專利名稱：紅曲霉固態(tài)發(fā)酵方法及其發(fā)酵設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種紅曲霉發(fā)酵方法和發(fā)酵設備，特別是紅曲霉固態(tài)發(fā)酵方法及其發(fā)酵設備。
紅曲霉發(fā)酵目前有液態(tài)和固態(tài)兩種。固態(tài)發(fā)酵與液態(tài)發(fā)酵相比具有許多優(yōu)點固態(tài)發(fā)酵的技術要求相對較低，易于移植；可降低單位體積底物所占的反應器體積，有較高的產(chǎn)物濃度，能減少廢物的處理量，其初級原料可被利用。
目前以生產(chǎn)洛伐他汀為目的的紅曲霉發(fā)酵多在曲房的淺盤中進行，發(fā)酵過程中工藝條件不易控制，比如，培養(yǎng)發(fā)酵的溫度靠升高或降低整個曲房溫度來控制，不精確；物料的溫度靠多次撒水來保持，不易掌握；發(fā)酵熱量的散發(fā)靠多次人工或機械翻動物料進行散熱，頻繁地翻動物料，會使菌絲破壞、原料破碎，透氣性變差，且易染菌，而且大大延遲了發(fā)酵時間，嚴重影響紅曲霉發(fā)酵產(chǎn)物質(zhì)量。
本發(fā)明目的在于克服上述紅曲霉發(fā)酵工藝中存在的諸多缺陷，提供一種免除人工或機械翻動物料，采用自動霧化補充水份和菌體生長及代謝所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，易于放大的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵方法及其發(fā)酵設備。
本發(fā)明提供的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵方法為①將以碳源為主要原料的發(fā)酵原料，經(jīng)浸泡、濾干加入適量的氮源和少重的無機鹽，并在120℃溫度下，滅菌60分鐘；②將上述發(fā)酵原料均勻地堆放于立式或臥式密閉容器中的一層或多層水平放置的載料器上，并接入10％紅曲霉菌種，每層載料器的一側(cè)均留有氣體流動口，每相隔的兩層載料器的氣體流動口在同一側(cè)，氣體在密閉容器中沿載料器呈折流流動，流速小于5m/s，密閉容器為帶壓操作，壓力小于10Kg/cm2，在密閉容器內(nèi)部或外部安裝的一臺或多臺霧化裝置自動地間歇或連續(xù)地給密閉容器內(nèi)的發(fā)酵原料補充水份和養(yǎng)份，密閉容器內(nèi)濕度保持在40％～100％范圍內(nèi)，營養(yǎng)成份包括碳源、有機或無機氮源、無機鹽、生長素等，霧化的霧滴直徑小于1mm；發(fā)酵溫度為20℃～40℃。③發(fā)酵數(shù)天后，一般為5-8天，取出發(fā)酵后的物料，冷凍干燥即得紅曲霉發(fā)酵固體產(chǎn)物。
上述的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵方法中所述氮源包括有機氮源(蛋白胨、牛內(nèi)膏、豆粉等)和無機氮源(氯化銨(NH4Cl)、硝酸銨(NH4NO3)、硫酸銨((NH4)2SO4)等)，所述的無機鹽為鎂鹽(MgSO4)，磷鹽(磷酸氫二鉀，磷酸二氫鉀等)，鋅鹽(ZnSO4)等。
密閉容器發(fā)酵熱量的交換除采用常規(guī)的放在密閉容器外部的換熱夾套或放在密閉容器內(nèi)部的蛇形管換熱裝置外，可以采用控制密閉容器內(nèi)空氣流動的變化(流量、壓力)帶走高溫氣體和霧滴，而達到以水蒸汽吸熱去除發(fā)酵熱的目的，氣體流速度小于5m/s。
發(fā)酵過程中物料濕度的控制，主要采用霧化裝置進行間歇或連續(xù)脈動噴霧增濕，有利于發(fā)酵物料處于最佳狀態(tài)。
整個發(fā)酵過程一直處于帶壓狀態(tài)，這樣可以大大避免染菌機會，采用氣體流速變化方式，(一般應小于5m/s)，可以促進物料濕度與溫度的均勻，可揮發(fā)性付產(chǎn)物的及時移出，以及空氣中氧氣及所夾帶營養(yǎng)成份的傳遞，從而使整個發(fā)酵處于良好的狀態(tài)。
實現(xiàn)本發(fā)明紅曲霉固態(tài)發(fā)酵方法的發(fā)酵設備包括密閉容器和霧化裝置。其密閉容器可以是塔式或箱式，安放方式可以是立式，也可以是臥式；密閉容器內(nèi)設有單層或多層水平放置的載料器，載料器底部為網(wǎng)格或帶孔的結(jié)構(gòu)，密閉容器中每層載料器的一側(cè)均留有氣體流動口，每相隔的載料器的氣體流動口在同一側(cè)，使密閉容器中的氣體沿載料器呈折流流動；密閉容器上部的氣體出口處有控制壓力的控制閥，其容器的操作為帶壓操作，壓力范圍小于10Kg/cm2(表壓)。
霧化裝置可安裝于密閉容器內(nèi)的底部，也可以安裝于密閉容器的外部，通過霧化控制閥將霧化噴嘴通入每層載料器的上方或下方，可以每層載料器安裝一臺或多臺霧化裝置，也可以各層載料器共用一臺或多臺霧化裝置。其具體數(shù)量根據(jù)密閉容器中菌體發(fā)酵的需要而確定。霧化裝置可以是高速氣流粉碎霧化裝置，也可以是超聲波霧化裝置，其霧化液可以是單純的純水，也可以是含有營養(yǎng)成分(碳源、有機或無機氮源、無機鹽、維生素、生長素等)的水溶液。
本發(fā)明提供的發(fā)酵設備，由于菌體是在密閉容器內(nèi)進行發(fā)酵反應，所以染菌機會少，其載料器為多層，不但可增加產(chǎn)量，同時使每層物料可以相對放的薄一些，這樣可以增加其透氣性，利于發(fā)酵過程中熱量的擴散，載料器的一端設有氣體流動口，可使氣體在密閉容器內(nèi)的載料器中進行折流流動，使得容器內(nèi)溫度梯度降低，氣體混合均勻。
設置的霧化裝置根據(jù)需要，可以在每層安裝一個或多個，可以幾層共用一個或多個，也可以整個容器用一個或多個。霧化裝置根據(jù)需要可以安裝在密閉容器內(nèi)部，可以安裝在外部，可以作為設備的輔件與設備安裝在一起。
霧化方法采用高速氣流粉碎法、超聲波霧化等方法。霧化液的成份可以是純水，也可以是含有營養(yǎng)成份(碳源、有機或無機氮源、無機鹽、維生素、生長素等)的水溶液。即該發(fā)酵設備補充水份及營養(yǎng)采用霧化形式，以連續(xù)或間歇方式，補充水份的目的在于保持容器內(nèi)物料的水份及空氣的濕度，帶走發(fā)酵產(chǎn)生的熱量，補充的營養(yǎng)更有利于菌體生長、產(chǎn)物的積累。水或含營養(yǎng)物的溶液通過霧化裝置形成直徑小于1mm的霧滴，可以與空氣混合后進入反應器，也可以直接進入反應器，也可以直接在容器內(nèi)產(chǎn)生。
下面結(jié)合附圖、實施例詳細描述本紅曲霉固態(tài)發(fā)酵設備。
附

圖1為本紅曲霉固態(tài)發(fā)酵設備的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為超聲波霧化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3為高速氣流粉碎霧化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1-霧化器控制閥 2-霧化裝置 3-空氣進氣 4-密閉容器5-氣體流動口 6-載料器 7-發(fā)酵物料 8-氣體出口9-控壓閥 10-壓力表101-氣體入口 11-氣體加速室12-霧化噴嘴 13-液體進14-儲液室15-調(diào)節(jié)閥16-氣體調(diào)節(jié)口17-液體導管 18-儲液室19-霧化液20-超聲波霧化發(fā)生器21-氣液混合室 22-氣體入口25-折流板24-氣液分離室 25-氣體出口由圖1知，本發(fā)明及實施例提供的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵設備的密閉容器(4)為立式放置的長圓罐狀密閉容器，其中水平安裝有八層堆放有發(fā)酵物料(7)的載料器(6)，每層載料器(6)一側(cè)留有氣體流動口(5)，每相隔的載料器的氣體流動口在同一側(cè)，氣體在密閉容器(4)中由下至上經(jīng)過各層載料器呈折流流動。使得每層載料器上的物料免去機械和人力攪動，同時有利于熱量的傳遞，使其溫度、濕度分布均勻。在密閉容器(4)的外部一側(cè)安裝多臺(9臺)霧化裝置(2)，其霧化裝置(2)分別通過霧化器控制閥(1)將霧化噴嘴安置于密閉容器(4)中每層載料器(6)下方，和最上層載料器(6)上方，當然這些霧化裝置也可以設置于密閉容器內(nèi)部，可以每層載料器用一臺或多臺霧化裝置，也可以整個密閉容器中的載料器共用一臺或多臺霧化裝置，密閉容器(4)上部的氣體出口(8)上安裝有控壓閥(9)，其壓力通過壓力表(10)顯示，密閉容器(4)為帶壓操作，壓力范圍小于10Kg/cm2(表壓)。
霧化裝置可以為高速氣流霧化器，高速氣流霧化器將氣流與待霧化液體分離，使得霧化液體量可調(diào)，霧化的液滴大小亦可調(diào)，結(jié)合圖2對此裝置做進一步說明高壓氣流通過氣體入口(101)進入氣體加速室(11)到達液體霧化噴嘴(12)處，液體由液體進口(13)進入儲液室(14)，儲液室(14)中液位可由液體調(diào)節(jié)閥(15)調(diào)節(jié)，一定壓力的氣體經(jīng)氣體調(diào)節(jié)口(16)進入儲液室(14)調(diào)節(jié)儲液室壓力，儲液室液體在一定壓力作用下經(jīng)液體導管(17)到達液體霧化噴嘴(12)處與高速氣流混合，從而產(chǎn)生霧化氣流。
本裝置可以是超聲波霧化裝置，超聲波霧化裝置將超聲波發(fā)生裝置產(chǎn)生的液體霧滴與氣流混合，經(jīng)過沉降，將大液滴除去，保留微小液滴，調(diào)節(jié)液滴大小可通過氣體流量及霧化發(fā)生裝置的控制，結(jié)合圖3做進一步說明。
儲液室(18)中的霧化液(19)經(jīng)超聲波霧化發(fā)生器(20)以一定功率霧化，霧滴懸浮于氣液混合室(21)與經(jīng)氣體入口(22)流入的高壓氣體混合，混合氣體繞過折流板(23)，在氣液分離室(24)內(nèi)將較大尺寸的霧滴除去，經(jīng)氣體出口(25)離開霧化發(fā)生裝置。
本發(fā)明提供的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵方法及其發(fā)酵設備具有以下優(yōu)勢1.紅曲霉在密閉容器內(nèi)培養(yǎng)發(fā)酵，操作為帶壓操作，發(fā)酵過程中無機械攪拌和翻料，操作上也無需人力翻料，這樣便完全避免了操作過程中的染菌。2.除采用常規(guī)的夾套或換熱管進行熱交換外，發(fā)酵過程中通過控制密閉容器的調(diào)壓裝置、氣體流動的變化以及霧滴蒸發(fā)吸熱，從而除去大量發(fā)酵熱，使發(fā)酵過程中物料層的溫度均勻，避免產(chǎn)生較大溫度梯度，從而有利于次級代謝產(chǎn)物的積累。3.采用霧化方法增濕及補充營養(yǎng)物，可使菌體生長迅速健壯，從而縮短發(fā)酵周期，提高產(chǎn)物質(zhì)量。4.設備中的調(diào)壓裝置及氣體流動變化的控制，可以大大降低可揮發(fā)性代謝產(chǎn)物對菌體生長及代謝的抑制，使發(fā)酵過程中菌體生長及代謝處于良好狀態(tài)。
反應物料發(fā)酵完全，較常規(guī)工藝縮短發(fā)酵時間2-5天，物料發(fā)酵程度可用發(fā)酵時間來控制。
采用間歇或連續(xù)霧化脈動增濕，有利于發(fā)酵物料處于最佳狀態(tài)。
下面結(jié)合實施例進一步說明采用本發(fā)明提供的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵方法及其發(fā)酵裝置所得到的效果(和常規(guī)的紅曲霉發(fā)酵相對比)取3Kg大米，浸泡24hr，蒸熟，等分成3份，分別放入三個結(jié)構(gòu)相同的發(fā)酵反應器1號，2號3號的35×25×7cm的載料器中，接相同量的紅曲霉菌種，密閉操作，通無菌空氣的流量為50l/hr，1號反應器為本發(fā)明所指的密閉容器，操作時，同時采用超聲波將含蛋白胨溶液霧化，與氣流混合后，進入反應器，霧化操作每2hr進行一次，每次持續(xù)30分鐘。2號反應器操作采用密閉操作，發(fā)酵過程中不補加水份；3號反應器操作采用傳統(tǒng)方法，即發(fā)酵過程中多次噴撒水，發(fā)酵開始前2天補一次水，后一天補一次，補水量視物料狀況定，6天后，三個反應器同時停止發(fā)酵，取出固體發(fā)酵產(chǎn)物，1號密閉容器式反應器物料發(fā)酵完全，產(chǎn)物干燥后，總重量為0.41Kg，洛伐他汀含量經(jīng)HPLC測量為20mg/g干料。2號反應器物料發(fā)酵大部分不完全，產(chǎn)物干燥后，總重量為0.85Kg，物料中含洛伐他汀含量經(jīng)HPLC測量為0.2mg/g干料。3號反應器物料發(fā)酵大部分不完全，產(chǎn)物干燥后，總重量為0.65Kg，物料中含洛伐他汀含量經(jīng)HPLC測量為8mg/g干料。對于三種反應器操作方式的重復實驗表明，1號反應器發(fā)酵5天即達到發(fā)酵終點，2號反應器再延長時間，物料洛伐他汀含量提高不大，3號反應器的結(jié)果可以重復，且適當延長時間，如延長2-3天，可達到更好效果，實驗中最高達到12mg/g干料(發(fā)酵時間為9天)。3號反應器最大問題是染菌，在進行的4次發(fā)酵中，有兩次染菌。實施例1將3Kg大米浸泡24hr，濾干，加入適量的氮源及無機鹽，氮源最好為有機氮源，如蛋白胨、牛肉膏、豆粉等，無機鹽為鎂鹽，如MgSO4，KH2PO4，等，鋅鹽，如硫酸鋅等，取蛋白胨4％，硫酸鎂2％，磷酸二氫鉀0.5％，硫酸鋅0.2％，放入滅菌鍋中121℃滅菌60分鐘，之后，等分成三份，分別放入發(fā)酵設備的密閉容器中的三層載料器上，載料器的尺寸為35×25×7cm，接入10％的紅曲霉菌種，將培養(yǎng)溫度保持在30℃，罐壓保持0.3Kg/cm2(表壓)。霧化裝置采用超聲波霧化，水為無菌水，每5hr開啟霧化裝置一次，每次持續(xù)30分鐘，氣速為1cm/s，7天后停止發(fā)酵，取出固體發(fā)酵產(chǎn)物，冷凍干燥，得到干燥固體產(chǎn)物0.55Kg，取固體干燥物1g，用70％丙硐超聲波處理30分鐘溶解，靜止，取上清液經(jīng)HPLC測量，含洛伐他汀15mg。實施例2操作過程與實施例1相同，改為變速進氣，氣速由5mm/s在2hr內(nèi)增至5cm/s，之后再恢復到5mm/s，6天后停止發(fā)酵，取出物料，冷凍干燥，得干燥固體物0.5Kg，取1g固體干燥物經(jīng)實施例1所述過程處理，測得含洛伐他汀20mg。實施例3將1Kg大米浸泡24hr，濾干，加入5％蛋白胨，硫酸鎂0.2％MgSO4，0.2％KH2PO4混勻，放入滅菌鍋中121℃60分鐘，之后，將其冷卻，等分放入含雙層載料器的反應器中，載料器尺寸為35×25×7cm，接入10％的紅曲霉菌種，保持在30℃培養(yǎng)，氣體呈折流流動，流速為1cm/s，罐壓保持0.2Kg/cm2(表壓)。采用高速氣流霧化器將5％蛋白胨溶液以0.2Kg/cm2壓力的氣體夾帶噴入反應器中，每10hr進行一次，一次持續(xù)20分鐘，發(fā)酵6天后，停止發(fā)酵，取出發(fā)酵物料，冷凍干燥，得固體產(chǎn)物0.45Kg，產(chǎn)物經(jīng)實施例1所述測定方法測得含洛伐他汀含量為25mg。
權(quán)利要求
1.一種紅曲霉固態(tài)發(fā)酵方法，其特征在于①將以碳源為主要原料的發(fā)酵物料，經(jīng)浸泡、濾干加入適量的氮源和少量的無機鹽，并在120℃溫度下，滅菌60分鐘；②將上述發(fā)酵物料均勻地堆放于立式或臥式密閉容器中的一層或多層水平放置的載料器上，并接入10％紅曲霉菌種，每層載料器的一側(cè)均留有氣體流動口，每相隔的兩層載料器的氣體流動口在同一側(cè)，氣體在密閉容器中沿載料器呈折流流動，流速小于5m/s，密閉容器中壓力小于10Kg/cm2。密閉容器內(nèi)部或外部安裝一臺或多臺霧化裝置自動地間歇或連續(xù)地給密閉容器內(nèi)的發(fā)酵原料補充水份和養(yǎng)份，密閉容器內(nèi)濕度保持在40％～100％范圍內(nèi)，養(yǎng)分包括碳源、有機或無機氮源、無機鹽、生長素等，霧化的霧滴直徑小于1mm；發(fā)酵溫度為20℃～40℃。③發(fā)酵數(shù)天后，取出發(fā)酵后的物料，冷凍干燥即得紅曲霉發(fā)酵固體產(chǎn)物。
2.按權(quán)利要求1所述的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵方法，其特征在于所述氮源包括有機氮源(蛋白胨、牛肉膏、豆粉等)和無機氮源(氯化銨(NH4Cl)、硝酸銨(NH4NO3)、硫酸銨(NH4)2SO4)等，所述的無機鹽為鎂鹽(MgSO4)，磷鹽(磷酸氫二鉀，磷酸二氫鉀，鋅鹽(ZnSO4))等。
3.按權(quán)利要求1所述的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵設備，由發(fā)酵反應容器和載料器組成，其特征在于其組成還包括霧化裝置，其中發(fā)酵反應容器為密閉容器，密閉容器內(nèi)設有多層水平放置的載料器，每層載料器一側(cè)留有使密閉容器內(nèi)的氣體呈折流流動的氣體流動口，每相隔的載料器的氣體流動口在同一側(cè)；密閉容器上部的氣體出口處有控制壓力的控制閥，一臺或多臺霧化裝置安裝于密閉容器內(nèi)的底部或安裝在密閉容器的外部，并通過霧化控制閥，將霧化噴嘴安置于每層載料器的上方或下方，可以每層安裝一臺或多臺霧化裝置，也可以各層載料器共用一臺或多臺霧化裝置。
4.按權(quán)利要求3所述的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵設備，其特征在于所述的密閉容器為塔式或箱式密閉容器，安放方式可以為立式或臥式。
5.按權(quán)利要求3所述的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵設備，其特征在于所述的載料器底部為網(wǎng)格或帶孔結(jié)構(gòu)。
6.按權(quán)利要求3所述的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵設備，其特征在于所述的密閉容器內(nèi)壓力小于10Kg/cm2(表壓)。
7.按權(quán)利要求1所述的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵設備，其特征在于所述的霧化裝置中的霧化液為純水或含有營養(yǎng)成份(碳源、有機或無機氮源、無機鹽、維生素、生長素等)的水溶液。
8.按權(quán)利要求3或4或5或6所述的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵設備，其特征在于在所述的密閉容器的外部可安裝換熱夾套或在其內(nèi)部安裝蛇形管換熱裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及紅曲霉固態(tài)發(fā)酵方法和設備:將以碳原為主并輔以適量氮源和少量無機鹽的發(fā)酵原料,放入密閉容器中水平放置的一側(cè)留有氣體流動口的載料器上,接入10%的紅曲霉菌種,在小于10kg/cm
文檔編號C12N1/14GK1187536SQ97100139
公開日1998年7月15日 申請日期1997年1月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月9日
發(fā)明者王立新, 歐陽藩, 陳春珍, 李占銘, 石紅, 莫海濤, 柳麗萍 申請人:中國科學院化工冶金研究所