一种固定化黑曲霉产柠檬酸的发酵反应器及其方法技术

本发明专利技术公开了一种固定化黑曲霉产柠檬酸的发酵反应器及其方法，包括发酵罐，发酵罐中部设有载体框，载体框内填充有固定化载体；载体框中部纵向贯穿有一圆筒，圆筒上端内部设有推进式桨叶，圆筒下方依次设有涡轮桨叶和平式桨叶，涡轮桨叶和平式桨叶位于载体框的下方；推进式桨叶、涡轮桨叶和平式桨叶自上而下分布在同一转轴上，转轴顶部与发酵罐上方的电机连接，由电机驱动推进式桨叶、涡轮桨叶和平式桨叶同时转动；发酵罐底部设有气体分布器，气体分布器位于平式桨叶的下方。本发明专利技术发酵稳定性好，可以重复多批次发酵而产量保持稳定产酸水平没有降低，最终柠檬酸产量可达180g/L以上，发酵速率达3.1g/L/h以上，糖酸转化率97％以上。

A Fermentation Reactor for Citric Acid Production by Immobilized Aspergillus Niger and Its Method

【技术实现步骤摘要】
一种固定化黑曲霉产柠檬酸的发酵反应器及其方法
本专利技术属于工业生物
，具体涉及一种固定化黑曲霉产柠檬酸的发酵反应器及其方法。
技术介绍
柠檬酸作为全世界需求量最大的有机酸之一，被广泛用于食品、化工、医药等行业。目前，我国柠檬酸年产量200多万吨，占世界总量80％以上，是世界第一的柠檬酸生产和出口国。传统柠檬酸行业存在种子制备耗时、生产效率低下等问题，严重制约行业发展。黑曲霉表面固定化连续发酵体系可以解决副产物多、耐受性差、转化率低等问题，但是黑曲霉与介质之间的界面作用机制，以及调控过程仍不明了，严重制约了表面固定化发酵体系的建立与应用推广。在固定化细胞发酵模式下，选择适宜的固定化载体是能否实现工业化的关键。另外，现有固定化工艺中，载体制备工艺较复杂、载体回收损失较大、载体重复使用次数有限、一些载体的使用不利于发酵后期产物的分离纯化，因而难以在工业规模上生产扩大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种固定化黑曲霉产柠檬酸的发酵反应器，以提高发酵过程的稳定性和发酵柠檬酸产量。为了解决上述技术问题，本专利技术采取的技术方案如下：一种固定化黑曲霉产柠檬酸的发酵反应器，包括发酵罐，所述发酵罐中部设有载体框，所述载体框内填充有固定化载体；载体框中部纵向贯穿有一圆筒，所述圆筒上端内部设有推进式桨叶，圆筒下方依次设有涡轮桨叶和平式桨叶，所述涡轮桨叶和平式桨叶位于载体框的下方；推进式桨叶、涡轮桨叶和平式桨叶自上而下分布在同一转轴上，所述转轴顶部与发酵罐上方的电机连接，由电机驱动推进式桨叶、涡轮桨叶和平式桨叶同时转动；所述发酵罐底部设有气体分布器，所述气体分布器位于平式桨叶的下方。优选地，所述载体框的上下为中空的多孔圆盘，其外径与发酵罐内经相等；所述圆筒直径为发酵罐内经1/4～1/2。优选地，所述推进式桨叶直径为圆筒内径的0.6～0.9倍；所述涡轮桨叶为具有上下圆盘的后弯叶涡轮式桨叶，其上圆盘为圆锥式，下圆盘为平面式，直径为发酵罐内经的0.4～0.7倍；所述平式桨叶为平直涡轮桨叶，直径为发酵罐内经的0.1～0.4倍。优选地，所述气体分布器为盘管式或者立柱式，位于平式桨叶的下方，其外周直径为平式桨叶直径的0.8～1.1倍。具体地，所述固定化载体为边长1～5cm的正方体，或边长1～6cm、厚度为1-3cm的长方体；其材质为多孔聚氨酯、多孔活性炭、活性炭过滤棉、聚醚多元醇泡沫、冻干处理的多孔细菌纤维素、蜂孔纤维棉中的任意一种。本专利技术进一步提供上述发酵反应器固定化黑曲霉产柠檬酸的方法，具体包括如下步骤：(1)孢子制备：接种环在平板或斜面上刮5-6环黑曲霉至麸曲瓶中，温度36度、湿度60％光照培养5-8天；(2)黑曲霉固定培养，采用以下任意一种方法：其一，扩培式发酵固定：孢子量按0.1-0.4g/L接入装有种子培养基的种子罐，35-38℃、转速400-600r/min、通气量300-600L/h，培养24-28小时，形成大小均一的菌丝球，且酸度值达1-1.8；然后按10-20wt％接入装有发酵培养基的发酵反应器中，进行固定化培养，培养条件为35-38℃，转速450-600r/min，通气量1800-2500L/h，压力0.05-0.12Mpa，待还原糖降低至1g/L以下排料；其二，孢子直接固定培养：称取0.1-0.4g/L孢子，直接接入装有种子培养基的发酵反应器中，按种子培养条件进行固定化培养，待还原糖降至1g/L以下，结束固定化培养；(3)柠檬酸发酵，采用间歇式发酵或者补料式发酵：间歇式发酵过程为：固定化培养结束后补加新的发酵培养基，培养条件为36-38℃，转速400-600r/min，通气量1500-2300L/h，压力0.05-0.12Mpa，待还原糖降到1g/L以下结束发酵；补料式发酵过程为：待发酵pH降到1.6-2.2，将所得到30-60wt％发酵液泵入另外的发酵罐进行后发酵，并流加等同体积的新发酵培养基。具体地，步骤(2)中，所述种子培养基和发酵培养基为玉米液化液、木薯液化液、糖蜜、合成培养基中的一种或者几种的组合，装填量为50-75vt％；种子培养基初始总糖80-150g/L，总氮1-5g/L；所述发酵培养基初始总糖150-190g/L，总氮0.5-4g/L。优选地，所述玉米液化液和木薯液化液制备方法为：料水比1:4-1:1.2，pH5.5-6，液化酶(α淀粉液化酶)添加量15-20U/g干物质，80-95℃水解1.5-2.5小时。具体地，步骤(3)中，所述间歇式发酵过程中，补加新的发酵培养基量为30-60vt％。有益效果：1、本专利技术所采用的固定化材料为化学惰性，对细胞没有毒害作用；机械强度高，也不会被细胞代谢分解；黑曲霉不会在载体表面过度生长，而是均匀分布在载体表面。2、本专利技术选用的多孔材料具有较高的孔隙率和比表面积，吸附效果好，保证了高密度发酵的优势，发酵周期缩短；而且具有良好的传质传热性能。3、与游离发酵相比，固定化发酵液中的菌体量明显减少，有利于后期的产物和菌体的分离。用于菌体生长的碳源消耗更少，残总糖消耗较为彻底，故固定化发酵柠檬酸产量明显提高，糖酸转化率较高。4、本专利技术发酵稳定性好，可以重复多批次发酵而产量保持稳定产酸水平没有降低。最终柠檬酸产量可达180g/L以上,发酵速率达3.1g/L/h以上，糖酸转化率(柠檬酸产量/葡萄糖消耗)97％(w/w)以上。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。图1为本专利技术发酵反应器的结构示意图。具体实施方式根据下述实施例，可以更好地理解本专利技术。说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本专利技术可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更
技术实现思路
下，当亦视为本专利技术可实施的范畴。如图1所示，该固定化黑曲霉产柠檬酸的发酵反应器(50L罐)包括发酵罐1，发酵罐1中部设有载体框2，所述载体框2内填充有固定化载体3；载体框2中部纵向贯穿有一圆筒4，所述圆筒4上端内部设有推进式桨叶5，圆筒4下方依次设有涡轮桨叶6和平式桨叶7，所述涡轮桨叶6和平式桨叶7位于载体框2的下方；推进式桨叶5、涡轮桨叶6和平式桨叶7自上而下分布在同一转轴8上，所述转轴8顶部与发酵罐1上方的电机9连接，由电机驱动推进式桨叶、涡轮桨叶和平式桨叶同时转动；所述发酵罐1底部设有气体分布器10，所述气体分布器10位于平式桨叶7的下方。载体框的上下为中空的多孔圆盘，其外径与发酵罐内经(30cm)相等；圆筒直径为发酵罐内经1/4。推进式桨叶直径为圆筒内径的0.8倍；所述涡轮桨叶为具有上下圆盘的后弯叶涡轮式桨叶，其上圆盘为圆锥式，与垂直方向的角度为80°；下圆盘为平面式，直径为发酵罐内经的0.5倍；所述平式桨叶为平直涡轮桨叶，直径为发酵罐内经的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固定化黑曲霉产柠檬酸的发酵反应器，包括发酵罐(1)，其特征在于，所述发酵罐(1)中部设有载体框(2)，所述载体框(2)内填充有固定化载体(3)；载体框(2)中部纵向贯穿有一圆筒(4)，所述圆筒(4)上端内部设有推进式桨叶(5)，圆筒(4)下方依次设有涡轮桨叶(6)和平式桨叶(7)，所述涡轮桨叶(6)和平式桨叶(7)位于载体框(2)的下方；推进式桨叶(5)、涡轮桨叶(6)和平式桨叶(7)自上而下分布在同一转轴(8)上，所述转轴(8)顶部与发酵罐(1)上方的电机(9)连接；所述发酵罐(1)底部设有气体分布器(10)，所述气体分布器(10)位于平式桨叶(7)的下方。

【技术特征摘要】
1.一种固定化黑曲霉产柠檬酸的发酵反应器，包括发酵罐(1)，其特征在于，所述发酵罐(1)中部设有载体框(2)，所述载体框(2)内填充有固定化载体(3)；载体框(2)中部纵向贯穿有一圆筒(4)，所述圆筒(4)上端内部设有推进式桨叶(5)，圆筒(4)下方依次设有涡轮桨叶(6)和平式桨叶(7)，所述涡轮桨叶(6)和平式桨叶(7)位于载体框(2)的下方；推进式桨叶(5)、涡轮桨叶(6)和平式桨叶(7)自上而下分布在同一转轴(8)上，所述转轴(8)顶部与发酵罐(1)上方的电机(9)连接；所述发酵罐(1)底部设有气体分布器(10)，所述气体分布器(10)位于平式桨叶(7)的下方。2.根据权利要求1所述的发酵反应器，其特征在于，所述载体框(2)的上下为中空的多孔圆盘，其外径与发酵罐(1)内经相等；所述圆筒(4)直径为发酵罐(1)内经1/4～1/2。3.根据权利要求2所述的发酵反应器，其特征在于，所述推进式桨叶(5)直径为圆筒(4)内径的0.6～0.9倍；所述涡轮桨叶(6)为具有上下圆盘的后弯叶涡轮式桨叶，其上圆盘为圆锥式，下圆盘为平面式，直径为发酵罐(1)内经的0.4～0.7倍；所述平式桨叶(7)为平直涡轮桨叶，直径为发酵罐(1)内经的0.1～0.4倍。4.根据权利要求3所述的发酵反应器，其特征在于，所述气体分布器(10)为盘管式或者立柱式，位于平式桨叶(7)的下方，其外周直径为平式桨叶(7)直径的0.8～1.1倍。5.根据权利要求1所述的发酵反应器，其特征在于，所述固定化载体(3)为边长1～5cm的正方体，或边长1～6cm、厚度为1-3cm的长方体；其材质为多孔聚氨酯、多孔活性炭、活性炭过滤棉、聚醚多元醇泡沫、冻干处理的多孔细菌纤维素、蜂孔纤维棉中的任意一种。6.权利要求1所述发酵反应器固定化黑曲霉产柠檬酸的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)孢子制备：接种环在平板或斜面上刮5-6环黑曲霉至麸曲瓶中，温度36度、湿度60％光照培...

【专利技术属性】
技术研发人员：应汉杰，陈勇，刘庆国，余斌，赵南，邹亚男，
申请(专利权)人：南京高新工大生物技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32