CN115627215B - 一种提高降解效率的微生物发酵罐 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发酵领域，涉及一种提高降解效率的微生物发酵罐，包括，首端发酵反应器，其设有一桶状第一槽体，第一槽体内底部设置有用于提供预发酵过程中需要的气体的第一注气单元；尾端发酵反应器，其设有用于为首端发酵反应器产生的预发酵物再次发酵的第二槽体，所述第二槽体底部设置有为预发酵物再次发酵的第二注气单元，第二槽体外部设置有第二加热单元；空气压缩机，设置有用于对注入气体进行灭菌的灭菌机构；控制机，用于在首端发酵反应器内微生物长势处于对数生长期时，将预发酵液注入尾端发酵反应器，并根据尾端发酵反应器内微生物生长速率对加热机构的温度变换频率进行调节，以提高微生物在培养液中的降解效率。

Description

一种提高降解效率的微生物发酵罐
技术领域
本发明涉及发酵领域，尤其涉及一种提高降解效率的微生物发酵罐。
背景技术
微生物发酵即是指利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。微生物发酵生产水平主要取决于菌种本身的遗传特性和培养条件。微生物发酵过程根据发酵条件要求分为好氧发酵和厌氧发酵。其中，好氧发酵法有液体表面培养发酵、在多孔或颗粒状固体培养基表面上发酵和通氧深层发酵等方法。好氧发酵的影响因素主要为适宜微生物生长的温度和氧气含量以及氧气的传递均匀。
中国专利CN 113213992 B 公开了一种微生物发酵反应釜，通过设置反应釜本体和安装在反应釜本体上的反应釜盖，所述反应釜盖上安装有驱动装置，所述反应釜本体上设有进出口装置以达到提高原料的搅拌效率，同时也能使原料在反应釜内进行充分的翻搅的目的，但仍未解决好氧发酵过程中如何控制发酵温度和氧气注入情况以提高发酵效率的技术问题。
发明内容
为此，本发明提供一种提高降解效率的微生物发酵罐，可以解决无法利用空气压缩机使用过程中的剩余热量提高微生物发酵罐内微生物发酵效率的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种提高降解效率的微生物发酵罐，包括：
首端发酵反应器，其设有一桶状第一槽体，所述第一槽体提供有包裹于膜内的微生物与培养液进行发酵的空间，第一槽体内底部设置有用于提供预发酵过程中需要的气体的第一注气单元，第一槽体外部设置有第一加热单元；
尾端发酵反应器，其与所述首端发酵反应器相连接，其设有用于为首端发酵反应器产生的预发酵物再次发酵的第二槽体，所述第二槽体底部设置有为预发酵物再次发酵的第二注气单元，第二槽体外部设置有第二加热单元；
空气压缩机，其设置有两个排气管道，各所述排气管道分别向所述首端发酵反应器和所述尾端发酵反应器内注入气体，所述空气压缩机内设置有用于对注入气体进行灭菌的灭菌机构，空气压缩机两侧设置有用于为空气压缩机内空气提供对流的加热机构，所述加热机构与所述第一加热单元和所述第二加热单元相连接，以将加热机构的热能传递给首端发酵反应器和尾端发酵反应器；
控制机，其与所述首端发酵反应器、所述尾端发酵反应器以及所述空气压缩机相连接，用于在首端发酵反应器内微生物长势处于对数生长期时，将预发酵液注入尾端发酵反应器，并根据尾端发酵反应器内微生物生长速率对加热机构的温度变换频率进行调节，以提高微生物在培养液中的降解效率。
进一步地，所述控制机将预设培养时间获取的所述首端发酵反应器内微生物细胞密度与微生物生长标准曲线的细胞密度相比较，对微生物生长速率进行判定，当生长速率不符合标准时，控制机根据首端发酵反应器温度或微生物的分散程度判定是否对第一注气单元的转动速率以及气体注入量进行调节，其中，控制机获取预设培养时间首端发酵反应器内微生物细胞密度变化率p与微生物生长标准曲线对数生长期微生物细胞密度变化率P进行比较，对微生物的生长速率进行判定，其中，
当p＜P-△p，所述控制机判定所述首端发酵反应器内的微生物生长速率不符合标准，其生长周期未处于对数生长期；
当P-△p≤p≤P+△p，所述控制机判定所述首端发酵反应器内的微生物生长速率符合标准，其生长周期处于对数生长期；
当p＞P+△p，所述控制机判定所述首端发酵反应器内的微生物生长速率不符合标准；
其中，△p为控制机预设细胞密度变化率误差值。
进一步地，所述控制机在第一条件下，根据所述加热机构的第一热交换器与第二热交换器温度变换频率f提高所述加热机构的第一热交换器的第一温度，以提高首端发酵反应器的温度，其中，当f≤F，所述控制机采用第一调节参数k1提高所述第一热交换器的第一温度w1至w11，设定w11=w1×k1；当f＞F，所述控制机开启连接于第一加热单元和第二加热单元之间的换向阀，将第二加热单元的热量传递至第一加热单元；
其中，所述第一条件为所述首端发酵反应器的发酵温度低于预设预发酵温度，且首端发酵反应器内微生物的生长周期未处于对数生长期，所述控制机预设温度变换频率F，k1=k0×(1+(F-f)/F0)，其中，k0为预设调节参数标准值，F0为预设温度变换频率标准值。
进一步地，所述控制机在第二条件下，根据所述首端发酵反应器内微生物分散程度y对所述第一注气单元的转动速率以及气体注入速率进行调节，其中，当y≤Y，所述控制机提高所述第一注气单元的气体注入速率vs至vs1，设定vs1=vs×（1+（Y-y）/Y）；当y＞Y，所述控制机提高所述第一注气单元的转动速率cs至cs1，设定cs1=cs×(1+(y-Y)/Y)；
其中，第二条件为所述首端发酵反应器的发酵温度高于预设预发酵温度，且首端发酵反应器内微生物的生长周期未处于对数生长期，所述控制机预设分散程度标准值Y。
进一步地，所述首端发酵反应器包括微生物注入单元，所述微生物注入单元包括控制注入器转动速率的驱动器，所述控制机预设第一注气单元转动速率最大值csmax，调节后的第一注气单元的转动速率cs1大于预设第一注气单元转动速率最大值csmax，控制机判定将第一注气单元转动速率设为csmax，同时将下次微生物注入时的转动速率vb提高至vb1，设定vb1=vb×（1+（cs1-csmax）/csmax）。
进一步地，所述首端发酵反应器的预发酵物注入尾端发酵反应器后经过预设再发酵时间，对尾端发酵反应器微生物生长速率进行检测，控制机将获取的尾端发酵反应器微生物生长速率h与预设生长速率H相比较，若尾端发酵反应器微生物生长速率大于预设生长速率，控制机不对第二注气单元的气体注入速率和第二注气单元的转动速率进行调节，若尾端发酵反应器微生物生长速率小于预设生长速率，控制机根据尾端发酵反应器的温度判定是否对第二注气单元的气体注入速率和第二注气单元的转动速率进行调节。
进一步地，所述尾端发酵反应器微生物生长速率小于预设生长速率时，控制机获取尾端发酵反应器的温度d与预设再发酵温度D相比较，判定是否对第二注气单元的气体注入速率和第二注气单元的转动速率进行调节，其中，
当d≤D，所述控制机判定将所述第二热交换器的第一温度w2提高至w21，设定w21=w2×（1+（D-d）/d）；
当d＞D，所述控制机提高所述第二注气单元的转动速率cw至cw1，设定cw1=cw×(1+(d-D)/D)，同时提高第二注气单元的气体注入速率vw至vw1，设定vw1=vw×(1+(d-D)/D)。
进一步地，所述尾端发酵反应器外壁设置至少一超声波发生器，其用于促进微生物发酵，所述控制机预设第二注气单元转动速率cwmax，当调节后的所述第二注气单元的转动速率cw1大于预设第二注气单元转动速率最大值cwmax，控制机将第二注气单元的转动速率设为cwmax，并启动超声波发生器，将超声波发生器的频率E调节为E1，设定E1=E×(1+(cw1-cwmax)/cwmax)。
进一步地，所述控制机根据调节后的第一注气单元的注入速率vs1和第二注气单元的注气速率vw1缩短所述空气压缩机的温度变换频率f0至f1，设定f1=f×(1-0.5×(vs1-vs)/vs×0.8×(vw1-vw)/vw)。
进一步地，所述控制机在第三条件下，提高所述空气压缩机的温度变换频率fq至fq1，设定fq1=fq×1.25，所述第三条件为p＞P+△p，且所述控制机判定空气压缩机灭菌不符合标准，q=0，1。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明将微生物附着于膜上，能够使附着物附着的微生物在培养液中聚集生长，同时脱离于培养液内，利用培养液的营养物质繁殖，同时附着物上微生物在生长繁殖过程中，循序渐进与附着物脱离，以使微生物有序生长，同时保障附着物上微生物存留，用以循环利用，实现发酵的同时能够延长微生物的使用时间，同时，本发明设置有将微生物培养至对数生长期的首端发酵反应器，以及将对数生长期的发酵产物稳定培养的尾端发酵反应器，并通过向首端发酵反应器和尾端发酵反应器内注入灭菌的气体实现有氧发酵并对各反应器内的发酵液进行搅拌作用，利用促进空气压缩机中气体对流的加热机构的热量为反应器提供适合发酵过程的最佳温度，以提高微生物在发酵液中的降解效率。
尤其，本发明根据首端发酵反应器内微生物细胞密度变化率与标准曲线中的生长对数期的细胞密度变化率相比较，对首端发酵反应器内微生物的生长速率进行评价，同时判定其是否处于生长对数期，其中，若微生物细胞密度变化率小于标准曲线生长对数期的细胞密度变化率的误差范围，则说明首端发酵反应器内微生物的生长速率不符合标准，其较标准值低，则证明其还未达到对数生长期，表明当前首端发酵反应器的效率过低，若微生物细胞密度变化量大于标准曲线生长对数期的细胞密度变化率的误差范围，则说明当前生长速率过快，表征其可能存在引入杂菌的情况，对微生物纯度进行检测，而若微生物细胞密度变化率在标准曲线生长对数期的细胞密度变化率的误差范围内，则说明首端发酵反应器内的微生物生长速率符合标准，且其生长周期处于对数生长期，将处于对数生长期的微生物预发酵液注入尾端发酵反应器进行发酵。
尤其，本发明在确定首端发酵反应器内微生物生长周期未在预设时间内达到生长对数期，同时检测到首端发酵器的温度过低的条件下，通过根据第一热交换器和第二热交换器的温度变换频率对第一热交换器的高温温度进行修正，以避免温度变换频率过快的原因导致首端发酵反应器温度过低进而影响其培养的微生物生长速率过低的问题，其中，控制机获取温度变换频率低于预设温度变换频率，说明第二加热单元温度过低的原因不在于温度变换频率造成的温度保持时间短，而在于第一热交换器的设置温度过低，因此控制机选取最大的调节参数对第一热交换器高温温度进行提高，进而改善首端发酵反应器的温度，而控制机在获取空气压缩机的温度变换频率超过预设温度变换频率时，说明当前造成首端发酵反应器发酵温度达不到标准的原因在于温度变换频率过快，缩短了第一加热单元对首端发酵反应器的加热时间，控制器判定开启连接于第一加热单元和第二加热单元之间的换向阀，将第二加热单元的热量传递至第一加热单元，延长了第一加热单元对首端发酵反应器的加热时间。
尤其，本发明在确定首端发酵反应器内发酵温度高于预设预发酵温度，说明首端发酵反应器内的微生物生长周期与预定时间内未达到对数生长期的原因并非发酵温度，而是由于首端发酵反应器内微生物与培养液混合不均匀或气体注入量不足，控制机通过获取首端发酵反应器微生物分散程度与预设分散程度相比较，对分散程度符合标准即首端发酵反应器内微生物分散程度小于等于预设分散程度的情况，则通过提高第一注气单元的气体注入速率以调控首端发酵反应器内的气体注入量，而在分散程度不符合标准时，通过提高第一注气单元的转动速率以使首端发酵反应器内微生物的分散程度符合标准。
尤其，本发明通过在首端发酵反应器顶部设置可控制注入转速的微生物注入单元，在对第一注气单元转动速率达到最大时，为避免第一注气单元转动速率过大造成微生物细胞破裂，控制机将第一注气单元转动速率调节至预设最大值，并控制提高微生物注入单元的转动速率，以提高下一预发酵过程中，微生物初始分散程度。
尤其，本发明对再发酵的尾端发酵反应器的微生物生长速率进行检测，并将获取的尾端发酵反应器的微生物生长速率与预设生长速率相比较，并判定是否根据尾端发酵反应器的温度对第二注气单元的气体注入速率和第二注气单元的转动速率进行调节，其中，尾端发酵反应器的微生物生长速率大于预设生长速度，则判定当前尾端发酵反应器的微生物生长速率符合标准，而在尾端发酵反应器微生物生长速率小于预设生长速率时，判定当前尾端发酵反应器的微生物生长速率不符合标准，控制机将尾端发酵反应器的温度与预设再发酵温度相比较以确定尾端发酵反应器微生物生长速率不符合标准的原因，若尾端发酵反应器的温度低于预设再发酵温度，则通过提高第二热交换器的高温温度，以提高第二加热单元的加热温度，进而提高尾端发酵反应器的再发酵温度，若尾端发酵反应器的温度高于预设再发酵温度，说明尾端发酵反应器内微生物繁殖过慢的原因在于通气量不足，微生物分散程度不够，因此，控制机同时提高第二注气单元的转动速率和气体注入速率，以使尾端发酵反应器的微生物生长速率符合标准。
尤其，本发明通过在尾端发酵反应器上设置若干超声波发生器，超声波发生器对尾端发酵反应器内的微生物具有振荡和加强培养作用，在控制机获取第二注气单元的转动速率超出预设第二注气单元转动速率最大值，控制机通过启动超声波发生器并根据调节后的转速与预设第二注气单元转动速率的差值提高超声波发生器的频率，促进尾端发酵反应器内微生物的发酵。
尤其，本发明为避免空气压缩机内灭菌的气体量达不到向各发酵反应器内的注入量，控制机根据获取调节后的第一注气单元的注气速率与第二注气单元的注气速率对空气压缩机的温度变换频率进行调节，以提高空气压缩机中的对流速率，提高空气压缩机内气体灭菌速率，确保大量灭菌合格的气体注入首端发酵反应器和尾端发酵反应器，以使空气压缩机内产出灭菌合格的气体量能够满足注入量。
尤其，本发明在获取首端发酵反应器内微生物细胞密度超出预设细胞密度范围时，同时排出其他位点污染点后确定空气压缩机灭菌效果不佳时，通过提高空气压缩机的温度变换频率以提高灭菌效率。
附图说明
图1为本发明实施例提高降解效率的微生物发酵罐结构示意图；
图2为本发明实施例芽孢杆菌生长标准曲线；
图3为本发明实施例首端发酵反应器结构示意图；
图4为本发明实施例尾端发酵反应器结构示意图；
图5为本发明实施例各注入单元结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
请参阅图1所示，其为本发明实施例提高降解效率的微生物发酵罐结构示意图，包括，
首端发酵反应器1，其设有一桶状第一槽体，所述第一槽体提供有包裹于膜内的微生物与培养液进行发酵的空间，第一槽体内底部设置有用于提供预发酵过程中需要的气体的第一注气单元12，第一槽体外部设置有第一加热单元11；
尾端发酵反应器2，其与所述首端发酵反应器相连接，其设有用于为首端发酵反应器产生的预发酵物再次发酵的第二槽体，所述第二槽体底部设置有为预发酵物再次发酵的第二注气单元22，第二槽体外部设置有第二加热单元23，所述尾端发酵反应器还包括伸入第一槽体内并与第二槽体底部相连接的导管24以及控制注入第二槽体内的预发酵液量的第一泵体23；
空气压缩机3，其设置有两个排气管道，各所述排气管道分别向所述首端发酵反应器和所述尾端发酵反应器内注入气体，其中，第一排气管道上设置有控制向首端发酵反应器气体注入速率的第二泵体31，第二排气管道上设置有控制向尾端发酵反应器气体注入速率的第三泵体37，所述空气压缩机内设置有用于对注入气体进行灭菌的灭菌机构，空气压缩机两侧设置有用于为空气压缩机内空气提供对流的加热机构，所述加热机构与所述第一加热单元和所述第二加热单元相连接，以将加热机构的热能传递给首端发酵反应器和尾端发酵反应器，所述加热机构包括控制第一加热管温度的第一热交换器32，控制第二加热管温度的第二热交换器33，所述第一加热管上设置有第一三通阀34，所述第二加热管上设置有第二三通阀36，所述加热机构还包括将用于将第一加热单元和第二加热单元热量相互转换的换向阀35；
控制机，其与所述首端发酵反应器、所述尾端发酵反应器以及所述空气压缩机相连接，用于在首端发酵反应器内微生物长势处于对数生长期时，将预发酵液注入尾端发酵反应器，并根据尾端发酵反应器内微生物生长速率对加热机构的温度变换频率进行调节，以提高微生物在培养液中的降解效率。
在使用中，附着微生物的附着物于首端发酵反应器内发酵至微生物对数生长期后，注入尾端发酵反应器进行再发酵，在首端发酵反应器和尾端发酵反应器发酵过程中，空气压缩机内的空气经灭菌后分别经各排气管道注入首端发酵反应器和尾端发酵反应器内对各发酵反应器内的发酵液进行搅拌和供气，为提高空气压缩机内气体的灭菌效率，本发明实施例在空气压缩机上设置有加热机构，通过加热机构的热交换器对空气压缩机上的空气进行升温和降温，实现空气压缩机内气体的对流，提高气体的流动，进而实现提高气体的灭菌效率，更具体地说，本发明实施例加热机构的第一热交换器将温度升高的液体经过设置于空气压缩机一侧的加热管对空气压缩机一侧的气体加热，第一三通阀开启通过第一加热单元的阀门，将对空气压缩机一侧气体加热后的液体注入第一加热单元，使用升温的液体向首端发酵反应器提供热量，充分利用能量资源，避免资源浪费，此时，第二热交换器将温度降低的液体经过设置于空气压缩机另一侧的加热管对空气压缩机另一侧的气体降温，第二三通阀开启通过第二回收管道的阀门，将降温后的液体回收，经过一段时间后，第一热交换器将温度降低的液体经过设置于空气压缩机一侧的加热管对空气压缩机一侧的气体降温第一三通阀开启通过第一回收管道的阀门，将对空气压缩机一侧气体降温后的液体回收，同时，第二热交换器将温度升高的液体经过设置于空气压缩机另一侧的加热管对空气压缩机另一侧的气体升温，第二三通阀开启通过第二加热单元的阀门，将升温后的液体供给尾端发酵反应器以热量。
具体而言，本发明将微生物附着于膜上，能够使附着物附着的微生物在培养液中聚集生长，同时脱离于培养液内，利用培养液的营养物质繁殖，同时附着物上微生物在生长繁殖过程中，循序渐进与附着物脱离，以使微生物有序生长，同时保障附着物上微生物存留，用以循环利用，实现发酵的同时能够延长微生物的使用时间，同时，本发明设置有将微生物培养至对数生长期的首端发酵反应器，以及将对数生长期的发酵产物稳定培养的尾端发酵反应器，并通过向首端发酵反应器和尾端发酵反应器内注入灭菌的气体实现有氧发酵并对各反应器内的发酵液进行搅拌作用，利用促进空气压缩机中气体对流的加热机构的热量为反应器提供适合发酵过程的最佳温度，以提高微生物在发酵液中的降解效率。
具体而言，本发明实施例采用微生物发酵罐生产嗜热链球菌发酵剂为例，将嗜热链球菌与培养液中于42℃温度下培养10h形成活化的嗜热链球菌，其中，培养液中设置有供以嗜热链球菌生长的附着物，活化后，将附着有嗜热链球菌的附着物投入首端发酵反应器内，利用首端发酵反应器内的培养液的营养物质进行繁殖，在首端发酵反应器内的膜内微生物生长阶段为对数期时，将首端发酵反应器内的预发酵液注入尾端发酵反应器，与尾端发酵反应器的培养液混合发酵，经过5-6h制得酸奶发酵剂，其中，活化的嗜热链球菌培养液包括，乳糖5.0g，大豆蛋白胨5.0g、胰蛋白胨6.0g、牛肉膏6.0g、酵母粉2.0g、抗坏血酸0.5g、硫酸镁0.5g、β-甘油磷酸二钠20.0g、蒸馏水定量至1000ml，所述活化的嗜热链球菌培养液和附着物灭菌后使用，首端发酵反应器和尾端发酵反应器的培养液为脱脂奶粉100.0g、酵母膏8.0g、抗坏血酸1.0g、碳酸钙9.0g，蒸馏水定量至1000ml。
具体而言，本发明实施例采用微生物发酵罐生产芽孢杆菌发酵剂为例，将芽孢杆菌接种于培养基中活化，活化后的芽孢杆菌与培养液混合，培养液中设置有供以芽孢杆菌生长的附着物，将附有芽孢杆菌的附着物投入首端发酵反应器培养4h，首端发酵反应器内的微生物培养至对数生长期后注入尾端反应发酵期进行再次发酵，经过6h发酵制得芽孢杆菌发酵剂，其中，活化培养基包括全脂奶粉20g、琼脂10g、七水硫酸锰0.05g、碳酸钙20g、乙酸钠5.0g、柠檬酸二胺2.0g、磷酸氢二钾2.0g、七水硫酸镁0.02g、吐温80 1.0g，蒸馏水定量至1000ml，首端发酵反应器的培养液为全脂奶粉25g、七水硫酸锰0.05g、碳酸钙20g、乙酸钠5.0g、柠檬酸二胺2.0g、磷酸氢二钾2.0g、七水硫酸镁0.02g、吐温80 1.0g，并辅以其他营养物质，并将蒸馏水定量至1000ml，尾端发酵反应器的培养液为灭菌后的原料奶时，则产出酸奶。
具体而言，本发明实施例采用微生物发酵罐还可以应用于发酵有机肥、腐熟餐厨垃圾等，以发酵有机肥为例，将菌剂活化，与附着物粘附，将附着物投入首端发酵反应器中，首端发酵反应器内的培养基为适宜菌剂生长的培养液，待首端发酵反应器内的菌剂细胞密度变化率达到预设标准，将其投入尾端发酵反应器内，尾端发酵反应器内为待发酵的有机材料，例如，粪便或秸秆等，采用本发明实施例发酵有机肥能够提高腐熟时间为1-2天，采用菌剂对有机肥发酵的时间为4-6天，其中，首端发酵反应器与尾端发酵反应器的温度根据菌剂和发酵环境的适宜条件进行设定。
其中，所述控制机将预设培养时间获取的所述首端发酵反应器内微生物细胞密度与微生物生长标准曲线的细胞密度相比较，对微生物生长速率进行判定，当生长速率不符合标准时，控制机根据首端发酵反应器温度或微生物的分散程度判定是否对第一注气单元的转动速率以及气体注入量进行调节，其中，控制机获取预设培养时间首端发酵反应器内微生物细胞密度变化率p与微生物生长标准曲线对数生长期微生物细胞密度变化率P进行比较，对微生物的生长速率进行判定，其中，
当p＜P-△p，所述控制机判定所述首端发酵反应器内的微生物生长速率不符合标准，其生长周期未处于对数生长期；
当P-△p≤p≤P+△p，所述控制机判定所述首端发酵反应器内的微生物生长速率符合标准，其生长周期处于对数生长期；
当p＞P+△p，所述控制机判定所述首端发酵反应器内的微生物生长速率不符合标准；
其中，△p为控制机预设细胞密度变化率误差值。
具体而言，本发明实施例对首端发酵反应器内微生物细胞密度的测定不作限定，其可以通过对首端发酵反应器内发酵液中次生代谢物质的浓度用以表征微生物细胞密度，也可以通过对首端发酵反应器内微生物细胞数量进行测定，进而确定微生物细胞密度变化率，根据待培养的微生物在培育过程中，各培育时间的细胞密度绘制微生物生长标准曲线，以芽孢杆菌为例，参阅图2所示，其为本发明实施例芽孢杆菌生长标准曲线示意图，获取芽孢杆菌标准曲线中对数生长期的细胞密度变化率P为1.7，以芽孢杆菌发酵过程中次生代谢物质芽孢为细胞密度的指标，首端发酵反应器内第一预设培养时间点芽孢杆菌次生代谢物质芽孢含量ρ1为第一预设培养时间细胞密度，第二预设培养时间点芽孢杆菌次生代谢物质芽孢含量ρ2为第二预设培养时间点细胞密度，第三预设培养时间点芽孢杆菌次生代谢物质芽孢含量ρ3为第三预设培养时间点细胞密度，设定微生物细胞密度变化率p=（ρ3-ρ2）/(ρ2-ρ1)；当以芽孢杆菌发酵过程中芽孢杆菌细胞数量为细胞密度的指标时，首端发酵反应器内第一预设培养时间点芽孢杆菌定量取样中细胞数量ρ1为第一预设培养时间细胞密度，第二预设培养时间点芽孢杆菌定量取样中细胞数量ρ2为第二预设培养时间点细胞密度，第三预设培养时间点芽孢杆菌定量取样中细胞数量ρ3为第三预设培养时间点细胞密度，设定微生物细胞密度变化率p=（ρ3-ρ2）/(ρ2-ρ1)。
具体而言，本发明根据首端发酵反应器内微生物细胞密度变化率与标准曲线中的生长对数期的细胞密度变化率相比较，对首端发酵反应器内微生物的生长速率进行评价，同时判定其是否处于生长对数期，其中，若微生物细胞密度变化率小于标准曲线生长对数期的细胞密度变化率的误差范围，则说明首端发酵反应器内微生物的生长速率不符合标准，其较标准值低，则证明其还未达到对数生长期，表明当前首端发酵反应器的效率过低，若微生物细胞密度变化量大于标准曲线生长对数期的细胞密度变化率的误差范围，则说明当前生长速率过快，表征其可能存在引入杂菌的情况，对微生物纯度进行检测，而若微生物细胞密度变化率在标准曲线生长对数期的细胞密度变化率的误差范围内，则说明首端发酵反应器内的微生物生长速率符合标准，且其生长周期处于对数生长期，将处于对数生长期的微生物预发酵液注入尾端发酵反应器进行发酵。
所述控制机在第一条件下，根据所述加热机构的第一热交换器与第二热交换器温度变换频率f提高所述加热机构的第一热交换器的第一温度，以提高首端发酵反应器的温度，其中，当f≤F，所述控制机采用第一调节参数k1提高所述第一热交换器的第一温度w1至w11，设定w11=w1×k1；当f＞F，所述控制机开启连接于第一加热单元和第二加热单元之间的换向阀，将第二加热单元的热量传递至第一加热单元；
其中，所述第一条件为所述首端发酵反应器的发酵温度低于预设预发酵温度，且首端发酵反应器内微生物的生长周期未处于对数生长期，所述控制机预设温度变换频率F，k1=k0×(1+(F-f)/F0)，其中，k0为预设调节参数标准值，F0为预设温度变换频率标准值。
具体而言，本发明在确定首端发酵反应器内微生物生长周期未在预设时间内达到生长对数期，同时检测到首端发酵器的的温度过低的条件下，通过根据第一热交换器和第二热交换器的温度变换频率对第一热交换器的第一温度进行修正，以避免温度变换频率过快的原因导致首端发酵反应器温度过低进而影响其培养的微生物生长速率过低的问题，其中，控制机获取温度变换频率低于预设温度变换频率，说明第二加热单元温度过低的原因不在于温度变换频率造成的温度保持时间段，而在于第一热交换器的设置温度过低，因此控制机选取最大的调节参数对第一热交换器第一温度进行提高，进而改善首端发酵反应器的温度，而控制机在获取空气压缩机的温度变换频率超过预设温度变换频率时，说明当前造成首端发酵反应器发酵温度达不到标准的原因在于温度变换频率过快，缩短了第一加热单元对首端发酵反应器的加热时间，控制器判定开启连接于第一加热单元和第二加热单元之间的换向阀，将第二加热单元的热量传递至第一加热单元，延长了第一加热单元对首端发酵反应器的加热时间。
具体而言，本发明实施例对空气压缩机的温度变换频率不作限定，其需要根据空气压缩机内单次灭菌的气体量进行具体设定，本发明实施例提供一种优选的实施方案，当对芽孢杆菌进行发酵时，首端发酵反应器内的最适的温度为30℃，尾端发酵反应器最适的温度为35℃，将第一热交换器的高温温度即第一热交换器的第一温度设置为35-40℃，第一交换器的低温温度即第一热交换器的第二温度设置为25-30℃，第二热交换器的高温温度即第二热交换器的第一温度设置为40-45℃，第二热交换器的低温温度即第二热交换器的第二温度设置为25-30℃，加热机构中各热交换器高温和低温的交换时间5-8min即为空气压缩机的温度变换频率能够为1L体积的各发酵反应器提供单位时间为30ml的空气注入量。
所述控制机在第二条件下，根据所述首端发酵反应器内微生物分散程度y对所述第一注气单元的转动速率以及气体注入速率进行调节，其中，当y≤Y，所述控制机提高所述第一注气单元的气体注入速率vs至vs1，设定vs1=vs×（1+（Y-y）/Y）；当y＞Y，所述控制机提高所述第一注气单元的转动速率cs至cs1，设定cs1=cs×(1+(y-Y)/Y)；
其中，第二条件为所述首端发酵反应器的发酵温度高于预设预发酵温度，且首端发酵反应器内微生物的生长周期未处于对数生长期，所述控制机预设分散程度标准值Y。
具体而言，本发明在确定首端发酵反应器内发酵温度高于预设预发酵温度，说明首端首端发酵反应器内的微生物生长周期与预定时间内未达到对数生长期的原因并非发酵温度，而是由于首端发酵反应器内微生物与培养液混合不均匀或气体注入量不足，控制机通过获取首端发酵反应器微生物分散程度与预设分散程度相比较，对分散程度符合标准的即首端发酵反应器内微生物分散程度小于等于预设分散程度，则通过提高第一注气单元的气体注入速率以调控首端发酵反应器内的气体注入量，而在分散程度不符合标准时，通过提高第一注气单元的转动速率以使首端发酵反应器内微生物的分散程度符合标准。
具体而言，本发明实施例通过对首端发酵反应器内各点取样，获取各点细胞密度根据方差公式确定微生物的分散程度，更具体地说，本发明实施例获取首端发酵反应器内各点细胞密度为6.2×105CFU/ml、5.9×105CFU/ml、7.1×105CFU/ml、6.0×105CFU/ml、5.8×105CFU/ml，获取实时微生物分散程度为（（6.2-6.2）2+（5.9-6.2）2+（7.1-6.2）2+（6.0-6.2）2+（5.8-6.2）2）/5=0.22，该分散程度小于预设分散程度0.8，即符合标准。
请参阅图3所示，其为本发明实施例首端发酵反应器结构示意图，所述首端发酵反应器包括微生物注入单元，所述微生物注入单元包括控制注入器14转动速率的驱动器13，所述控制机预设第一注气单元转动速率最大值csmax，调节后的第一注气单元的转动速率cs1大于预设第一注气单元转动速率最大值csmax，控制机判定将第一注气单元转动速率设为csmax，同时将下次微生物注入时的转动速率vb提高至vb1，设定vb1=vb×（1+（cs1-csmax）/csmax）。
请继续参阅图3所示，所述首端发酵反应器设置有若干用于检测微生物细胞密度的抽样口，其中，第一抽样口15、第二抽样口16以及第三抽样口17，分别对首端发酵反应器各点的微生物细胞密度进行检测。
具体而言，本发明通过在首端发酵反应器顶部设置可控制注入转速的微生物注入单元，在对第一注气单元转动速率达到最大时，为避免第一注气单元转动速率过大造成微生物细胞破裂，控制机将第一注气单元转动速率调节至预设最大值，并控制提高微生物注入单元的转动速率，以提高下一预发酵过程中，微生物初始分散程度。
所述首端发酵反应器的预发酵物注入尾端发酵反应器后经过预设再发酵时间，对尾端发酵反应器微生物生长速率进行检测，控制机将获取的尾端发酵反应器微生物生长速率h与预设生长速率H相比较，若尾端发酵反应器微生物生长速率大于预设生长速率，控制机不对第二注气单元的气体注入速率和第二注气单元的转动速率进行调节，若尾端发酵反应器微生物生长速率小于预设生长速率，控制机根据尾端发酵反应器的温度判定是否对第二注气单元的气体注入速率和第二注气单元的转动速率进行调节。
其中，所述尾端发酵反应器微生物生长速率小于预设生长速率时，控制机获取尾端发酵反应器的温度d与预设再发酵温度D相比较，判定是否对第二注气单元的气体注入速率和第二注气单元的转动速率进行调节，其中，
当d≤D，所述控制机判定将所述第二热交换器的第一温度w2提高至w21，设定w21=w2×（1+（D-d）/d）；
当d＞D，所述控制机提高所述第二注气单元的转动速率cw至cw1，设定cw1=cw×(1+(d-D)/D)，同时提高第二注气单元的气体注入速率vw至vw1，设定vw1=vw×(1+(d-D)/D)。
具体而言，本发明对再发酵的尾端发酵反应器的微生物生长速率进行检测，并将获取的尾端发酵反应器的微生物生长速率与预设生长速率相比较，并判定是否根据尾端发酵反应器的温度对第二注气单元的气体注入速率和第二注气单元的转动速率进行调节，其中，尾端发酵反应器的微生物生长速率大于预设生长速度，则判定当前尾端发酵反应器的微生物生长速率符合标准，而在尾端发酵反应器微生物生长速率小于预设生长速率时，判定当前尾端发酵反应器的微生物生长速率不符合标准，控制机将尾端发酵反应器的温度与预设再发酵温度相比较以确定尾端发酵反应器微生物生长速率不符合标准的原因，若尾端发酵反应器的温度低于预设再发酵温度，则通过提高第二热交换器的高温温度，以提高第二加热单元的加热温度，进而提高尾端发酵反应器的再发酵温度，若尾端发酵反应器的温度高于预设再发酵温度，说明尾端发酵反应器内微生物繁殖过慢的原因在于通气量不足，微生物分散程度不够，因此，控制机同时提高第二注气单元的转动速率和气体注入速率，以使尾端发酵反应器的微生物生长速率符合标准。
请参阅图4所示，其为本发明实施例尾端发酵反应器结构示意图，所述尾端发酵反应器外壁设置至少一超声波发生器，其用于促进微生物发酵，所述控制机预设第二注气单元转动速率cwmax，当调节后的所述第二注气单元的转动速率cw1大于预设第二注气单元转动速率最大值cwmax，控制机将第二注气单元的转动速率设为cwmax，并启动超声波发生器，将超声波发生器的频率E调节为E1，设定E1=E×(1+(cw1-cwmax)/cwmax)。
请继续参阅图4所示，本发明实施例中，设置有超声波发生器为5个，分别间隔设置于尾端发酵反应器外壁上，包括，第一超声波发生器25、第二超声波发生器26、第三超声波发生器27、第四超声波发生器28、第五超声波发生器29，本发明实施例对超声波发生器的数量不作限定，只要其能够对尾端发酵反应器内的待发酵微生物提供超声波即可，超声波发生器的频率为20kHz。
具体而言，本发明通过在尾端发酵反应器上设置若干超声波发生器，超声波发生器对尾端发酵反应器内的微生物具有振荡和加强培养作用，在控制机获取第二注气单元的转动速率超出预设第二注气单元转动速率最大值，控制机通过启动超声波发生器并根据调节后的转速与预设第二注气单元转动速率的差值提高超声波发生器的频率，促进尾端发酵反应器内微生物的发酵。
所述控制机根据调节后的第一注气单元的注入速率vs1和第二注气单元的注气速率vw1缩短所述空气压缩机的温度变换频率f0至f1，设定f1=f×(1-0.5×(vs1-vs)/vs×0.8×(vw1-vw)/vw)。
具体而言，本发明为避免空气压缩机内灭菌的气体量达不到向各发酵反应器内的注入量，控制机根据获取调节后的第一注气单元的注气速率与第二注气单元的注气速率对空气压缩机的温度变换频率进行调节，以提高空气压缩机中的对流速率，提高空气压缩机内气体灭菌速率，确保大量灭菌合格的气体注入首端发酵反应器和尾端发酵反应器，以使空气压缩机内产出灭菌合格的气体量能够满足注入量。
所述控制机在第三条件下，提高所述空气压缩机的温度变换频率fq至fq1，设定fq1=fq×1.25，所述第三条件为p＞P+△p，且所述控制机判定空气压缩机灭菌不符合标准，q=0，1。
具体而言，本发明在获取首端发酵反应器内微生物细胞密度超出预设细胞密度范围时，同时排出其他位点污染点后确定空气压缩机灭菌效果不佳时，通过提高空气压缩机的温度变换频率以提高灭菌效率。
请参阅图5所示，其为本发明实施例各注入单元结构示意图，所述注入单元包括第一齿轮43、与所述第一齿轮啮合的第二齿轮42以及设置于所述第二齿轮上的注气管41，在使用中，第一齿轮下方设置的电机控制第一齿轮转动进而带动第二齿轮沿第一齿轮转动，实现注气管在各发酵反应器内各个位置的注气。所述第一注气单元与第二注气单元结构相似，根据首端发酵反应器和尾端发酵反应器的发酵空间设置不同尺寸的齿轮即可。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种提高降解效率的微生物发酵罐，其特征在于，包括：
首端发酵反应器，其设有一桶状第一槽体，所述第一槽体提供有包裹于膜内的微生物与培养液进行发酵的空间，第一槽体内底部设置有用于提供预发酵过程中需要的气体的第一注气单元，第一槽体外部设置有第一加热单元；
尾端发酵反应器，其与所述首端发酵反应器相连接，其设有用于为首端发酵反应器产生的预发酵物再次发酵的第二槽体，所述第二槽体底部设置有为预发酵物再次发酵的第二注气单元，第二槽体外部设置有第二加热单元；
空气压缩机，其设置有两个排气管道，各所述排气管道分别向所述首端发酵反应器和所述尾端发酵反应器内注入气体，所述空气压缩机内设置有用于对注入气体进行灭菌的灭菌机构，空气压缩机两侧设置有用于为空气压缩机内空气提供对流的加热机构，所述加热机构与所述第一加热单元和所述第二加热单元相连接，以将加热机构的热能传递给首端发酵反应器和尾端发酵反应器；所述加热机构包括控制第一加热管温度的第一热交换器，控制第二加热管温度的第二热交换器，所述第一加热管上设置有第一三通阀，所述第二加热管上设置有第二三通阀，所述加热机构还包括将用于将第一加热单元和第二加热单元热量相互转换的换向阀；
控制机，其与所述首端发酵反应器、所述尾端发酵反应器以及所述空气压缩机相连接，用于在首端发酵反应器内微生物长势处于对数生长期时，将预发酵液注入尾端发酵反应器，并根据尾端发酵反应器内微生物生长速率对加热机构的温度变换频率进行调节，以提高微生物在培养液中的降解效率；附着物附着的微生物于所述首端发酵反应器内发酵至微生物对数生长期后，注入尾端发酵反应器进行再发酵，在首端发酵反应器和尾端发酵反应器发酵过程中，空气压缩机内的空气经灭菌后分别经各排气管道注入首端发酵反应器和尾端发酵反应器内对各发酵反应器内的发酵液进行搅拌和供气，为提高空气压缩机内气体的灭菌效率，在所述空气压缩机上设置有所述加热机构，通过加热机构的热交换器对空气压缩机上的空气进行升温和降温，实现空气压缩机内气体的对流，提高气体的流动，进而实现提高气体的灭菌效率，所述加热机构的第一热交换器将温度升高的液体经过设置于空气压缩机一侧的第一加热管对空气压缩机一侧的气体加热，第一三通阀开启通过第一加热单元的阀门，将对空气压缩机一侧气体加热后的液体注入第一加热单元，使用升温的液体向首端发酵反应器提供热量，第二热交换器将温度降低的液体经过设置于空气压缩机另一侧的第二加热管对空气压缩机另一侧的气体降温，第二三通阀开启通过第二回收管道的阀门，将降温后的液体回收，第一热交换器将温度降低的液体经过设置于空气压缩机一侧的第一加热管对空气压缩机一侧的气体降温，第一三通阀开启通过第一回收管道的阀门，将对空气压缩机一侧气体降温后的液体回收，第二热交换器将温度升高的液体经过设置于空气压缩机另一侧的第二加热管对空气压缩机另一侧的气体升温，第二三通阀开启通过第二加热单元的阀门，将升温后的液体供给尾端发酵反应器以热量；
所述控制机将预设培养时间获取的所述首端发酵反应器内微生物细胞密度与微生物生长标准曲线的细胞密度相比较，对微生物生长速率进行判定，当生长速率不符合标准时，控制机根据首端发酵反应器温度或微生物的分散程度判定是否对第一注气单元的转动速率以及气体注入量进行调节，其中，控制机获取预设培养时间首端发酵反应器内微生物细胞密度变化率p与微生物生长标准曲线对数生长期微生物细胞密度变化率P进行比较，对微生物的生长速率进行判定，其中，
当p＜P-△p，所述控制机判定所述首端发酵反应器内的微生物生长速率不符合标准，其生长周期未处于对数生长期；
当P-△p≤p≤P+△p，所述控制机判定所述首端发酵反应器内的微生物生长速率符合标准，其生长周期处于对数生长期；
当p＞P+△p，所述控制机判定所述首端发酵反应器内的微生物生长速率不符合标准；
其中，△p为控制机预设细胞密度变化率误差值；
所述控制机在第一条件下，根据所述加热机构的第一热交换器与第二热交换器温度变换频率f提高所述加热机构的第一热交换器的第一温度，以提高首端发酵反应器的温度，其中，当f≤F，所述控制机采用第一调节参数k1提高所述第一热交换器的第一温度w1至w11，设定w11=w1×k1；当f＞F，所述控制机开启连接于第一加热单元和第二加热单元之间的换向阀，将第二加热单元的热量传递至第一加热单元；
其中，所述第一条件为所述首端发酵反应器的发酵温度低于预设预发酵温度，且首端发酵反应器内微生物的生长周期未处于对数生长期，所述控制机预设温度变换频率F，k1=k0×(1+(F-f)/F0)，其中，k0为预设调节参数标准值，F0为预设温度变换频率标准值；
所述控制机在第二条件下，根据所述首端发酵反应器内微生物分散程度y对所述第一注气单元的转动速率以及气体注入速率进行调节，其中，当y≤Y，所述控制机提高所述第一注气单元的气体注入速率vs至vs1，设定vs1=vs×（1+（Y-y）/Y）；当y＞Y，所述控制机提高所述第一注气单元的转动速率cs至cs1，设定cs1=cs×(1+(y-Y)/Y)；
其中，第二条件为所述首端发酵反应器的发酵温度高于预设预发酵温度，且首端发酵反应器内微生物的生长周期未处于对数生长期，所述控制机预设分散程度标准值Y。
2.根据权利要求1所述的提高降解效率的微生物发酵罐，其特征在于，所述首端发酵反应器包括微生物注入单元，所述微生物注入单元包括控制注入器转动速率的驱动器，所述控制机预设第一注气单元转动速率最大值csmax，调节后的第一注气单元的转动速率cs1大于预设第一注气单元转动速率最大值csmax，控制机判定将第一注气单元转动速率设为csmax，同时将下次微生物注入时的转动速率vb提高至vb1，设定vb1=vb×（1+（cs1-csmax）/csmax）。
3.根据权利要求2所述的提高降解效率的微生物发酵罐，其特征在于，所述首端发酵反应器的预发酵物注入尾端发酵反应器后经过预设再发酵时间，对尾端发酵反应器微生物生长速率进行检测，控制机将获取的尾端发酵反应器微生物生长速率h与预设生长速率H相比较，若尾端发酵反应器微生物生长速率大于预设生长速率，控制机不对第二注气单元的气体注入速率和第二注气单元的转动速率进行调节，若尾端发酵反应器微生物生长速率小于预设生长速率，控制机根据尾端发酵反应器的温度判定是否对第二注气单元的气体注入速率和第二注气单元的转动速率进行调节。
4.根据权利要求3所述的提高降解效率的微生物发酵罐，其特征在于，所述尾端发酵反应器微生物生长速率小于预设生长速率时，控制机获取尾端发酵反应器的温度d与预设再发酵温度D相比较，判定是否对第二注气单元的气体注入速率和第二注气单元的转动速率进行调节，其中，
当d≤D，所述控制机判定将所述第二热交换器的第一温度w2提高至w21，设定w21=w2×（1+（D-d）/d）；
当d＞D，所述控制机提高所述第二注气单元的转动速率cw至cw1，设定cw1=cw×(1+(d-D)/D)，同时提高第二注气单元的气体注入速率vw至vw1，设定vw1=vw×(1+(d-D)/D)。
5.根据权利要求4所述的提高降解效率的微生物发酵罐，其特征在于，所述尾端发酵反应器外壁设置至少一超声波发生器，其用于促进微生物发酵，所述控制机预设第二注气单元转动速率cwmax，当调节后的所述第二注气单元的转动速率cw1大于预设第二注气单元转动速率最大值cwmax，控制机将第二注气单元的转动速率设为cwmax，并启动超声波发生器，将超声波发生器的频率E调节为E1，设定E1=E×(1+(cw1-cwmax)/cwmax)。
6.根据权利要求5所述的提高降解效率的微生物发酵罐，其特征在于，所述控制机根据调节后的第一注气单元的注入速率vs1和第二注气单元的注气速率vw1缩短所述空气压缩机的温度变换频率f0至f1，设定f1=f×(1-0.5×(vs1-vs)/vs×0.8×(vw1-vw)/vw)。
7.根据权利要求6所述的提高降解效率的微生物发酵罐，其特征在于，所述控制机在第三条件下，提高所述空气压缩机的温度变换频率fq至fq1，设定fq1=fq×1.25，q=0，1，所述第三条件为p＞P+△p，且所述控制机判定空气压缩机灭菌不符合标准。
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