CN113789253A - 一种乳酸菌高密度发酵系统及发酵方法 - Google Patents

Abstract

一种乳酸菌高密度发酵系统及发酵方法，发酵系统包括发酵罐、补料罐、超滤装置、阴离子交换树脂装置、无菌阴离子交换柱以及三个泵，发酵罐通过管道连接于超滤装置上，超滤装置通过管道连接于阴离子交换树脂装置，阴离子交换树脂装置通过管道连接于发酵罐与无菌阴离子交换柱，无菌阴离子交换柱通过管道连接于发酵罐，补料罐通过管道连接于发酵罐，其中，第一个泵设于发酵罐与超滤装置的连接管道上，将超滤装置与离子交换偶联起来，使用超滤装置截留发酵液中的菌体及大分子物质，然后用离子交换法替换传统的采用碱中和调节pH的方式，改善了乳酸菌培养过程中所受的渗透压环境，提高了菌体的产量，增加了底物的利用率，减少了生产成本。

Description

一种乳酸菌高密度发酵系统及发酵方法

技术领域

本发明涉及微生物发酵相关技术领域，尤其涉及一种乳酸菌高密度发酵系统及发酵方法。

背景技术

乳酸菌是一种益生菌，在自然界中分布十分广泛，在人体的肠道中、口腔中有着重要的益生作用，如促进人体生长，调节胃肠道正常菌群、维持微生态平衡，从而改善胃肠道功能、提高食物消化率和生物效价、降低血清胆固醇、控制内毒素、抑制肠道内腐败菌生长、提高机体免疫力等。在食品工业方面，乳酸菌用途非常广泛，发酵乳制品、发酵蔬菜、发酵肉制品、调味品以及生产乳酸等。目前国内的益生菌生产方面与国外的差距仍然较大，在乳酸菌培养过程中，细胞会代谢产生大量的有机酸，如乳酸等，这些有机酸会反过来抑制乳酸菌的生长，工业上一般采用碱溶液来中和，使得乳酸菌在发酵过程维持在生长的最佳pH。但是由于乳酸菌生长过程中，用于中和的碱，如NaOH溶液中的Na⁺等会影响细胞的渗透压，导致最终目标产物的质量下降。其次现有的乳酸菌发酵多为批式发酵，一次性投入过量的底物，造成底物利用率低，离心后的上清液中仍然含有大量未被菌体吸收利用的营养物质，一般被当成污水处理，造成生产成本的升高和原料的浪费，因此想要达到乳酸菌的高密度培养，就必须解决这些的问题。

发明内容

本发明提供一种乳酸菌高密度发酵系统及发酵方法，以解决现有技术的不足，将超滤装置与离子交换偶联起来，使用超滤装置截留发酵液中的菌体及大分子物质，然后用离子交换法替换传统的采用碱中和调节pH的方式，改善了乳酸菌培养过程中所受的渗透压环境，提高了菌体的产量，增加了底物的利用率，减少了生产成本，具有较强的实用性。

为了实现本发明的目的，拟采用以下技术：

一种乳酸菌高密度发酵系统，包括发酵罐、补料罐、超滤装置、阴离子交换树脂装置、无菌阴离子交换柱以及三个泵，发酵罐通过管道连接于超滤装置上，超滤装置通过管道连接于阴离子交换树脂装置，阴离子交换树脂装置通过管道连接于发酵罐与无菌阴离子交换柱，无菌阴离子交换柱通过管道连接于发酵罐，补料罐通过管道连接于发酵罐，其中，第一个泵设于发酵罐与超滤装置的连接管道上；

第二个泵设于阴离子交换树脂装置与发酵罐的连接管道上；

以及第三个泵设于发酵罐与补料罐的连接管道上；

发酵罐用于乳酸菌的高密度发酵；

补料罐用于补加新鲜的培养基与补充因离子交换而损失的培养液；

超滤装置用于菌体及大分子有机物的过滤；

阴离子交换树脂装置用于交换吸附出发酵液中的乳酸；

无菌阴离子交换柱用于维持发酵罐中的pH值。

进一步地，发酵罐包括罐体，罐体上端设有搅拌机构，罐体内部设有进气构件；

罐体包括外壳，外壳的下端设有锥形罩，外壳下端连通有连通管头，外壳内设有内筒，内筒的下端设有漏斗体，漏斗体的下端连通有出料管，锥形罩罩设于漏斗体，内筒与漏斗体的外壁设有多个导热片，导热片由铜合金制成，内筒与外壳之间设有多个套环，套环上开设有多个通眼，套环均穿有多根双头螺杆，相邻两个双头螺杆之间均设有支撑丝套，内筒与外壳的上端之间设有内嵌环，内嵌环的上端设有上封环，位于顶层的双头螺杆均穿于上封环，且位于顶层的双头螺杆的上端均通过锁定螺母连接于上封环上，内筒的上端连通有多个进料连管；

搅拌机构包括安装于上封环的上延筒，上延筒上端安装有密封盖，密封盖安装有搅拌电机，搅拌电机的输出轴连接有连接盘，连接盘呈圆周阵列地设有折形连接板，折形连接板的下端均安装有折形板，折形板的下端设有转动环，转动环的外壁成形有凸环，凸环位于上延筒与密封盖之间，且凸环伸于密封盖的下端，转动环内穿有转盘，转盘的下端设有下限环，下限环位于转动环的下侧，转盘上侧安装有上盘，上盘设有多个外伸支板，外伸支板的另一端设有上限环，上限环位于转动环的上侧，且折形板均套设于上限环，上盘向上延伸地设有上延柱，上延柱外侧套设有转动筒，转动筒的上端设于连接盘，上延柱的上端延伸出于搅拌电机的输出轴，且上延柱的上端固定于密封盖，转盘下层成形有环槽，环槽呈圆周阵列地设有凸槽，转动环的下壁呈圆周阵列地设有连接杆，连接杆的下端均铰接有连接板，连接板的另一端均穿有下伸杆，下伸杆的上端均设有滚环，滚环均位于环槽内，下伸杆的下端均设有搅动板，搅动板穿于内筒，连接板均向下延伸地设有下延杆，下延杆的下端设有刮板；

进气构件包括安装于上延筒内侧的进气环管，进气环管连通有进气管，进气管延伸出于上延筒，进气管向下延伸且连通地设有多个连接管，连接管的下端设有中继环，中继环向下延伸地连通有多根出气管，出气管均设有多个通气眼，通气眼处均设有出气嘴；

出气嘴包括设于通气眼的连接头，连接头的外侧端设有端盖，端盖内设有弹簧，弹簧的另一端设有封珠，封珠位于连接头内；

连接头包括连接柱体，连接柱体的一端设有连接柱，连接柱设于通气眼，连接柱内成形有通气孔，通气孔的另一端延伸于连接柱体，通气孔的另一端成形有锥形腔体，封珠位于锥形腔体内，连接柱体的另一端设有内丝环；

端盖内侧端设有外丝环，外丝环设于内丝环，端盖成形有内槽，内槽的槽底成形有出气孔，弹簧设于内槽内。

进一步地，超滤装置包括多个超滤模组以及循环系统，超滤模组包括滤管，滤管的两端均设有进料头，滤管均通过多个连接构件连接于滤管，滤管内设有超滤构件；

滤管的两端设有端环，端环呈圆周阵列地设有定位杆，端环的外壁设有密封环，端环的端部均成形有装配环槽，滤管连通有多根滤液出料管，滤液出料管的另一端均设有滤液连接管，滤液连接管的外侧端设有出液总管；

进料头包括设于端环端部的连接环，密封环穿于连接环，连接环向外延伸地设有锥形进料壳，锥形进料壳内侧端的直径大于其外侧端的直径，锥形进料壳的外侧端连通有进料连接管，进料连接管的外侧端设有安装法兰；

连接构件包括安装于连接环的铰接座，铰接座铰接有一对L形板，L形板之间根部设有连接座，L形板的另一端设有端板，连接座与端板之间设有连接丝杆，连接丝杆的一端设有转动头，连接丝杆设有内压板，定位杆穿于内压板的下端；

超滤构件包括穿于滤管内的多根超滤管，超滤管的两端均套设有套帽，套帽的外侧端均设有外凸环，外凸环的外壁设有密封橡胶，装配环槽的槽底设有两根密封胶条，装配环槽内设有密封端盖，密封端盖通过多个螺钉的固定于装配环槽内，密封端盖成形有多个通眼，外凸环均穿于密封端盖的内侧，通眼与其对应的外凸环同心且连通，超滤管套设有内撑盘，内撑盘呈圆周阵列地穿有固连丝杆，相邻两根固连丝杆之间通过连接丝套连接，滤液出料管位于相邻两个内撑盘之间；

超滤管的外层为氧化铝蜂窝陶瓷材料，超滤管的内层为聚偏氟乙烯与聚砜类膜材料。

进一步地，发酵罐的pH值控制在6.0-8.0之间；

发酵罐的搅拌速度为0-200rpm；

发酵罐的发酵温度为30℃-42℃；

且发酵罐在发酵时通入无菌空气。

进一步地，补料罐向发酵罐内补充的物料为葡萄糖、酵母粉以及硫酸铵的一种或几种；

补料罐向发酵罐添加葡萄糖、酵母粉以及硫酸铵时，按照葡萄糖与酵母粉和硫酸铵之间的比例为1：0.1-0.5；

补料罐补料时采用SBA-40E生物传感分析仪测定发酵罐中葡萄糖的浓度，且补料标准为发酵罐内葡萄糖的浓度低于5g/L时。

进一步地，超滤管的孔径为0.01-0.001μm，截留分子量大于10000D；

超滤装置采用双氧水灭菌的方式，双氧水浓度为2%-8%；

阴离子交换树脂装置中的树脂为D319、D311、D301中的一种或多种。

一种乳酸菌高密度发酵方法，包括如下步骤：

一级种子液：将含有植物乳杆菌的甘油管进行活化，吸取0.5-1ml甘油管中的菌液，注入MRS培养基中，含MRS培养基的锥形瓶容量为250-500ml，锥形瓶装液量为100-300ml，灭菌温度为121℃，时间为15min；

二级种子液：取一级种子液体积的40%-60%，注入二级种子液的培养基中，二级种子液的培养基为MRS培养基，二级种子液的锥形瓶为1-3L，装液量为600ml-2000ml，灭菌温度为121℃，时间为15min；

发酵：将活化两代的植物乳杆菌种子液接种至发酵罐中进行发酵；

pH调节：当植物乳杆菌发酵时，通过无菌阴离子交换柱自动添加无菌树脂以控制发酵罐内pH值，并使发酵罐内的pH值维持在6.5-6.9之间，当发酵罐内的pH值低于6.5时，无菌阴离子交换柱自动向发酵罐内添加无菌阴离子树脂；

乳酸去除：在发酵进入对数期后，隔2-3h将植物乳杆菌发酵液泵入超滤装置内，且过滤压力为0.1-0.3MPa，通过过滤除去植物乳杆菌和大分子物质，而经过超滤装置的滤液再经过阴离子交换树脂装置交换出乳酸，而培养液返回发酵罐内继续培养；

发酵结束：植物乳杆菌在经过18-24h的发酵后，将植物乳杆菌泵出，并离心分离出植物乳杆菌的菌体，并收集菌体。

进一步地，树脂处理的方法为：

S1 用无菌纯水清洗树脂至出水清澈、无杂质为止；

S2 用3倍体积于树脂的饱和氯化钠溶液浸泡树脂18-20小时，然后用清水漂洗；

S3 用4-5%的NaOH溶液和HCl溶液在交换树脂中依次浸泡2-4h，且期间用大量无菌纯水清洗至出水为中性，并重复2-3次；

S4 用4-5%的NaOH溶液浸泡，并通过无菌纯水淋洗至中性。

进一步地，一级种子液与二级种子液的培养温度为35-37℃，培养时间为18-24h。

进一步地，植物乳杆菌培养基为：葡萄糖：10-30g/L，酵母粉：10-40g/L，蛋白胨：8-20g/L，硫酸铵：10-15g/L，乙酸钠：1-3g/L，柠檬酸二铵0.5-1.5 g/L，硫酸镁：0.1-0.3 g/L，硫酸锰：0.1-0.2 g/L。

上述技术方案的优点在于：

本发明将超滤装置与离子交换偶联起来，先使用超滤装置截留发酵液中的大分子物质，然后用离子交换法替换传统的采用碱中和调节pH的方式，改善了乳酸菌培养过程中所受的渗透压环境，提高了菌体的产量，增加了底物的利用率，减少了生产成本。相应地采用了专用的发酵罐确保了发酵过程中所需的温度，同时在发酵过程中方便对培养液进行搅拌操作。相应地并采用了较长寿命的超滤模组，提高了超滤效果，具有较强的实用性。

附图说明

图1示出了乳酸菌高密度发酵系统的结构图。

图2示出了常规发酵系统中植物乳杆菌的生长曲线。

图3示出了乳酸菌高密度发酵系统中植物乳杆菌的生长曲线。

图4示出了发酵罐的立体结构图。

图5示出了发酵罐的剖面立体结构图一。

图6示出了发酵罐的剖面立体结构图二。

图7示出了发酵罐的A处放大图。

图8示出了发酵罐的B处放大图。

图9示出了出气嘴结构图。

图10示出了超滤模组的立体结构图。

图11示出了超滤模组的正视图。

图12示出了超滤模组的E-E处剖面图。

图13示出了超滤模组的D处放大图。

图14示出了超滤模组的F处放大图。

图15示出了超滤模组的局部截取图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

此外，“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致等于”并不仅仅表示绝对的等于，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施1

如图1所示，一种乳酸菌高密度发酵系统，包括发酵罐1、补料罐7、超滤装置3、阴离子交换树脂装置4、无菌阴离子交换柱5以及三个泵6，发酵罐1通过管道连接于超滤装置3上，超滤装置3通过管道连接于阴离子交换树脂装置4，阴离子交换树脂装置4通过管道连接于发酵罐1与无菌阴离子交换柱5，无菌阴离子交换柱5通过管道连接于发酵罐1，补料罐7通过管道连接于发酵罐1。其中，第一个泵6设于发酵罐1与超滤装置3的连接管道上，第二个泵6设于阴离子交换树脂装置4与发酵罐1的连接管道上，第三个泵6设于发酵罐1与补料罐7的连接管道上。发酵罐1用于乳酸菌的高密度发酵，补料罐7用于补加新鲜的培养基与补充因离子交换而损失的培养液，超滤装置3用于菌体及大分子有机物的过滤，阴离子交换树脂装置4用于交换吸附出发酵液中的乳酸，无菌阴离子交换柱5用于维持发酵罐1中的pH值。

该系统通过发酵罐1、补料罐7、超滤装置3、阴离子交换树脂装置4、无菌阴离子交换柱5、三个泵6、用于连接各个部件的管道、用于控制各个部件启闭的启闭阀以及用于测定各个部件参数的相关测定部件能够进行植物乳杆菌的高密度培养。

为了能够进行植物乳杆菌的高密度培养，因此在发酵的过程中，需要向发酵罐1通入无菌空气，而在通入无菌空气时，先经过空压机将空气储存在储气瓶中，而后通过冷冻式干燥机去掉空气中的水分，接着经过过滤孔径为0.22μm的空气过滤器对空气中的杂菌滤除，最后通入发酵罐1内。发酵罐1内的pH值被具体地控制在6.5-6.9之间，该区间为植物乳杆菌最佳的繁殖区间。发酵罐1对培养液和菌液进行搅拌速度具体为50-100rpm的搅拌，使得植物乳杆菌能够充分地吸收培养液，提高植物乳杆菌的繁殖速率。发酵罐1还为植物乳杆菌的繁殖提供了适宜的发酵温度35℃-37℃。该发酵罐1的发酵方式与传统发酵罐1的发酵方式的优势在于对进入发酵罐1内的空气进行水分的去除和选用更小孔径的滤膜，减少发酵罐1因为含有水分的空气带入杂菌而导致染菌的风险。

补料罐7不断地向发酵罐1提供营养液，该营养液为葡萄糖，同时还为发酵罐1提供了稳定的碳源和氮源，具体地碳源和氮源物质为酵母粉和硫酸铵，其补料规则为葡萄糖与酵母粉和硫酸铵之间的比例为1：0.1-0.5。而在具体的补料操作时，采用SBA-40E生物传感分析仪测定对发酵罐1内葡萄糖的浓度进行测定，当发酵罐1内的葡萄糖的浓度小于5-10g/L时，向发酵罐1内补充葡萄糖以及碳源和氮源，以使发酵罐1内的葡萄糖的浓度保持在5-10g/L之间。而该系统与传统地补料方式优势在于能够根据发酵罐1内底物的浓度进行精准的补料，控制底物在较低的水平能够减少底物对菌体的抑制作用，进而增加了菌体含量，同时还能够减少底物的浪费，增加底物利用率，降低了后续的污水处理环节的成本。

超滤装置3中超滤膜的孔径为0.01-0.001μm，截留分子量大于10000D。且超滤膜选用聚偏氟乙烯，聚砜类膜材料，这种超滤膜材料具有耐酸碱、耐高温、耐清洗、抗污染性好的优势，从而提高了超滤膜的服役时间，降低了使用成本。超滤装置3采用双氧水浸泡、冲洗的灭菌方式，其中，双氧水浓度为2%-8%，浸泡时间0.5h，冲洗时间0.5h，然后用无菌水冲洗，反复两次后用无菌水冲掉残留的双氧水备用，其优势在于发酵液进行离子交换前可以将其中的菌体及大分子物质截留下来，只允许小分子物质及盐通过用于离子交换，这样可以大大延长离子交换系统中树脂的使用寿命，减少生产成本。

阴离子交换树脂装置4中使用的树脂为D319，该装置的使用能够使得经过超滤装置3后的发酵液进入其内，并被其交换吸附出发酵液中的乳酸，完成离子交换后的发酵液经由泵6泵入发酵罐1中继续培养，通过这种方式提高了底物的利用率，节约成本，同时与传统的发酵相比，通过离子交换树脂去掉发酵液中的乳酸，维持了pH的稳定，替换了用于中和的碱液，解除了中和液中的Na⁺，K⁺而引发的抑制作用，增加菌体的产量。

无菌阴离子交换柱5主要用于控制发酵罐1内的pH值，当发酵罐1内的pH值低于设定的6.5时，无菌阴离子交换柱5中的阴离子交换树脂会将进入发酵罐1内，从而维持发酵罐内pH的恒定，这种调节方式与传统的碱溶液中和方式相比而言解除了传统发酵中的碱液的使用，解除了因中和碱液中的盐离子导致的发酵液渗透压的上升，改善了乳酸菌发酵过程中细胞渗透压环境，提高乳酸菌的产量和效率。

实施2

如图4-图8所示，发酵罐1包括罐体10，罐体10上端设有搅拌机构11，罐体10内部设有进气构件12。该发酵罐1与传统的发酵罐相比而言，能确保发酵时的发酵温度，在发酵的过程中能对培养液等进行稳定的搅拌，在发酵时还能稳定地向发酵罐1输送空气，从而便于乳酸菌的发酵。

罐体10包括外壳100，外壳100的下端设有锥形罩101，外壳100下端连通有连通管头102，外壳100内设有内筒103，内筒103的下端设有漏斗体105，漏斗体105的下端连通有出料管106，锥形罩101罩设于漏斗体105，内筒103与漏斗体105的外壁设有多个导热片104，导热片104由铜合金制成，内筒103与外壳100之间设有多个套环107，套环107上开设有多个通眼，套环107均穿有多根双头螺杆108，相邻两个双头螺杆108之间均设有支撑丝套109，内筒103与外壳100的上端之间设有内嵌环1090，内嵌环1090的上端设有上封环1091，位于顶层的双头螺杆108均穿于上封环1091，且位于顶层的双头螺杆108的上端均通过锁定螺母连接于上封环1091上，内筒103的上端连通有多个进料连管1092。罐体1中的外壳100和锥形罩101提供了水浴加热的空腔，这种保温方式温控简单且保温的效果优异，且在保温的时，还能确保温度的一致性。其中，为了提高热传递或者热交换的效率因此在内筒103上设置了由导热性能优异的铜合金制成的导热片104。而其中介于内筒103与外壳100之间的内嵌环1090对内筒103起着稳定支撑的作用，同时，双头螺杆108以及支撑丝套109对各个内嵌环1090进行固定，进而提高了支撑的稳定性以及支撑的强度。

搅拌机构11包括安装于上封环1091的上延筒110，上延筒110上端安装有密封盖111，密封盖111安装有搅拌电机112，搅拌电机112的输出轴为空心结构，搅拌电机112的输出轴连接有连接盘113，连接盘113呈圆周阵列地设有折形连接板114，折形连接板114的下端均安装有折形板1140，折形板1140的下端设有转动环115，转动环115的外壁成形有凸环116，凸环116位于上延筒110与密封盖111之间，且凸环116伸于密封盖111的下端，转动环115内穿有转盘117，转盘117的下端设有下限环，下限环位于转动环115的下侧，转盘117上侧安装有上盘，上盘设有多个外伸支板118，外伸支板118的另一端设有上限环，上限环位于转动环115的上侧，且折形板1140均套设于上限环，上盘向上延伸地设有上延柱，上延柱外侧套设有转动筒，转动筒的上端设于连接盘113，上延柱的上端延伸出于搅拌电机112的输出轴，且上延柱的上端通过固定盘和多根固定螺杆将上延柱固定于密封盖111，转盘117下层成形有环槽119，环槽119呈圆周阵列地设有凸槽，转动环115的下壁呈圆周阵列地设有连接杆1190，连接杆1190的下端均铰接有连接板1191，连接板1191的另一端均穿有下伸杆1195，下伸杆1195的上端均设有滚环1194，滚环1194均位于环槽119内，下伸杆1195的下端均设有搅动板1196，搅动板1196穿于内筒103，连接板1191均向下延伸地设有下延杆1192，下延杆1192的下端设有刮板1193。其工作原理为，启动搅拌电机112，在搅拌电机112的带动下连接盘113进行转动，连接盘113在转动时将通过折形连接板114带动转动环115进行转动，转动环115在转动的过程中将带动各个连接板1191进行转动，而连接板1191在转动的过程中将在环槽119以及凸槽的限位下使得刮板1193周期性地作用于内筒103的内壁，并最终将粘连在内筒103上的菌体或者培养液掉落，从而提高了培养液的利用率，降低了发酵成本。而连接板1191在转动的过程中，不仅带动搅动板1196绕着转动环115的轴向进行转动，同时搅动板1196在滚环1194的带动下进行自转，通过这种方式提高了搅拌的效果，从而提高了发酵的速度。其中，上限环和下限环的设置能确保转动环115转动的稳定性。

进气构件12包括安装于上延筒110内侧的进气环管120，进气环管120连通有进气管121，进气管121延伸出于上延筒110，进气管121向下延伸且连通地设有多个连接管122，连接管122的下端设有中继环123，中继环123向下延伸地连通有多根出气管124，出气管124均设有多个通气眼，通气眼处均设有出气嘴2。其中进气环管120方便均匀地将无菌空气通入内筒103内，通过在中继环123内填充过滤棉，并通过过滤棉对杂菌进行进一步地过滤，为出气管124的设置能够确保空气均匀地填充在内筒103内。

如图9所示，出气嘴2包括设于通气眼的连接头20，连接头20的外侧端设有端盖21，端盖21内设有弹簧22，弹簧22的另一端设有封珠23，封珠23位于连接头20内。连接头20包括连接柱体200，连接柱体200的一端设有连接柱201，连接柱201设于通气眼，连接柱201内成形有通气孔203，通气孔203的另一端延伸于连接柱体200，通气孔203的另一端成形有锥形腔体204，封珠23位于锥形腔体204内，连接柱体200的另一端设有内丝环202。端盖21内侧端设有外丝环212，外丝环212设于内丝环202，端盖21成形有内槽210，内槽210的槽底成形有出气孔211，弹簧22设于内槽210内。出气嘴2的设置主要考虑到当在发酵停止时，培养液容易进入出气管124内，从而容易造成出气管124的堵塞，同时也不方便进行清理。当在通气的过程中，空气高压且高速地进入连接头20内，并在冲击力的作用下封珠23，使得封珠23向端盖21运动，而封珠23在运动时，弹簧22被压缩，同时空气通过通气孔203最终从出气孔211中喷出。而当停止空气的供应时，由于外部气压的缺失，而发酵罐1内部的气压明显大于外部气压，同时还在弹簧22的作用下使得封珠23位于锥形腔体204内，并对锥形腔体204进行封堵，从而最终实现了通气眼的封堵，并且也避免杂菌进入发酵罐1内，当然也能避免培养液等进入出气管124内。

实施3

如图11-图15所示，超滤装置3包括多个超滤模组以及循环系统，超滤模组包括滤管30，滤管30的两端均设有进料头31，滤管30均通过多个连接构件32连接于滤管30，滤管30内设有超滤构件33。

滤管30的两端设有端环300，端环300呈圆周阵列地设有定位杆301，端环300的外壁设有密封环302，端环300的端部均成形有装配环槽，滤管30连通有多根滤液出料管303，滤液出料管303的另一端均设有滤液连接管304，滤液连接管304的外侧端设有出液总管305。为超滤构件33提供了过滤的空间，同时也为超滤构件33提供了防护，而滤液出料管303滤液连接管304以及出液总管305将过滤掉的小分子菌液排出。

进料头31包括设于端环300端部的连接环310，密封环302穿于连接环310，连接环310向外延伸地设有锥形进料壳311，锥形进料壳311内侧端的直径大于其外侧端的直径，锥形进料壳311的外侧端连通有进料连接管312，进料连接管312的外侧端设有安装法兰313。将进料头31设置为锥形结构，能够避免在过滤的过程中，流体造成超滤构件33的震动，从而对超滤构件33造成损伤。而为了提高滤管30和进料头31之间的密封效果，因此设置了相应的密封环302。

连接构件32包括安装于连接环310的铰接座320，铰接座320铰接有一对L形板321，L形板321之间根部设有连接座323，L形板321的另一端设有端板322，连接座323与端板322之间设有连接丝杆324，连接丝杆324的一端设有转动头325，连接丝杆324设有内压板326，定位杆301穿于内压板326的下端。该构件32方便对滤管30和进料头31进行连接，同时也便于检修时的拆卸，在拆卸时，通过转动头325对连接丝杆324进行转动，连接丝杆324在转动时将带动内压板326向外运动，并和定位杆301脱离，而后绕着铰接座320对L形板321进行转动，而后进行滤管30和进料头31的拆除操作。

超滤构件33包括穿于滤管30内的多根超滤管330，超滤管330的两端均套设有套帽331，套帽331的外侧端均设有外凸环332，外凸环332的外壁设有密封橡胶，装配环槽的槽底设有两根密封胶条3300，装配环槽内设有密封端盖333，密封端盖333通过多个螺钉的335固定于装配环槽内，密封端盖333成形有多个通眼334，外凸环332均穿于密封端盖333的内侧，通眼334与其对应的外凸环332同心且连通，超滤管330套设有内撑盘336，内撑盘336呈圆周阵列地穿有固连丝杆337，相邻两根固连丝杆337之间通过连接丝套338连接，滤液出料管303位于相邻两个内撑盘336之间，超滤管330的外层为氧化铝蜂窝陶瓷材料，超滤管330的内层为聚偏氟乙烯与聚砜类膜材料。其中，超滤管330主要由氧化铝蜂窝陶瓷材料为超滤管330起着外部防护作用，提高了超滤管330的强度，同时提高超滤管330的抗氧化以及耐腐蚀等特性，从而提高了超滤管330的使用寿命。而聚偏氟乙烯与聚砜类膜材料这种超滤膜材料具有耐酸碱、耐高温、耐清洗、抗污染性好的优势，从而提高了超滤膜的服役时间，降低了使用成本。而为了避免在过滤的过程中，由于超滤管330内外壁两侧流体密度不一致因此引起超滤管330的震动，在震动中将对超滤管330的造成损坏，因此设置了内撑盘336，通过内撑盘336对超滤管330进行支撑，而内撑盘336通过固连丝杆337和连接丝套338连接。其中，套帽331以及外凸环332的设置和密封端盖333能对超滤管330的两端进行密封，从而避免在过滤的过程中，大分子进入过滤的小分子中，从而提高了过滤的效果。而密封胶条3300的设置提高了密封端盖333和滤管30之间的密封效果。

实施4

一种乳酸菌高密度发酵方法，包括如下步骤：

一级种子液：将含有植物乳杆菌的甘油管进行活化，吸取0.5-1ml甘油管中的菌液，注入MRS培养基中，含MRS培养基的锥形瓶容量为250-500ml，锥形瓶装液量为100-300ml，灭菌温度为121℃，时间为15min，培养温度为35-37℃，培养时间为18-24h。

二级种子液：取一级种子液体积的40%-60%，注入二级种子液的培养基中，二级种子液的培养基为MRS培养基，二级种子液的锥形瓶为1-3L，装液量为600ml-2000ml，灭菌温度为121℃，时间为15min，培养温度为35-37℃，培养时间为18-24h。

发酵：将活化两代的植物乳杆菌种子液接种至发酵罐1中进行发酵，发酵罐1的pH值控制在6.5-6.9之间，转速为50-100rpm。植物乳杆菌培养基为：葡萄糖：10-30g/L，酵母粉：10-40g/L，蛋白胨：8-20g/L，硫酸铵：10-15g/L，乙酸钠：1-3g/L，柠檬酸二铵0.5-1.5 g/L，硫酸镁：0.1-0.3 g/L，硫酸锰：0.1-0.2 g/L。

pH调节：当植物乳杆菌发酵时，通过无菌阴离子交换柱5自动添加无菌树脂以控制发酵罐1内pH值，并使发酵罐1内的pH值维持在6.5-6.9之间，当发酵罐1内的pH值低于6.5时，无菌阴离子交换柱5自动向发酵罐1内添加无菌阴离子树脂。

乳酸去除：在发酵进入对数期后，隔2-3h将植物乳杆菌发酵液泵入超滤装置3内，且过滤压力为0.1-0.3MPa，通过过滤除去植物乳杆菌和大分子物质，而经过超滤装置3的滤液再经过阴离子交换树脂装置4交换出乳酸，而培养液返回发酵罐1内继续培养，过滤除去植物乳杆菌和大分子物质，防止一些蛋白质分子附着在离子交换树脂上，导致离子交换的效率下降，降低树脂的使用寿命。

发酵结束：植物乳杆菌在经过18-24h的发酵后，将植物乳杆菌泵出，并离心分离出植物乳杆菌的菌体，并收集菌体。

其中，树脂处理的方法为：

步骤1，用无菌纯水清洗树脂至出水清澈、无杂质为止；

步骤2，用3倍体积于树脂的饱和氯化钠溶液浸泡树脂18-20小时，然后用清水漂洗；

步骤3，用4-5%的NaOH溶液和HCl溶液在交换树脂中依次浸泡2-4h，且期间用大量无菌纯水清洗至出水为中性，并重复2-3次；

步骤4，用4-5%的NaOH溶液浸泡，并通过无菌纯水淋洗至中性。

结合图2、图3以及下表所示，可知该方法与传统的发酵方法相比：

首先本系统与传统方法相比，延长了植物乳杆菌的对数生长期，也就意味着延长了菌体的增长时间，避免在发酵的过程中过早的进入平稳期。最终植物乳杆菌的OD620值达到了原来的2.3倍，获得了更大、更为高效乳酸菌产量，显著提高了植物乳杆菌的培养效率。

其次在本实施例中底物的利用率显著提升，主要体现在盐度，总磷和COD（化学需氧量）的显著降低，这些指标说明本发明可以提高发酵底物的利用率，更高效的利用资源，同时降低后续污水处理的成本，节约能源，以期达到绿色生产的目的。

通过上述分析，可知本实施例显著地提高了植物乳杆菌的发酵水平，降低了发酵成本，减轻了环保压力。

	盐度(mg/L)	COD(mg/L)	总磷(mg/L)
				传统方法	12000	40000	80
本实施例	5000	15000	36

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种乳酸菌高密度发酵系统，其特征在于，包括发酵罐（1）、补料罐（7）、超滤装置（3）、阴离子交换树脂装置（4）、无菌阴离子交换柱（5）以及三个泵（6），发酵罐（1）通过管道连接于超滤装置（3）上，超滤装置（3）通过管道连接于阴离子交换树脂装置（4），阴离子交换树脂装置（4）通过管道连接于发酵罐（1）与无菌阴离子交换柱（5），无菌阴离子交换柱（5）通过管道连接于发酵罐（1），补料罐（7）通过管道连接于发酵罐（1），其中，第一个泵（6）设于发酵罐（1）与超滤装置（3）的连接管道上；

第二个泵（6）设于阴离子交换树脂装置（4）与发酵罐（1）的连接管道上；

以及第三个泵（6）设于发酵罐（1）与补料罐（7）的连接管道上；

发酵罐（1）用于乳酸菌的高密度发酵；

补料罐（7）用于补加新鲜的培养基与补充因离子交换而损失的培养液；

超滤装置（3）用于菌体及大分子有机物的过滤；

阴离子交换树脂装置（4）用于交换吸附出发酵液中的乳酸；

无菌阴离子交换柱（5）用于维持发酵罐（1）中的pH值。

2.根据权利要求1所述的乳酸菌高密度发酵系统，其特征在于，发酵罐（1）包括罐体（10），罐体（10）上端设有搅拌机构（11），罐体（10）内部设有进气构件（12）；

罐体（10）包括外壳（100），外壳（100）的下端设有锥形罩（101），外壳（100）下端连通有连通管头（102），外壳（100）内设有内筒（103），内筒（103）的下端设有漏斗体（105），漏斗体（105）的下端连通有出料管（106），锥形罩（101）罩设于漏斗体（105），内筒（103）与漏斗体（105）的外壁设有多个导热片（104），导热片（104）由铜合金制成，内筒（103）与外壳（100）之间设有多个套环（107），套环（107）上开设有多个通眼，套环（107）均穿有多根双头螺杆（108），相邻两个双头螺杆（108）之间均设有支撑丝套（109），内筒（103）与外壳（100）的上端之间设有内嵌环（1090），内嵌环（1090）的上端设有上封环（1091），位于顶层的双头螺杆（108）均穿于上封环（1091），且位于顶层的双头螺杆（108）的上端均通过锁定螺母连接于上封环（1091）上，内筒（103）的上端连通有多个进料连管（1092）。

3.根据权利要求2所述的乳酸菌高密度发酵系统，其特征在于，搅拌机构（11）包括安装于上封环（1091）的上延筒（110），上延筒（110）上端安装有密封盖（111），密封盖（111）安装有搅拌电机（112），搅拌电机（112）的输出轴连接有连接盘（113），连接盘（113）呈圆周阵列地设有折形连接板（114），折形连接板（114）的下端均安装有折形板（1140），折形板（1140）的下端设有转动环（115），转动环（115）的外壁成形有凸环（116），凸环（116）位于上延筒（110）与密封盖（111）之间，且凸环（116）伸于密封盖（111）的下端，转动环（115）内穿有转盘（117），转盘（117）的下端设有下限环，下限环位于转动环（115）的下侧，转盘（117）上侧安装有上盘，上盘设有多个外伸支板（118），外伸支板（118）的另一端设有上限环，上限环位于转动环（115）的上侧，且折形板（1140）均套设于上限环，上盘向上延伸地设有上延柱，上延柱外侧套设有转动筒，转动筒的上端设于连接盘（113），上延柱的上端延伸出于搅拌电机（112）的输出轴，且上延柱的上端固定于密封盖（111），转盘（117）下层成形有环槽（119），环槽（119）呈圆周阵列地设有凸槽，转动环（115）的下壁呈圆周阵列地设有连接杆（1190），连接杆（1190）的下端均铰接有连接板（1191），连接板（1191）的另一端均穿有下伸杆（1195），下伸杆（1195）的上端均设有滚环（1194），滚环（1194）均位于环槽（119）内，下伸杆（1195）的下端均设有搅动板（1196），搅动板（1196）穿于内筒（103），连接板（1191）均向下延伸地设有下延杆（1192），下延杆（1192）的下端设有刮板（1193）；

进气构件（12）包括安装于上延筒（110）内侧的进气环管（120），进气环管（120）连通有进气管（121），进气管（121）延伸出于上延筒（110），进气管（121）向下延伸且连通地设有多个连接管（122），连接管（122）的下端设有中继环（123），中继环（123）向下延伸地连通有多根出气管（124），出气管（124）均设有多个通气眼，通气眼处均设有出气嘴（2）。

4.根据权利要求3所述的乳酸菌高密度发酵系统，其特征在于，出气嘴（2）包括设于通气眼的连接头（20），连接头（20）的外侧端设有端盖（21），端盖（21）内设有弹簧（22），弹簧（22）的另一端设有封珠（23），封珠（23）位于连接头（20）内；

连接头（20）包括连接柱体（200），连接柱体（200）的一端设有连接柱（201），连接柱（201）设于通气眼，连接柱（201）内成形有通气孔（203），通气孔（203）的另一端延伸于连接柱体（200），通气孔（203）的另一端成形有锥形腔体（204），封珠（23）位于锥形腔体（204）内，连接柱体（200）的另一端设有内丝环（202）；

端盖（21）内侧端设有外丝环（212），外丝环（212）设于内丝环（202），端盖（21）成形有内槽（210），内槽（210）的槽底成形有出气孔（211），弹簧（22）设于内槽（210）内。

5.根据权利要求1所述的乳酸菌高密度发酵系统，其特征在于，超滤装置（3）包括多个超滤模组以及循环系统，超滤模组包括滤管（30），滤管（30）的两端均设有进料头（31），滤管（30）均通过多个连接构件（32）连接于滤管（30），滤管（30）内设有超滤构件（33）；

滤管（30）的两端设有端环（300），端环（300）呈圆周阵列地设有定位杆（301），端环（300）的外壁设有密封环（302），端环（300）的端部均成形有装配环槽，滤管（30）连通有多根滤液出料管（303），滤液出料管（303）的另一端均设有滤液连接管（304），滤液连接管（304）的外侧端设有出液总管（305）；

进料头（31）包括设于端环（300）端部的连接环（310），密封环（302）穿于连接环（310），连接环（310）向外延伸地设有锥形进料壳（311），锥形进料壳（311）内侧端的直径大于其外侧端的直径，锥形进料壳（311）的外侧端连通有进料连接管（312），进料连接管（312）的外侧端设有安装法兰（313）；

连接构件（32）包括安装于连接环（310）的铰接座（320），铰接座（320）铰接有一对L形板（321），L形板（321）之间根部设有连接座（323），L形板（321）的另一端设有端板（322），连接座（323）与端板（322）之间设有连接丝杆（324），连接丝杆（324）的一端设有转动头（325），连接丝杆（324）设有内压板（326），定位杆（301）穿于内压板（326）的下端；

超滤构件（33）包括穿于滤管（30）内的多根超滤管（330），超滤管（330）的两端均套设有套帽（331），套帽（331）的外侧端均设有外凸环（332），外凸环（332）的外壁设有密封橡胶，装配环槽的槽底设有两根密封胶条（3300），装配环槽内设有密封端盖（333），密封端盖（333）通过多个螺钉的（335）固定于装配环槽内，密封端盖（333）成形有多个通眼（334），外凸环（332）均穿于密封端盖（333）的内侧，通眼（334）与其对应的外凸环（332）同心且连通，超滤管（330）套设有内撑盘（336），内撑盘（336）呈圆周阵列地穿有固连丝杆（337），相邻两根固连丝杆（337）之间通过连接丝套（338）连接，滤液出料管（303）位于相邻两个内撑盘（336）之间；

超滤管（330）的外层为氧化铝蜂窝陶瓷材料，超滤管（330）的内层为聚偏氟乙烯与聚砜类膜材料。

6.根据权利要求1所述的乳酸菌高密度发酵系统，其特征在于：

发酵罐（1）的pH值控制在6-8之间；

发酵罐（1）的搅拌速度为0-200rpm；

发酵罐（1）的发酵温度为30℃-42℃；

且发酵罐（1）在发酵时通入无菌空气。

7.根据权利要求1所述的乳酸菌高密度发酵系统，其特征在于，补料罐（7）向发酵罐（1）内补充的物料为葡萄糖、酵母粉以及硫酸铵；

补料时，补料罐（7）向发酵罐（1）添加葡萄糖、酵母粉以及硫酸铵中的一种或几种；

补料罐（7）补料时采用SBA-40E生物传感分析仪测定发酵罐中葡萄糖的浓度，且补料标准为发酵罐（1）内葡萄糖的浓度低于5g/L时。

8.根据权利要求1所述的乳酸菌高密度发酵系统，其特征在于：

超滤管（330）的孔径为0.01-0.001μm，截留分子量大于10000D；

超滤装置（3）采用双氧水灭菌的方式，双氧水浓度为2%-8%；

阴离子交换树脂装置（4）中的树脂为D319、D311、D301中的一种或多种。

9.一种乳酸菌高密度发酵方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任意一项所述的乳酸菌高密度发酵系统，包括如下步骤：

发酵：将活化两代的植物乳杆菌种子液接种至发酵罐（1）中进行发酵；

pH调节：当植物乳杆菌发酵时，通过无菌阴离子交换柱（5）自动添加无菌树脂以控制发酵罐（1）内pH值，并使发酵罐（1）内的pH值维持在6.5-6.9之间，当发酵罐（1）内的pH值低于6.5时，无菌阴离子交换柱（5）自动向发酵罐（1）内添加无菌阴离子树脂；

乳酸去除：在发酵进入对数期后，隔2-3h将植物乳杆菌发酵液泵入超滤装置（3）内，且过滤压力为0.1-0.3MPa，通过过滤除去植物乳杆菌和大分子物质，而经过超滤装置（3）的滤液再经过阴离子交换树脂装置（4）交换出乳酸，而培养液返回发酵罐（1）内继续培养；

发酵结束：植物乳杆菌在经过18-24h的发酵后，将植物乳杆菌泵出，并离心分离出植物乳杆菌的菌体，并收集菌体。

10.根据权利要求9所述的乳酸菌高密度发酵方法，其特征在于，树脂处理的方法为：

S1 用无菌纯水清洗树脂至出水清澈、无杂质为止；

S2 用3倍体积于树脂的饱和氯化钠溶液浸泡树脂18-20小时，然后用清水漂洗；

S3 用4-5%的NaOH溶液和HCl溶液在交换树脂中依次浸泡2-4h，且期间用大量无菌纯水清洗至出水为中性，并重复2-3次；

S4 用4-5%的NaOH溶液浸泡，并通过无菌纯水淋洗至中性。

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