本發(fā)明屬于發(fā)酵設備領域，涉及一種發(fā)酵設備，尤其是一種菌種固體連續(xù)發(fā)酵設備及方法。

背景技術：

100多年前，液體深層發(fā)酵得到了長足的發(fā)展并日漸成熟，目前在酶、抗生素工業(yè)生產中有廣泛應用。但是這種發(fā)酵方式設備復雜、前期投入大，發(fā)酵過程耗能高，如果用于微生物菌種的大規(guī)模發(fā)酵，且用作生產菌種的成本過高。

傳統(tǒng)固體發(fā)酵通常是指微生物生長于不溶于水的基質且基質上含有不同量的自由水，傳統(tǒng)固體發(fā)酵用設備也比較簡單，前期投入小。缺點是不能夠連續(xù)生產，且條件不易控制，通常為批次發(fā)酵，后期獲取純化菌種更加困難。上世紀60年代人們提出惰性載體固態(tài)發(fā)酵，微生物在固態(tài)的培養(yǎng)基質中生長，這種發(fā)酵方式以惰性載體如蛭石、甘蔗渣為培養(yǎng)基吸附介質，打破了固體發(fā)酵以固態(tài)物質作為營養(yǎng)來源的培養(yǎng)基形式，初步實現了固態(tài)發(fā)酵的連續(xù)性，但是其應用范圍有限，大多數惰性載體適用范圍很窄，且菌體不能直接收集。如何將現有的固體發(fā)酵設備生產連續(xù)化和參數可控化是固體發(fā)酵大規(guī)模應用的前提。前人對固體發(fā)酵裝置如何連續(xù)生產做了很多研究。

B.Lonsane曾歸納出九種不同形式的工業(yè)規(guī)模的固體發(fā)酵反應器：轉鼓式、加蓋盤式、木盒式、傾斜接種盒式、垂直培養(yǎng)盒式、淺盤式、傳送帶式、圓柱式、混合型式。但是固體發(fā)酵過程在固體顆粒物質的大小、pH、傳熱、傳質等方面的條件難以控制，同時不能夠連續(xù)生產。為了克服以上困難，目前人們的研究集中于如何更好地實現固體發(fā)酵的連續(xù)性和更好的傳質、傳熱。

如申請?zhí)枮?00420094421.1的發(fā)明專利公開了一種可進行流水線式生產的多層網帶式固體發(fā)酵設備，由在一個箱體內安裝多層可連續(xù)運行的固體物料輸送裝置，固體物料經進料口通過多層輸送裝置到達底部，發(fā)酵完成。這種設備可以連續(xù)生產，但是這種固體發(fā)酵最主要的問題是傳質、傳熱問題，固態(tài)的培養(yǎng)基中的通氣和營養(yǎng)流動受限；此外這種發(fā)酵設備運行時固態(tài)的物料很難自動均勻的平鋪在傳送裝置上。

申請?zhí)枮?01410757428.0的發(fā)明專利公開了一種淺盤式固體發(fā)酵設備，該設備包括罐體、罐體內帶孔的固定床、固定床上的淺盤，罐體內底部設有無菌空氣入口和蒸汽管道、外部連接有溫度和濕度的測量調節(jié)系統(tǒng)、過濾設備、壓力表。罐體內通過無菌空氣增濕或加熱。發(fā)酵完成后在罐內直接采取空氣干燥，實現發(fā)酵、干燥在一個罐內完成。此發(fā)酵設備溫度控制比較完善，但是不能連續(xù)生產。

陳洪章等人提出以壓力脈動法為動力源培養(yǎng)進行固體發(fā)酵，通過外界周期性的刺激強化生物反應和細胞內外物質傳遞的過程，并設計了壓力脈動固體發(fā)酵技術，傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵技術通過機械攪拌解決傳質、傳熱問題，但這樣會損害菌絲體的生長，壓力脈動通過讓氣相均勻的使固態(tài)基質分散，加強供氧與排出CO₂的速度，使固體顆粒起松動作用，為菌絲體的大量繁殖擴充了空間。但是這種發(fā)酵方式不能夠連續(xù)、操作比較繁瑣、無法直接獲取菌體。

綜上所述，固態(tài)發(fā)酵目前無法大規(guī)模應用，關鍵在于難以進行連續(xù)生產、很好的傳熱傳質、和參數可控，而這是采用固態(tài)營養(yǎng)供給帶來的必然結果，固態(tài)的營養(yǎng)物質本身含水量少，難以傳遞物質和能量，在生產時參數難以調控，所以會出現各種問題限制了固體發(fā)酵的大規(guī)模應用。據此我們可以將營養(yǎng)供給液體化，選一種基質作為支持物可以吸附培養(yǎng)基，營養(yǎng)物質不再作為支持基質，這樣可以增加營養(yǎng)物質的流動性和連續(xù)性，固體發(fā)酵的顆粒問題、pH、傳熱、傳質也會容易控制。據此更進一步將菌體的營養(yǎng)供給和菌體生長通過特種生長材料隔離開，培養(yǎng)基不斷更新，菌體生長不斷生長，至一定階段后能夠通過刮取直接獲取菌體，而殘留的菌種可繼續(xù)生長，從而實現可固體發(fā)酵的連續(xù)性。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于解決目前固體發(fā)酵技術無法連續(xù)生產、傳熱傳質困難、參數難以控制的問題，提供一種菌種固體連續(xù)發(fā)酵設備及方法，該裝置能夠改變營養(yǎng)供給形式，使固體發(fā)酵能夠實現連續(xù)、參數可控、傳熱傳質容易的目的。

為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現：

一種菌種固體連續(xù)發(fā)酵裝置，包括自下而上層疊設置的生長斜面、供養(yǎng)層和生長層；生長層的上方設置滴管，滴管與裝有種子液和補料的接種補料瓶的出口相連通，滴管的出口位于生長層的前端，生長層的后端設置菌體收集裝置；生長斜面的后端高度低于前端。

本發(fā)明進一步的改進在于：

所述生長斜面采用傳送帶或表面設置有移動刮板的平板，移動刮板能夠沿平板表面運動，將菌體收集至菌體收集裝置中；在平板上接種時，移動刮板靠近生長層，將菌體均勻涂布在生長層上。

所述滴管通過接種補料管道與接種補料瓶的出口相連；滴管上設置若干滴灌帶。

一種菌種固體連續(xù)發(fā)酵設備，包括罐體，罐體內設置用于安裝菌種固體連續(xù)發(fā)酵裝置的支架，支架上自下而上依次安裝多層菌種固體連續(xù)發(fā)酵裝置，且每層菌種固體連續(xù)發(fā)酵裝置平行設置；接種補料瓶安裝于罐體的頂部，蒸汽入口與蒸汽發(fā)生器的蒸汽出口相連，蒸汽發(fā)生器的另一個蒸汽出口與罐體相連；接種補料瓶的種子液出口連接接種補料管道，接種補料管道上設置若干滴管，每個滴管的出口位于對應菌種固體連續(xù)發(fā)酵裝置的前端上方，且與生長層之間留有間隙；菌體收集裝置設置于罐體的內部，且位于多層菌種固體連續(xù)發(fā)酵裝置的后端，并與收集槽相連通；罐體的頂部開設無菌空氣出口并安裝有壓力表，底部開設廢液排出口和蒸汽排出口，廢液排出口上設置廢液收集槽。

其進一步的改進在于：

所述菌體收集裝置包括菌體刮板，菌體刮板上還安裝有菌體收集板，菌體刮板能夠沿豎直方向運動，收集每層菌種固體連續(xù)發(fā)酵裝置上生長的菌體；罐體的底部設置有開口，當菌體刮板運動至底部時，菌體刮板與菌體收集板組成的腔體與收集槽相連通。

所述罐體上還連接有空氣壓縮機和溫濕度測量儀，空氣壓縮機通過空氣濾膜和溫濕度自動調節(jié)裝置與罐體相連。

所述罐體內側頂部設置有可視燈，罐體的側面還開設有可視窗。

所述罐體能夠承受的最大壓力為0.3MPa。

一種菌種固體連續(xù)發(fā)酵方法，包括以下步驟：

1)滅菌：

打開蒸汽發(fā)生器，關閉除蒸汽排出口外的其他通氣口，蒸汽進入接種補料瓶和罐體內部，控制蒸汽進入和排出速度，使罐體內的壓力維持在0.15MPa，持續(xù)30min，完成滅菌；然后通入無菌空氣，使罐體內部維持正壓；

2)接種：

將事先準備好的種子液按照無菌操作要求加入接種補料瓶，接種補料瓶的體積為1L-50L，種子液的體積為10-30ml/m²，與生長層的面積和層數成正比；生長層的層數為4～20層，調節(jié)生長斜面使生長層正對著滴管，滴加種子液的同時勻速轉動生長斜面，使生長層上布滿菌種，之后將菌體刮板靠近生長層并勻速轉動傳送帶斜面，使菌種均勻涂布在生長層上；

3)補料：

按無菌操作要求加入補料液，補料速度為0.1～0.5L/m²·h，補料液從供養(yǎng)層的頂部到達底部，廢液滴入廢液收集槽，排出罐體；補料過程同通過溫濕度自動調節(jié)裝置調節(jié)溫度和濕度，使溫度保持在25～40℃；

4)收集菌種：

當菌體生物量達到要求時，轉動傳送帶用菌體刮板將菌體刮下，或者用移動刮板刮取菌體，從而直接獲取菌體；然后將生長斜面轉動至初始狀態(tài)，繼續(xù)滴加補料液，使生長層上殘留的菌種繼續(xù)生長，繼續(xù)收集菌體。

與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明固體發(fā)酵能夠連續(xù)：由三層不同的材料組成菌體培養(yǎng)斜面，供養(yǎng)層可以吸附液體培養(yǎng)基，營養(yǎng)物質不再作為支持基質；生長層能夠吸附液體培養(yǎng)基，且菌種能夠在其表面生長；支持層能夠支撐斜面。菌體的營養(yǎng)供給和菌體生長通過特種生長材料隔離開，培養(yǎng)基不斷更新，菌體生長不斷生長，通過刮取直接獲取菌體，而殘留的菌種可繼續(xù)生長，從而實現可固體發(fā)酵的連續(xù)性。本發(fā)明具有良好的傳熱傳質：營養(yǎng)供給液體化可以增加營養(yǎng)物質的流動性，菌體與營養(yǎng)物質接觸更加充分，熱量和物質傳遞比傳統(tǒng)固體發(fā)酵更加有效率。另外，本發(fā)明條件可控：固體發(fā)酵的顆粒問題、pH、溫度更容易控制。傳統(tǒng)固體發(fā)酵溫度、pH、通風等條件受制于固態(tài)培養(yǎng)基難以調控，本發(fā)明采用液體培養(yǎng)基使這些條件得以控制。其次，本發(fā)明菌體收集方便：直接將生長層上的菌體刮取收集，避免使用操作繁瑣且耗能大的大型離心機。最后，本發(fā)明產量可控：菌體生長斜面層數可以根據不同生產的需要進行調節(jié)，能夠實現資源的合理利用。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明平板式連續(xù)發(fā)酵裝置的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明傳送帶式連續(xù)發(fā)酵裝置的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明滴管的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明平板式連續(xù)發(fā)酵設備的結構示意圖；

圖5為本發(fā)明傳送帶式連續(xù)發(fā)酵設備的結構示意圖。

其中：1-溫濕度自動調節(jié)裝置；2-空氣濾膜；3-空氣壓縮機；4-收集槽；5-廢液收集槽；6-支架；7-傳送帶；8-滴管；9-接種補料管道；10-接種補料瓶；11-蒸汽發(fā)生器；12-無菌空氣出口；13-壓力表；14-可視窗；15-菌體收集板；16-菌體刮板；17-溫濕度測量儀；18-可視燈；19-罐體；20-廢液排出口；21-蒸汽排出口；22-移動刮板；23-滴灌帶；24-供養(yǎng)層；25-生長層；26-生長斜面。

【具體實施方式】

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

參見圖1和圖2，本發(fā)明菌種固體連續(xù)發(fā)酵裝置，包括自下而上層疊設置的生長斜面、供養(yǎng)層24和生長層25；生長層25的上方設置滴管8，滴管8與裝有種子液和補料的接種補料瓶10的出口相連通，滴管8的出口位于生長層25的前端，生長層25的后端設置菌體收集裝置；生長斜面26的后端高度低于前端。生長斜面采用傳送帶7或表面設置有移動刮板22的平板，移動刮板22能夠沿平板表面運動，將菌體收集至菌體收集裝置中；在平板上接種時，移動刮板22靠近生長層25，將菌體均勻涂布在生長層25上。滴管8通過接種補料管道9與接種補料瓶10的出口相連；滴管8上設置若干滴灌帶23。

如圖3所示，本發(fā)明菌種固體連續(xù)發(fā)酵設備。本設備主體結構分由罐體19、接種補料裝置、生長斜面和菌體收集裝置構成。罐體上有無菌空氣出口12、接種補管道9、廢液排出口20，罐體20上有無菌空氣進口外部連接有控溫控濕儀器1、空氣過濾設備2空氣壓縮機3、蒸汽發(fā)生器11和調控壓力的閥門及儀表13；培養(yǎng)基只在供養(yǎng)層中循環(huán)，菌體在生長層25上生長。接種補料裝置分接種和補料兩部分，采用滴灌的方式，互相獨立。本發(fā)明裝置設計簡單，可以直接獲取固體發(fā)酵的菌種。

如圖4所示，本發(fā)明可采用傳送帶7替換平板26，傳送帶7的斜度是30°～60°。

本發(fā)明蒸汽發(fā)生器11與接種補料裝瓶10和罐體19同時連接，可以同時滅菌。滴管8與供養(yǎng)層24和生長層25斜面有適當距離，種子液和補料的滴管8分別在生長層和供養(yǎng)層始端上方。生長層25的始端和末端分別比供養(yǎng)層24短10cm和30cm。供養(yǎng)層24的末端有一段下垂，呈倒三角形狀，在罐體的底部有對應的廢液收集槽5，廢液收集槽5的底部與廢液排出口20相連接。

菌體收集裝置由菌體刮板16、菌體收集板15、收集通道和收集槽4組成。菌體刮板16和菌體收集板均固定在一可移動的支架上，可向下移動依次刮取菌體，菌體通過菌體收集板的移動被推入收集管道。菌體刮板16、菌體收集板15、長移動板、短移動板和收集管道組成的空間是密閉的。罐體外部有一可視窗14，頂部有一可視燈18。

本發(fā)明還公開了一種菌種固體連續(xù)發(fā)酵方法，包括以下步驟：

1)滅菌：

打開蒸汽發(fā)生器，關閉除蒸汽排出口外的其他通氣口，蒸汽進入接種補料瓶和罐體內部，控制蒸汽進入和排出速度，使罐體內的壓力維持在0.15MPa，持續(xù)30min，完成滅菌；然后通入無菌空氣，使罐體內部維持正壓；

2)接種：

將事先準備好的種子液按照無菌操作要求加入接種補料瓶，接種補料瓶的體積為1L-50L，種子液的體積為10-30ml/m²，與生長層的面積和層數成正比；生長層的層數為4～20層，調節(jié)生長斜面使生長層正對著滴管，滴加種子液的同時勻速轉動生長斜面，使生長層上布滿菌種，之后將菌體刮板靠近生長層并勻速轉動傳送帶斜面，使菌種均勻涂布在生長層上；

3)補料：

按無菌操作要求加入補料液，補料速度為0.1～0.5L/m²·h，補料液從供養(yǎng)層的頂部到達底部，廢液滴入廢液收集槽，排出罐體；補料過程同通過溫濕度自動調節(jié)裝置調節(jié)溫度和濕度，使溫度保持在25～40℃；

4)收集菌種：

當菌體生物量達到要求時，轉動傳送帶用菌體刮板將菌體刮下，或者用移動刮板刮取菌體，從而直接獲取菌體；然后將生長斜面轉動至初始狀態(tài)，繼續(xù)滴加補料液，使生長層上殘留的菌種繼續(xù)生長，繼續(xù)收集菌體。

實施例1

以大腸桿菌菌體生產為例，固體發(fā)酵罐生長斜面層數為4層，采用傳送帶式生長斜面。將大腸桿菌接種至LB液體培養(yǎng)基中，在搖瓶中37℃培養(yǎng)24h，種子液的體積為10ml/m²。將種子液按照無菌操作要求加入接種補料罐10右側罐體，調節(jié)傳送帶斜面使生長層正對著滴管8，滴加種子液的同時勻速轉動傳送帶斜面7，使生長層上布滿菌種，之后將菌體刮板16靠近生長層并勻速轉動傳送帶斜面，使菌種均勻涂布在生長層上。按無菌操作要求加入補料液，補料速度為0.4L/m²·h，補料液通過供養(yǎng)層，從傳送帶頂部到達底部，這時其營養(yǎng)利用完全，廢液滴入廢液收集槽5，排出罐體。補料過程同時也是菌體生長的過程，當菌體生物量達到要求時，將菌體刮板16靠近生長層并勻速轉動傳送帶斜面，刮板16將菌體刮下，將菌體聚集到一起，從而直接獲取了菌體。將斜面轉動至初始狀態(tài)，繼續(xù)滴加補料液，使生長層25上殘留的菌種繼續(xù)生長，繼續(xù)收集菌體，從而實現固體發(fā)酵的連續(xù)性和可控性。

實施例2

以納豆桿菌菌體生產為例，固體發(fā)酵罐生長斜面層數為20層，采用板式生長斜面。將納豆桿菌接種至LB液體培養(yǎng)基中，搖瓶中37℃培養(yǎng)24h，種子液的體積為40ml/m²。將種子液按照無菌操作要求加入接種補料罐10右側罐體，滴加完種子液后，將菌體刮板靠近生長層并勻速移動，使菌種均勻涂布在生長層上。按無菌操作要求加入補料液，補料速度為為0.3L/m²·h，補料液通過供養(yǎng)層，從傳送帶頂部到達底部，這時其營養(yǎng)利用完全，廢液滴入廢液收集槽5，排出罐體。補料過程同時也是菌體生長的過程，當菌體生物量達到要求時，移動刮板16將釀酒酵母菌體刮下，將菌體聚集到一起，從而直接獲取了菌體。將斜面轉動至初始狀態(tài)，繼續(xù)滴加補料液，使生長層25上殘留的菌種繼續(xù)生長，繼續(xù)收集菌體，從而實現固體發(fā)酵的連續(xù)性和可控性。

實施例3

以釀酒酵母菌體生產為例，固體發(fā)酵罐生長斜面層數為10層，采用板式生長斜面。將釀酒酵母接種至YPD液體培養(yǎng)基中，搖瓶中28℃培養(yǎng)24h，種子液的體積為30ml/m²。將種子液按照無菌操作要求加入接種補料罐10右側罐體，滴加完種子液后，將菌體刮板靠近生長層并勻速移動，使菌種均勻涂布在生長層上。按無菌操作要求加入補料液，補料速度為0.3/m²·h，補料液通過供養(yǎng)層，從傳送帶頂部到達底部，這時其營養(yǎng)利用完全，廢液滴入廢液收集槽5，排出罐體。補料過程同時也是菌體生長的過程，當菌體生物量達到要求時，移動刮板16將釀酒酵母菌體刮下，將菌體聚集到一起，從而直接獲取了菌體。將斜面轉動至初始狀態(tài)，繼續(xù)滴加補料液，使生長層25上殘留的菌種繼續(xù)生長，繼續(xù)收集菌體，從而實現固體發(fā)酵的連續(xù)性和可控性。

以上內容僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權利要求書的保護范圍之內。