专利名称：一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐的制作方法
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勻较难，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力口、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。本发明是以如下方式实现的，一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐，其高径比2 1至3 1，锥底，罐顶椭圆封头；罐体锥底上方安装有2-4个射流混合器，罐体锥底设1个冷却带、罐体锥底上方的1/3-2/3处设2个冷却带；罐顶设有安全阀、真空阀、汽液分流器接口、检修入孔，罐体锥底处设有一个出料口、罐体上部2个冷却带的下方各设1个出料口。上述的一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐，锥底角度为70°，罐体内设 CIP原位清洗装置。本发明所提供的一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐的前端，可以选择机械搅拌或气升式发酵罐用于菌体培养，即做为培养基进料、接种至芽胞刚形成阶段，或称前发酵阶段的发酵罐；而本发明的一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐，用于晶体、芽胞形成，即后期发酵用，可以减少通风发酵罐的搅拌能或气升式发酵罐的通风量，也相当于中转罐的作用。其发酵效果及效益十分明显(1)安装2-4个射流混合器以增强气体对流与分散，并可更具溶氧要求选择开启射流混合器大小和个数，便于氧的控制。无搅拌装置，可以克服机械搅拌发酵罐的弱点又比气升式发酵罐搅拌和溶氧好。(2)介于机械搅拌通风发酵罐和气升式发酵罐之间的高径比(2 1至3 1)，可延长空气与料液的接触时间，增加氧在料液中的溶解度，并使整罐发酵液具有良好的对流混合效果。(3)发酵罐从锥底向上分别设有3段冷却带，合理的温度控制可以使发酵液形成大循环和无数小循环，促进氧的溶解和温度的混勻，使整个发酵液的温度均勻，有利于发酵液在罐内的对流和热交换。该发酵罐混合原理除了气升式发酵罐的混合形成的湍流和微观混合流外，还有射流混合器进气形成的搅拌作用、冷热温差作用、液体和气体的密度变化引起的对流。(4)设有三个出料口，可依次从上到下出料。分段出料可以获得不同的浑浊度的发酵液，由清至浓进行发酵液的后处理，大大减少过滤堵塞现象，提高过滤速度。底部排出的较浓的发酵液可直接用于干燥或离心，减少后期发酵液的处理量，缩短后处理时间，降低生产成本。
设有冷却带，后期静置或加入絮凝剂等预处理发酵液后，有利于晶体、芽胞等较大物质的沉淀、收集于锥形底部。发酵罐底为锥底，可以减少圆形罐底椭圆封头沉淀物的残留。锥底角度为70°，可减少排除阻力，便于沉积物的排出。此外，罐顶采用椭圆封头，在罐顶设置安全阀、真空阀、汽液分流器接口，供气体排出及发酵罐清洗液进入，设入孔，供检修用；设CIP原位清洗装置、灯镜和视镜；瘦长的锥形发酵罐向立面发展，节约了地方。
下面将结合附图对本发明进一步说明图1 一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐1、冷却带；2、无菌空气进气管；3、物料进料管；4、排气管；5、出料口；6、CIP原位清洗装置；7、射流混合器.
具体实施例实施例1菌株以8010为发酵菌株发酵生产Bt。设备培养进料、接种至刚产胞阶段，采用传统的1. 5L机械通风搅拌罐；苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵阶段，采用1. 5L如图1所示的一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐，其高径比2 1,70°锥底，罐顶椭圆封头，罐体锥底上方安装有2个射流混合器，罐体锥底及其上方1/3和2/3高处各设1个冷却带，在罐顶设有安全阀、真空阀、汽液分流器接口、检修入孔，罐体锥底处设有一个出料口，锥底上方的1/4和1/2的处各设1个出料口。培养基配方玉米淀粉1 %，豆粕1. 3%，花生饼粉1 %，玉米浆1 %，酵母粉0. 1 %， CaCO3O. 3%, KH2PO4 0. 2%, MgSO4 0. 07%, pH 7. 0-7. 5，121°C高压灭菌 40min。发酵液芽胞计数方法取发酵刚结束的发酵液85°C加热处理5min，迅速冷却，采用稀释平板活菌技术法计数；毒力测定方法发酵液经1000倍稀释后对2-3龄小菜蛾生物测定。方法培养基进料、接种至刚产胞阶段在1. 5L机械通风搅拌罐内发酵，经灭菌的培养基接种后，按培养基与无菌空气量1 1.5v/v/min、发酵温度控制在30°C，搅拌转速 250r/min、罐压0. 5atm的发酵条件，在1. 5L机械通风搅拌罐内发酵，培养至芽胞刚开始形成时，其产生的发酵液称前发酵液前发酵液转入本发明所提供的一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐，控制无菌空气量1 lv/v/min，温度控制在33°C发酵，发酵至芽胞刚开始脱落时，停止通风，维持 33°C至芽胞50%以上脱落时，调pH至5左右，添加絮凝剂等，出料转入后期处理阶段。结果发酵时间为60h，终产品芽胞数95亿/mL，芽胞同步率95%以上，晶体整齐；48h小菜蛾校正死亡率100% ；而传统单罐发酵方案，发酵时间需要为71h，终产品的芽胞数 61亿/mL、芽胞形成率80%左右，48h 2_3龄小菜蛾校正死亡率83%。按每度电0.73元，每罐1.5t计算，可节省搅拌能耗300元以上，发酵周期缩短llh，发酵液芽胞数增加了 34亿/ mL，对小菜蛾杀虫能力提高20%。后期膜过滤加快，可提前Ih完成后处理阶段。实施例2如实施例1，培养基进料、接种至刚产胞阶段，采用传统的2. 5L机械通风搅拌罐； 苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵阶段，采用2. 5L如图1所示的一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐，其高径比2. 5 1，锥底，罐顶椭圆封头，罐体锥底上方安装有4个射流混合器，罐体锥底及其上方1/3和3/5高处各设1个冷却带，在罐顶设有安全阀、真空阀、汽液分流器接口、检修入孔，罐体锥底处设有一个出料口、锥底上方的1/4和1/2处各设1个出料口。产品的效果同实施例1，效益比实施例1略 高。
权利要求
1.一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐，其特征是发酵罐高径比2 1至3 1， 锥底，罐顶椭圆封头；罐体锥底上方安装有2-4个射流混合器，罐体锥底设1个冷却带、罐体锥底上方的1/3-2/3处设2个冷却带；罐顶设有安全阀、真空阀、汽液分流器接口、检修入孔，罐体锥底处设有一个出料口、罐体上部2个冷却带的下方各设1个出料口。
2.根据权利要求1所述的一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐，其特征是锥底角度为70°，罐体内设CIP原位清洗装置。
全文摘要
一种苏云金芽胞杆菌产晶胞阶段的发酵罐，其高径比2∶1至3∶1，锥底，罐顶椭圆封头；罐体锥底上方安装有2-4个射流混合器，罐体锥底设1个冷却带、罐体锥底上方的1/3-2/3处设2个冷却带；罐顶设有安全阀、真空阀、汽液分流器接口、检修入孔，罐体锥底处设有一个出料口、罐体上部2个冷却带的下方各设1个出料口；该设备与常规的发酵罐配合，专门用于常规的发酵罐培养至芽胞刚开始形成时发酵液的后发酵处理能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、芽胞的分离。
文档编号C12M1/00GK102154091SQ20101062374
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月25日 优先权日2010年12月25日
发明者关雄, 吴丽云 申请人:福建农林大学