CN102533540A - 发酵罐精确计量流加装置及高浓度溶液的流加方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发酵罐精确计量流加装置及高浓度溶液的流加方法，流加装置包括发酵罐、膜过滤器、计量泵、流加罐、阀门和电子监控系统组成，从发酵罐通过管路依次连接流加管阀门、过滤器后阀门、膜过滤器、计量泵出液阀门、计量泵、计量泵进液阀门和流加罐；排汽阀门以管路连接在计量泵出液阀门的发酵罐一侧，蒸汽阀门的一头通过管路连接在流加管阀门的过滤器后阀门一侧，蒸汽阀门的另一头连接蒸汽管路S；另一个排汽阀门通过管路连接在流加管阀门的发酵罐一侧。流加的物料为低水分活度的高浓度溶液，无需蒸汽灭菌，以膜过滤的方法滤除流加液中的菌。根据发酵过程中的发酵时间、pH、泡沫高度、发酵的呼吸商等指示性指标，通过电子监控系统，进行精确计量流加补料。补料量的控制精度达到1％以内，适合实验和生产的不同规模的发酵罐。
Description
技术领域
本发明涉及一种发酵罐的精确计量流加装置及高浓度溶液的流加方法，尤其是涉及在发酵过程中精确地控制流加高浓度流加液体积和流加速度的装置和方法。
背景技术
发酵过程中常以某一营养物质作为限制性基质，采用营养物流加技术是常用的一种发酵调控策略，流加补料操作往往是生物反应过程优化调控的关键操作，因此，流加补料装置已经成为绝大多数生物反应器的必配装置。发酵过程中流加的物料有酸、碱、中和剂、消泡剂、碳源、氮源、酶制剂、前体和诱导物等，现代生物反应过程对补料计量、补料控制精度及周期的要求越来越高。
现有的发酵罐计量流加补料装置和流加工艺，必须满足流加液、流加管路和补料罐、补料杯或计量杯，甚至计量泵都要能高温灭菌，无灭菌死角，一般要达到1％的流加计量精度，流加速度可控制，以及价格合理等几个方面的要求。目前在生物反应过程中比较常用的有连续式和离散式两大类流加补料装置，但能同时符合上述多个条件的计量流加装置很少。实验室规模小型发酵罐的计量流加装置，大多采用蠕动泵和称重补料传感器；大型发酵罐系统的流加补料装置，采用占空比控制可调的隔膜阀、智能称量补料装置。
蠕动泵流加补料装置，由于蠕动泵的不同硅胶管的管径及弹性，空转和蠕动泵进出口压差不同，以及电机启动的静摩擦力等，依据转速或开通时间进行补料计量会带来很大误差，蠕动泵的特点也不适合大型发酵罐的大流量计量流加。
连续式计量补料装置，使用电磁流量计、质量流量计等，精度高，但价格也高。如果流加液中有气泡存在，还会影响精度，而且必须配用价格昂贵的连续调节阀。
离散式计量流加补料装置，有计量杯式、三阀系统和电磁计量泵三种。计量杯式流加补料装置，是以计量杯为计量单位，即使每次计量正确，最高精度也只有计量杯的容积，在发酵过程中罐压、起泡等因素影响其计量的准确性。三阀系统流加补料装置，以阀腔为计量单位，价格高，对进出口的压力要求较高，料液中的气泡等影响计量精度。电磁计量泵流加补料装置，以泵的工作时间积算补料量，价格高，而且不能耐蒸汽灭菌。
专利(申请号：200810033769.8)公开了一种流体补料称重计量控制装置，直接称量每次补料的重量，并经智能模块运算补料量。该装置的阀门系统复杂；称量模块或电子秤要很好地防止实验和生产环境的潮湿影响；称量补料系统管路用软管连接，管路耐久性差；称量系统对环境的振动干扰敏感，要克服连接管道的挠性干扰和电机转动及不同转速的转矩干扰，克服反应罐整机摇摆所造成的局部应力集中；二次仪表的设计要具备自动标定、去皮、累计、速率等称重操作，克服振动等影响；还必须克服罐上人工操作时的瞬时接触干扰等。
现有的发酵罐计量流加补料方式，除了强酸、强碱和氨水等本身就能杀菌的物质以外，为了防止发酵染菌，流加液均需要经过蒸汽灭菌后流加到发酵罐中，对流加罐和流加液流加过程经过的管、泵、阀等都要以蒸汽灭菌，蒸汽灭菌过程的能耗高；热敏性流加物不能蒸汽灭菌，有些物料(如葡萄糖)经蒸汽灭菌后颜色变深，部分成分发生变化；流加液的浓度不高，流加后对发酵液的稀释率较高，对发酵液中的产物稀释率较高，发酵罐的罐容利用率不高。
随着技术进步，计量泵的精度不断提高。我国机械行业标准JB/T 53192-1999《计量泵产品质量分等》中规定，计量泵的稳定性精度、线性度和复现性精度均为±1％。我国国家标准GB/T 7782-2008《计量泵》规定，计量泵在额定条件下和最大相对行程长度处的流量计量精度应不低于1％。
微生物的生长繁殖与水分活度(Aw)相关，微生物的活动和生物化学反应都需要一定的Aw值，物料中的水分活度低于某一临界Aw值时，其中的微生物则停止生长繁殖。微生物的这种特性，已被应用在许多液态食品的保存上。
发明内容
针对现有的计量流加补料装置和方法的缺陷，本发明提供一种在发酵过程中精确地控制流加高浓度流加液体积和流加速度的装置和方法。
本发明的技术方案如下：
一种精确计量流加补料装置，包括发酵罐、膜过滤器、计量泵、流加罐、阀门和电子监控系统组成，从发酵罐1通过管路依次连接流加管阀门8、过滤器后阀门7、膜过滤器2、计量泵出液阀门5、计量泵3、计量泵进液阀门11和流加罐4；排汽阀门6以管路连接在计量泵出液阀门5的发酵罐1一侧，排汽阀门10通过管路连接在流加管阀门8的发酵罐1一侧；蒸汽阀门9的一头通过管路连接在流加管阀门8的过滤器后阀门7一侧，蒸汽阀门9的另一头连接蒸汽管路S。
本发明的电子监控系统：采用通用的可以实现本发明的系统都可以，也可以采用以下的电子监控系统：
包括过程参数传感器、通讯网络、指令输入系统、电控设备、流加补料速率控制器、显示模块、记录仪和监控系统；对于无反馈流加补料，电子监控系统根据指令输入系统设定的参数，由电控设备通过通讯网络对流加补料速率控制器下达指令，按照指令启动计量泵，控制并记录、显示流加补料的时间、速率和补料量；对于反馈流加补料，过程参数传感器将采集到的发酵过程参数通过通讯网络上传给电控设备，电控设备根据指令设定的运算程序，决定流加补料的时间、速率和补料量，再通过通讯网络对流加补料速率控制器下达指令，按照指令启动计量泵，控制并记录、显示流加补料的时间、速率和补料量。
本发明的的计量流加补料的流加方法，步骤如下：
1)灭菌：
发酵罐1的实消和膜过滤器2的灭菌分别进行。发酵罐1实消时，关闭流加管阀门8，打开排气阀门10，发酵罐内的高压蒸汽从排气阀门10排出，对发酵罐1至流加管阀门8之间的管路灭菌，灭菌结束关闭排气阀门10。膜过滤器2的灭菌，关闭计量泵出液阀门5，打开过滤器后阀门7、排汽阀门6和蒸汽阀门9，通过蒸汽阀门9和蒸汽管S，向膜过滤器2及其至流加管阀门8之间的管路通入蒸汽，进行灭菌，高压蒸汽从排气阀门6排出，灭菌结束关闭排汽阀门6和蒸汽阀门9；
2)流加：
将流加料液储存在流加罐中，计量泵进液阀门11保持开启状态；在发酵过程中需要流加液体物料时，打开计量泵出液阀门5、过滤器后阀门7和流加管阀门8，按照电子监控系统设定的程序，启动计量泵3。计量泵3的排出压力高于发酵罐内的压力0.001～1.0MPa，流加罐4中的流加液经计量泵3的精确计量、加压，经膜过滤器2过滤除菌，流入发酵罐1内，实施计量流加补料。
通过电子监控系统，可以记录和显示流加补料的时间、流加速率和流加补料量。
发酵罐实消的同时对膜过滤器2及流加管路灭菌；关闭计量泵出液阀门5，打开排汽阀门6、排气阀门10、过滤器后阀门7和蒸汽阀门9，蒸汽阀门9和蒸汽管S向发酵罐1和膜过滤器2通入蒸汽灭菌，排汽阀门6和排气阀门10排出部分蒸汽，灭菌结束关闭蒸汽阀门9、排汽阀门10和排汽阀门6。
所述的膜过滤器2的作用是滤除流加液中的微生物，其中的过滤膜可以超滤膜或微滤膜，过滤膜的孔径从3000道尔顿分子量至0.45μm。
所述的计量泵3是电磁驱动式计量泵、机械驱动式隔膜计量泵、液压驱动式隔膜计量泵、柱塞式计量泵、波纹管式计量泵或精密齿轮泵。
计量泵可以根据需要决定是否加装流量调节器、缓冲罐和安全阀，这是容积式计量泵的基本常识，在此不再一一赘述。
所述的电控设备是计算机、工控机、单片机、嵌入系统、PLC或PC104。
所述的流加罐4中流加液的含水量，一般低于其中微生物生长繁殖所需的水分活度，其中的微生物不会生长繁殖。对于流加罐中的液体酶制剂，由于液体酶制剂中已经添加有防腐剂，使用商品液体酶制剂即可。因此，流加罐4、计量泵3和流加罐中的流加液，不需灭菌。
本发明，可以根据发酵过程中的发酵时间、发酵的呼吸商、发酵液的pH、泡沫高度、氧化还原电位、底物浓度、生物量、产物浓度、中间代谢产物含量、前体物质含量、诱导物含量及其他指示性指标，通过自动控制系统，提前设定流加补料的时间、流加速率和流加补料量，进行反馈流加补料或无反馈流加补料，可以实现指数流加、线性流加和脉冲流加等流加方式。
本发明适用于流加酸液、碱液、中和剂溶液、液体消泡剂、碳源溶液、氮源溶液、液体酶制剂、前体溶液和诱导物溶液或液体诱导物等液体物料。
本发明的发酵罐精确计量流加装置，在一台发酵罐上，可以有一套至多套，依据发酵流加补料的需要而定。
本发明有以下的有益效果：补料量的控制精度达到1％以内，实现精确定量流加补料；适合实验和生产的不同规模的发酵罐；管路和阀门系统简单；管路全部可以采用硬管连接，使用寿命长；模块式结构，便于组合，布线简单，干扰因素少；计量泵、流加罐和流加系统的大部分管路不需要灭菌消毒，因此可根据需要选择多种计量泵，控制精度高；装置的造价低；使用灵活方便，自动控制系统比较简单，可以按照需要随意设定补料量、补料速率和补料时间，实时显示瞬时计量和累计补料量，满足实验和生产的需要；采用高浓度的流加液，其水分活度低，抑制了有机物流加液中微生物的生长繁殖；一种流加液可以只使用一个大型流加罐，对多个发酵罐实施流加操作，降低了设备加工、运行和维护的成本；流加液可以长时间多罐次使用，减少了流加液配制的劳动量；高浓度的流加液减少了对发酵液的稀释，发酵液中产物浓度高，还提高了发酵罐的罐容利用率；以膜过滤的方式对流加液除菌，不仅节约了蒸汽灭菌的能耗，而且特别适合热敏性物料的流加；降低发酵制品的生产成本。
附图说明
图1是发酵罐精确计量流加装置的示意图。
图2为电子监控系统示意图。
具体实施方式
实施例1：
发酵罐的精确计量流加装置。发酵罐1通过管路依次连接流加管阀门8、过滤器后阀门7、膜过滤器2、计量泵出液阀门5、计量泵3、计量泵进液阀门11和流加罐4；排汽阀门6以管路连接在计量泵出液阀门5的发酵罐1一侧，排汽阀门10通过管路连接在流加管阀门8的发酵罐1一侧；蒸汽阀门9的一头通过管路连接在流加管阀门8的过滤器后阀门7一侧，蒸汽阀门9的另一头连接蒸汽管路S。
电子监控系统由过程参数传感器、指令输入系统、电控设备、流加补料速率控制器、显示模块、记录仪和监控系统通过通讯网络的信号线连接。指令输入系统向电控设备输入指令，过程参数传感器通过通讯网络向电控设备输入过程参数信号，电控设备根据监控系统的计算结果，通过通讯网络向流加补料速率控制器和计量泵下达指令启动计量泵，控制流加补料的时间、速率和补料量，同时与电控设备连接的显示模块和记录仪，记录并显示流加补料的时间、速率和补料量。
实施例2：
50m3罐柠檬酸发酵的无反馈流加补糖和反馈流加消泡：
两套精确计量流加补料装置，一套流加装置流加葡萄糖浆，为葡萄糖浆流加装置；另一套流加消泡剂，为消泡剂流加装置。
葡萄糖浆流加装置的膜过滤器2的膜孔径0.2μm，将固形物含量76％的葡萄糖浆储存在流加罐中，计量泵进液阀门11保持开启状态。在发酵罐实消时，关闭计量泵出液阀门5和流加管阀门8，打开排汽阀门10，对流加管阀门8至发酵罐1之间的管路灭菌。打开过滤器后阀门7、排汽阀门6和蒸汽阀门9，从蒸汽管S通入蒸汽，对膜过滤器2及其至流加管阀门8之间的管路灭菌。灭菌结束，关闭蒸汽阀门9、排汽阀门6和排汽阀门10。流加罐4、计量泵3和流加罐中的葡萄糖浆均不需灭菌。待发酵液温度降到36℃时，向发酵罐中接入菌种，按照常规工艺进行柠檬酸发酵，发酵罐的装液量、搅拌转速、通风量和温度控制均不变，发酵罐的罐压0.1MPa。当发酵液中的总糖含量降低到5％以下时，发酵液的泡沫减少，打开计量泵出液阀门5和流加管阀门8，按照电子监控系统设定的程序，启动计量泵3，计量泵3的平均排出压力0.25MPa，流加罐4中的葡萄糖浆经计量泵3的计量、加压，经膜过滤器2滤除葡萄糖浆中的菌，流入发酵罐1内，实施流加补糖。葡萄糖浆的流加速度为每小时每立方米发酵液流加2.6L，连续流加5小时。电子监控系统记录并显示流加葡萄糖浆的时间、流量和流速。发酵结束时，发酵液中柠檬酸含量增加1.1个百分点。
消泡剂流加装置。膜过滤器2的膜孔径0.1μm，将液体泡敌储存在流加罐中，计量泵进液阀门11保持开启状态。在发酵罐实消时，关闭计量泵出液阀门5和流加管阀门8，打开排汽阀门10，对流加管阀门8至发酵罐1之间的管路灭菌。打开过滤器后阀门7、排汽阀门6和蒸汽阀门9，从蒸汽管S通入蒸汽，对膜过滤器2及其至流加管阀门8之间的管路灭菌。灭菌结束，关闭蒸汽阀门9、排汽阀门6和排汽阀门10。流加罐4、计量泵3和流加罐中的泡敌均不需灭菌。当发酵过程中发酵液的泡沫达到预定高度时，发酵罐的泡沫传感器启动，泡沫高度信号通过通讯网络反馈给电控设备，电控设备按照指令输入系统预先输入的指令和监控系统的分析，通过通讯网络和流加补料速率控制器，启动计量泵，按照50ml/s的流加速率向发酵罐1中流加消泡剂，流加量为200ml。
以上实施例是说明性的，发明内容提出的所有技术方案本发明都可以实现，凡采用等同替换或等效变形形成的技术方案均在本发明要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种精确计量流加补料装置，包括发酵罐、膜过滤器、计量泵、流加罐、阀门和电子监控系统组成，其特征是从发酵罐(1)通过管路依次连接流加管阀门(8)、过滤器后阀门(7)、膜过滤器(2)、计量泵出液阀门(5)、计量泵(3)、计量泵进液阀门(11)和流加罐(4)；排汽阀门(6)以管路连接在计量泵出液阀门(5)的发酵罐(1)一侧，排汽阀门(10)通过管路连接在流加管阀门(8)的发酵罐(1)一侧；蒸汽阀门(9)的一头通过管路连接在流加管阀门(8)的过滤器后阀门(7)一侧，蒸汽阀门(9)的另一头连接蒸汽管路S。
2.如权利要求1所述的精确计量流加补料装置，其特征是所述的电子监控系统：包括过程参数传感器、通讯网络、指令输入系统、电控设备、流加补料速率控制器、显示模块、记录仪和监控系统；对于无反馈流加补料，电子监控系统根据指令输入系统设定的参数，由电控设备通过通讯网络对流加补料速率控制器下达指令，按照指令启动计量泵，控制并记录、显示流加补料的时间、速率和补料量；对于反馈流加补料，过程参数传感器将采集到的发酵过程参数通过通讯网络上传给电控设备，电控设备根据指令设定的运算程序，决定流加补料的时间、速率和补料量，再通过通讯网络对流加补料速率控制器下达指令，按照指令启动计量泵，控制并记录、显示流加补料的时间、速率和补料量。
3.如权利要求1的计量流加补料的流加方法，其特征是步骤如下：
1)灭菌：
发酵罐1的实消和膜过滤器2的灭菌分别进行；发酵罐(1)实消时，关闭流加管阀门(8)，打开排气阀门(10)，发酵罐内的高压蒸汽从排气阀门排出，对发酵罐至流加管阀门之间的管路灭菌，灭菌结束关闭排气阀门；膜过滤器(2)的灭菌，关闭计量泵出液阀门(5)，打开过滤器后阀门(7)、排汽阀门(6)和蒸汽阀门(9)，通过蒸汽阀门和蒸汽管S，向膜过滤器及其至流加管阀门之间的管路通入蒸汽，进行灭菌，高压蒸汽从排气阀门排出，灭菌结束关闭排汽阀门和蒸汽阀门；
2)流加：
将流加料液储存在流加罐中，计量泵进液阀门(11)保持开启状态；在发酵过程中需要流加液体物料时，打开计量泵出液阀门(5)、过滤器后阀门(7)和流加管阀门(8)，按照电子监控系统设定的程序，启动计量泵(3)；计量泵的排出压力高于发酵罐内的压力0.001～1.0MPa，流加罐(4)中的流加液经计量泵的精确计量、加压，经膜过滤器(2)过滤除菌，流入发酵罐(1)内，实施计量流加补料；通过电子监控系统，可以记录和显示流加补料的时间、流加速率和流加补料量。
4.如权利要求3所述的流加方法，其特征是发酵罐实消的同时对膜过滤器及流加管路灭菌；关闭计量泵出液阀门，打开排汽阀门、排气阀门、过滤器后阀门和蒸汽阀门，蒸汽阀门和蒸汽管S向发酵罐和膜过滤器通入蒸汽灭菌，排汽阀门和排气阀门排出部分蒸汽，灭菌结束关闭蒸汽阀门、排汽阀门和排汽阀门。
5.如权利要求3所述的流加方法，其特征是在一台发酵罐上，有一套或多套精确计量流加补料装置。
6.如权利要求3所述的流加方法，其特征是所述的膜过滤器中的膜为超滤膜或微滤膜，过滤膜的孔径从3000道尔顿分子量至0.45μm。
7.如权利要求3所述的流加方法，其特征是所述的计量泵是电磁驱动式计量泵、机械驱动式隔膜计量泵、液压驱动式隔膜计量泵、柱塞式计量泵、波纹管式计量泵或精密齿轮泵。
8.如权利要求3所述的流加方法，其特征是所述的电控设备是计算机、工控机、单片机、嵌入系统、PLC或PC104。
9.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的流加罐中流加液的含水量，低于其中微生物生长繁殖所需的水分活度。
10.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的流加液，是酸液、碱液、中和剂溶液、液体消泡剂、碳源溶液、氮源溶液、液体酶制剂、前体溶液和诱导物溶液或液体诱导物液体物料。
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