[发明专利]固态发酵罐及固态发酵过程

说明书

技术领域

本发明涉及一个固态发酵罐，尤其是一个大容量的固态发酵罐及固态发酵过程。

背景技术

浸没发酵或固态发酵常用于大量微生物的培养，其目的在于分离微生物本身或代谢产物或一个由微生物引起改变的培养基(例如：在食品加工工业中)。目前已经制出容量高达200.000升的浸没发酵罐(具有液态营养培养基的发酵罐)，但是具有一定容量，且能在较长时期内不受外来微生物的污染、并同时具有最佳培养条件的固态发酵罐(具有固态营养培养基的发酵罐)却还没有制出。然而，某些丝状霉菌的培养需要能使其成长并形成孢子的表面结构。不受任何外来污染的最大的生产丝状霉菌发酵罐安装在法国INRA(Durand 1997,verbalcommunication)，其容量为50升，然而，这个发酵罐的容量对于可用作，例如生物农药的霉菌孢子的经济地生产还是远远不够的。

固态发酵(SSF)被定义为：在一个规定气相中且无游离水相存在条件下，在固态培养基上，微生物-通常是霉菌-的生长过程。古代时期，远东、亚洲、非洲的某些地区就早已使用固态发酵法生产发酵食品、酶产品(Koji)或食用菌。西方国家从1940年起开始着眼于浸没发酵的研究。而固态发酵只用于有机废物的再加工。然而，最近许多院校和厂商对固态发酵表示了极大的兴趣，因为与浸没发酵相比固态发酵具有许多优点。固态发酵优于浸没发酵之处在于：--可有效地生产第二代谢物，例如：酶、香味物质、芳香物质和着色物质以及药物活性物；--可生产作为农药中生物制剂的微生物；--从食物和饲料中脱去毒素或其他有害物质或浓缩饲料中蛋白质或维他命。

基本上，有六类固态发酵罐：1、盘式生物反应器；2、填充床生物反应器；3、转鼓式生物反应器；4、摇摆式固态生物反应器；5、搅拌式容器生物反应器；6、空气固体流化床生物反应器。

第一类--盘式生物反应器，被发酵的培养基平展地分散在一个专门为此制作的容器中，为此，该反应器需在装有空调的室内培育(‘Koji’-Raum,Ramana Murthy,M.V；Karanth,N.G.；Raghava Rao,K.S.M.S.:Advance in Applied Microbiology 38(1993),99-147)，盘式生物反应器可以用于大量产品的生产，然而必须有可能避免由该方法带来的外来病菌的污染。另外，该反应器和反应方法需要占用很大的空间和许多劳动力。必须手工挪动在容器内的被发酵的培养基。该方法不适用于竞争力十分弱的霉菌孢子的大量生产。

在‘填充床生物反应器’中，用于培育微生物的潮湿粒状培养基被置于一个封闭的容器内，培养基不需挪动，微生物在其上成长。为此，培养基必须经常被通入空气，于是将产生下列问题，始终不能使用大量的培养基。1、微生物产生热量(300千焦耳/公斤(干重)小时，Saucedo-Castaneda,G.；Gutierrez-Rojas,M.；Bacquet,G.；Raimbault,M.；Viniegra-Gonzalez,G.；Biotechnologie and Bioengeniering 35(1990),802-808)，该热量既可以由容器的外壁扩散，也可以通过增加空气循环(蒸发冷却)来扩散。但如果是大容量的容器，上述热扩散则不可能。微生物的生长速度将随热量的增加而减慢，直至最后坏死。2、经常通气使培养基干燥，这样会引起‘失水’，从而产生气孔。气孔的存在，不能再保证培养基的均匀通气。培养基的逐渐干燥又会导致微生物生长的恶化。

‘转鼓式生物反应器’包含一个水平安装的在枢轴上转动的圆柱形容器。该容器内只有三分之一的容量用于填充供微生物生长的粒状培养基。微生物生长产生的热量的大部分靠局部冷却的容器外壳蒸发掉。当圆柱形容器缓慢旋转时，培养基一次又一次地与外壳接触，从而将热量释放到外壳上。但是这种方法也有缺点，在移动培养基过程中，剪切力发生作用，尤其是会破坏在生长过程中的霉菌结构(菌丝体、孢子囊、子实体)。以这种方法，对于许多霉菌来说始终不可能获得高产的孢子。在这类发酵罐中，解决干燥问题的办法，基本上是通入潮湿的空气，因为没有必要从培养基中蒸发水分(不需要蒸发冷却)。此外，喷嘴可以实现培养基的湿润，也可以通过运动使游离水有一个好的分布。

但是，用这种发酵罐培养大量培养基会带来其他问题：1、设计大的发酵罐，价格十分昂贵；2、发酵罐连续运动，会引起湿培养基的附聚作用；3、需要有通向外界的接口(空气进口和出口，进水口)，在发酵罐的旋转过程中，它们很容易成为外来病菌污染的根源。