一种用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的装置及方法

技术领域

本发明属于发酵工程领域，特别涉及一种用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的装置及方法。

背景技术

类芽孢杆菌B69(PaenibacillusPelgii B69)发酵所产胞外多糖可以作为生物絮凝剂，因其高效、廉价、无毒、无二次污染的特性而被作为水处理剂，广泛应用于工业污水处理等领域，克服了传统的无机絮凝剂、人工合成有机絮凝剂本身固有的不彻底，不环保、不安全等缺陷，对人体健康和环境保护都有很重要的现实意义。

胞外多糖可以作为生物絮凝剂具有去除多种混合污染物性能，而大多数其他菌株产生的微生物絮凝剂并不具备此特性。

目前类芽孢杆菌B69(PaenibacillusPelgii B69)发酵所产胞外多糖作为絮凝剂主要问题在于产量低，无法大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的装置及其制备方法，从而克服利用类芽孢杆菌发酵胞外多糖的产量低，无法大规模应用的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的装置，包括罐体，所述罐体包括内腔以及设于所述内腔外的夹层腔，所述内腔内设有能够转动的搅拌桨，所述内腔的侧壁上套设有交流线圈；所述搅拌桨上固设有回转笼，所述回转笼以可转动的方式套设于所述交流线圈内；所述搅拌桨内设有循环水道，所述循环水道设有水道入口和水道出口；所述罐体的顶部设有固定座，所述固定座上设有进水管和出水管，所述进水管与所述水道入口连通，所述出水管与所述水道出口连通；所述罐体的底部设有取液仓，所述取液仓内设有储液腔，所述储液腔与所述内腔连通，所述储液仓上设有与所述储液腔连通的蒸汽管和取液管；所述内腔的顶部设有过滤仓，所述罐体的顶部设有与所述过滤仓相连通的注液管，所述注液管与循环管路的一端相连通，所述循环管路的另一端与所述内腔的底部连通，所述循环管路中设有循环泵；所述内腔中设有超声波发生器。

优选的，上述技术方案中，所述罐体的底部设有夹层进液管，所述罐体的顶部设有夹层出液管，所述夹层进液管和所述夹层出液管均与所述夹层腔相连通。

优选的，上述技术方案中，所述进水管的一端连接有冷水管和热水管。

优选的，上述技术方案中，所述搅拌桨包括：桨轴，其一端以能够转动的方式设于所述内腔的底部，所述桨轴的另一端从所述罐体的顶部向外延伸，所述桨轴内设有外水道，所述外水道的一端从所述桨轴的另一端向外延伸形成所述水道出口；桨片，两个或两个以上的所述桨片沿所述桨轴的轴线间隔设于所述桨轴上，各所述桨片内均开设有桨片腔，所述桨片腔的一端延伸至所述外水道中形成桨片腔口；隔水环，两个或两个以上的隔水环沿所述外水道的轴线间隔设于所述外水道中，所述隔水环中部设有密封孔，所述隔水环的环周设有两个或两个以上的隔水板，各所述隔水板从所述桨片腔口伸入至所述桨片腔中，并将所述桨片腔区隔出一条“C”字形桨片水道，所述桨片水道的两端分别与所述外水道连通；固定轴，其设于所述外水道内并套设在各所述密封孔中，所述固定轴的一端延伸至所述水道出口处，所述固定轴的另一端与所述外水道的另一端之间具有一定间隙，所述固定轴内设有贯穿于所述固定轴两端的内水道，所述内水道在所述固定轴的一端形成所述水道入口。

优选的，上述技术方案中，所述桨轴，所述外水道，所述密封孔、所述内水道和所述固定轴的轴线共线。

优选的，上述技术方案中，所述固定座还包括外套管，其固定在所述罐体的顶部，所述外套管朝向所述罐体的顶部的一端设有套管孔，所述桨轴的一端套设在所述套管孔中，所述套管孔和所述桨轴之间设有密封圈，所述出水管与所述套管孔相连通；所述进水管的另一端延伸至所述套管孔中并与所述固定轴的一端连接。

优选的，上述技术方案中，所述回转笼包括：导电板，所述导电板共有两块，其以一定的间隔固设于所述桨轴上，所述导电板的外周与所述交流线圈的内壁之间具有一定间隙；导电条，两个或两个以上的导电条以所述桨轴的轴线为中心环设在所述桨轴的周围，且所述导电条的两端分别与一块所述导电板连接，各所述导电条相互平行。

优选的，上述技术方案中，所述罐体上设有控制器，所述控制器与所述交流线圈和所述超声波发生器电性连接。

优选的，上述技术方案中，所述罐体上开设有与所述过滤仓相连通的过滤仓口，所述过滤仓口处设有过滤仓盖。

另一方面，为实现上述目的，本发明还公开了一种用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的方法，包括上述的用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的装置，包括如下步骤：

S1.营养肉汤培养基：称取营养肉汤培养基干粉，溶于蒸馏水中，营养肉汤培养基干粉和蒸馏水比例为18:1000，pH 7.3士0.2，121℃高压灭菌20min；

S2.营养琼脂培养基：称取营养琼脂培养基干粉，溶于蒸馏水中，营养琼脂培养基干粉和蒸馏水质量比例为35:1000，pH 7.2±0.2，121℃高压灭菌20min，待冷却后倒平板或斜面；

S3.种子培养基：配制NaCI 5g/L，酵母提取物5g/L，蛋白胨5g/L，蔗糖5g/L，pH 7.2的溶液，121℃高压灭菌20min；

S4.发酵培养基：K

S5.菌株的发酵流程：

S5.1菌株活化：

A1.活化：从保藏的PaenibacillusPelgii B69甘油管中取一环菌液于营养肉汤培养基中，恒温30℃、200rpm摇床震荡，活化培养24h；

A2.分离：用接种环取一环活化后的菌液，划线于营养琼脂平板，30℃恒温培养24h；

A3.扩大：挑取平板上的单菌落，接种子营养琼脂斜面，30℃恒温扩大培养24h；

S5.2菌株发酵：

B1.种子培养：从营养琼脂斜面上挑取一环菌苔，接种于种子培养基中，恒温30℃、200rpm振荡培养24h；

B2.搅拌磁场处理发酵：种子液以l：l0(v/v)的接种量转接至发酵装置的发酵培养基中，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h；然后进行磁场处理，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h，磁场强度为0.86-0.96A/m；脉冲磁场处理停止，继续保持恒温30℃、220rpm搅拌培养24h；然后再进行磁场处理，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h，磁场强度为0.86-0.96A/m；总共96小时后发酵完成。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明中的类芽孢杆菌发酵胞外多糖的方法，提高了发酵胞外多糖产率，利于工业生产应用。

2.本发明中的用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的装置通过设置有交流线圈，从而能够为发酵罐内提供方向及强弱可变化的磁场，从而加快类芽孢杆菌的发酵速度。

3.本发明中的发酵装置内的搅拌桨上安装有回转笼，搅拌桨和回转笼又以可转动的方式安装在交流线圈内，随着交流线圈通入380V的交流电，不仅能够为发酵过程提供可变磁场，而且还能够驱使回转笼进行自主转动，从而带动搅拌桨一起转动，无需再接入额外的电机再进行驱动，不仅满足了双重使用功能而且还使装置结构简单，维护成本及用电成本大幅度降低。

4.本发明中的发酵装置内的搅拌桨内设置有循环水道，循环水道能够流经桨片的内部，使用时向循环水道内加入一温水进行循环，不仅能够为发酵罐中的菌落溶液进行温和的加热升温，而且还能够在桨片在转动搅拌的过程中也同时为菌落溶液进行加热，并且能够使热量迅速扩散，并且使热量分布的更加均匀，在搅拌的同时实现了加热，并且加热效果更加显著。

5.本发明中发酵装置的罐体的底部设置有储液仓，能够使罐体中发酵好的液体流入到储液仓中，再进行取用，不仅方便控制取用量，而且还能够防止杂菌进入罐体内造成整体污染；在储液仓上设置有蒸汽管，能够在取液之前对储液仓中通入高温蒸汽进行消毒杀菌，从而达到防止污染的效果。

6.本发明中的发酵装置的内腔外包有夹层腔，夹层腔中可以通入温水，不仅能够起到对内腔的内壁附近的溶液进行恒温加热，而且还能对罐体内的溶液整体进行保温。

7.本发明中的发酵装置设置有循环环路，能够在发酵装置工作时，将罐体的液体循环抽入至罐顶的过滤仓内进行循环过滤，不仅能滤除发酵过程中溶液里的杂质，而且还能够使罐内液体流动而加速菌种的搅拌。

8.本发明中的发酵装置内安装有超声波发生器，以能够辅助消除罐内菌种发酵过程中产生的气泡，是消泡效果更好。

附图说明

图1是本发明中用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的装置的结构图。

图2是本发明中用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的装置的剖切图。

图3是搅拌桨和固定座的剖切图。

图4是本发明中用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的方法的步骤示意图。

主要附图标记说明：

1-罐体，11-内腔，12-夹层腔，13-过滤仓，131-过滤仓口，132-过滤仓盖，14-注液管，15-夹层进液管，16-夹层出液管；

2-搅拌桨，21-桨轴，22-桨片，23-桨片腔，24-桨片腔口，25-隔水环，26-密封孔，27-隔水板，28-桨片水道，29-固定轴，210-内水道；

3-交流线圈；

4-回转笼，41-导电板，42-导电条；

5-循环水道，51-水道入口，52-水道出口，53-外水道；

6-固定座，61-进水管，611-冷水管，612-热水管，62-出水管，63-密封圈，64-外套管，65-套管孔；

7-取液仓，71-储液腔，72-蒸汽管，73-取液管，74-取液仓连接管；

8-循环管路，81-循环泵，82-阀门；

9-超声波发生器；

10-控制器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例一

如图1到图3所示，该实施例中的用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的装置包括：罐体1，内腔11，夹层腔12，过滤仓13，过滤仓口131，过滤仓盖132，注液管14，夹层进液管15，夹层出液管16，搅拌桨2，桨轴21，桨片22，桨片腔23，桨片腔口24，隔水环25，密封孔26，隔水板27，桨片水道28，固定轴29，内水道210，交流线圈3，回转笼4，导电板41，导电条42，循环水道5，水道入口51，水道出口52，外水道53，固定座6，进水管61，冷水管611，热水管612，出水管62，密封圈63，外套管64，套管孔65，取液仓7，储液腔71，蒸汽管72，取液管73，取液仓连接管74，循环管路8，循环泵81，阀门82，超声波发生器9，控制器10。

罐体1包括内腔11以及包围在内腔11外的夹层腔12；在内腔11的侧壁上安装有交流线圈3，交流线圈3的表面浸有绝缘漆并进行包胶处理；罐体1的底部设置有夹层进液管15，顶部设置有夹层出液管16，在进液管15和出液管16上分别安装有一个阀门82；夹层进液管15和夹层出液管16均与夹层腔12相连通。

搅拌桨2包括：桨轴21、桨片22、桨片腔23、桨片腔口24、隔水环25、密封孔26、隔水板27、桨片水道28、固定轴29以及内水道210；桨轴21的一端通过轴承以能够转动的方式安装在内腔11的底部，桨轴21的另一端从罐体1的顶部向外延伸，桨轴21内开设有外水道53，外水道51的一端从桨轴21的另一端向外延伸形成水道出口52；沿着桨轴21的轴线方向间隔设置有三组桨片22，每组由4片桨片22组成，4片桨片22以桨轴21的中线为中心均匀分布，各桨片22内均开设有桨片腔23，桨片腔23的一端延伸至外水道53中并形成桨片腔口24；三个隔水环25沿外水道51的轴线间隔设置在外水道51中，隔水环25的中部开设有密封孔26，隔水环25的环周设置有四个隔水板27，各隔水板27从桨片腔口24处伸入至桨片腔23中，并将桨片腔23区隔出一条“C”字形桨片水道28，桨片水道28的两端分别与外水道53连通；固定轴29设置在外水道53内并以能够转动的方式套在各密封孔26中且其外壁能够与密封孔26之间相互密封，固定轴29的一端延伸至水道出口52处，固定轴29的另一端与外水道51的另一端之间具有一定间隙，固定轴29内开设有贯穿于固定轴29两端的内水道210，内水道210在固定轴29的一端形成水道入口51；桨轴21、外水道51、密封孔26、内水道210和固定轴29的轴线共线；其中，桨片水道28、内水道210以及外水道53一同构成了循环水道5。

罐体1的顶部安装有固定座6，固定座6上设置有进水管61和出水管62，进水管61与水道入口51连通，出水管62与水道出口52连通；固定座6中包括外套管64，其通过螺钉固定在罐体1的顶部，外套管64朝向罐体1的顶部的一端开设有套管孔65，桨轴21的一端套在套管孔65中，套管孔65和桨轴21之间设置有密封圈63，出水管62与套管孔65相连通；进水管61的另一端延伸至套管孔65中并与固定轴29的一端连接；进水管61的一端同时连接有冷水管611和热水管612。

回转笼4包括导电板41和导电条42；导电板41共有两块，两块导电板41以一定的间隔固定安装在桨轴21上，导电板41的外周与交流线圈3的内壁之间具有一定间隙；导电条42有多根，多根导电条42以桨轴21的轴线为中心环绕在桨轴21的周围，且导电条42的两端分别与一块导电板41连接，各导电条42之间相互平行。

取液仓7通过取液仓连接管74安装在罐体1的底部并与内腔11连通，取液仓连接管74靠近取液仓7的一端安装有阀门82，取液仓7内开设有储液腔71，储液腔71与内腔11连通，储液仓7上设置有与储液腔71相连通的蒸汽管72和取液管73，蒸汽管72和取液管73上分别安装有一个阀门82。

内腔11的顶部安装有过滤仓13，过滤仓13的针体由筛板组成，罐体1上开设有与过滤仓13相连通的过滤仓口131，过滤仓口131处设置有过滤仓盖132；罐体1的顶部焊接有与过滤仓13相连通的注液管14，注液管14上靠近管口的位置安装有一个阀门82，注液管14与循环管路8的一端相连通，循环管路8的另一端与取液仓连接管74连接，循环管路8中安装有循环泵81，在循环泵81和循环管路8的另一端之间安装有一个阀门82。

内腔11的底部安装有超声波发生器9，罐体1外壳上安装有控制器10，控制器10与交流线圈3和声波发生器9电性连接，能够用于控制交流线圈3的开启与关闭以及交流线圈3中的电流大小，还可控制超声波发生器9的开启与关闭。

实施例二

如图4所示，该实施例中的用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的方法，包括上述实施例里中所述的用于类芽孢杆菌发酵胞外多糖的装置，其具体步骤如下：

S1.营养肉汤培养基：称取营养肉汤培养基干粉(北京九州天瑞科技有限公司)36g，溶于2000ml蒸馏水中，微火加热至完全溶解，调节pH值至7.4，121℃高压灭菌20min；

S2.营养琼脂培养基：称取营养琼脂培养基干粉(青岛海博生物有限公司)70g，溶于2000ml蒸馏水中，微火加热至完全溶解，调节pH值为7.4，121℃高压灭菌20min，待冷却后倒平板或斜面；

S3.种子培养基：配制NaCI 5g/L，酵母提取物5g/L，蛋白胨5g/L，蔗糖5g/L，pH 7.2的溶液，121℃高压灭菌20min；

S4.发酵培养基：K

S5.菌株的发酵流程：

S5.1菌株活化：

A1.活化：从保藏的PaenibacillusPelgii B69甘油管中取一环菌液于营养肉汤培养基中，恒温30℃、200rpm摇床震荡，活化培养24h；

A2.分离：用接种环取一环活化后的菌液，划线于营养琼脂平板，30℃恒温培养24h；

A3.扩大：挑取平板上的单菌落，接种子营养琼脂斜面，30℃恒温扩大培养24h；

S5.2菌株发酵：

B1.种子培养：从营养琼脂斜面上挑取一环菌苔，接种于种子培养基中，恒温30℃、200rpm振荡培养24h；

B2.搅拌磁场处理发酵：种子液以l：l0(v/v)的接种量转接至发酵装置的发酵培养基中，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h；然后进行磁场处理，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h，磁场强度为0.86A/m；脉冲磁场处理停止，继续保持恒温30℃、220rpm搅拌培养24h；然后再进行磁场处理，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h，磁场强度为0.86A/m；总共96小时后发酵完成。

实施例三

该实施例中B2搅拌磁场处理发酵为：种子液以l：l0(v/v)的接种量转接至发酵装置的发酵培养基中，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h；然后进行磁场处理，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h，磁场强度为0.86A/m；脉冲磁场处理停止，继续保持恒温30℃、220rpm搅拌培养24h；然后再进行磁场处理，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h，磁场强度为0.90A/m；总共96小时后发酵完成。

实施例四

该实施例中即B2搅拌磁场处理发酵为：种子液以l：l0(v/v)的接种量转接至发酵装置的发酵培养基中，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h；然后进行磁场处理，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h，磁场强度为0.86A/m；脉冲磁场处理停止，继续保持恒温30℃、220rpm搅拌培养24h；然后再进行磁场处理，恒温30℃、220rpm搅拌培养24h，磁场强度为0.96A/m；总共96小时后发酵完成。

对比实施例

该对比实施例与实施例二的区别点在于，搅拌磁场处理发酵：种子液以l：l0(v/v)的接种量转接至发酵装置的发酵培养基中，30℃、220rpm搅拌培养96h发酵完成，不进行间断的变化磁场处理。

类芽孢杆菌胞外多糖的测定方法：

1.标准曲线的制作

在每支试管中加入蒽酮试剂0.5mL。再用酸式滴定管加入浓硫酸5mL，摇匀。反应10min，在620nm处测其吸光值。以标准葡萄糖质量浓度作为纵坐标，以吸光值作为横坐标，作出标准曲线。其回归方程为Y＝0.11045X-0.0004，R

2.发酵装置中类芽孢杆菌胞外多糖的测定

把从发酵装置中取出的50mL发酵液在离心机5000r/min下离心15min，取离心液各1mL，稀释数倍，测得吸光值。由标准曲线可求得稀释液中的多糖质量浓度，计算出发酵装置中类芽孢杆实际产胞外多糖的量。类芽孢杆菌胞外多糖增长率r＝(b-a)/a×100％。其中a为对照组的吸光值，b为磁场处理的吸光值。

3发酵装置中类芽孢杆菌胞外多糖的测定结果

由表可知，采取适当的脉冲磁场处理类芽孢杆菌对胞外多糖产量有明显的促进作用。

综上所述，本发明通过在类芽孢杆菌发酵多糖的过程中，对其进行间断且变化的磁场刺激，以促进胞外多糖的分泌，发酵产量提高，并且发酵装置中不仅通过交流线圈产生可变磁场，而且还在搅拌桨上安装有回转笼，利用转动的磁场驱动搅拌桨旋转，结构简单且无需额外的设备产生能耗；在搅拌桨内又设置有循环水道，不仅能够为发酵罐中的溶液进行温和的加热升温而且还能够在桨片转动的过程中将热量迅速均匀扩散，缩短了溶液的升温时间，提升了加热效果。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。