一種氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的操作方法
【專利摘要】固態(tài)發(fā)酵中的熱量累積是限制其大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重要因素。氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵通過(guò)壓力脈動(dòng)和氣體內(nèi)部循環(huán)，可有效移走發(fā)酵熱。其中，壓力脈動(dòng)頻率是決定移熱效率的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。傳統(tǒng)的操作模式為在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中采用恒定的脈動(dòng)頻率。由于不同的發(fā)酵階段微生物產(chǎn)熱量不同，本發(fā)明公開(kāi)了一種變頻脈動(dòng)的新型固態(tài)發(fā)酵操作方法。通過(guò)熱量衡算，建立熱量平衡方程，從熱量平衡的角度對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的壓力脈動(dòng)頻率進(jìn)行了優(yōu)化。本發(fā)明所提出的壓力脈動(dòng)頻率是隨著不同時(shí)間微生物不同產(chǎn)熱速率而動(dòng)態(tài)變化的，其范圍在1/9.9min-1到1/60min-1之間。該動(dòng)態(tài)頻率與微生物代謝強(qiáng)度匹配，可及時(shí)移走發(fā)酵熱，有利于提高發(fā)酵水平。
【專利說(shuō)明】一種氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的操作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物化工領(lǐng)域，特別涉及固態(tài)發(fā)酵的操作方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)酵在食品，酒類，酶制劑，食品添加劑等一系列產(chǎn)品生產(chǎn)中占有重要地位。依據(jù) 基質(zhì)的不同，發(fā)酵分為液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵。在液態(tài)發(fā)酵中，微生物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分布或溶解 于液體培養(yǎng)基中，生長(zhǎng)均勻。而對(duì)于固態(tài)發(fā)酵，微生物則生長(zhǎng)在沒(méi)有或幾乎沒(méi)有自由水的培 養(yǎng)基上。近年來(lái)，固態(tài)發(fā)酵受到了越來(lái)越多的重視，因?yàn)槠淠芎牡?，廢水少，同時(shí)可利用大量 工農(nóng)業(yè)廢棄物作為底物。
[0003] 然而，由于固態(tài)發(fā)酵底物大多為工、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，如麩皮，稻殼，秸桿等，而這些底 物導(dǎo)熱性能差，造成培養(yǎng)基內(nèi)部熱量傳遞困難，進(jìn)而限制了微生物的生長(zhǎng)代謝。因此，強(qiáng)化 固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中熱量傳遞被認(rèn)為是提高固態(tài)發(fā)酵效率和質(zhì)量的突破口。
[0004] 為了強(qiáng)化固態(tài)發(fā)酵傳熱同時(shí)避免菌絲體損傷，專利號(hào)ZL02100176. 6公開(kāi)了 一種 氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵方法及其發(fā)酵裝置，其創(chuàng)新之處在于將培養(yǎng)基置于壓力脈動(dòng)及循環(huán)流 動(dòng)空氣組成的雙動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行發(fā)酵。用動(dòng)態(tài)的空氣替代了傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌，這是一個(gè)根 本的革新，為后續(xù)的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供了新的思路和方向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 【發(fā)明目的】氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵通過(guò)壓力脈動(dòng)和氣體內(nèi)部循環(huán)，可有效移走發(fā)酵 熱。但整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中微生物產(chǎn)熱速率不同，本發(fā)明通過(guò)熱量衡算，確定不同發(fā)酵時(shí)期與微 生物代謝強(qiáng)度相匹配的壓力脈動(dòng)頻率，通過(guò)變頻操作及時(shí)移走發(fā)酵熱，提高發(fā)酵水平。
[0006] 【本發(fā)明的構(gòu)思】壓力脈動(dòng)頻率是決定發(fā)酵熱移熱速率的關(guān)鍵參數(shù)，本發(fā)明通過(guò)分 析發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵熱的產(chǎn)生和散失，建立熱量平衡模型。進(jìn)而確定了與發(fā)酵熱產(chǎn)生規(guī)律相 匹配的動(dòng)態(tài)脈動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)變頻操作。
[0007] 【本發(fā)明技術(shù)方案】
[0008] 步驟一：發(fā)酵熱與二氧化碳釋放量的關(guān)聯(lián)
[0009] 菌體生長(zhǎng)代謝所產(chǎn)生的熱量是固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的主要熱源，二氧化碳釋放量是衡量 微生物代謝強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)。因此發(fā)酵熱與二氧化碳釋放量直接相關(guān)。為建立兩者的 定量關(guān)系，進(jìn)行了靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵（沒(méi)有壓力脈動(dòng)，空氣內(nèi)部循環(huán)換熱手段）。由于缺乏換熱 途徑，發(fā)酵熱累積致使培養(yǎng)基溫度上升。通過(guò)測(cè)量發(fā)酵過(guò)程中二氧化碳釋放量與培養(yǎng)基升 溫量的對(duì)應(yīng)值，可建立發(fā)酵熱與二氧化碳釋放量的定量函數(shù)關(guān)系。 Qm = t (ITT-CO2 ) ⑴ 式中，Qm為一定時(shí)間t內(nèi)的發(fā)酵熱；為一定時(shí)間t內(nèi)的二氧化碳釋放量。這樣，在 測(cè)定氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中二氧化碳釋放量后，該過(guò)程所產(chǎn)生的發(fā)酵熱即可由式（1) 求出。
[0010] 步驟二：散熱量的計(jì)算及熱量平衡方程的建立
[0011] 在脈動(dòng)周期大于5min的情況下，一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)移熱量恒定，為Qk。所以，熱量平 衡方程如下： Umc02)=/^* Qr (2) 式中，f為壓力脈動(dòng)頻率。 由式（2)推導(dǎo)出壓力脈動(dòng)頻率計(jì)算公式如下， J QR*t K J
[0012] 步驟三：壓力脈動(dòng)變頻的確定
[0013] 通過(guò)測(cè)定不同發(fā)酵時(shí)期的二氧化碳釋放量，依據(jù)式（3)，即可求得與該時(shí)期產(chǎn)熱速 率相匹配的壓力脈動(dòng)頻率。經(jīng)過(guò)計(jì)算，固態(tài)發(fā)酵全過(guò)程壓力脈動(dòng)頻率范圍在1/9. gmirT1到 l/60min 1 之間。
[0014] 【本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)】
[0015] 1、本發(fā)明公開(kāi)了一種氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的新型操作方法，采用變頻操作，脈動(dòng) 頻率與發(fā)酵熱產(chǎn)生規(guī)律相匹配，可及時(shí)移走發(fā)酵熱，利于微生物生長(zhǎng)。
[0016] 2、本發(fā)明公開(kāi)的氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的新型操作方法，通過(guò)建立熱量平衡模型確 定動(dòng)態(tài)脈動(dòng)頻率，方法簡(jiǎn)便，可為實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018] 實(shí)施例1
[0019] 利用氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的新型操作方法，通過(guò)斜臥青霉（Penici 11 ium decumbens) JU-AlO固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶。
[0020] 菌種：斜臥青霉（Penicillium decumbens) JU-A10,將此菌接種在麩皮浸汁培 養(yǎng)基斜面上，于4-KTC下保藏。使用時(shí)，首先用2-5mL無(wú)菌水洗下孢子，制得孢子懸液 接種于50-100mL液體麩皮浸汁種子培養(yǎng)基中，搖床培養(yǎng)24-48h，培養(yǎng)條件為20-40°C， 170-270rpm〇
[0021] 固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基主要包括汽爆麥草和麩皮。麥草汽爆條件為0. 5-1. 5MPa， 5-10min，然后用20-60°C自來(lái)水水洗2-3次，固液比為1:5到l:10(w/v)，然后自然晾干。 固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基組成為100_200g干汽爆小麥秸桿，25 - 50g麥麩，325-750ml無(wú)機(jī)鹽溶液 (15g/L(NH4)2S04,6g/L MgSO4, 3g/L KH2PO4)?；旌暇鶆蚝蠓湃?22cmX15cmX6cm 的搪瓷盤(pán) 中，用8-16層紗布包好，再用厚紙包扎后在121°C下滅菌20-30min。滅菌結(jié)束后，放涼接入 上述種子液。
[0022] 將上述培養(yǎng)基放入25-50L氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，進(jìn)行變頻發(fā)酵。壓力脈動(dòng) 頻率變化范圍在1/9. toirT1到l/eOmirT1之間。結(jié)果發(fā)現(xiàn)變頻發(fā)酵下，培養(yǎng)基溫度上升幅度 較恒頻最優(yōu)條件（IAOmirT 1)下降了 40.5%，纖維素酶活提高了近10%，有效促進(jìn)了熱量散 失和提高了發(fā)酵產(chǎn)量。
【權(quán)利要求】
1. 一種氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的操作方法，其特征在于：壓力脈動(dòng)頻率為變頻。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的操作方法，其特征在于：通過(guò)建立熱 量平衡模型對(duì)壓力脈動(dòng)頻率進(jìn)行優(yōu)化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的操作方法，其特征在于：壓力脈 動(dòng)頻率范圍為1/9. toirT1到1/eOmirT1。
【文檔編號(hào)】C12R1/80GK104498457SQ201410720848
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】陳洪章, 趙志敏, 王嵐 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所