CN204490886U - 一种生物纤维素发酵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种生物纤维素发酵系统，该系统的一级种子罐顶部设置一级预处理池，底部通过发酵液转移管路和二级预处理池与二级种子罐连通，该发酵液转移管路上设置一级鼓泡气体分布器及电磁阀；二级种子罐的底部通过发酵液转移管路和三级预处理池与三级种子罐连；该发酵液转移管路上设置二级鼓泡气体分布器及电磁阀；各级种子罐的上部均固定有OD电极，OD电极与尾气分析仪连接；空压机通过空气管路及电磁阀分别与一、二、三级种子罐顶部连通。本实用新型实现了逐级放大发酵，菌种培养和接种过程在密闭环境下的自动转移。整个接种过程在一个密闭过程中完成，避免了发酵染菌危险。

Description

一种生物纤维素发酵系统

技术领域

本实用新型提供一种用于生物纤维素的三级发酵系统及发酵方法,属于生物医药设备技术领域。

背景技术

发酵技术是生物工程、基因工程、细胞工程、酶工程等研究、生产的关键技术和必不可少的重要环节，广泛应用于生物、医药、农业、环境、化工等领域，是生物技术下游的关键技术。目前已有的种子罐均为单罐发酵，在进行扩大发酵时需将发酵液由小罐取出，放入相应大容量的种子罐中，在移罐过程中容易造成发酵液染菌，影响实验及生产；在单罐发酵过程中可根据需要进行pH值的调节或补气或助剂等单一的调节，但同时进行物料自动接种、自动补料的种子罐尚无。生物纤维素粘度较大，在发酵过程中容易产生气泡，现有连接种子罐系统尚无可进行生物纤维素发酵的装置。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够避免发酵液染菌的生物纤维素发酵系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型的生物纤维素发酵系统包括一级种子罐，二级种子罐，三级种子罐，OD电极，尾气分析仪；所述一级种子罐顶部设置一级预处理池，底部通过发酵液转移管路和二级预处理池与二级种子罐连通，该发酵液转移管路上设置一级鼓泡气体分布器及电磁阀；二级种子罐的底部通过发酵液转移管路和三级预处理池与三级种子罐连；该发酵液转移管路上设置二级鼓泡气体分布器及电磁阀；各级种子罐的上部均固定有OD电极，OD电极与尾气分析仪连接；空压机通过空气管路及电磁阀分别与一、二、三级种子罐顶部连通。

将需要发酵的种子液首先放入经过无菌处理的一级预处理池中进行预处理，在无菌条件下放入一级种子罐中，同时利用OD电极和尾气分析仪检测菌种对数生长期OD值；当种子液发酵到一定程度，菌种对数生长期OD值达到预期值时，开启一级种子罐发酵液转移管路上的电磁阀，使一级种子罐靠自身压力将培养好的种子转移，种子经二级预处理池处理后再转入二级种子罐中，种子液在二级种子罐中顺利发酵；同时检测二级种子罐中菌种对数生长期OD值，当种子液发酵到一定程度，菌种对数生长期OD值达到预期值时，控制二级种子罐发酵液转移管路上的电磁阀开启，靠二级种子罐自身压力将培养好的种子转移，种子经三级预处理池处理后再转到三级种子罐中，实现逐级放大发酵接种过程的自动控制。在发酵过程中由于产生大量气泡，使发酵过程出现不均一现象，因此在一、二级种子罐的发酵液转移管路上设置鼓泡气体分布器以消除气泡。

所述一、二、三级种子罐外部和各发酵液转移管路上带有夹套；各夹套通过管路、电磁阀分别与空压机、供水系统及外部蒸汽供给系统连通。

进一步，本实用新型还包括自动补料系统，该系统包括二、三级种子罐上部固定的pH电极,与pH电极连接的种子罐控制柜，二、三级补料装置；二级补料装置的消泡剂计量罐、酸或碱液计量罐、碳源或氮源计量罐分别通过补料管路与二级补料混合池连通，二级补料混合池与二级种子罐连通；三级补料装置的消泡剂计量罐、酸或碱液计量罐、碳源或氮源计量罐通过补料管路与三级补料混合池连通，三级补料混合池与三级种子罐连通；各补料管路上分别布置有蠕动泵。

所述自动补料系统还可以包括一级补料装置，一级补料装置的消泡剂计量罐、酸或碱液计量罐、碳源或氮源计量罐，一级消泡剂计量罐、酸或碱液计量罐、碳源或氮源计量罐分别通过补料管路与一级补料混合池连通，一级补料混合池与一级种子罐连通；补料管路上布置有蠕动泵。

发酵过程中可以根据一、二、三级种子罐发酵液的pH值，控制一、二、三级种子罐补料管路上的蠕动泵开启，分别通过一、二、三级补料装置实现连续流加补料过程，以稳定pH在代谢最旺盛水平。

进一步，本实用新型还包括循环水利用自动控制系统，该系统包括净化水箱，回水箱；净化水箱通过供水管路与一级种子罐、二级种子罐、三级种子罐的夹套连通，一级种子罐、二级种子罐、三级种子罐的夹套分别通过回水管路与回水箱连通，回水箱通过回水循环管路与净化水箱连通；净化水箱和回水箱内固定有水位控制阀，供水管路、回水管路上布置有电磁阀；回水循环管路上布置有蠕动泵。

在种子发酵过程中，通过净化水箱和供水管路为一、二、三级种子罐的夹套提供控温用水，一、二、三级种子罐夹套出水后，汇集到回水箱中，当回水箱水位达到设定高度时，开启回水循环管路上的蠕动泵将回水打到净化水箱中，实现纯净水的重复循环利用。

进一步，本实用新型还包括工程控制机，所述工程控制机的输入分别与发酵罐控制柜、尾气分析、系统中各计量罐连接，输入分别与系统中各电磁阀、蠕动泵、水位控制阀连接。

所述一、二、三级种子罐101、131、151上分别设置双置大叶搅拌装置。

上述生物纤维素发酵系统对生物纤维素进行发酵的方法如下：

(1)将需要发酵的种子液首先放入经过无菌处理的一级预处理池中进行处理，在无菌条件下放入一级种子罐中，根据发酵温度条件通过空气管路、供水管路、蒸汽管路分别补给空气、水、蒸汽，使种子液顺利发酵；同时检测菌种对数生长期OD值，根据检测值调整补给空气、水、蒸汽；当种子液发酵到一定程度，通过菌种对数生长期OD值设定与检测反馈信号，由工程控制机自动控制一级种子罐发酵液转移管路上的电磁阀开启，一级种子罐靠自身压力将培养好的种子转移到二级种子罐中；根据发酵温度条件通过空气管路、供水管路、蒸汽管路补给空气、水、蒸汽，使种子液在二级种子罐中顺利发酵；同时检测菌种对数生长期OD值，根据检测值调整补给空气、水、蒸汽，当种子液发酵到一定程度，通过菌种对数生长期OD值设定与检测反馈信号，工程控制机自动控制二级种子罐发酵液转移管路上的电磁阀开启，靠二级种子罐自身压力将培养好的种子转移到三级种子罐中，实现逐级放大发酵接种过程的自动控制；

(2)在种子发酵过程中，工程控制机控制根据一、二、三级种子罐发酵液的pH值、OD值和DO值控制一、二、三级种子罐补料管路上的蠕动泵开启，分别通过一、二、三级补料装置实现连续流加补料过程；

(3)在种子发酵过程中，通过净化水箱和供水管路为一级种子罐，二级种子罐，三级种子罐的夹套提供控温用水，一、二级种子罐和三级种子罐夹套出水后，汇集到回水箱中，当回水箱水位达到设定高度时，工程控制机自动开启回水循环管路上的蠕动泵将回水打到净化水箱中，实现纯净水的重复循环利用。

(1)自动接种系统

本实用新型是由3-8L、10-20L、100-150L三个的种子罐为基础，以菌液浓度(光密度OD值)为反馈控制检测指标，通过密闭管路和路径连接，实现菌种培养和逐级放大发酵菌种的自动接种控制。(见图1)

(2)自动补料系统

发酵过程中需要保证一定的营养物质，以使菌体正常生长和代谢产物的合成。在分批发酵中因一次投料过多造成发酵液环境突变、菌丝大量生长、泡沫难控制、装罐系数减少等。为解决以上问题，本实用新型在10-20L、100-150L发酵系统中，针对常用的流加式补料方式开发的自动补料系统。(见图3)

(3)鼓泡气体分布器

在发酵过程中由于产生大量气泡，使发酵过程出现不均一现象，在种子罐的进出口处设有鼓泡气体分布器，该气体分布器由核孔膜为核心材料制成的环形分布器，环形分布器外径为150-200mm，内径为100-190mm构成，最外层由60目的尼龙网支撑，中间为核孔膜，最内层为有机玻璃筛板，其中核孔膜是由高强度的聚对苯二甲酸乙二酯膜基经反应堆核辐射再经膜孔工艺制成。鼓泡气体分布器安置在3-8L种子罐出口、10-20L种子罐进出口、100-150L种子罐进口的位置。(见图1)

(4)双置大叶搅拌装置

生物纤维素由于粘度较大，在发酵过程中容易造成物料、营养等分布不均等问题，在三级种子罐中均设置了大叶宽度在15-30cm的搅拌装置，使搅拌面积增大，并且每个种子罐中的搅拌装置设置2个，保证了罐内发酵液的搅拌均一。(见图1)

(5)循环水利用自动控制系统

种子罐灭菌冷却、温控均需水来完成，不仅造成大量水流失，而且长期用自来水冷却会产生大量水垢，对发酵设备、控制阀及管路均会产生危害。为节约用水、保护设备不受损坏，本实用新型研发了利用净化水循环利用自动控制系统。同时利用给予种子罐灭菌冷却的水(水温升高)给需要加热的种子罐进行升温或保温。(见图5)

本实用新型的有益效果：

(1)通过检测和设定OD值，反馈控制一级、二级、三级发酵放大过程中种子培养和接种转移的自动控制系统。减少了控制参数不准确性，缩短了发酵周期，降低了成本，带来可观经济效益。

(2)根据发酵过程中相关参数设定、相关物质检测等，反馈控制蠕动泵等，实现流加式补料自动控制。对发酵工艺的准确实施、代谢方向的合理控制提供了有效的手段。

(3)通过发酵灭菌冷却、温控给水、回水的联动控制，实现净化水的循环利用。既节约水源，又保护设备不被腐蚀。

(4)实现了逐级放大发酵中，菌种培养和接种过程在密闭环境下的自动转移。整个接种过程在一个密闭过程中完成，避免了发酵染菌危险。

(5)实现以提高目的物产率为目标的流加式补料自动控制，避免在分批发酵中因一次投料过多造成发酵液环境突变，造成菌丝大量生长等问题，改善发酵液流变等性质，使得发酵过程泡沫得以控制，节省消泡剂，并提高了装罐系数，提高单位种子罐体积中实现目的产物产量的最大收率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型的生物纤维素发酵系统三级发酵结构示意图。

图2是本实用新型的生物纤维素发酵系统自动接菌监测与控制部分示意图。

图3是本实用新型的生物纤维素发酵系统自动补料部分结构示意图。

图4是本实用新型的生物纤维素发酵系统的三级补料装置结构示意图。

图5是本实用新型的生物纤维素发酵系统净化水循环系统结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的生物纤维素发酵系统包括一级种子罐101(3-8L种子罐)、二级种子罐131(10-20L种子罐)、三级种子罐151(100-150L种子罐)；一级种子罐101通过其底部管路上设置的电磁阀105、一级鼓泡气体分布器106，以及发酵液转移管路和该管路上设置的电磁阀111、二级预处理池134与二级种子罐131顶部连通；二级种子罐131通过其底部管路上设置的电磁阀135、二级鼓泡气体分布器136，以及发酵液转移管路和该管路上设置的电磁阀141、三级预处理池154与三级种子罐151顶部连通。电磁阀105、135分别与工程控制机连接。一、二级种子罐101、131、三级种子罐151以及发酵液转移管路上带有夹套(图中未示出)。外部蒸汽通过电磁阀109和电磁阀110充入一级种子罐外部的夹套，同时通过电磁阀107充入一级种子罐发酵液转移管路上的夹套。外部蒸汽通过电磁阀139和电磁阀140充入二级种子罐外部的夹套，同时通过电磁阀137充入二级种子罐发酵液转移管路上的夹套。外部蒸汽通过电磁阀159和电磁阀160充入三级种子罐外部的夹套。

一级种子罐101的罐体上设置有与空压机连通的空气管路，空气管路上设置有电磁阀108，空气经电磁阀108后一路经电磁阀110通入一级种子罐101的夹套，另一路通过电磁阀108、103进入一级种子罐101内部。

二级种子罐131的罐体上设置有与空压机连通的空气管路，空气管路上设置有电磁阀138，空气经电磁阀138后一路经140通入二级种子罐的夹套，另一路经电磁阀133通入二级种子罐内部。

三级种子罐151的罐体上设置有与空压机连通的空气管路，空气管路上设置有电磁阀158，空气经电磁阀158后一路经电磁阀160通入三级种子罐夹套，另一路经电磁阀153通入三级种子罐内部。

一、二级种子罐101、131和三级种子罐151上分别设置一、二、三级双置大叶搅拌装置102、132、152。双置大叶搅拌装置102、132、152均为市场上的成熟产品。

如图2所示，本实用新型还包括发酵罐控制柜，尾气分析仪，工程控制机，空压机501；一级种子罐101上部固定有pH电极403、DO电极402、OD电极401；二级种子罐131上部固定有pH电极433、DO电极432、OD电极431；三级种子罐151上部固定有pH电极453、DO电极452、OD电极451；一、二级种子罐和三级种子罐上的pH电极和DO电极与发酵罐控制柜连接，一、二级种子罐和三级种子罐上的OD电极与尾气分析仪连接；发酵罐控制柜和尾气分析仪与工程控制机连接；空压机501通过空气管路分别与108、138、158连接。

如图3所示，本实用新型还包括二、三级补料装置230、250，二、三级补料装置230、250分别与二、三级种子罐131、151的顶部连通。

本实用新型还可以包括一级补料装置。

如图4所示，三级补料装置250包括消泡剂计量罐251，酸或碱液计量罐253，碳源或氮源计量罐255；消泡剂计量罐251、酸或碱液计量罐253和碳源或氮源计量罐255分别通过补料管路与三级补料混合池257连通，三级补料混合池257与三级种子罐151连通；各补料管路上分别布置有蠕动泵252、254、256。各补料管路上还可以布置有流量计，各计量罐的入料口和出料口分别设置有入料阀和出料阀(图中未示出)。一、二级补料装置与三级补料装置结构相同。

如图5所示，本实用新型还包括净化水箱361、回水箱364，净化水箱361通过供水管路与电磁阀301、331、351连通，一、二级种子罐和三级种子罐的夹套通过电磁阀302、332、352及回水管路与回水箱364连通，回水箱364通过回水循环管路与净化水箱361连通；净化水箱361和回水箱364内分别固定有水位控制阀362、365；净化水箱底部布置有电磁阀363，电磁阀363分别通过供水管路与电磁阀301、331、351连通；回水循环管路上布置电磁阀366和蠕动泵367。

本实用新型中的各电磁阀、水位控制阀、蠕动泵分别与工程控制机连接，通过工程控制机控制各电磁阀、水位控制阀、蠕动泵的开启和关闭。

本实用新型结构解析

(1)自动接种系统

(1)自动接种系统是在一级种子培养中(3-8L种子罐)，通过菌种对数生长期OD值设定与检测反馈信号，由工程控制机自动控制一级电磁阀105、111的开启，靠一级种子罐101自身压力将培养好的种子转移到二级种子罐131(10-20L种子罐)中。同理，自动控制二级、三级种子的培养与接种。从而实现逐级放大发酵接种过程的自动控制。整个接种过程在一个密闭过程中完成，避免了外加式接种带来的发酵染菌危险。

(2)自动补料系统

通过选择与过程直接关系的可检测参数作为控制指标(如可以测量、控制发酵液pH值、OD值和DO值，采用定量控制葡萄糖流加，稳定pH在代谢最旺盛水平)，采用计量罐、流量计(电磁流量计、液体质量流量计)、蠕动泵和工程控制机来实现连续补料控制。补料执行主要由入料阀、计量罐、出料阀等组成，补料时，通过工程控制机输入补料率等参数，实现连续流加补料过程。整个过程是在一个密闭环境中进行，避免发酵过程的杂菌污染，提高了装罐系数，细胞质量可控，保持pH稳定，解除底物抑制、产物反馈抑制和分解阻遏。(见图4)

(3)循环水利用自动控制系统

通过设计给水系统和回水系统的有效联动，实现发酵过程中灭菌冷却用水、控温用水的循环利用。给水系统：采用设计密闭水位自动控制的1000L纯净水的水箱，靠自然压力或水泵补充压力(控制水流量和压力)供给发酵灭菌后冷却水和对发酵过程中控温用水供给；回水系统：一、二级种子罐和三级种子罐夹套出水后，汇集一个200L带水位控制的回水箱中，当水位达到一定时，水泵自动开启打到1000L水箱中，实现纯净水的重复循环利用。

本实用新型装置使用操作

(1)将需要发酵的种子液无菌条件下放入3-8L种子罐(一级种子培养中)。根据发酵温度条件通过补给空气、水、蒸汽，使种子液顺利发酵，检测菌种对数生长期OD值(光密度)，根据检测值调整补给条件(空气、水、蒸汽等)，当种子液发酵到一定程度，通过菌种对数生长期OD值设定与检测反馈信号，自动控制电磁阀105、111的开启，靠3-8L种子罐(一级种子罐)自身压力将培养好的种子转移到10-20L种子罐(二级种子罐中)；根据发酵温度条件补给空气、水、蒸汽，使种子液在二级种子罐中顺利发酵，检测菌种对数生长期OD值，根据检测值调整补给条件(空气、水、蒸汽等)，当种子液发酵到一定程度，通过菌种对数生长期OD值设定与检测反馈信号，自动控制电磁阀135、141的开启，靠10-20L种子罐(二级种子罐)自身压力将培养好的种子转移到100-150L种子罐(三级种子罐中)；从而实现逐级放大发酵接种过程的自动控制。整个接种过程在一个密闭过程中完成，避免了外加式接种带来的发酵染菌危险。

(2)种子液在种子罐中发酵过程中会有诸多变化，需要不同的营养物质等使发酵条件适宜种子发酵。当需要发酵的种子液无菌条件下放入3-8L种子罐后，通过选择与过程直接关系的可检测参数作为控制指标(如测量、控制发酵液pH值、OD值和DO值，采用定量控制葡萄糖流加，稳定pH在代谢最旺盛水平)，采用计量罐、流量计(电磁流量计、液体质量流量计)、蠕动泵和工程控制机来实现连续补料控制。3-8L种子罐补料执行主要由入料阀、计量罐、液位电极(计量罐自带)、出料阀等组成，补料时，通过工程控制机输入补料率等参数，实现连续流加补料过程。当种子液发酵后靠3-8L种子罐(一级种子罐中)自身压力将培养好的种子转移到10-20L种子罐(二级种子罐中)；通过选择与过程直接关系的可检测参数作为控制指标(如测量、控制发酵液pH值、OD值和DO值，采用定量控制葡萄糖流加，稳定pH在代谢最旺盛水平)，采用计量罐、流量计(电磁流量计、液体质量流量计)、蠕动泵和工程控制机来实现连续补料控制。10-20L种子罐补料执行主要由入料阀、计量罐、液位电极、出料阀等组成，补料时，通过工程控制机输入补料率等参数，实现连续流加补料过程。当种子液发酵后靠10-20L种子罐(二级种子罐中)自身压力将培养好的种子转移到100-150L种子罐(三级种子罐中)；通过选择与过程直接关系的可检测参数作为控制指标(如测量、控制发酵液pH值、OD值和DO值，采用定量控制葡萄糖流加，稳定pH在代谢最旺盛水平)，采用计量罐、流量计(电磁流量计、液体质量流量计)、蠕动泵和工程控制机来实现连续补料控制。100-150L种子罐补料执行主要由入料阀、计量罐、液位电极、出料阀等组成，补料时，通过工程控制机输入补料率等参数，实现连续流加补料过程。

整个过程是在一个密闭环境中进行，避免发酵过程的杂菌污染，提高了装罐系数，细胞质量可控，保持pH稳定，解除底物抑制、产物反馈抑制和分解阻遏。

(3)靠自然压力或水泵补充压力(控制水流量和压力)实现给水系统，1000L纯净水的水箱设有密闭水位自动控制，以便供给发酵灭菌后冷却水和对发酵过程中控温用水供给；一、二级种子罐和三级种子罐夹套出水后，汇集一个200L带水位控制的回水箱中，当水位达到一定时，水泵自动开启打到1000L水箱中，实现纯净水的重复循环利用。从而实现发酵过程中灭菌冷却用水、控温用水的循环利用。

Claims (6)

1.一种生物纤维素发酵系统，其特征在于包括一级种子罐(101)，二级种子罐(131)，三级种子罐(151)，OD电极，尾气分析仪；所述一级种子罐(101)顶部设置一级预处理池(104)，底部通过发酵液转移管路和二级预处理池(134)与二级种子罐(131)连通，该发酵液转移管路上设置一级鼓泡气体分布器(106)及电磁阀；二级种子罐(131)的底部通过发酵液转移管路和三级预处理池(154)与三级种子罐(151)连通；该发酵液转移管路上设置二级鼓泡气体分布器(136)及电磁阀；各级种子罐的上部均固定有OD电极，OD电极与尾气分析仪连接；空压机通过空气管路及电磁阀分别与一、二、三级种子罐顶部连通。

2.根据权利要求1所述的生物纤维素发酵系统，其特征在于所述一、二、三级种子罐外部和各发酵液转移管路上带有夹套；各夹套通过管路、电磁阀分别与空压机、供水系统及外部蒸汽供给系统连通。

3.根据权利要求1所述的生物纤维素发酵系统，其特征在于还包括自动补料系统，该系统包括二、三级种子罐上部固定的pH电极,与pH电极连接的种子罐控制柜，二、三级补料装置(230、250)；二级补料装置(230)的消泡剂计量罐、酸或碱液计量罐、碳源或氮源计量罐分别通过补料管路与二级补料混合池连通，二级补料混合池与二级种子罐(131)连通；三级补料装置(250)的消泡剂计量罐、酸或碱液计量罐、碳源或氮源计量罐通过补料管路与三级补料混合池连通，三级补料混合池与三级种子罐(151)连通；各补料管路上分别布置有蠕动泵。

4.根据权利要求3所述的生物纤维素发酵系统，其特征在于所述自动补料系统还包括一级补料装置，一级补料装置的消泡剂计量罐、酸或碱液计量罐、碳源或氮源计量罐，一级消泡剂计量罐、酸或碱液计量罐、碳源或氮源计量罐分别通过补料管路与一级补料混合池连通，一级补料混合池与一级种子罐(101)连通；补料管路上布置有蠕动泵。

5.根据权利要求1所述的生物纤维素发酵系统，其特征在于还包括循环水利用自动控制系统，该系统包括净化水箱(361)，回水箱(364)；净化水箱(361)通过供水管路与一级种子罐(101)、二级种子罐(131)、三级种子罐(151)的夹套连通，一级种子罐(101)、二级种子罐(131)、三级种子罐(151)的夹套分别通过回水管路与回水箱(364)连通，回水箱(364)通过回水循环管路与净化水箱(361)连通；净化水箱(361)和回水箱(364)内固定有水位控制阀，供水管路、回水管路上布置有电磁阀；回水循环管路上布置有蠕动泵。

6.根据权利要求1所述的生物纤维素发酵系统，其特征在于所述一、二、三级种子罐(101、131、151)上分别设置双置大叶搅拌装置。