CN114350480A - 一种双环流鼓泡发酵罐及发酵制乳酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双环流鼓泡发酵罐及制备乳酸的方法,包括发酵罐罐体、加料管、补料管、尾气排放口、双层的泡罩形鼓泡器、两组环流***等。本发明利用发酵罐中泡罩形鼓泡器和环路上文丘里喷射管相结合,通过泡罩形鼓泡器实现内部传质,通过文丘里管在外环流管线上二次布气,用双环流泵将发酵液从罐底打到罐内,空气可通过文丘里管和泡罩鼓泡器补入,大幅度提高了在大型工业化发酵过程中气液传质的过程,减少了发酵液补料的滞后效应。此方法使传统发酵时间缩短5~15h,实现了L‑乳酸发酵的半连续生产。
Description
技术领域
本发明属于生物发酵领域。具体涉及一种新型双环流鼓泡发酵罐及发酵制备乳酸的方法。
背景技术
乳酸(Lactic acid),IUPAC学名为2-羟基丙酸(2-hydroxypropanoic acid),分子式为C3H6O3,分子量90.08,广泛存在于人体、动物、植物和微生物中,乳酸天然存在两种光学异构体:D型异构体和L型异构体,由于D型异构体对人体有害,基本使用L型异构体。L-乳酸作为一种重要的有机酸,自1780年首次发现至今,乳酸、乳酸盐及其衍生物,已广泛的应用于食品、医药卫生、化妆品、化工等领域,尤其目前以乳酸为原料经过聚合生成直链的或环状的聚乳酸。由于聚乳酸的可降解性和生物相容性,在生物可降解材料的应用是热门话题。
目前乳酸的生产主要有化学法、酶转化法、生物合成法。但是由于环境问题,在生产温度低、能量要求低和纯度高的几个环境友好型条件下,可再生资源代替石化产品已经是当前的主要趋势,使得生物技术发酵过程具有重要意义。在工业化生产上除日本外其他国家基本采用生物发酵的方法,其全部制备的为L-乳酸。生物发酵是以淀粉、葡萄糖等糖类作为原料,接种微生物经发酵生成乳酸而得,该法因为原料来源广泛、生产成本低、产品光学纯度高、安全性高等优点而成为生产乳酸的方法。
在工业化生产中考虑到成本和利润,常常配套以大型发酵罐,单罐约200~300m3,对于大型好氧生物发酵过程中,所需溶氧也随之增大,然而对于传统大型机械搅拌罐,一方面由于放大效应罐体越大,补料后为保证发酵液的混合均一,所需的混合时间变长,传质能力下降,另一方面由于发酵时间过长,搅拌装置需要长期运转,特别是在乳酸发酵工程中,机械搅拌装置长期浸泡在发酵液中,容易造成装置的腐蚀,在腐蚀后需要更换搅拌装置影响发酵的正常运行。
近年来在发酵领域开发出气升式反应器,分为内循环和外循环的形式,以气体的推动以及罐体上下密度差造成定向循环,但对于耗氧量要求较高的菌种,由于在罐体内有的分布区域含气量过高,势必会导致其他区域含气量的下降,从而造成菌体的死亡,另一方面由于气升罐过大的高径比对菌体由于静压的影响而活性下降。
中国专利CN201911321091.8公布了一种在乳酸发酵中加快产酸通气的方法,但该方法加入供氧剂引入新的杂质很难处理,并不适用于大规模生产。
因此为了满足大型好氧发酵菌种高溶氧的特点,有必要开发一种新型乳酸发酵反应器。
发明内容
本发明为了实现生产好氧类菌体发酵制备乳酸,提供一种采用半连续发酵的文丘里式双环流鼓泡发酵罐制备乳酸的方法。
为了实现本发明目的,本发明采用了如下的技术方案:
本发明首先提供一种新型半连续发酵的文丘里式双环流鼓泡发酵罐。
所述双环流鼓泡发酵罐主要包括:发酵罐罐体1、加料管10、补料管8、尾气排放管11,发酵罐罐体1内部设置有双层的泡罩形鼓泡器,包括下层泡罩形鼓泡器6和上层泡罩形鼓泡器17,下层泡罩形鼓泡器6和上层泡罩形鼓泡器17均与无菌空气进料管9相连以向罐体内提供无菌空气,每一层泡罩形鼓泡器的上部为带有小孔的环形空气分布口,无菌空气管进口开口朝下,下部分别为集液槽16和13;发酵罐罐体1外侧设置有两组环流***,环流***包括依次连接的环流泵2/3、文丘里喷射器5/15和环流管4/14,环流管出口位置的发酵液可流入集液槽,集液槽液体自流进入发酵罐下部;
发酵罐罐体1外部设置有夹套7,夹套7设置有温水保温或者循环水冷却;
所述双层的泡罩形鼓泡器为实现罐体内部气液传质,上层泡罩形鼓泡器17安装位置约为整个罐体高度的40~45%;下层泡罩形鼓泡器6安装位置约为整个罐体高度的8~10%;
优选地,所述发酵罐的顶部设有加料管10,以及补料管8,为防止发酵流加过程中加料管、补料管的堵塞,在加料管、补料管的中上部分别设置倒U形弯管。
本发明所使用的文丘里喷射器没有特殊要求,其结构可以参考专利CN211677677U。
环流泵与文丘里喷射器相结合能使气泡破碎并分散良好,气液混合充分,保证发酵液有充足的溶解氧。
所述发酵罐罐体优选的高径比为1.7~3,更优选高径比为2.5,罐体的设计压力不低于工作压力(0.1MPa)的1.5~2倍,发酵罐外部设置有夹套具有良好的循环冷却和加热能力,可对发酵***进行控制,以便能够移除或补充热量。
本发明的半连续发酵的文丘里式双环流鼓泡发酵罐可以用于制备乳酸。
本发明的第二个方面,提供使用上述半连续发酵的文丘里式双环流鼓泡发酵罐制备乳酸的方法。
所述半连续发酵分为菌体发酵阶段和产酸阶段,当产酸阶段发酵结束时将罐体内部液体排出,进入下一批次的发酵。
在一些具体的实施方式中,所述制备乳酸的方法,包括:
在发酵阶段,从所述发酵罐加料管10向罐体1内一次性加入培养基水溶液液,培养基水溶液包括:碳源10~60g/L、蛋白胨10~15g/L、酵母提取物5~8g/L、柠檬酸三胺2~4g/L、以及无机盐约5~10g/L;
取培养好的初始OD600值约0.3~0.5的无菌种子液接种于发酵罐中,维持培养温度37~39℃,分别打开文丘里喷射器5和15,从空气进料管线(包括文丘里喷射器的空气进料管线、及与泡罩形鼓泡器相连接的空气进料管线)通入无菌空气,开启环流泵2和3,建立循环连续培养,在发酵过程中,环流管4/14出口位置的液体分别流入集液槽13/16,集液槽液体自流进入发酵罐下部;同时在线监测发酵液PH值,通过补料管8不断补加碱性液体,取样测试乳酸菌体的光密度OD600达到30~40,可认为菌体生长阶段结束,此时约培养1~3h。
本发明的方案中,在发酵阶段,首先将培养基水溶液和无菌种子液从加料管10一次性加入发酵罐体1内,所述培养基水溶液中碳源可选用葡萄糖或乳糖或木糖,其浓度为10~60g/L,优选为葡萄糖溶液,优选浓度为30~50g/L,当糖浓度高于60g/L时会抑制乳酸菌体的增殖速率,浓度低于10g/L会导致在增殖阶段后期速率较慢。
根据本发明的实施方式,无菌种子液的加入量和培养基水溶液的体积比为1:10~3:10,优选体积比为1:10;
根据本发明的实施方式,优选地,以所述发酵罐体总体积为基准,其中加料后所述培养基水溶液和无菌种子液体积约占到罐内总体积的12~40%;
根据本发明的实施方式,其中所述发酵培养基水溶液中还可根据需要添加无机盐。所述无机盐的作用在于维持渗透压、作为功能蛋白酶的激活物质等。优选地,所述无机盐可以包括:磷酸盐、可溶性镁盐、可溶性钠盐和可溶性锰盐。例如KH2PO4、K2HPO4,NaH2PO4、MgSO4、MgCl2、NaCl、MnSO4等。优选地,包括KH2PO4 2~4g/L,K2HPO4 2~4g/L,MgSO4 0.1~0.5g/L,NaCl 0.3~0.5g/L等;
在发酵罐中部和底部分为上下两层泡罩形鼓泡,优选通入无菌的富氧气体或0.1~0.3MPa空气,以此增大整个发酵液的气液传质推动力,通过上下两部分的气液传质实现罐内溶氧快速达到均衡,维持发酵液发酵阶段溶氧量DO值约为20~60%,优选溶氧量DO值40~50%;
发酵阶段发酵液的PH需要控制在6.5~6.8,一般需要加入碱性液体进行PH调节,可通过补加氢氧化钙水溶液、氢氧化钠水溶液、氨水控制,优选5%氨水溶液;
当发酵进入到产酸阶段时,可以调整外部环流泵2和3变频,减少空气的摄入量,维持产酸阶段溶氧量DO值约为2~15%,优选溶氧量DO值8~10%;打开所述发酵罐补料管8,不断流加95%碳源,在线监测发酵液的PH值,通过补料管8不断补加碱液,并且产酸阶段发酵液温度维持在40~42℃,同时实时监测残糖的浓度和乳酸的浓度。当监测到残糖浓度低于5%时,优选残糖浓度为1%,并且发酵液位达到罐体高度90%以上时,可认为本批次发酵结束;
本发明产酸阶段需要不断补加碱液控制PH在6.2~7.1之间,如氢氧化钙水溶液、氨水控制,优选3%氢氧化钙水溶液;
采用上述的技术方案,具有如下的技术效果:将发酵阶段和产酸阶段在同一罐体内进行,减少发酵罐数量,减少设备投资和占地,同时解决了发酵倒罐带来的染菌风险,增大了发酵效率。在本发明中处于细胞增殖期间的菌体,直接进入菌体增长的指数增长期,大幅度缩短了菌体生长的周期和产酸周期;
上、下两层集液槽通过底部液体分布孔增大了发酵液和空气接触面积,所述发酵液在集液槽中的停留时间非常短,较短的停留时间可以加快气液传质速率;
发酵过程中培养基优先选葡萄糖作为碳源,易于发酵后期的分离提取,所得到的乳酸纯度高,提高基质浓度会增加乳酸的产量,但是菌种耐受高浓度基质的能力有限,如果初糖浓度过高,必定抑制菌体生长,延长发酵周期;
利用了文丘里喷射器作为高性能气液混合器的特点,结合发酵罐内气相鼓泡和液相液体分布,使得空气充分分散到发酵液内,大幅度提高了传质效率,提高了发酵速度,发酵过程更加容易,且发酵罐内不需要设置挡板和配备搅拌,提高了装置的可靠性,是一种非常合适的发酵罐。
附图说明
图1是本发明的发酵罐结构示意图。
图2是本发明文丘里喷射器示意图。
图3是泡罩形鼓泡器的结构示意图。
图中符号的说明:
图1中包括发酵罐罐体1,环流泵2和3,环流管4和14,文丘里喷射器5和15,泡罩形鼓泡器6和17,夹套7,加料管10、补料管8,尾气排放管11,无菌空气进料管9,集液槽13和16。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各说明书个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明所述双环流鼓泡发酵罐主要包括:发酵罐罐体1、加料管10、补料管8、尾气排放管11,发酵罐罐体1内部设置有双层的泡罩形鼓泡器,包括下层泡罩形鼓泡器6和上层泡罩形鼓泡器17,下层泡罩形鼓泡器6和上层泡罩形鼓泡器17均与无菌空气进料管9相连以向罐体内提供无菌空气,泡罩形鼓泡器的上部为带有小孔的环形空气分布口,无菌空气管进口开口朝下,下层泡罩形鼓泡器6和上层泡罩形鼓泡器17的下部分别为集液槽16和13;发酵罐罐体1外侧设置有两组环流***,环流***包括依次连接的环流泵2/3、文丘里喷射器5/15和环流管4/14,环流管出口位置的液体可流入集液槽,集液槽液体自流进入发酵罐;发酵罐罐体1外部设置有夹套7,夹套7设置有温水保温或者循环水冷却;
上层泡罩形鼓泡器17安装位置约为整个罐体高度的40~45%;下层泡罩形鼓泡器6安装位置约为整个罐体高度的8~10%。
实施例中,文丘里喷射器的发酵液进口段开口内径:喷嘴内径:空气进口段气室收口内径:扩散混合段长度:扩散段长度的比例为40:2:4:60:1200。扩散段的开口角度为20°。
实施例1
发酵罐120L,高径比为2.5,上层泡罩形鼓泡器17安装位置约为整个罐体高度的40%;下层泡罩形鼓泡器6安装位置约为整个罐体高度的10%。
将无菌种子液(初始OD600值为0.3)和培养基水溶液(葡萄糖40g/L,蛋白胨10g/L、酵母提取物6g/L、柠檬酸三胺3g/L和无机盐8.7g/L,无机盐包括KH2PO4为4g/L,K2HPO4为4g/L,MgSO4为0.3g/L,NaCl为0.4g/L)共40L,无菌种子液和培养基液体积比为1:10,一次加入到双环流鼓泡发酵罐中,控制发酵液温度为38℃左右,然后打开文丘里喷射器5和15及环流泵2和3,通入约6vvm无菌空气进入发酵罐,维持发酵液溶氧DO值为40%,每个泵循环流量为500kg/h,补加5%氨水控制PH值为6.5,当菌体OD600值达到35时,减小无菌空气通气量维持发酵液溶氧DO值为8%,减小每个泵的循环量为250kg/h,补加95%葡萄糖水溶液2kg/h,滴加3%氢氧化钙水溶液约为1kg/h,控制PH在7.0左右,温度在42℃左右,当罐体内无葡萄糖残留,发酵液位达到罐体高度90%左右,停止补料、通空气,总糖酸转化率达到92%,乳酸产量可达到125g/L。总发酵时长约为10h,其中发酵阶段2h,产酸阶段8h。
实施例2
发酵罐120L,高径比为2.5,上层泡罩形鼓泡器17安装位置约为整个罐体高度的45%;下层泡罩形鼓泡器6安装位置约为整个罐体高度的10%。
将无菌种子液(初始OD600值为0.4)和培养基水溶液(葡萄糖50g/L、蛋白胨10g/L、酵母提取物6g/L、柠檬酸三胺3g/L和无机盐7.7g/L,无机盐包括KH2PO4为3.5g/L,K2HPO4为3.5g/L,MgSO4为0.3g/L,NaCl为0.4g/L)共45L,无菌种子液和培养基液体积比为2:10,一次加入到双环流鼓泡发酵罐中,控制发酵液温度为38℃左右,然后打开文丘里喷射器5和15及环流泵2和3,从空气管中通入约10vvm的无菌空气进入发酵罐,维持发酵液溶氧DO值为45%,每个环流泵的循环流量为500kg/h,补加5%氨水控制PH值为6.5,当菌体OD600值达到40时,减小无菌空气通气量维持发酵液溶氧DO值为10%,减小每个泵的循环量为250kg/h,补加95%葡萄糖水溶液2kg/h,滴加3%氢氧化钙水溶液约为1kg/h,控制PH在7.0左右,温度在42℃左右,当罐体内无葡萄糖残留,发酵液位达到罐体高度90%左右,停止补料、通空气,总糖酸转化率达到95%,乳酸产量可达到132g/L。总发酵时长约6h,其中发酵阶段2h,产酸阶段4h。
实施例3
发酵罐120L,高径比为2.5,上层泡罩形鼓泡器17安装位置约为整个罐体高度的40%;下层泡罩形鼓泡器6安装位置约为整个罐体高度的10%。
将无菌种子液(初始OD600值约为0.3)和培养基水溶液(葡萄糖40g/L,蛋白胨12g/L、酵母提取物5g/L、柠檬酸三胺3g/L和无机盐8.7g/L,无机盐包括KH2PO4为4g/L,K2HPO4为4g/L,MgSO4为0.3g/L,NaCl为0.4g/L)共50L,无菌种子液和培养基液体积比为1:10,一次加入到双环流鼓泡发酵罐中,控制发酵液温度为38℃左右,然后打开文丘里喷射器5和15及环流泵2和3,通入约10vvm无菌空气进入发酵罐,维持发酵液溶氧DO值为50%,每个泵循环流量为500kg/h,补加5%氨水量控制PH值为6.5,当菌体OD600值达到40时,减小无菌空气通气量维持发酵液溶氧DO值为10%,减小每个泵的循环量为250kg/h,补加95%葡萄糖水溶液2kg/h,滴加3%氢氧化钙水溶液为1kg/h,控制PH在7.0左右,温度在42℃左右,当罐体内无葡萄糖残留,发酵液位达到罐体高度90%左右,停止补料、通空气,总糖酸转化率达到96%,乳酸产量可达到133g/L。总发酵时长约为7h,其中发酵阶段2h,产酸阶段5h。
实施例4
发酵罐120L,高径比为2.0,上层泡罩形鼓泡器17安装位置约为整个罐体高度的40%;下层泡罩形鼓泡器6安装位置约为整个罐体高度的10%。
将乳酸发酵菌种无菌种子液(初始OD600值约为0.3)和培养基水溶液(葡萄糖40g/L,蛋白胨12g/L、酵母提取物6g/L、柠檬酸三胺2g/L和无机盐8.7g/L,无机盐包括KH2PO4为4g/L,K2HPO4为4g/L,MgSO4为0.3g/L,NaCl为0.4g/L)共40L,无菌种子液和培养基液体积比为1:10,一次加入到双环流鼓泡发酵罐中,控制发酵液温度为39℃左右,然后打开文丘里喷射器5和15及环流泵2和3,通入约15vvm无菌空气进入发酵罐,维持发酵液溶氧DO值为50%,每个泵循环流量为500kg/h,补加5%氨水控制PH值为6.8,当菌体OD600值达到40时,减小无菌空气通气量维持发酵液溶氧DO值为8%,减小每个泵的循环量为200kg/h,补加95%葡萄糖水溶液2kg/h,滴加3%氢氧化钙水溶液为1kg/h,控制PH在6.9左右,温度在42℃左右,当罐体内无葡萄糖残留,发酵液位达到罐体高度95%左右,停止补料、通空气,总糖酸转化率达到96%,乳酸产量可达到133g/L。总发酵时长约为8h,其中发酵阶段2h,产酸阶段6h。
对比例1
在一种搅拌发酵罐120L(与实施例3相比,没有双层泡罩形鼓泡器和文丘里喷射器)中,高径比为2.5,将菌种无菌种子液(初始OD600值约为0.3)和培养基水溶液(葡萄糖40g/L,蛋白胨12g/L、酵母提取物5g/L、柠檬酸三胺3g/L和无机盐8.7g/L,无机盐包括KH2PO4为4g/L,K2HPO4为4g/L,MgSO4为0.3g/L,NaCl为0.4g/L)共50L,无菌种子液和培养基液体积比为1:10,一次加入到120L发酵罐中,开启搅拌控制在200转/分钟,控制发酵液温度为38℃左右,从加料口10通入约10vvm无菌空气进入发酵罐,维持发酵液溶氧DO值为50%,补加5%氨水量控制PH值为6.5,当菌体OD600值达到40时,减小无菌空气通气量维持发酵液溶氧DO值为10%,补加95%葡萄糖水溶液2kg/h,滴加3%氢氧化钙水溶液为1kg/h,控制PH在7.0左右,温度在42℃左右,当罐体内无葡萄糖残留,发酵液位达到罐体高度90%左右,停止补料、通空气,总糖酸转化率为59%,乳酸产量为80g/L。总发酵时长为35h,其中发酵阶段8h,产酸阶段27h。
本发明不局限于上述实施方式不论在其形状或材料构成上作任何变化,凡是采用本发明所提供的结构设计都是本发明的一种变形均应认为在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双环流鼓泡发酵罐,包括:发酵罐罐体1、加料管10、补料管8、尾气排放管11,发酵罐罐体1内部设置有双层的泡罩形鼓泡器,包括下层泡罩形鼓泡器6和上层泡罩形鼓泡器17,下层泡罩形鼓泡器6和上层泡罩形鼓泡器17均与无菌空气进料管9相连以向罐体内提供无菌空气,每一层泡罩形鼓泡器的上部为带有小孔的环形空气分布口,无菌空气管进口开口朝下,下部分别为集液槽16和13;发酵罐罐体1外侧设置有两组环流***,环流***包括依次连接的环流泵2/3、文丘里喷射器5/15和环流管4/14;
发酵罐罐体1外部设置有夹套7,夹套7设置有温水保温或者循环水冷却;
优选的,上层泡罩形鼓泡器17安装位置为整个罐体高度的40~45%;下层泡罩形鼓泡器6安装位置约为整个罐体高度的8~10%;
优选地,在加料管、补料管的中上部分别设置倒U形弯管。
2.根据权利要求1所述的双环流鼓泡发酵罐,其中,所述发酵罐罐体的高径比为1.7~3。
3.一种利用权利要求1或2所述的双环流鼓泡发酵罐生产乳酸的方法,包括发酵阶段和产酸阶段:
在发酵阶段,从所述发酵罐加料管10向发酵罐罐体1内一次性加入培养基水溶液和无菌种子液;维持培养温度37~39℃,分别打开文丘里喷射器5和15,通入无菌空气,开启环流泵2和3,建立循环连续培养;在线监测发酵液PH值,通过补料管8不断补加碱性液体,取样测试乳酸菌体的光密度OD600达到30~40,菌体生长阶段结束,
当发酵进入到产酸阶段时,减少空气的摄入量,通过补料管8不断流加碳源,在线监测发酵液的PH值,并且产酸阶段发酵液温度维持在40~42℃,同时实时监测发酵罐体内残糖的浓度和乳酸的浓度;当监测到残糖浓度低于5%并且发酵液位达到罐体高度90%以上时,本批次发酵结束。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,培养基水溶液包括:碳源10~60g/L、蛋白胨10~15g/L、酵母提取物5~8g/L、柠檬酸三胺2~4g/L、以及无机盐5~10g/L,优选的,无机盐包括:磷酸盐、可溶性镁盐、可溶性钠盐和可溶性锰盐,例如KH2PO4、K2HPO4,NaH2PO4、MgSO4、MgCl2、NaCl、MnSO4,优选地,包括KH2PO4 2~4g/L,K2HPO4 2~4g/L,MgSO4 0.1~0.5g/L,NaCl 0.3~0.5g/L。
5.根据权利要求3或4所述的方法,其中,无菌种子液接初始OD600值为0.3~0.5,无菌种子液和培养基水溶液的体积比为1:10~3:10。
6.根据权利要求3-5任一项所述的方法,其中,培养基水溶液和无菌种子液体积占罐内总体积的12~40%。
7.根据权利要求3-6任一项所述的方法,其中,发酵阶段,维持发酵液溶氧量DO值为20~60%,优选溶氧量DO值40~50%。
8.根据权利要求3-7任一项所述的方法,其中,发酵阶段,发酵液的PH控制在6.5-6.8。
9.根据权利要求3-8任一项所述的方法,其中,产酸阶段,维持发酵液溶氧量DO值为2~15%,优选溶氧量DO值8~10%。
10.根据权利要求3-9任一项所述的方法,其中,产酸阶段,控制PH在6.2~7.1。
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