一種單細胞微生物發酵系統技術方案

一種單細胞微生物發酵系統，本實用新型專利技術屬于生物發酵設備，解決現有裝置發酵過程中pH值不易控制的問題。本實用新型專利技術的發酵系統，包括發酵罐裝置和N級種子罐裝置，發酵罐裝置包括培養罐、中和劑儲罐、循環泵和可編程邏輯控制器，各級種子罐裝置的組成、結構均與發酵罐裝置相同，僅尺寸有區別。采用本實用新型專利技術，縮短了種子擴培時間，降低了染菌風險，較大程度地節省了發酵生產的時間與成本，而且提高了中和劑加入精度，避免管道結垢堵塞，使pH值更易控制，提高了發酵生產水平。

【技術實現步驟摘要】

本技術屬于生物發酵設備，具體涉及一種單細胞微生物發酵系統。
技術介紹
包括各種飼料、食品添加劑以及原料藥在內的許多重要產品，主要通過發酵生產獲得。其中很多單細胞微生物，如細菌、酵母等被用作生產菌，一般不需要借助孢子傳代，其發酵周期較短，放罐頻率較高，需高頻率地擴培種子，工作量較大；另一方面，隨著發酵技術的發展，發酵罐體積逐漸擴大到200m3～500m3，種子罐的級數也逐漸增多，從搖瓶開始，最終到大型發酵罐,種子擴培需要3～4級。種子罐級數越多，不僅成本高，種子擴培時間長，而且操作復雜，不可控因素多，染菌風險大，發酵生產容易出現較大波動。以200m3發酵罐為例，每批發酵生產需經過：搖瓶、50～100L種子罐、1～3m3種子罐、6～10m3種子罐、30～60m3種子罐，最終接種到200m3發酵罐，經過四級種子擴培，工藝流程較長。在乳酸發酵生產上，也有人采取“留種”措施來改進以上缺點，即在發酵生產末期，待發酵液排出90％后，將剩余10％左右的發酵液留在發酵罐內作為下一批次發酵生產的種子液。這樣雖然能縮短種子培養周期，降低種子擴培成本，但也有明顯的不足之處：一是每次放罐的發酵液體積比正常減少10％，收率下降，平攤下來每罐生產成本增加；二是發酵液內菌體在發酵末期活力下降，若再次利用為新種子則可能影響到下一批發酵水平；三是發酵液直接留在發酵罐中，則發酵罐及其培養基無法滅菌，發酵生產有染菌的風險。另外還存在一個問題是，在絕大多數發酵生產過程中，微生物會分泌出有機酸或堿性代謝物，導致發酵液pH值呈現波動，發酵生產過程中需不斷補充中和劑，以維持合適的發酵酸堿度環境。以乳酸發酵生產為例，目前多數廠家采用氫氧化鈣作為中和劑，而氫氧化鈣有兩種添加方式，一種是以液體形式流加，另一種是以固體粉末形式加入。以液體形式加入存在氫氧化鈣容易結垢、堵塞管道的問題；而以固體粉末形式加入會導致pH值控制的延遲和不均勻，pH值不易控制。
技術實現思路
本技術提供一種單細胞微生物發酵系統，解決現有裝置發酵過程中pH值不易控制的問題，以減少種子培養級數和周期、優化中和劑添加方式，降低種子擴培成本、提高發酵生產效率。本技術所提供的一種單細胞微生物發酵系統，包括發酵罐裝置和N級種子罐裝置，N≥2，其特征在于：所述發酵罐裝置包括培養罐、中和劑儲罐、循環泵和可編程邏輯控制器(PLC)；所述培養罐包括罐體、多個攪拌器和多個中和劑分布器，所述多個攪拌器在罐體內部沿罐體中軸線分布，多個中和劑分布器在罐體內部沿罐體中軸線分布，且與所述多個攪拌器交叉間隔排列，所述中和劑分布器為由不銹鋼管構成的閉合圓圈，圓圈底面具有均勻分布的小孔，各中和劑分布器的圓圈所在平面與罐體中軸線垂直；罐體頂部具有接種口以及進氣管、出氣管、進料管，并裝有呼吸器，罐體底部具有排料管，排料管上接有排料閥，罐體的側壁插入pH電極；所述中和劑儲罐底部通過管道與循環泵進口連接，循環泵出口通過管道分別連接控制閥門一端和中和劑送料管，中和劑送料管連通所述中和劑儲罐的頂部；所述pH電極通過導線連接可編程邏輯控制器(PLC)的輸入端，可編程邏輯控制器(PLC)的輸出端通過導線連接控制閥門的控制端，所述控制閥門另一端通過管道分別連接多個中和劑分布器；所述各級種子罐裝置的組成、結構均與發酵罐裝置相同，僅尺寸有區別；各級種子罐裝置的排料閥出口通過管道分別連接移種泵和排污閥，移種泵310通過管道連接下一級種子罐裝置的培養罐罐體頂部的接種口；第N－1級種子罐裝置的培養罐罐體頂部具有回送口，第N級種子罐裝置的排料閥出口通過管道分別連接移種泵、回送泵和排污閥，移種泵通過管道連接所述發酵罐裝置的培養罐罐體頂部的接種口，回送泵通過管道連接第N－1級種子罐裝置的培養罐罐體頂部的回送口；進行發酵生產時，第N－1級種子罐裝置的培養罐作為暫存罐。所述的單細胞微生物發酵系統，其特征在于：構成所述中和劑分布器的閉合圓圈直徑為相應罐體直徑的1/4～3/4，不銹鋼管的內徑為0.5cm～30cm。所述的單細胞微生物發酵系統，其特征在于：所述發酵罐裝置以及N級種子罐裝置各自的中和劑儲罐各為2個，2個中和劑儲罐并聯，分別用于儲備酸性中和劑和堿性中和劑。利用所述單細胞微生物發酵系統進行發酵生產，包括下述步驟：A.預裝步驟：系統啟動前，在發酵罐裝置(100)、各級種子罐裝置(200)的中和劑儲罐中準備好所需濃度的中和劑備用，并對各中和劑送料管滅菌；所述中和劑為氫氧化鈣、氫氧化鈉、氨水、液氨、鹽酸、硫酸或者硝酸；在第一級種子罐裝置(200)的培養罐罐體內裝入新鮮培養基并滅菌；進行步驟B；B.種子擴培步驟：在搖瓶內完成種子培養，將種子移種到第一級種子罐裝置(200)的培養罐罐體內；待第一級種子罐裝置(200)的培養罐罐體內的種子培養至達到移種條件，啟動其對應的移種泵，將所有的種子液泵入已清洗、消毒滅菌、裝入新鮮培養基并滅菌的第二級種子罐裝置(200)的培養罐罐體內并培養；待第二級種子罐裝置(200)的培養罐罐體內的種子培養至達到移種條件，啟動其對應的移種泵，將所有的種子液泵入已清洗、消毒滅菌、裝入新鮮培養基并滅菌的第三級種子罐裝置(200)的培養罐罐體內并培養；同上操作，直至第N級種子罐裝置進行種子培養，培養至達到移種條件；進行步驟C；C.種子暫存步驟：啟動第N級種子罐裝置(200)對應的移種泵，將80～90％的種子液泵入已清洗、消毒滅菌、裝入新鮮培養基并滅菌的發酵罐裝置(100)的培養罐罐體內接種進行發酵生產，將第N級種子罐內剩余10～20％的種子液通過回送泵泵入已清洗、消毒滅菌、裝入新鮮培養基并滅菌的暫存罐內培養；進行步驟D和進行步驟E；D.發酵步驟：調整培養條件進行發酵，待發酵罐裝置(100)的培養罐罐體內發酵完成后，排出發酵液，提取發酵產物；對培養罐罐體清洗、消毒滅菌、裝入新鮮培養基并滅菌；E.第N級種子復培步驟：在進行步驟D的同時，將第N級種子罐裝置(200)的培養罐罐體排空后清洗、消毒滅菌、裝入新鮮培養基并滅菌，再將暫存罐內的種子液通過其對應的移種泵泵回第N級種子罐裝置(200)的培養罐罐體內接種，進行第N級種子的重復培養，并將其培養至達到移種條件；F.循環步驟：待步驟D、E完成后，轉步驟C，不斷循環，直至停止生產。自所述步驟B開始，可以啟動發酵罐裝置和N級種子罐裝置各自的循環泵，使中和劑在管道內循環流動，隨著發酵進行，發酵液的pH值改變，通過pH電極、可編程邏輯控制器及控制閥門組成的自控系統，根據設定的pH值參數，自控閥自動開啟或關閉，向培養罐中泵入中和劑，以中和不斷產生的有機酸或堿性物質，實現發酵液pH值調節至設定參數。為控制發酵生產的酸堿度環境，現有工藝一般直接加入氫氧化鈣液體或粉末等中和劑，或者設備上沒有配套的中和劑分布器，直接以一根管道通入發酵罐，中和劑加入量不均勻，導致pH值波動較大、發酵液局部環境過酸或過堿，影響發酵單位，甚至造成中途停產事故。本技術所提供的單細胞微生物發酵系統，在發酵罐裝置和N級種子罐裝置中分別均設置了中和劑循環流動系統，可以避免氫氧化鈣等中和劑轉化為碳酸鈣而在管道中結垢堵塞管道；同時于培養罐內設置了多個中和劑分布器，可將中和劑隨時均勻送入罐內各個部位，提高了中和劑加入精度，使各級本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種單細胞微生物發酵系統，包括發酵罐裝置(100)和N級種子罐裝置(200)，N≥2，其特征在于：所述發酵罐裝置(100)包括培養罐(110)、中和劑儲罐(120)、循環泵(130)和可編程邏輯控制器(140)；所述培養罐(110)包括罐體(111)、多個攪拌器(117)和個中和劑分布器(118)，所述多個攪拌器(117)在罐體(111)內部沿罐體中軸線分布，多個中和劑分布器(118)在罐體(111)內部沿罐體中軸線分布，且與所述多個攪拌器(117)交叉間隔排列，所述中和劑分布器(118)為由不銹鋼管構成的閉合圓圈，圓圈底面具有均勻分布的小孔，各中和劑分布器的圓圈所在平面與罐體中軸線垂直；罐體(111)頂部具有接種口(111A)以及進氣管(112)、出氣管(113)、進料管(114)，并裝有呼吸器(115)，罐體(111)底部具有排料管(116)，排料管(116)上接有排料閥(119)，罐體(111)的側壁插入pH電極(141)；所述中和劑儲罐(120)底部通過管道與循環泵(130)進口連接，循環泵(130)出口通過管道分別連接控制閥門(131)一端和中和劑送料管(132)，中和劑送料管(132)連通所述中和劑儲罐(120)的頂部；所述pH電極(141)通過導線連接可編程邏輯控制器(140)的輸入端，可編程邏輯控制器(140)的輸出端通過導線連接控制閥門(131)的控制端，所述控制閥門(131)另一端通過管道分別連接多個中和劑分布器(118)；所述各級種子罐裝置(200)的組成、結構均與發酵罐裝置(100)相同，僅尺寸有區別；各級種子罐裝置的排料閥出口通過管道分別連接移種泵(310)和排污閥(330)，移種泵(310)通過管道連接下一級種子罐裝置的培養罐罐體頂部的接種口；第N－1級種子罐裝置的培養罐罐體頂部具有回送口(111B)，第N級種子罐裝置的排料閥出口通過管道分別連接移種泵(310)、回送泵(320)和排污閥(330)，移種泵(310)通過管道連接所述發酵罐裝置(100)的培養罐罐體頂部的接種口，回送泵(320)通過管道連接第N－1級種子罐裝置的培養罐罐體頂部的回送口(111B)；進行發酵生產時，第N－1級種子罐裝置的培養罐作為暫存罐。...

【技術特征摘要】
1.一種單細胞微生物發酵系統，包括發酵罐裝置(100)和N級種子罐裝置(200)，N≥2，其特征在于：所述發酵罐裝置(100)包括培養罐(110)、中和劑儲罐(120)、循環泵(130)和可編程邏輯控制器(140)；所述培養罐(110)包括罐體(111)、多個攪拌器(117)和個中和劑分布器(118)，所述多個攪拌器(117)在罐體(111)內部沿罐體中軸線分布，多個中和劑分布器(118)在罐體(111)內部沿罐體中軸線分布，且與所述多個攪拌器(117)交叉間隔排列，所述中和劑分布器(118)為由不銹鋼管構成的閉合圓圈，圓圈底面具有均勻分布的小孔，各中和劑分布器的圓圈所在平面與罐體中軸線垂直；罐體(111)頂部具有接種口(111A)以及進氣管(112)、出氣管(113)、進料管(114)，并裝有呼吸器(115)，罐體(111)底部具有排料管(116)，排料管(116)上接有排料閥(119)，罐體(111)的側壁插入pH電極(141)；所述中和劑儲罐(120)底部通過管道與循環泵(130)進口連接，循環泵(130)出口通過管道分別連接控制閥門(131)一端和中和劑送料管(132)，中和劑送料管(132)連通所述中和劑儲罐(120)的頂部；所述pH電極(141)通過導線連接可編程邏輯控制器(140)的輸入端，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：盧正東，龔道夷，陳情，夏煒鎧，張磊，余龍江，
申請(專利權)人：湖北廣濟藥業股份有限公司，湖北普信工業微生物應用技術開發有限公司，華中科技大學，
類型：新型
國別省市：湖北;42