt发酵的后期，强烈的机械搅拌，对菌体、芽胞和晶体造成伤害，不利于杀虫毒素的形成。

气流搅拌发酵罐主要通过喷嘴和内外环流管配合或筛板来分散气体，无机械转动部件，典型代表是气升式发酵罐。一些研究者对生产Bt的机械通风发酵罐进行改良，如采用环隙气升式内环流反应器代替机械搅拌发酵罐发酵生产Bt。气升式发酵罐通入的空气使罐内的不同区域形成密度差和宏观循环流，同时形成局部湍流和微观混合流，以达到搅拌、混合和使空气中的氧气溶解在发酵液中的目的，其优点是具有结构简单、无运动部件、无菌操作可靠性高、电耗少、操作维修方便和造价低，较高的发酵罐高经比(H/D)，如高经比1∶5-1∶8，可以增加氧与料液的接触时间，增加氧在料液中的溶解度；实践证明，当通风量和单位体积的功率消耗一定的时候，H/D为2的通风效率是H/D为1的1.4倍。采用气升式发酵罐发酵，可使Bt的发酵时间缩短，菌数提高。气升式发酵罐用于低含固量培养基发酵时，性能优良，但不能用于高含固量培养基发酵，反应器的供氧能力有待进一步提高。有报道在气升式内环流反应器的导流筒内安置若干折流元件、网状的气升式发酵罐，性能得到了提高，但发酵罐放大受限，与机械搅拌相比需增加通风量，如配置外环流管增加溶氧，则外部泵送和循环系统易使发酵液受到杂菌污染和使细胞损伤，而且过高的高径比使温度混匀较难，细胞、蛋白等的沉淀也较难。

传统的通用式发酵罐所采用的通气装置存在的问题：气泡直径随着通气量的增大而增大，气泡上升速度也随之增大；气泡粉碎程度却并不随着搅拌转速的增加而增大，它只能维持在同一个数量级上，增大通气量和增加搅拌功率对容器传质系数不仅不能有较大幅度的提高，相反将导致大量能源的消耗和产品成本的提高。有研究者采用喷嘴、混合管和循环管组成的射流混合器来强化气体分散，减小气泡直径，有利于气、液二相比表面积的增加、接触时间的增长和容量传质系数的提高。生产实践表明，用射流混合器使搅拌器的层数减少，使机械搅拌通风发酵罐提高溶氧效果、节约能耗20％以上。

发酵生产Bt产品，需要的是Bt的晶体、芽胞和上清液。目前的发酵罐一般都是圆底，罐体没有采用多段冷却，也没有分段出料，无法对发酵液分段降温促进沉淀，并按其不同浓度分别出料，而是由罐下部出料阀一起出料，过滤和离心工艺周期长，能耗也大。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐，以减少发酵过程的能耗，提高芽胞、晶体的产量，同时有利于晶体和芽胞的分离。