一种机械式控制发酵过程中丝状真菌菌球大小的设备的制作方法

本实用新型涉及发酵设备技术领域，具体为一种机械式控制发酵过程中丝状真菌菌球大小的设备。

背景技术：

目前，丝状真菌在工业化生产中有着广泛的应用，如乳酸、柠檬酸、富马酸等有机酸的发酵，深层发酵中丝状真菌菌体通常存在3种形态：团块状、絮状和球状。团块状的菌体形态在发酵过程中接种量难于控制，且极大地限制了菌体内部的传氧、传质，产物产量明显偏低，一般不选用；当菌体为松散絮状时，营养物质和氧气在其内部传输较为顺利，但发酵液表现出明显的非牛顿型流体，形成假塑型流体，粘度大，流动指数低，降低营养物质、氧气在发酵液中的传递效率，同时还极易缠绕搅拌桨，热量不能及时扩散，严重阻碍菌体利用糖类等底物和氧气，从而导致细胞代谢速度偏慢，致使酸产量、发酵罐性能降低；对于球状菌体(以下简称菌球体)，发酵液流体虽然也是假塑性流体，但相对菌丝而言发酵液表观粘度较低，利于传质、传氧及溶氧，降低能耗。发酵液中的菌球体是有一个或数个孢子在生长过程物理作用形成的。菌球体的大小和数量关系到发酵的成败，一般来讲，菌球体越小、越多，产酸就越高，发酵周期也越短。

控制不同的培养条件可以获得大小不同的菌球体，不同直径的菌球体对发酵产物产量具有一定影响：菌球直径过大，物质、氧气的传输遇到困难，难以到达菌球中心，易形成中空型菌球，影响菌体的正常代谢及目标产物的合成。如aspergillusniger菌球的大小对其发酵生产柠檬酸、衣康酸、多聚半乳糖苷酶均具有显著影响。baidongmei报道rhizopusoryzaer1021积累乳酸的最佳菌球直径为1.4mm，大于该直径，乳酸产量降低；zhouying认为当rhizopusoryzaeatcc20344在发酵罐中菌球直径小于0.43mm时，最有利于富马酸的生成。故对菌球大小的调控也是真菌形态控制的重要组成。华珊在论文“米曲霉形态与曲酸生产的关系”提出：菌球直径与细胞代谢密切相关，合适的菌球直径有利于目标产物的积累。将不同大小的菌球接种到发酵培养基中进行发酵培养，得到菌球直径与曲酸合成能力的关系。最佳菌球直径范围为0.25～0.35mm，此时单位细胞合成曲酸能力最强(0.778g/g)，最有利于发酵生产曲酸。当菌球直径大于0.3mm时，单位细胞曲酸积累量随菌球直径的增加而降低。菌球直径越大，对菌球内部溶氧及物质传递的阻碍作用越大。因此，菌球较大时，传质、传氧速度慢，对营养的利用及细胞代谢减慢，曲酸产量较低。

由此可见，发酵过程中丝状真菌菌球大小有个优化值，菌球大小控制在发酵工程中至关重要，关系到发酵过程的效率和产量，因此研究控制发酵过程中丝状真菌菌球大小的方法有非常实际的意义。

影响丝状真菌菌球大小的环境因素主要包括培养基组成(如碳氮源的种类及浓度、磷酸盐的水平、金属离子的添加等)、环境条件(温度、ph、转速、溶解氧及二氧化碳水平、机械剪切力、通气量等)、接种量、孢子形状、表面活性剂的种类、补料方式等。通过对这些因素的调控可以获得最优菌球大小和产物积累的最佳形态。

中国实用新型专利cn105647815a通过优化了种子培养基中葡萄糖、酵母提取物浓度和孢子浓度，控制米曲霉菌体形态和大小，菌体形态为球形，米曲霉的产酸能力比菌丝时明显提高，达到15.llg/l。同时，菌球直径范围处于为0.25-0.35mm时，单位细胞曲酸积累量最高为0.778g/g。

综上所述发酵过程中丝状真菌形态和大小于产物积累至关重要，球状因能降低发酵液黏度，并利于传质、传氧、减少能耗，为许多产品发酵的首选形态。发酵培养中丝状真菌菌球的形成不但与菌种本身特性有关，且受ph、接种量、搅拌、碳氮源、金属离子及外源聚合物的添加等外界环境因素影响，通过调控各种外部的条件可以获得最佳的菌球结构及菌球大小，促进发酵产物的生成。目前丝状真菌形态的控制这些成功的先例，都是基于发酵工艺角度考虑的，而且往往是在试验和中试阶段得到的最优工艺参数，一旦工业生产放大，会产生较大偏差。目前关于菌体形态优化研究还有不足，本领域迫切需要开发有效控制发酵过程中丝状真菌菌球大小的设备，提高产酸量，优化丝状真菌的发酵过程，为丝状真菌的工业化应用提供更为精确的指导。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种机械式控制发酵过程中丝状真菌菌球大小的设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种机械式控制发酵过程中丝状真菌菌球大小的设备，包括发酵罐、溶氧及检测反馈单元、螺旋切割装置和管路，发酵罐通过管路与溶氧及检测反馈单元和螺旋切割装置连接，所述发酵罐与溶氧及检测反馈单元连接形成一个循环通路，所述发酵罐与螺旋切割装置通过管路连接形成一个循环通路。

优选地，所述发酵罐包括发酵罐本体、所述发酵罐本体上设有循环液出口、回流液入口、后处理出液口、培养基加入口、ph调节液加入口和溶氧仪安装口。

优选地，所述螺旋切割装置包括左旋切割器和右旋切割器，所述左旋切割器和右旋切割器结构相同，所述左旋切割器一侧连接着菌种加入装置。

优选地，所述溶氧及检测反馈单元包括气源、空气过滤器、气体流量电磁阀、溶氧检测装置、手动单向阀、控制器和气源；所述控制器通过电缆线连接气体流量电磁阀和溶氧检测装置；所述溶氧及检测反馈单元控制气体流量电磁阀开度，所述溶氧检测装置安装在发酵罐内，所述气源上端安装有手动单向阀，所述手动单向阀上端安装有空气过滤器，所述空气过滤器上端安装有气体流量电磁阀。

优选地，所述气源为制氧机、氧气瓶或空气压缩机；气源输出压力气体经由气液混合泵进气口输入主流道水管。

优选地，所述发酵罐的循环液出口、通过管路与气液混合泵、液体流量计、压力表、菌种加入装置、左旋切割器、右旋切割器、静态液液混合器和总流量调节阀依次连接，最后经发酵罐的回流液入口返回发酵罐。

优选地，所述气液混合泵的进水口与发酵罐的循环液出口相连，其出水口与管路相连，所述气液混合泵的出水口连接一条回水管路，通过回水控制阀调节回水流量，所述回水管路中的发酵液与管路中的发酵液通过静态液液混合器均匀混合后回流进入发酵罐，所述气液混合泵所述气液混合泵的进气口通过管路分别连接一气源，所述气源与气液混合泵之间的管路上依次设置手动单向阀、空气过滤器和气体流量电磁阀。

优选地，所述左旋切割器包括：左螺旋切割腔、右螺旋切割腔、导水锥、切割片、固定螺母和固定轴、连接法兰；所述左螺旋切割腔和右螺旋切割腔通过连接法兰连接，所述左螺旋切割腔和右螺旋切割腔内部固定安装有固定轴，所述固定轴上安装有切割片，所述固定轴一端固定连接有导水锥，所述固定螺母位于左螺旋切割腔和右螺旋切割腔内壁上。

优选地，所述切割片为表面涂覆有耐磨涂层的不锈钢材料，叶片通道为变螺距阶梯状螺旋曲面，所述切割片厚度为0.1-1mm。

优选地，所述切割片厚度为0.5mm。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过优化螺旋切割器直径、入口压力、流速、切割片厚度、加气方式，控制菌球大小至最佳值，从而提高丝状真菌产酸量；某些条件下菌球的直径与搅拌转速相关联，搅拌转速越高，直径越小，菌球越致密。高的搅拌转速产生的较大剪切力去除了菌丝突出部分，限制菌丝的伸长，从而限制菌球直径增大。但依靠增加搅拌器转速减小菌球直径的方法能耗高，通过采用两个螺旋切割器替代发酵罐搅拌器，通过螺旋切割器流体通道内变距螺旋叶片形成的台阶段螺旋切割刃的切割作用，实现对加入的菌种、氧气、培养基进行微纳米化切割混合，大分子团物质被切割成微纳米量级的小分子团，微纳米量级小分子团的接触表面积急剧增加，形成快速的均匀混合、生化反应和超饱和溶氧；同时，调整螺旋切割器切割片厚度，将菌球体切割到所需大小，实现最优产酸量。

附图说明

图1为本实用新型一种机械式控制发酵过程中丝状真菌菌球大小的设备的系统结构示意图；

图2为本实用新型一种机械式控制发酵过程中丝状真菌菌球大小的设备的发酵罐结构示意图；

图3为本实用新型一种机械式控制发酵过程中丝状真菌菌球大小的设备的螺旋切割装置的结构示意图；

图4为本实用新型一种机械式控制发酵过程中丝状真菌菌球大小的设备的菌种加入装置的结构示意图。

图中：1、发酵罐；2、溶氧检测装置；3、气液混合泵；4、总流量调节阀；5、静态液液混合器；6、回水控制阀；7、液体流量计；8、压力表；9、菌种加入装置；10、左旋切割器；11、右旋切割器；12、控制器；13、气体流量电磁阀；14、空气过滤器；15、手动单向阀；16、气源；17、发酵罐本体；19、ph调节液加入口；20、培养基加入口；21、回流液入口；22、溶氧仪安装口；23、循环液出口；24、后处理出液口；25、回水管路；26、左螺旋切割腔；27、切割片；28、固定轴；29、固定螺母；30、导水锥；31、右螺旋切割腔；32、连接法兰；33、螺旋切割装置；34、溶氧及检测反馈单元。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-4，本实用新型提供的一种实施例：一种机械式控制发酵过程中丝状真菌菌球大小的设备，包括发酵罐1、溶氧及检测反馈单元34、螺旋切割装置33和管路，其特征在于：发酵罐1通过管路与溶氧及检测反馈单元34和螺旋切割装置33连接，所述发酵罐1与溶氧及检测反馈单元34形成一个循环通路，所述发酵罐1与螺旋切割装置33通过管路形成一个循环通路，所述发酵罐1包括发酵罐本体17、所述发酵罐本体17上设有循环液出口23、回流液入口21、后处理出液口24、培养基加入口20、ph调节液加入口19和溶氧仪安装口22，所述螺旋切割装置33包括左旋切割器10和右旋切割器11，所述左旋切割器10和右旋切割器11结构相同，所述左旋切割器10一侧连接着菌种加入装置9，所述溶氧及检测反馈单元34主要包括气源16、空气过滤器14、气体流量电磁阀13、溶氧检测装置2、手动单向阀15、控制器12和气源16，所述控制器12通过电缆线连接气体流量电磁阀13和溶氧检测装置2，形成反馈控制系统，所述发酵罐1内的溶氧浓度可通过控制器12显示屏上在线实时显示，所述溶氧及检测反馈单元34控制气体流量电磁阀13开度，自动控制发酵液中溶氧浓度达到设定值，所述溶氧检测装置2安装在发酵罐1内，所述气源16上端安装有手动单向阀15，所述手动单向阀15上端安装有空气过滤器14，所述空气过滤器14上端安装有气体流量电磁阀13，所述气源16可选择制氧机、氧气瓶、空气压缩机，所述气源16选择空气压缩机，主要是稳定地提供的无菌气体，以供给发酵装置，气源提16供一定压力的气体，经由气液混合泵3进气口，送入主流道水管中，实现气体与液体的均匀混合，且由于气源16的安全问题，每次施加时手动打开手动单向阀15，不用时保持手动单向阀15紧闭，所述发酵罐1循环液出口23、通过管路与气液混合泵3、液体流量计7、压力表8、菌种加入装置9、左旋切割器10、右旋切割器11、静态液液混合器5和总流量调节阀4依次连接，最后经发酵罐的回流液入口21返回发酵罐1，所述气液混合泵3的进水口与发酵罐的循环液出口23相连，其出水口与管路相连，并在其出水口处设置一条回水管路25，通过回水控制阀6调节回水流量，达到调节管路和螺旋切割器内流量的目的，回水管路25中的发酵液与管路中的发酵液通过静态液液混合器5均匀混合后在回流进入发酵罐1中，所述气液混合泵3的进气口可以利用负压作用吸入气体，高速旋转的泵叶轮将发酵液体与气体混合搅拌，由于泵内的加压混合，实现气体与发酵液体第一步混合和溶解，所述气液混合泵3的进气口通过管路分别连接一气源16，所述气源16与气液混合泵3之间的管路上依次设置手动单向阀15、空气过滤器14和气体流量电磁阀13，所述菌种加入装置9通过负压吸入菌种液，再经文丘里管扩散段粗步混合且通过左旋切割器10和右旋切割器11切割混合，达到多相混合物的均匀混合，所述左旋切割器10主要由左螺旋切割腔26、右螺旋切割腔31、导水锥30、切割片27、固定螺母29和固定轴28、连接法兰32组成，所述左螺旋切割腔26和右螺旋切割腔31通过连接法兰32连接，所述左螺旋切割腔26和右螺旋切割腔31内部固定安装有固定轴28，所述固定轴28上安装有切割片27，所述固定轴28一端固定连接有导水锥30，所述固定螺母29位于左螺旋切割腔26和右螺旋切割腔31内壁上，所述切割片27采用表面耐磨涂层处理的不锈钢材料，叶片通道为变螺距阶梯状螺旋曲面，通过发酵液和气体在切割腔内的螺旋运动，大分子团物质被切割成微纳米量级的小分子团，微纳米量级的小分子团接触表面积急剧增加，形成快速的气液混合、切割细化、生化反应和超饱和溶氧，所述切割片27厚度0.1-1mm，优选0.5mm。

具体使用方式：本实用新型工作中，根据小试或中试得到的最优工艺参数设定的培养基液、ph调节液加入发酵罐1中，然后灭菌冷却；并调整好切割片27厚度；启动气液混合泵3，让发酵液循环流动起来；根据小试或中试得到的最优螺旋切割工艺参数调节总流量调节阀4和回水管路25流量调节阀，使得螺旋切割装置33入口压力、流速达到最佳值；同时，通过文丘里管负压吸入菌种液，再经文丘里管扩散段粗步混合和螺旋切割装置33切割混合，达到多相混合物的均匀混合；启动空气压缩机，将纯净空气通过气液混合泵3加气口加入管路；溶氧检测装置2实时在线检测发酵罐1中溶氧浓度，通过反馈系统控制气体流量电磁阀13开度，自动控制发酵液中溶氧浓度达到设定值；一定流速和压力的菌种、氧气、培养基混合物料进入左旋切割器10和右旋切割器11，通过流体通道内变距螺旋叶片形成的台阶段螺旋切割刃的切割作用，实现对加入的混合物料进行微纳米化切割混合，大分子团物质被切割成微纳米量级的小分子团，微纳米量级小分子团的接触表面积急剧增加，形成快速的均匀混合、生化反应和超饱和溶氧；同时，不断通过取样口取样，在显微镜下观察菌球大小，调整螺旋切割器切割片27厚度，将菌球体切割到所需大小，继续循环，完成发酵；发酵完成后，将发酵液进行去菌体分离和后处理。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。