一种单细胞微生物发酵系统技术方案

一种单细胞微生物发酵系统，本实用新型专利技术属于生物发酵设备，解决现有装置发酵过程中pH值不易控制的问题。本实用新型专利技术的发酵系统，包括发酵罐装置和N级种子罐装置，发酵罐装置包括培养罐、中和剂储罐、循环泵和可编程逻辑控制器，各级种子罐装置的组成、结构均与发酵罐装置相同，仅尺寸有区别。采用本实用新型专利技术，缩短了种子扩培时间，降低了染菌风险，较大程度地节省了发酵生产的时间与成本，而且提高了中和剂加入精度，避免管道结垢堵塞，使pH值更易控制，提高了发酵生产水平。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于生物发酵设备，具体涉及一种单细胞微生物发酵系统。
技术介绍
包括各种饲料、食品添加剂以及原料药在内的许多重要产品，主要通过发酵生产获得。其中很多单细胞微生物，如细菌、酵母等被用作生产菌，一般不需要借助孢子传代，其发酵周期较短，放罐频率较高，需高频率地扩培种子，工作量较大；另一方面，随着发酵技术的发展，发酵罐体积逐渐扩大到200m3～500m3，种子罐的级数也逐渐增多，从摇瓶开始，最终到大型发酵罐,种子扩培需要3～4级。种子罐级数越多，不仅成本高，种子扩培时间长，而且操作复杂，不可控因素多，染菌风险大，发酵生产容易出现较大波动。以200m3发酵罐为例，每批发酵生产需经过：摇瓶、50～100L种子罐、1～3m3种子罐、6～10m3种子罐、30～60m3种子罐，最终接种到200m3发酵罐，经过四级种子扩培，工艺流程较长。在乳酸发酵生产上，也有人采取“留种”措施来改进以上缺点，即在发酵生产末期，待发酵液排出90％后，将剩余10％左右的发酵液留在发酵罐内作为下一批次发酵生产的种子液。这样虽然能缩短种子培养周期，降低种子扩培成本，但也有明显的不足之处：一是每次放罐的发酵液体积比正常减少10％，收率下降，平摊下来每罐生产成本增加；二是发酵液内菌体在发酵末期活力下降，若再次利用为新种子则可能影响到下一批发酵水平；三是发酵液直接留在发酵罐中，则发酵罐及其培养基无法灭菌，发酵生产有染菌的风险。另外还存在一个问题是，在绝大多数发酵生产过程中，微生物会分泌出有机酸或碱性代谢物，导致发酵液pH值呈现波动，发酵生产过程中需不断补充中和剂，以维持合适的发酵酸碱度环境。以乳酸发酵生产为例，目前多数厂家采用氢氧化钙作为中和剂，而氢氧化钙有两种添加方式，一种是以液体形式流加，另一种是以固体粉末形式加入。以液体形式加入存在氢氧化钙容易结垢、堵塞管道的问题；而以固体粉末形式加入会导致pH值控制的延迟和不均匀，pH值不易控制。
技术实现思路
本技术提供一种单细胞微生物发酵系统，解决现有装置发酵过程中pH值不易控制的问题，以减少种子培养级数和周期、优化中和剂添加方式，降低种子扩培成本、提高发酵生产效率。本技术所提供的一种单细胞微生物发酵系统，包括发酵罐装置和N级种子罐装置，N≥2，其特征在于：所述发酵罐装置包括培养罐、中和剂储罐、循环泵和可编程逻辑控制器(PLC)；所述培养罐包括罐体、多个搅拌器和多个中和剂分布器，所述多个搅拌器在罐体内部沿罐体中轴线分布，多个中和剂分布器在罐体内部沿罐体中轴线分布，且与所述多个搅拌器交叉间隔排列，所述中和剂分布器为由不锈钢管构成的闭合圆圈，圆圈底面具有均匀分布的小孔，各中和剂分布器的圆圈所在平面与罐体中轴线垂直；罐体顶部具有接种口以及进气管、出气管、进料管，并装有呼吸器，罐体底部具有排料管，排料管上接有排料阀，罐体的侧壁插入pH电极；所述中和剂储罐底部通过管道与循环泵进口连接，循环泵出口通过管道分别连接控制阀门一端和中和剂送料管，中和剂送料管连通所述中和剂储罐的顶部；所述pH电极通过导线连接可编程逻辑控制器(PLC)的输入端，可编程逻辑控制器(PLC)的输出端通过导线连接控制阀门的控制端，所述控制阀门另一端通过管道分别连接多个中和剂分布器；所述各级种子罐装置的组成、结构均与发酵罐装置相同，仅尺寸有区别；各级种子罐装置的排料阀出口通过管道分别连接移种泵和排污阀，移种泵310通过管道连接下一级种子罐装置的培养罐罐体顶部的接种口；第N－1级种子罐装置的培养罐罐体顶部具有回送口，第N级种子罐装置的排料阀出口通过管道分别连接移种泵、回送泵和排污阀，移种泵通过管道连接所述发酵罐装置的培养罐罐体顶部的接种口，回送泵通过管道连接第N－1级种子罐装置的培养罐罐体顶部的回送口；进行发酵生产时，第N－1级种子罐装置的培养罐作为暂存罐。所述的单细胞微生物发酵系统，其特征在于：构成所述中和剂分布器的闭合圆圈直径为相应罐体直径的1/4～3/4，不锈钢管的内径为0.5cm～30cm。所述的单细胞微生物发酵系统，其特征在于：所述发酵罐装置以及N级种子罐装置各自的中和剂储罐各为2个，2个中和剂储罐并联，分别用于储备酸性中和剂和碱性中和剂。利用所述单细胞微生物发酵系统进行发酵生产，包括下述步骤：A.预装步骤：系统启动前，在发酵罐装置(100)、各级种子罐装置(200)的中和剂储罐中准备好所需浓度的中和剂备用，并对各中和剂送料管灭菌；所述中和剂为氢氧化钙、氢氧化钠、氨水、液氨、盐酸、硫酸或者硝酸；在第一级种子罐装置(200)的培养罐罐体内装入新鲜培养基并灭菌；进行步骤B；B.种子扩培步骤：在摇瓶内完成种子培养，将种子移种到第一级种子罐装置(200)的培养罐罐体内；待第一级种子罐装置(200)的培养罐罐体内的种子培养至达到移种条件，启动其对应的移种泵，将所有的种子液泵入已清洗、消毒灭菌、装入新鲜培养基并灭菌的第二级种子罐装置(200)的培养罐罐体内并培养；待第二级种子罐装置(200)的培养罐罐体内的种子培养至达到移种条件，启动其对应的移种泵，将所有的种子液泵入已清洗、消毒灭菌、装入新鲜培养基并灭菌的第三级种子罐装置(200)的培养罐罐体内并培养；同上操作，直至第N级种子罐装置进行种子培养，培养至达到移种条件；进行步骤C；C.种子暂存步骤：启动第N级种子罐装置(200)对应的移种泵，将80～90％的种子液泵入已清洗、消毒灭菌、装入新鲜培养基并灭菌的发酵罐装置(100)的培养罐罐体内接种进行发酵生产，将第N级种子罐内剩余10～20％的种子液通过回送泵泵入已清洗、消毒灭菌、装入新鲜培养基并灭菌的暂存罐内培养；进行步骤D和进行步骤E；D.发酵步骤：调整培养条件进行发酵，待发酵罐装置(100)的培养罐罐体内发酵完成后，排出发酵液，提取发酵产物；对培养罐罐体清洗、消毒灭菌、装入新鲜培养基并灭菌；E.第N级种子复培步骤：在进行步骤D的同时，将第N级种子罐装置(200)的培养罐罐体排空后清洗、消毒灭菌、装入新鲜培养基并灭菌，再将暂存罐内的种子液通过其对应的移种泵泵回第N级种子罐装置(200)的培养罐罐体内接种，进行第N级种子的重复培养，并将其培养至达到移种条件；F.循环步骤：待步骤D、E完成后，转步骤C，不断循环，直至停止生产。自所述步骤B开始，可以启动发酵罐装置和N级种子罐装置各自的循环泵，使中和剂在管道内循环流动，随着发酵进行，发酵液的pH值改变，通过pH电极、可编程逻辑控制器及控制阀门组成的自控系统，根据设定的pH值参数，自控阀自动开启或关闭，向培养罐中泵入中和剂，以中和不断产生的有机酸或碱性物质，实现发酵液pH值调节至设定参数。为控制发酵生产的酸碱度环境，现有工艺一般直接加入氢氧化钙液体或粉末等中和剂，或者设备上没有配套的中和剂分布器，直接以一根管道通入发酵罐，中和剂加入量不均匀，导致pH值波动较大、发酵液局部环境过酸或过碱，影响发酵单位，甚至造成中途停产事故。本技术所提供的单细胞微生物发酵系统，在发酵罐装置和N级种子罐装置中分别均设置了中和剂循环流动系统，可以避免氢氧化钙等中和剂转化为碳酸钙而在管道中结垢堵塞管道；同时于培养罐内设置了多个中和剂分布器，可将中和剂随时均匀送入罐内各个部位，提高了中和剂加入精度，使各级本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单细胞微生物发酵系统，包括发酵罐装置(100)和N级种子罐装置(200)，N≥2，其特征在于：所述发酵罐装置(100)包括培养罐(110)、中和剂储罐(120)、循环泵(130)和可编程逻辑控制器(140)；所述培养罐(110)包括罐体(111)、多个搅拌器(117)和个中和剂分布器(118)，所述多个搅拌器(117)在罐体(111)内部沿罐体中轴线分布，多个中和剂分布器(118)在罐体(111)内部沿罐体中轴线分布，且与所述多个搅拌器(117)交叉间隔排列，所述中和剂分布器(118)为由不锈钢管构成的闭合圆圈，圆圈底面具有均匀分布的小孔，各中和剂分布器的圆圈所在平面与罐体中轴线垂直；罐体(111)顶部具有接种口(111A)以及进气管(112)、出气管(113)、进料管(114)，并装有呼吸器(115)，罐体(111)底部具有排料管(116)，排料管(116)上接有排料阀(119)，罐体(111)的侧壁插入pH电极(141)；所述中和剂储罐(120)底部通过管道与循环泵(130)进口连接，循环泵(130)出口通过管道分别连接控制阀门(131)一端和中和剂送料管(132)，中和剂送料管(132)连通所述中和剂储罐(120)的顶部；所述pH电极(141)通过导线连接可编程逻辑控制器(140)的输入端，可编程逻辑控制器(140)的输出端通过导线连接控制阀门(131)的控制端，所述控制阀门(131)另一端通过管道分别连接多个中和剂分布器(118)；所述各级种子罐装置(200)的组成、结构均与发酵罐装置(100)相同，仅尺寸有区别；各级种子罐装置的排料阀出口通过管道分别连接移种泵(310)和排污阀(330)，移种泵(310)通过管道连接下一级种子罐装置的培养罐罐体顶部的接种口；第N－1级种子罐装置的培养罐罐体顶部具有回送口(111B)，第N级种子罐装置的排料阀出口通过管道分别连接移种泵(310)、回送泵(320)和排污阀(330)，移种泵(310)通过管道连接所述发酵罐装置(100)的培养罐罐体顶部的接种口，回送泵(320)通过管道连接第N－1级种子罐装置的培养罐罐体顶部的回送口(111B)；进行发酵生产时，第N－1级种子罐装置的培养罐作为暂存罐。...

【技术特征摘要】
1.一种单细胞微生物发酵系统，包括发酵罐装置(100)和N级种子罐装置(200)，N≥2，其特征在于：所述发酵罐装置(100)包括培养罐(110)、中和剂储罐(120)、循环泵(130)和可编程逻辑控制器(140)；所述培养罐(110)包括罐体(111)、多个搅拌器(117)和个中和剂分布器(118)，所述多个搅拌器(117)在罐体(111)内部沿罐体中轴线分布，多个中和剂分布器(118)在罐体(111)内部沿罐体中轴线分布，且与所述多个搅拌器(117)交叉间隔排列，所述中和剂分布器(118)为由不锈钢管构成的闭合圆圈，圆圈底面具有均匀分布的小孔，各中和剂分布器的圆圈所在平面与罐体中轴线垂直；罐体(111)顶部具有接种口(111A)以及进气管(112)、出气管(113)、进料管(114)，并装有呼吸器(115)，罐体(111)底部具有排料管(116)，排料管(116)上接有排料阀(119)，罐体(111)的侧壁插入pH电极(141)；所述中和剂储罐(120)底部通过管道与循环泵(130)进口连接，循环泵(130)出口通过管道分别连接控制阀门(131)一端和中和剂送料管(132)，中和剂送料管(132)连通所述中和剂储罐(120)的顶部；所述pH电极(141)通过导线连接可编程逻辑控制器(140)的输入端，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢正东，龚道夷，陈情，夏炜铠，张磊，余龙江，
申请(专利权)人：湖北广济药业股份有限公司，湖北普信工业微生物应用技术开发有限公司，华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北;42