[发明专利]一种气升式环流反应器及利用其进行青霉素发酵的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于青霉素发酵的反应器及利用该反应器进行青霉素发酵的方法，特别是涉及一种气升式环流反应器及利用气升式环流反应器进行青霉素发酵的方法。

背景技术

高粘度非牛顿流体的丝状菌体系的好氧发酵，典型如青霉素发酵，一般采用带有机械搅拌的罐式发酵反应器，通入空气的条件下进行生产，机械搅拌使空气均匀的分布在罐体中，以保证菌体的生长代谢的需要，但这种方法存在两个重要的问题：一方面，搅拌电机的能耗和压缩空气的能耗使发酵过程的能耗普遍较高，一般动力消耗占到成本的30-50％，在青霉素发酵生产中，采用机械搅拌式发酵罐进行发酵，电耗平均为20～25Kwh/BOU(BOU青霉素活性单位，下同)；另一方面，机械搅拌的剪切力同样对丝菌体生长构成影响。青霉素发酵属于二级发酵，分为青霉菌生长繁殖和产抗两个阶段；在青霉素的发酵第一个阶段，机械剪切是有利的，它可促进菌丝体的无性繁殖；但在后期产抗阶段，机械剪切加速了菌丝体的自溶，进而影响青霉素生物合成，并且不利于下游生产工序的处理。另外，机械搅拌式反应器存在易染菌、维护成本高等缺点。

非搅拌式发酵反应器的开发一直是发酵反应器的发展方向，而气升式环流反应器是其中最有希望取代搅拌反应器的发酵反应器。气升式环流反应器利用反应器内导流筒内外的气液密度差为推动力，而产生围绕的导流筒环流，是一类高效气-液，气-液-固或气-液-液多相反应器，其结构简单，传质性能好，能耗较低，易于工程放大，在化学工业、石油工业、环境工程、生化工程以及其它工业过程中有着广泛的应用。

目前，国内外在气升式环流反应器应用于低黏度牛顿或拟牛顿流体的发酵过程有广泛的应用的研究，典型的如柠檬酸发酵；100m³和250m³采用气升循环部分替代搅拌的半气升式发酵罐已在柠檬酸发酵过程中的应用，可使总耗电量节约30～40％。而在气升式内环流反应器中直接培养产黄青霉菌株并进行发酵的的相关技术则未见报道。

气升式环流反应器难以应用于青霉素发酵的主要原因是：

(1)由于气升式环流反应器的环流推动力(导流筒内外气液的密度差)较小，往往达不到发酵过程的对溶解氧的需要；或者需要过大的气速以维持环流，使过程的经济性下降并使反应器难以操作。

(2)气升式环流反应器的流体剪切力小，在青霉菌在初级代谢阶段，在充足的气体和营养物质供应的情况下，若外界的剪切力小，青霉菌易结成团，不利于在次级代谢阶段的产抗。

发明内容

本发明的第一个目的是开发和提出一种用于青霉素发酵的气升式内环流反应器。

本发明的第二个目的在于提供一种利用气升式内环流反应器进行青霉素发酵的方法，以减小过程的能耗，提高发酵效率。

本发明的第一个目的由如下技术方案实施，一种用于青霉素发酵的气升式内环流反应器，其包括塔体、与塔体同轴安装的导流筒、气体分布器，其中导流筒为单段或多级，其特征在于，所述气升式环流反应器的塔体下部为反应段，上部为扩大的气液分离段，气液分离段和反应段的高度比为0.15～0.25，直径比为1.25～1.42，塔体总高与反应段内径之比为4.5～8，导流筒内径和反应段内径比为0.5～0.78，导流筒高度和反应段高度比为0.9～0.65。

所述导流筒的上下边为由三角形缺口构成的锯齿边缘，每个缺口的深度10～20mm，宽度10～20mm，缺口间距离5～15mm。

空气分布器的设计保证空气沿与轴向夹角为30°～60°的锥面喷出，且出口线速率不小于2m/s.

本发明的第二个目的在于提供一种利用气升式环流反应器进行青霉素发酵的方法，在产黄青霉菌株种子培养完成后，按照8～10％(v/v)的接种量接入气升式环流反应器内开始发酵。发酵温度为20～30℃；pH为6.0～7.0；发酵全过程通气比控制在0.8～3vvm，通过调节通气比，控制溶氧在30％以上；发酵压力为0.08～0.1Mpa；发酵周期为160～170h；整个发酵过程控制发酵液菌丝浓度在35～45％。

发酵过程需要补加碳源、氮源和前体，流加碳源为葡萄糖，葡萄糖浓度控制在70～85％(v/v)，葡萄糖流加量为1～2L/h；流加氮源为硫酸铵，硫酸铵的浓度控制在30～40％(v/v)，硫酸铵流加量为0.1～0.2L/h；流加前体物质为苯乙酸，苯乙酸浓度控制在30～40％(v/v)，苯乙酸流加量为0.1～0.2L/h。

本发明从优化反应器结构、调整和优化发酵工艺参数的角度实现上述目标，本发明的优点在于