一種γ-聚谷氨酸工業(yè)化發(fā)酵罐的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種γ-聚谷氨酸工業(yè)化發(fā)酵罐，包括罐體、溫控夾層、保溫層、罐蓋、壓力表、恒壓閥、溫度表、溢流管、加料計量泵、pH監(jiān)測儀、循環(huán)料倉、循環(huán)泵、凈化氣泵、布氣管、配氣板、菌床支架和纖維菌床；所述罐體設置有溫控夾層和保溫層；所述罐蓋上設置有壓力表、恒壓閥和溫度表；所述罐體的圓錐體內(nèi)部設置有布氣管，所述罐體下端設置有配氣板，所述罐體內(nèi)部設置有菌床支架，所述菌床支架上設置有多個均布的同向傾斜的纖維菌床；所述罐體側面上方設置溢流管，所述循環(huán)料倉上方設置有pH監(jiān)測儀和加料計量泵；本新型采用固定式與游離式菌體發(fā)酵相結合，實現(xiàn)均勻混合、攪拌與物料傳遞，減少能耗，縮短發(fā)酵時間，提高產(chǎn)量與生產(chǎn)效率。
【專利說明】一種Y-聚谷氨酸工業(yè)化發(fā)酵罐

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種聚谷氨酸生產(chǎn)技術設備領域，特別涉及一種聚谷氨 酸工業(yè)化發(fā)酵罐。

【背景技術】
[0002] Υ -聚谷氨酸（Y-polyglutamic acid,簡稱γ-PGA)是由微生物產(chǎn)生的一種聚氨 基酸型生物高分子，它由一分子谷氨酸的羧基與另一分子谷氨酸的α-氨基縮合而成， 分子量可達2000kDa以上，結構式為：
[0003] 〇 ^ 丫'、為、 COOH
[0004] 聚谷氨酸具有極佳的生物可降解性、成膜性、成纖維性、可塑性、粘結性、保濕 性等許多獨特的理化和生物學特性，在注重環(huán)保、強調(diào)可持續(xù)發(fā)展的今天，Y -聚谷氨酸及 其衍生物有十分廣闊的應用前景，可用于化妝品、肥料增效劑、食品、分散劑、螯合劑、建筑 涂料、防塵等領域。
[0005] 關于Y -聚谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)有二種方式：游離菌體發(fā)酵方式和固定化菌體發(fā)酵 方式，游離菌體發(fā)酵方式的缺點是發(fā)酵時間長、能耗大、產(chǎn)量低、生產(chǎn)效率低；固定化菌體發(fā) 酵方式更適合工業(yè)化生產(chǎn)聚谷氨酸，可進行多批次連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)，適合于聚谷氨酸 高粘度活細胞發(fā)酵工藝。
[0006] 現(xiàn)有技術發(fā)明專利CN103194374A，公開了一種發(fā)酵生產(chǎn)γ -聚谷氨酸的柱式固定 化反應器及其工藝，該裝置由攪拌式反應器部分和好氧固定化柱部分組成，兩部分通過恒 流泵相連接進行物料交換；缺點為反應器與固化菌體分離，影響整體發(fā)酵效果；工業(yè)化使 用復雜菌體發(fā)酵面積受限制；物料的混合、攪拌和傳遞均勻性不理想。 實用新型內(nèi)容
[0007] 為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種聚谷氨酸工業(yè)化發(fā)酵罐，針對 現(xiàn)有技術中的不足，設計一種適合工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)Y -聚谷氨酸的發(fā)酵罐，將固定化菌體 發(fā)酵與游離式菌體發(fā)酵相結合，優(yōu)化結構，減少能源消耗，提高混合、攪拌和物質傳遞的均 勻性，提升整體發(fā)酵產(chǎn)量與效率。
[0008] 為達到上述目的，本實用新型的技術方案如下：一種聚谷氨酸工業(yè)化發(fā)酵罐， 包括罐體、溫控夾層、保溫層、出水口、罐蓋、壓力表、安全閥、恒壓閥、溫度表、溢流管、加料 計量泵、pH監(jiān)測儀、循環(huán)料倉、循環(huán)泵、出料口、氣閥、凈化氣泵、冷水口、熱水口、布氣管、配 氣板、菌床支架和纖維菌床，其特征在于：
[0009] 所述罐體由圓柱體、圓錐體和罐蓋構成，所述圓柱體下端與圓錐體焊接固定，所述 圓柱體上端設置有法蘭盤，所述法蘭盤與所述罐蓋通過螺栓密封連接；所述罐體設置有溫 控夾層，所述溫控夾層外側設置有保溫層；所述溫控夾層上方設置有出水口，所述溫控夾層 的圓錐體部分設置有熱水口和冷水口；所述罐蓋上設置有壓力表、恒壓閥和溫度表，所述恒 壓閥旁路設置有安全閥；所述罐體圓錐體底部設置有出料口，所述出料口管道旁路與氣閥 和凈化氣泵連通，所述罐體的圓錐體內(nèi)部設置有布氣管，所述罐體下端與圓錐體交界處設 置有配氣板，所述罐體內(nèi)部至少設置有二層菌床支架，所述菌床支架上設置有多個均布的 同向傾斜的纖維菌床；所述罐體側面上方設置溢流管，所述罐體圓錐體下部設置有循環(huán)料 口，所述溢流管與所述循環(huán)料倉上部連通，所述循環(huán)料倉底部通過管道與循環(huán)泵連通，所述 循環(huán)泵通過管道與循環(huán)料口連通；所述循環(huán)料倉上方設置有pH監(jiān)測儀和加料口，所述加料 口與所述的加料計量泵通過管道連通，所述加料計量泵通過管道與加料倉連通（未標出）； 所述凈化氣泵與空氣凈化系統(tǒng)（未標出）通過管道連通。
[0010] 所述布氣管與所述出料口連通，因此出料口旁路的凈化空氣可以通過凈化氣泵送 入發(fā)酵罐，所述布氣管至少設置有二根，所述布氣管在罐體圓錐體內(nèi)沿所述圓錐面傾斜角 度均勻分布，所述布氣管的管壁上設置有多個均布的布氣孔。
[0011] 所述配氣板上設置有均布的配氣孔，所述配氣孔直徑為1_一 1〇_。
[0012] 所述菌床支架由金屬材料制造，通過焊接與罐體內(nèi)壁固定；所述菌床支架上設置 有多個纖維菌床，所述纖維菌床為圓柱狀纖維螺旋卷，所述纖維菌床通過菌床支架固定；所 述纖維菌床與菌床支架上下面平齊，所述纖維菌床在所述菌床支架內(nèi)部同向均布傾斜設 置，所述軸向傾斜角度為纖維菌床軸線與菌床支架軸線的夾角，所述軸向夾角角度為30- 75度；所述徑向傾斜角度為菌床支架橫截面徑向與纖維菌床軸線之間的夾角，所述徑向夾 角角度為45- 75度。
[0013] 所述相鄰菌床支架之間留有間隔層，所述間隔層距離為100mm - 300mm。
[0014] 所述菌床支架高度為150mm -500mm ;所述相鄰菌床支架內(nèi)的纖維菌床的徑向傾 斜方向相反設置。
[0015] 所述罐體內(nèi)填加聚谷氨酸發(fā)酵液，所述循環(huán)料倉內(nèi)儲存有溢流出來的發(fā)酵 液，所述發(fā)酵罐物料流動、混合、攪拌通過循環(huán)泵驅動發(fā)酵液，從發(fā)酵罐底部進入罐體圓錐 體部分，進而通過配氣板均布后，進入所述菌床支架區(qū)，在循環(huán)泵壓力驅動下，逐層通過纖 維菌床螺旋層，發(fā)酵液中的活性成份，會附著在纖維菌床的螺旋狀纖維中，在相鄰的菌床之 間，由于纖維菌床的傾斜狀態(tài)設置，使得流經(jīng)的發(fā)酵液的流動是交錯上升；隨著發(fā)酵液的上 升和循環(huán)泵傳質量的增加，罐體內(nèi)部的發(fā)酵液量增加，液位升高，當發(fā)酵液液位達到并超過 溢流管時，發(fā)酵液通過溢流管會流入循環(huán)料倉中，進入下一輪循環(huán)傳質過程。
[0016] 所述空氣，通過凈化系統(tǒng)凈化后，送入到布氣管中，經(jīng)過布氣管布氣，均勻分布氣 體，并與罐體圓錐體內(nèi)的發(fā)酵液充分接觸，在循環(huán)泵傳送發(fā)酵液流動下，通過配氣板進一步 將氣體與發(fā)酵液混合與分配；所述凈化空氣隨同發(fā)酵液一起上升并進入菌床支架，并通過 菌床支架上設置的多個纖維菌床，為纖維菌床中的活性發(fā)酵菌和罐體中游離的活性發(fā)酵菌 帶來氧氣，進而增加了氧氣的交換和發(fā)酵液的傳遞交換，所述空氣經(jīng)過各層纖維菌床后，上 升到罐體頂部，并通過恒壓閥間歇式向外排放，確保罐體內(nèi)部一定的壓力，因此可提升發(fā)酵 液中的含氧量。
[0017] 所述發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液的溫度，通過熱交換器的熱水和冷水進行恒溫控制；所述罐 體內(nèi)的壓力與溫度數(shù)據(jù)通過壓力表和溫度表檢測；在發(fā)酵過程中，發(fā)酵體系中需要流加的 培養(yǎng)基料體，通過加料計量泵定量加入，發(fā)酵體系中的pH值和總殘?zhí)橇客ㄟ^循環(huán)料倉進行 監(jiān)測，并通過對循環(huán)料倉的pH值進行調(diào)節(jié)，來控制整個發(fā)酵體系中的各項發(fā)酵參數(shù)。
[0018] 當發(fā)酵罐中的發(fā)酵液發(fā)酵結束后，通過出料口將發(fā)酵液排出體系，進一步進行分 離與提純，獲得聚谷氨酸溶液或者純品晶體；而發(fā)酵體系中的活性菌體會留存在纖維 菌床中，填加下一批次的發(fā)酵液即可繼續(xù)進行Y -聚谷氨酸發(fā)酵，從而可實現(xiàn)多批次連續(xù) 生產(chǎn)。
[0019] 通過上述技術方案，本實用新型技術方案的有益效果是：采用固定化菌體發(fā)酵與 游離式菌體發(fā)酵相結合，設置螺旋傾斜式固定化纖維菌床，優(yōu)化纖維菌床結構，通過強制循 環(huán)物料流，實現(xiàn)均勻混合、攪拌與物料傳遞，從而減少能源消耗，提高混合、攪拌和物質傳遞 的均勻性，大大縮短發(fā)酵時間，提升整體γ-聚谷氨酸發(fā)酵產(chǎn)量與γ-聚谷氨酸發(fā)酵的效 率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例 或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提 下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0021] 圖1為本實用新型實施例所公開的一種聚谷氨酸工業(yè)化發(fā)酵罐結構示意圖。
[0022] 圖中數(shù)字和字母所表示的相應部件名稱：
[0023] 1.罐體 2.溫控夾層 3.保溫層 4.出水口
[0024] 5.罐蓋 6.壓力表 7.安全閥 8.恒壓閥
[0025] 9.溫度表 10.溢流管 11.加料計量泵 12. pH監(jiān)測儀
[0026] 13.循環(huán)料倉 14.循環(huán)泵 15.出料口 16.氣閥
[0027] 17.凈化氣泵 18.冷水口 19.熱水口 20.布氣管
[0028] 21.配氣板 22.菌床支架 23.纖維菌床

【具體實施方式】
[0029] 下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的 實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下 所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0030] 根據(jù)圖1，本實用新型提供了一種聚谷氨酸工業(yè)化發(fā)酵罐，包括罐體1、溫控夾 層2、保溫層3、出水口 4、罐蓋5、壓力表6、安全閥7、恒壓閥8、溫度表9、溢流管10、加料計 量泵11、pH監(jiān)測儀12、循環(huán)料倉13、循環(huán)泵14、出料口 15、氣閥16、凈化氣泵17、冷水口 18、 熱水口 19、布氣管20、配氣板21、菌床支架22和纖維菌床23。
[0031] 所述罐體1由圓柱體、圓錐體和罐蓋5構成，所述圓柱體下端與圓錐體焊接固定， 所述圓柱體上端設置有法蘭盤，所述法蘭盤與所述罐蓋5通過螺栓密封連接；所述罐體1設 置有溫控夾層2,所述溫控夾層2外側設置有保溫層3 ;所述溫控夾層2上方設置有出水口 4,所述溫控夾層2的圓錐體部分設置有熱水口 19和冷水口 18 ;所述罐蓋5上設置有壓力 表6、恒壓閥8和溫度表9,所述恒壓閥8旁路設置有安全閥7 ;所述罐體1圓錐體底部設置 有出料口 15,所述出料口 15管道旁路與氣閥16和凈化氣泵17連通，所述罐體1的圓錐體 內(nèi)部設置有布氣管20,所述罐體1下端與圓錐體交界處設置有配氣板21，所述罐體1內(nèi)部 設置有五層菌床支架22,所述菌床支架22上設置有多個均布的同向傾斜的纖維菌床23 ;所 述罐體1側面上方設置溢流管10,所述罐體1圓錐體下部設置有循環(huán)料口，所述溢流管10 與所述循環(huán)料倉13上部連通，所述循環(huán)料倉13底部通過管道與循環(huán)泵14連通，所述循環(huán) 泵14通過管道與循環(huán)料口連通；所述循環(huán)料倉13上方設置有pH監(jiān)測儀12和加料口，所述 加料口與所述的加料計量泵11通過管道連通，所述加料計量泵11通過管道與加料倉連通 (未標出）；所述凈化氣泵17與空氣凈化系統(tǒng)（未標出）通過管道連通。
[0032] 所述布氣管20與所述出料口 15連通，因此出料口 15旁路的凈化空氣可以通過凈 化氣泵17送入發(fā)酵罐，所述布氣管20設置有6根，所述布氣管20在罐體1圓錐體內(nèi)沿所 述圓錐面傾斜角度均勻分布，所述布氣管20的管壁上設置有多個均布的布氣孔。
[0033] 所述配氣板21上設置有均布的配氣孔，所述配氣孔直徑為3mm。
[0034] 所述菌床支架22由金屬材料制造，通過焊接與罐體1內(nèi)壁固定；所述菌床支架22 上設置有多個纖維菌床23,所述纖維菌床23為圓柱狀纖維螺旋卷，所述纖維菌床23通過菌 床支架22固定；所述纖維菌床23與菌床支架22上、下面平齊，所述纖維菌床23在所述菌 床支架22內(nèi)部同向均布傾斜設置，所述軸向傾斜角度為纖維菌床23軸線與菌床支架22軸 線的夾角，所述軸向夾角角度為45度；所述徑向傾斜角度為菌床支架22橫截面徑向與纖維 菌床23軸線之間的夾角，所述徑向夾角角度為60度。
[0035] 所述相鄰菌床支架22之間留有間隔層，所述間隔層距離為200mm。
[0036] 所述菌床支架22高度為300mm ;所述相鄰菌床支架22內(nèi)的纖維菌床23的徑向傾 斜方向相反設置。
[0037] 所述罐體1內(nèi)填加聚谷氨酸發(fā)酵液，所述循環(huán)料倉13內(nèi)儲存有溢流出來的發(fā) 酵液，所述發(fā)酵罐物料流動、混合、攪拌通過循環(huán)泵14驅動發(fā)酵液，從發(fā)酵罐底部進入罐體 1圓錐體部分，進而通過配氣板21均布后，進入所述菌床支架22區(qū)，在循環(huán)泵14壓力驅動 下，逐層通過纖維菌床23螺旋層，發(fā)酵液中的活性成份，會附著在纖維菌床23的螺旋狀纖 維中，在相鄰的菌床之間，由于纖維菌床23的傾斜狀態(tài)設置，使得流經(jīng)的發(fā)酵液的流動是 交錯上升；隨著發(fā)酵液的上升和循環(huán)泵14傳質量的增加，罐體1內(nèi)部的發(fā)酵液量增加，液位 升高，當發(fā)酵液液位達到并超過溢流管10時，發(fā)酵液通過溢流管10會流入循環(huán)料倉13中， 進入下一輪循環(huán)傳質過程。
[0038] 所述空氣，通過凈化系統(tǒng)凈化后，送入到布氣管20中，經(jīng)過布氣管20布氣，均勻分 布氣體，并與罐體1圓錐體內(nèi)的發(fā)酵液充分接觸，在循環(huán)泵14傳送發(fā)酵液流動下，通過配氣 板21進一步將氣體與發(fā)酵液混合與分配；所述凈化空氣隨同發(fā)酵液一起上升并進入菌床 支架22,并通過菌床支架22上設置的多個纖維菌床23,為纖維菌床23中的活性發(fā)酵菌和 罐體中游離的活性發(fā)酵菌帶來氧氣，進而增加了氧氣的交換和發(fā)酵液的傳遞交換，所述空 氣經(jīng)過各層纖維菌床23后，上升到罐體1頂部，并通過恒壓閥8間歇式向外排放，確保罐體 1內(nèi)部一定的壓力，因此可提升發(fā)酵液中的含氧量。
[0039] 所述發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液的溫度，通過熱交換器的熱水和冷水進行恒溫控制；所述罐 體內(nèi)的壓力與溫度數(shù)據(jù)通過壓力表6和溫度表9檢測；在發(fā)酵過程中，發(fā)酵體系中需要流加 的培養(yǎng)基料體，通過加料計量泵11定量加入，發(fā)酵體系中的pH值和總殘?zhí)橇客ㄟ^循環(huán)料倉 13進行監(jiān)測，并通過對循環(huán)料倉13的pH值進行調(diào)節(jié)，來控制整個發(fā)酵體系中的各項發(fā)酵參 數(shù)。
[0040] 當發(fā)酵罐中的發(fā)酵液發(fā)酵結束后，通過出料口 15將發(fā)酵液排出體系，進一步進行 分離與提純，獲得聚谷氨酸溶液或者純品晶體；而發(fā)酵體系中的活性菌體會留存在纖 維菌床23中，填加下一批次的發(fā)酵液即可繼續(xù)進行γ -聚谷氨酸發(fā)酵，從而可實現(xiàn)多批次 連續(xù)生產(chǎn)。
[0041] 通過上述具體實施例，本實用新型的有益效果是：采用固定化菌體發(fā)酵與游離式 菌體發(fā)酵相結合，設置螺旋傾斜式固定化纖維菌床，優(yōu)化纖維菌床結構，通過強制循環(huán)物料 流，實現(xiàn)均勻混合、攪拌與物料傳遞，從而減少能源消耗，提高混合、攪拌和物質傳遞的均勻 性，大大縮短發(fā)酵時間，提升整體聚谷氨酸發(fā)酵產(chǎn)量與聚谷氨酸發(fā)酵的效率。
[0042] 對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本實用新 型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定 義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因 此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理 和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【權利要求】
1. 一種聚谷氨酸工業(yè)化發(fā)酵罐，其特征在于，包括罐體、溫控夾層、保溫層、出水 口、罐蓋、壓力表、安全閥、恒壓閥、溫度表、溢流管、加料計量泵、pH監(jiān)測儀、循環(huán)料倉、循環(huán) 泵、出料口、氣閥、凈化氣泵、冷水口、熱水口、布氣管、配氣板、菌床支架和纖維菌床；所述罐 體由圓柱體、圓錐體和罐蓋構成，所述圓柱體下端與圓錐體焊接固定，所述圓柱體上端設置 有法蘭盤，所述法蘭盤與所述罐蓋通過螺栓密封連接；所述罐體設置有溫控夾層，所述溫控 夾層外側設置有保溫層；所述溫控夾層上方設置有出水口，所述溫控夾層的圓錐體部分設 置有熱水口和冷水口；所述罐蓋上設置有壓力表、恒壓閥和溫度表，所述恒壓閥旁路設置有 安全閥；所述罐體圓錐體底部設置有出料口，所述出料口管道旁路與氣閥和凈化氣泵連通， 所述罐體的圓錐體內(nèi)部設置有布氣管，所述罐體下端與圓錐體交界處設置有配氣板，所述 罐體內(nèi)部至少設置有二層菌床支架，所述菌床支架上設置有多個均布的同向傾斜的纖維菌 床；所述罐體側面上方設置溢流管，所述罐體圓錐體下部設置有循環(huán)料口，所述溢流管與所 述循環(huán)料倉上部連通，所述循環(huán)料倉底部通過管道與循環(huán)泵連通，所述循環(huán)泵通過管道與 循環(huán)料口連通；所述循環(huán)料倉上方設置有pH監(jiān)測儀和加料口，所述加料口與所述加料計量 泵通過管道連通，所述加料計量泵通過管道與加料倉連通；所述凈化氣泵與空氣凈化系統(tǒng) 通過管道連通。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種聚谷氨酸工業(yè)化發(fā)酵罐，其特征在于，所述布氣管與 所述出料口連通，所述出料口旁路與凈化氣泵連通，所述布氣管至少設置有二根，所述布氣 管在罐體圓錐體內(nèi)沿所述圓錐面傾斜角度均勻分布，所述布氣管的管壁上設置有多個均布 的布氣孔。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種聚谷氨酸工業(yè)化發(fā)酵罐，其特征在于，所述菌床支架 上設置有多個纖維菌床，所述纖維菌床為圓柱狀纖維螺旋卷，所述纖維菌床通過菌床支架 固定；所述纖維菌床與菌床支架上下面平齊，所述相鄰菌床支架內(nèi)的纖維菌床徑向傾斜方 向相反設置。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種聚谷氨酸工業(yè)化發(fā)酵罐，其特征在于，所述纖維菌床 在所述菌床支架內(nèi)部同向均布傾斜設置，所述軸向夾角角度為30- 75度；所述徑向夾角角 度為45- 75度。
【文檔編號】C12M1/34GK203890363SQ201420229568
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權日:2014年5月7日
【發(fā)明者】邵洪 申請人:昆山博爾日生物科技有限公司