CN103865792A - 一种循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备，由标准的不锈钢发酵罐连续发酵发酵系统改造而成，含有发酵罐、补料罐、空气过滤系统、发酵清液储存罐、菌体浓度和氨基酸在线检测系统、设备自动控制系统、膜分离系统（耐高温、耐污染膜组件）、十字形空气分布器、管路系统等。通过十字形空气分布器供给发酵所需的溶解氧和减缓膜污染；膜分离系统通过蠕动泵或吸水泵与发酵清液储存罐相连，直接完成发酵液的澄清分离；发酵液中的菌体浓度和氨基酸自动在线检测，并通过自动控制系统调节营养液的流加量和发酵反应参数，本发明适合于氨基酸生产的连续或半连续发酵工艺。

Description

一种循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备

技术领域

本发明涉及一种微生物发酵反应及发酵液分离设备，特别是涉及一种发酵反应与料液分离的一体化设备。

背景技术

氨基酸是组成蛋白质的基本单元，是生物有机体的重要组成部分，具有极其重要的生理功能；可广泛应用于食品、饲料添加剂、医药等领域，也可用作合成特殊化学物质的中间体。目前，多数氨基酸生产是采用微生物发酵法在分批间歇式反应器中实现的，得到单一品种的L-氨基酸，夹杂少量的其它种类氨基酸。在传统的分批间歇式反应器中，酶或者微生物细胞处于游离或溶解状态，具有如下缺点：（1）因存在开车、停车过程，设备利用率低；（2）生产能力低，设备费用高；（3）不同批次的产品质量有一定的变化；（4）在反应结束时，需将酶或微生物分离出来，或者使其失活，从而增加了费用；（5）由于采用的生物催化剂浓度较低，且有时存在产物抑制，故完成反应时间较长。随着对氨基酸产品质量要求的日益提高，在氨基酸生产中，分离与纯化也占据越来越重要的地位。通常情况下，分离、纯化成本占氨基酸生产总成本的50%以上。因此，近年来，如何促进微生物细胞高密度培养、增加代谢产率、实现连续发酵以及如何解决氨基酸与发酵液分离、提高氨基酸分离的选择性和成品收率也引起业内人士极大的关注。

在传统的氨基酸发酵生产过程中，发酵池内发酵完毕的料液，需要首先经过澄清，再进行有效产品的分离。这种工艺过程存在着两个难题：一是分离液量大、废液量大；这既造成分离环节的能耗成本居高不下，又带来了废液处理困难，易造成环境污染的问题。二是发酵液的澄清过程与提高发酵池效率存在着矛盾。为了提高发酵池效率，就需要尽量提高发酵池内原料和微生物的浓度，但发酵池中浓度越高，发酵液澄清就越困难。目前的发酵和分离工艺难以解决这一矛盾。

氨基酸的主要分离纯化方法有：沉淀法、离子交换法、萃取法和膜分离法等几种。其中，膜分离法引起了本行业的关注。膜过滤法实现微生物发酵液分离，主要是基于以下机理：由于亲水性等原因所引起的选择性透过；分子体积大小的筛分效应；带电分子与荷电分离膜之间的Donnan效应。营爱玲等、李树良等采用纳滤膜分离谷氨酸发酵液研究结果表明，具有高选择性的纳滤膜分离技术对分离分子量相近、性质相似、电性不同的氨基酸有一定的优势，但是在分离过程中由于浓差极化现象、氨基酸与膜的疏水作用或静电吸附作用，膜在一段时间后常常出现传质阻力升高、膜通量下降、截留率和操作压力升高等现象；这些都将给工业生产带来不利影响，并严重制约纳滤膜分离技术在相关工业领域中的推广应用。另外，Timmer等选用了4种分离膜，对发酵氨基酸的膜过滤情况进行了考察；结果表明，使用带负电荷的超滤膜，赖氨酸更容易透过，分离效果优于所选用的纳滤膜；若氨基酸分子带正电荷，改变盐（如NaCl等）的浓度也可以改变超滤膜对氨基酸分子的截留率；在对混合氨基酸进行膜过滤时，其规律与对单个氨基酸进行操作是一致的。故调整氨基酸混合液的pH值，改变其所带的电荷，并通过加入适当种类和浓度的盐可以提高氨基酸的分离选择性；同时也证明了，当Donnan效应占主导地位时，分离的选择性最高。Teiayadi等对反渗透与发酵过程的经济性进行了研究，膜生物反应器在40g/L的游离菌浓度下连续操作，生产率可达22.5g/L，乳酸盐浓度89g/L，产率为0.89。Xavier等研究了陶瓷管式超滤膜细胞循环生物反应器中影响乳酸生产的操作模式，取得了较好的实验效果，能得到不含细胞的澄清发酵液，具有较高的乳酸体积产率30g/Lh，较高的产品浓度90g/L和较长的使用时间90h，所选用的陶瓷膜材料（将氧化锆涂于碳上）具有较好的机械稳定性，且能耐蒸汽灭菌。Kaimingye采用外置式膜分离发酵与树脂法耦合发酵乳酸循环利用菌体，同时得到了较高的乳酸产量7.75g/Lh，但外置式膜分离占地面积大，不易于在线观察控制，操作成本高。后来，Coulman等、Hongo等、Nomura等也对电渗析等膜法在发酵工业中的应用进行了研究。

可见，膜设备和技术已经成功地应用于发酵产物的分离、分级、浓缩和提纯等方面，但均为采用发酵罐和分离膜装置分开的形式。目前的膜法发酵反应器的研究基本属于分离膜装置与发酵罐的组合，虽然在一定程度上提高了代谢产率、实现了连续发酵，但仍存在反应与分离分步进行、能源消耗高的问题。如中国专利公开号CN1908176A《采用无机膜实现无所谓原位分离发酵的方法》，涉及发酵与分离的耦合装置和工艺，是将含生物细胞的发酵液通过发酵罐外的膜进行分离，但生物细胞在这种分离的过程中会受到影响，发明也未提到连续发酵。

浸没式膜生物反应器是一种较成熟的、专门用于污水处理的反应器，与传统的膜反应器相比，膜组件可直接放入生物反应器内，反应器上的膜能截留所有的生物量从而可以随意控制污泥停留时间。由于它的耗能更少，稳定性高，设备结构紧凑，而且对生物细胞的生物活性影响较小，尤其是在发酵液的取出过程中，浸没式膜生物反应器所需压力明显低于其他形式的膜反应器，因此，浸没式膜生物反应器能够在最经济的条件下实现发酵的连续化。近年来，膜生物反应器在发酵工程中的应用研究也逐渐引起了重视，膜发酵反应器也得到了一定的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种集发酵反应与反应产物分离于一体的循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备，实现氨基酸发酵罐中直接分离、提取高浓度的产品溶液，减少发酵液处理量，提高生产效率。

为解决这一技术问题，本发明提供了一种循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备，包括发酵罐、补料罐、空气过滤系统、发酵清液储存罐、菌体浓度和氨基酸在线检测系统、设备自动控制系统、膜分离系统、十字形空气分布器和管道，所述十字形空气分布器位于发酵罐的底部，通过管道与空气过滤系统相连接；所述的膜分离系统置于发酵罐的中下部、位于十字形空气分布器的正上方，通过管道与蠕动泵或吸水泵、发酵清液储存罐相连接；所述发酵罐的底部设有废料排口、其上方设有进料口和出气口，所述补料罐通过进料口与发酵罐连通。

所述发酵罐为气升式好氧发酵罐，所需溶解氧通过位于发酵罐底部的十字形空气分布器供给。

所述膜分离系统为耐高温、耐污染的膜组件。与传统的膜反应器相比，膜组件直接放入发酵罐内，发酵罐内的膜能截留所有的生物量从而可以随意控制反应物停留时间。

所示膜分离系统的膜组件为动态性的超滤或微滤膜组件，型式为中空纤维式或中空管式或平板式，膜组件能够耐受125℃高温，工作压力0.01-0.20MPa。

所述超滤膜的截留分子量为10000-100000MW，微滤膜的孔径为0.05-0.2微米。

所述的设备通过自动控制系统对温度、转速、pH、溶氧、流量、压力、补料、泡沫等进行控制。

有益效果：本发明适合于氨基酸生产的连续或半连续发酵工艺,即将发酵罐与应用于中水处理中的浸没式膜生物反应器结合在一起，所生产的发酵清液不再需要任何处理，可直接进入到沉淀、提取和精制氨基酸工序，实现了氨基酸生产的发酵反应、分离纯化过程的一体化，减少了中间环节，减少了发酵液的杂菌污染，缩短了生产周期，提高了产品的质量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1发酵罐、2补料罐、3空气过滤系统、4发酵清液储存罐、5菌体浓度和氨基酸在线检测系统、6蠕动泵或吸水泵、7膜分离系统、8十字形空气分布器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做具体描述。

图1所示为本发明的结构示意图。

本发明采用标准的不锈钢发酵罐连续发酵发酵系统改造而成，主要包括：发酵罐1、补料罐2、空气过滤系统3、发酵清液储存罐4、菌体浓度和氨基酸在线检测系统5、设备自动控制系统、膜分离系统7、十字形空气分布器8和管道。

发酵罐的菌体浓度在线检测系统和氨基酸在线检测系统5可实现自动检测发酵液中菌体细胞的浓度，并通过调整营养液的流加速度和多余菌体的排出，来调整发酵液中适宜的菌体浓度，从而保证整个发酵过程在较高的比生长速率下完成。

所述发酵罐1为气升式好氧发酵罐，容积在0.1m³到50m³不等，工作压力小于0.5MPa,最高工作温度为130℃；所需溶解氧通过位于发酵罐1底部的十字形空气分布器8供给。

所述的膜分离系统4置于发酵罐1的中下部、位于十字形空气分布器8的正上方，通过管道与蠕动泵或吸水泵6、发酵清液储存罐4相连接；所述发酵罐1的底部设有废料排口、其上方设有进料口和出气口，所述补料罐2通过进料口与发酵罐1连通。

所述膜分离系统7为耐高温、耐污染的膜组件，采用膜生物反应器用屏幕式中空纤维膜组件或管束式中空纤维膜组件或中空管式膜组件或是平板式膜组件。

所示膜分离系统7的膜组件为动态性的超滤膜组件或微滤膜组件，型式为中空纤维式或中空管式或平板式，所述膜组件能够耐受125℃高温，工作压力0.01-0.20MPa。

所述超滤膜的截留分子量为10000-100000MW，微滤膜的孔径为0.05-0.2微米。

位于发酵罐1的底部的十字形空气分布器8通过管道与空气过滤系统3相连接，一是提供发酵所需的溶解氧，二是起到鼓泡作用，使中空纤维膜处于频繁抖动状态，减缓膜分离系统7的污染，所充空气经空气过滤系统3净化。

装于发酵罐1内部的中下部的膜分离系统7工作时浸没于发酵液中，通过蠕动泵或吸水泵6抽滤将发酵液中的菌体细胞和氨基酸清夜分离开。

所述的设备通过自动控制系统对温度、转速、pH（双向）、溶氧、流量、压力、补料、泡沫等进行控制，并可根据具体情况扩展配置：压力和流量自动控制、菌体浓度在线检测、氨基酸在线检测等。

本发明各部件的功能：

补料罐2主要用于流加、补充营养液，补加量根据在线检测到的发酵液的菌体浓度和氨基酸含量由流量自动控制装置自动调节；溶解氧的控制根据在线检测结果由空气过滤系统3的洁净空气供给量来调节；膜分离系统置7于发酵罐1的中下部，可根据需要选用不同规格、不同型式的膜组件，膜组件出口通过管道与蠕动泵或吸水泵6连接，通过泵的吸力完成发酵液的澄清分离；设备运行时，从十字形空气分布器8中喷出的气泡一方面起到均匀搅拌、补充溶解氧的作用，同时在上升过程中对发酵罐1中的膜组件进行冲刷，从而减缓膜的污染。

本发明的工作流程：

启动前，首先对整个设备进行消毒，消毒参数为121℃、30mins。消毒完成后，根据氨基酸生产工艺在发酵罐中投加所需的各种营养物质、营养因子，调节适宜的碳氮比，设定氨基酸发酵所需的工艺条件，并设定连续发酵系统的流量和多路补料自动控制系统、菌体浓度在线检测系统、氨基酸含量在线检测系统等。氨基酸生产过程采用连续或半连续发酵工艺，初始发酵液发酵到一定程度后（由菌体浓度和氨基酸在线检测系统监测判定），启动蠕动泵或吸水泵和发酵罐中的膜分离系统，整个系统一边往发酵罐中补充营养液，一边通过浸没入发酵液中的膜分离系统将发酵完成的发酵液与发酵罐中的菌体分离，并将澄清的发酵液抽入发酵清液储存罐中，以备进行结晶、制备氨基酸用。在发酵过程和采用膜法分离发酵液过程中，由空气过滤系统和设在发酵罐下部的十字形空气分布器进行净化空气的补充，以满足发酵所需的溶解氧及减缓发酵液对膜组件污染的需要。同时，通过自动加料系统将补料罐中的营养液以一定的流速不断向发酵罐中补加营养液。

发酵过程中，注意对发酵参数的控制，以保证发酵所需的营养物质和反应条件。

发酵罐中的膜组件清洗周期为150-300小时。

本发明上述实施方案，只是举例说明，不是仅有的，所有在本发明范围内或等同本发明的范围内的改变均被本发明包围。

Claims (6)

1.一种循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备，其特征在于：包括发酵罐（1）、补料罐（2）、空气过滤系统（3）、发酵清液储存罐（4）、菌体浓度和氨基酸在线检测系统（5）、设备自动控制系统（6）、膜分离系统（7）、十字形空气分布器（8）和管道，所述十字形空气分布器（8）位于发酵罐（1）的底部，通过管道与空气过滤系统（3）相连接；所述的膜分离系统（4）置于发酵罐（1）的中下部、位于十字形空气分布器（8）的正上方，通过管道与蠕动泵或吸水泵（6）、发酵清液储存罐（4）相连接；所述发酵罐（1）的底部设有废料排口、其上方设有进料口和出气口，所述补料罐（2）与通过进料口与发酵罐（1）连通。

2.根据权利要求1所述的循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备，其特征在于：所述发酵罐（1）为气升式好氧发酵罐，所需溶解氧通过位于发酵罐（1）底部的十字形空气分布器（8）供给。

3.根据权利要求1所述的循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备，其特征在于：所述膜分离系统（7）为耐高温、耐污染的膜组件。

4.根据权利要求3所述的循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备，其特征在于：所示膜分离系统（7）的膜组件为动态性的超滤或微滤膜组件，型式为中空纤维式或中空管式或平板式，膜组件能够耐受125℃高温，工作压力0.01-0.20MPa。

5.根据权利要求3所述的循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备，其特征在于：所述超滤膜的截留分子量为10000-100000MW，微滤膜的孔径为0.05-0.2微米。

6.根据权利要求1-5任一项所述的循环式微生物发酵反应与料液分离一体化设备，其特征在于：所述的设备通过自动控制系统对温度、转速、pH、溶氧、流量、压力、补料、泡沫等进行控制。