CN106916726A - 一种用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，属于发酵与分离工程技术领域。该发酵与分离耦合系统包括发酵罐，分离装置，供料泵，氨水罐，补料罐，流加罐，吸附装置，活化罐，初培罐，导纳装置，安全过滤器，气水分离器，物料循环泵以及连接管道。其中，导纳装置连接在通过管道与过滤装置的上部连通。气水分离器设有液位计和与液位计连锁控制的阀VIII。过滤装置内设有与物料循环泵的控制器联锁的流速计和粘度计。本发明采用气水分离装置和导纳装置，大幅降低在输送过滤中管道内部的气体含量，既增加发酵液在输送过滤过程中的运行稳定性，又大幅减低输送过程中气蚀作用对设备的损坏，延长设备使用周期，降低维护和生产成本。

Description

一种用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统

技术领域

本发明涉及一种用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，属于发酵与分离工程技术领域。

背景技术

机械搅拌式发酵罐是一种典型的生物反应器，也是目前常用的发酵装置。在传统的分批培养过程中，菌体生长到一定程度就会停止繁殖，并且由于菌体代谢的不断进行，菌体所产生的代谢产物会对细胞的生长产生抑制作用。针对这一弊端，可以采用连续发酵和分离耦合技术予以解决。即在一套设备中同时完成发酵和分离过程。目前，虽然报道有一些连续发酵和分离耦合装置，但这些装置往往是小试或中试等实验室规模，在大规模实际连续生产中存在较大问题。例如，由于实验室规模较小，在分离过滤过程中经常采用死端过滤的方式进行分离，而实际生产规模很大，主要采用错流过滤的方式进行分离。然而，错流过滤过程中主要通过剪切力带走菌体细胞，但剪切力过大会导致细胞死亡，细胞存活率降低，影响发酵过程；而剪切力过小又会导致过滤效果差，影响产物分离。此外，在大规模连续生产过程中，需要始终通气，导致生产设备中的供料泵等动力装置气蚀严重，维修频繁且成本较高。

发明内容

为解决现有技术中连续发酵和分离耦合装置不适用于大规模连续生产，发酵菌体存活率偏低，以及输送装置等部件气蚀严重，维护成本高的技术问题，本发明提供了一种用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，所采取的技术方案如下：

一种用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，包括发酵罐1，分离装置2，供料泵4，氨水罐7，补料罐8，连接上述装置的管道及控制开关的阀，此外，还包括通过管道连接的吸附装置3，活化罐5，初培罐6，导纳装置18，安全过滤器19，气水分离器20以及物料循环泵；

所述发酵罐1、供料泵4、安全过滤器19、气水分离器20依次通过管道连接；

所述气水分离器20通过物料循环泵I21与分离装置2连接；

所述分离装置2通过菌体回收管道与发酵罐1连通，通过产物回收管道与吸附装置3连通；

所述吸附装置3通过泵和管道与发酵罐1连通；

所述初培罐6、氨水罐7和补料罐8通过管道与发酵罐1连通；

所述活化罐5通过管道与初培罐6连通；

所述导纳装置18连接在通过管道与过滤装置2的上部连通；

所述气水分离器20设有液位计和与液位计联锁控制的阀VIII17；

所述过滤装置2内设有与物料循环泵的控制器联锁的流速计202和粘度计203。

优选地，所述分离装置2为过滤装置。

更优选地，所述过滤装置中的过滤膜是孔径小于0.2μm的微滤膜或分子截留量在5000～50000Da的超滤膜。

更优选地，所述过滤膜为无机陶瓷膜或有机膜；所述无极陶瓷膜的材质为氧化铝、氧化锆或氧化钛；所述有机膜的材质为聚偏氟乙烯、聚碳酸酯或聚氯乙烯。

优选地，与所述活化罐5、初培罐6、氨水罐7、补料罐8、发酵罐1和吸附装置3出口连接的管道上均设有控制阀。

更优选地，所述控制阀为启动隔膜阀。

优选地，所述导纳装置18为过滤系统上的自动延时排气装置。

优选地，在分离装置2的菌体回收管道上设有流量计10。

优选地，供料泵4为立式离心泵；所述物料循环泵为卧式离心泵。

优选地，所述吸附装置3为纳滤装置、萃取装置或树脂吸附装置。纳滤装置所述膜元件可以是截留分子量100-1000可选；萃取装置所述有机溶剂根据产物的物理性质确定，可以是乙酸丁酯、乙酸乙酯、石油醚或甲苯等；树脂吸附装置中所述树脂类型与产物的性质相关，可以是弱碱性阴离子树脂，强碱性阴离子树脂等。

优选地，所述吸附装置3为萃取装置，吸附装置3通过管道与用于盛装有机溶剂的流加罐9连通。

相比于现有技术，本发明获得的有益效果是：

本发明采用气水分离装置和导纳装置，能够大幅降低在输送过滤过程中管道内部的气体含量，一方面增加发酵液在输送过滤过程中的运行稳定性；另一方面，也能够大幅减低输送过程中气蚀作用对设备的损坏，延长设备使用周期，降低维护和生产成本。

本发明通过在管道和过滤装置内设置粘度检测装置、发酵液输送流速计，并将粘度检测装置和流速计与输送泵等动力装置进行联锁控制，对流体内的流速和粘度进行精确控制，实时监测和控制输送和过滤过程中的剪切力。该机构设置能够很好地完成剪切力的反馈协调控制，既保证了足够剪切力维持错流过滤效果，又能保证发酵菌体较高的存活率，避免菌体死亡对发酵过程的影响。

同时，本发明在发酵罐前设置了发酵剂活化培养罐和菌种前期培养罐，能够实现发酵菌种中的直接利用，大大提升了生产效率。

附图说明

图1为本发明一种优选方案中发酵与分离耦合系统的结构示意图。

图2为本发明一种优选方案中剪切力控制装置的结构示意图。

图中，1，发酵罐；2，分离装置；3，吸附装置；4，供料泵；5，活化罐；6，初培罐；7，氨水罐；8，补料罐；9，流加罐；10，流量计；11，阀I；12，阀II；13，阀IV；14，阀V；15，阀VI；16，阀VII；17，阀VIII；18，导纳装置；19，安全过滤器；20，气水分离器；21，物料循环泵I；22，物料循环泵II；23，物料循环泵III；31，产物收集口；201，过滤膜；202，流速计；203，粘度计；2101，循环泵控制器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

其中，图1为本发明一种优选方案中发酵与分离耦合系统的结构示意图。从图1中可知，该发酵与分离耦合系统是由主发酵罐1，分离装置2，吸附装置3，供料泵4，活化罐5，初培罐6，氨水罐7，补料罐8，流加罐9，流量计10，导纳装置18，安全过滤器19，气水分离器20，物料循环泵以及连接管道和控制阀组成。

发酵罐1，活化罐5和初培罐6为机械式搅拌发酵罐，罐内设有与电机连接的搅拌桨，以便于对发酵液进行搅拌。活化罐5的出口设有阀I11，并通过管道与初培罐6连接，为提高输送效率，还可设置与管道连接的泵。初培罐6的出口设有阀II12，并通过管道与发酵罐1连通，同样，为提高输送效率也可在管道上设置泵。活化罐5和初培罐6类似地，氨水罐7和补料罐8分别通过阀VI15和阀VII16及管道与发酵罐1连通。发酵罐1的底部出口通过管道与供料泵4连接。供料泵4为立式离心泵。供料泵4的另一端通过管道与安全过滤器19连接。安全过滤器19通过管道与气水分离器20连接。气水分离器20通过管道与物料循环泵I21连接。

物料循环泵I21设有两个出口分别于两个分离装置2连接。分离装置2为是由氧化锆陶瓷过滤膜的过滤装置。两个分离装置通过菌体回收管道与流量计10连接。流量计10的另一端通过管道和控制阀与发酵罐1连通，以便于将没有过滤除去的发酵菌体进行回收。与分离装置2顶部连通的管道上设有一个导纳装置18，该导纳装置18为过滤系统上的自动延时排气装置。具体来说，导纳装置18包括一个圆柱体溶液存储装置，在存储装置上安装有射频导纳物位开关，以及与物位开关联锁控制的阀门。当存储装置内的液位低于预设值时(即循环系统内气体累积到预设值时)，射频导纳物位开关自动开启，释放气体，当液位上升到液位值时，开关自动关闭。由此，循环体系中初始的气体可通过气水分离器20排除，过滤中存留的气体可通过导纳装置18排出。分离装置2的产物回收管道与物料循环泵II22连接，经过过滤获得的清液通过物料循环泵II22泵入到吸附装置3内。吸附装置3内设有分子截留量为100～1000Da的纳滤膜，具体参数根据发酵产物的分子量而定。当吸附装置3为萃取装置时，还可在吸附装置3通过管道连接一个用于盛装萃取剂等有机溶剂的流加罐9，以便于对实时补充萃取剂。为便于回收发酵产物，在吸附装置3上设有产物收集口31。吸附装置3的底部通过管道连接有阀V14，阀V14通过管道与物料循环泵III23连接。物料循环泵III23通过管道将经过过滤并回收的营养物质打回到发酵罐1内。其中，所用的供料泵4可采用立式离心机，而物料循环泵则优选卧式离心泵，例如格兰富或FENQI牌的低剪切泵。其中，所有的阀均优选使用隔膜阀。

图2为本发明一种优选方案中剪切力控制装置的结构示意图。从图2中可知，该发酵与分离耦合系统内的剪切力控制装置是通过物料循环泵(即物料循环泵I21)和管道与分离装置2连通，分离装置2内设有过滤膜21，用来对发酵液进行过滤。分离装置2的上部有粘度计203和流速计202以便于对分离装置内的发酵液的粘度和流速进行测定，并可将测定的参数反馈给与其连接的循环泵控制器2101，以便于循环泵控制器2101根据获得的粘度和流速参数信息调整物料循环泵的输出功率，调节发酵液的流速等参数，以实现对过滤装置2内剪切力的控制。相应地，同样的信息反馈和调节设置方式还可设在其他容易产生气蚀的部位。

本发明的发酵与分离耦合系统的使用过程如下：

1)发酵种子液培养：将摇瓶培养至对数期的菌液接种至活化罐5培养，培养一段时间，待菌体达到对数期，用隔膜阀I11转至初培罐6，培养一段时间，菌体达对数生长期。

2)发酵罐前期培养：将初培罐6的菌液通过隔膜阀II12转入发酵罐1培养，控制合适发酵参数，培养一定周期，达到对数生长期。

3)发酵罐诱导阶段：待发酵罐1中菌液OD生长至对数期，降低温度，控制一定转速及风量，添加IPTG或乳糖类似诱导物使其在发酵罐中含量0.1-0.5mM。

4)发酵罐分离与耦合发酵阶段：待发酵罐1诱导培养一段时间，产物含量达到抑制浓度，开启过滤装置2并打开供料泵4(若膜组件采用陶瓷膜，使用前采用1％碱液进行浸泡6h进行消毒，后用无菌水洗涤至中性封闭备用)，发酵液通过保安过滤器19与过滤后，然后经过气水分离器20，通过高低液位传感器的感应控制阀VIII17的开关，保证进料系统无气泡，物料通过供料泵4的推动力输送至膜组件中，通过自控设置导纳装置18，开启时间100s左右，排除循环系统的气泡，然后开启物料循环泵I21，进行连续发酵。通过调节供料泵4和物料循环泵I21的功率调节清液流量，控制一定稀释率，保证发酵罐1内发酵液体积恒定，同时利用补料罐8通过隔膜阀VII16补充新鲜的培养基，通过氨水罐7及隔膜阀VI15控制发酵罐1的pH。待清液通过后续的吸附装置3，将产物浓缩后，将含有营养物质的清液通过泵18及隔膜阀V14输送回发酵罐1进行培养。

当发酵罐1中的产物含量不再增加时，发酵结束。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，包括发酵罐(1)，分离装置(2)，供料泵(4)，氨水罐(7)，补料罐(8)，连接上述装置的管道及控制开关的阀，其特征在于，还包括通过管道连接的吸附装置(3)，活化罐(5)，初培罐(6)，导纳装置(18)，安全过滤器(19)，气水分离器(20)以及物料循环泵；

所述发酵罐(1)、供料泵(4)、安全过滤器(19)、气水分离器(20)依次通过管道连接；

所述气水分离器(20)通过物料循环泵I(21)与分离装置(2)连接；

所述分离装置(2)通过菌体回收管道与发酵罐(1)连通，通过产物回收管道与吸附装置(3)连通；

所述吸附装置(3)通过泵和管道与发酵罐(1)连通；

所述初培罐(6)、氨水罐(7)和补料罐(8)通过管道与发酵罐(1)连通；

所述活化罐(5)通过管道与初培罐(6)连通；

所述导纳装置(18)连接在通过管道与过滤装置(2)的上部连通；

所述气水分离器(20)设有液位计和与液位计联锁控制的阀VIII(17)；

所述过滤装置(2)内设有与物料循环泵的控制器联锁的流速计(202)和粘度计(203)。

2.根据权利要求1所述的用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，其特征在于，所述分离装置(2)为过滤装置。

3.根据权利要求2所述的所述的用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，其特征在于，

所述过滤装置中的过滤膜是孔径小于0.2μm的微滤膜或分子截留量在5000～50000Da的超滤膜。

4.根据权利要求3所述的用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，其特征在于，所述过滤膜为无机陶瓷膜或有机膜；所述无极陶瓷膜的材质为氧化铝、氧化锆或氧化钛；所述有机膜的材质为聚偏氟乙烯、聚碳酸酯或聚氯乙烯。

5.根据权利要求1所述的用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，其特征在于，与所述活化罐(5)、初培罐(6)、氨水罐(7)、补料罐(8)、发酵罐(1)和吸附装置(3)出口连接的管道上均设有控制阀。

6.根据权利要求5所述的用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，其特征在于，所述控制阀为启动隔膜阀。

7.根据权利要求1所述的用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，其特征在于，在分离装置(2)的菌体回收管道上设有流量计(10)。

8.根据权利要求1所述的用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，其特征在于，供料泵(4)为立式离心泵；所述物料循环泵为卧式离心泵。

9.根据权利要求1所述的用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，其特征在于，所述吸附装置(3)为纳滤装置、萃取装置或树脂吸附装置。

10.根据权利要求9所述的用于大规模连续发酵的发酵与分离耦合系统，其特征在于，所述吸附装置(3)为萃取装置，吸附装置(3)通过管道与用于盛装有机溶剂的流加罐(9)连接。