基因工程菌高密度培养用高溶氧生物反应器及培养控制方法技术

本发明专利技术涉及基因工程菌高密度培养用高溶氧生物反应器及培养控制方法。该反应器包括罐体，罐体顶部设有搅拌驱动电机，搅拌驱动电机输出轴与搅拌桨传动连接；罐体底部设有转子驱动电机，转子驱动电机输出轴与气液分散转子传动连接，气液分散转子具有顶部设进气口且下部设出气口的通气内腔，进气口经管路与带压空气源连接；罐体底部内侧还固连有气液分散定子，气液分散定子具有导流槽；气液分散定子位于气液分散转子周向，气液分散定子与气液分散转子同轴并构成转动副。该方法包括气液分散转子通气量控制过程、气液分散转子转速控制过程、以及搅拌桨搅拌转速控制过程。本发明专利技术溶氧水平高，适于基因工程菌高密度培养。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及。该反应器包括罐体，罐体顶部设有搅拌驱动电机，搅拌驱动电机输出轴与搅拌桨传动连接；罐体底部设有转子驱动电机，转子驱动电机输出轴与气液分散转子传动连接，气液分散转子具有顶部设进气口且下部设出气口的通气内腔，进气口经管路与带压空气源连接；罐体底部内侧还固连有气液分散定子，气液分散定子具有导流槽；气液分散定子位于气液分散转子周向，气液分散定子与气液分散转子同轴并构成转动副。该方法包括气液分散转子通气量控制过程、气液分散转子转速控制过程、以及搅拌桨搅拌转速控制过程。本专利技术溶氧水平高，适于基因工程菌高密度培养。【专利说明】
本专利技术涉及一种基因工程菌高密度培养用高溶氧生物反应器，以及采用该反应器的培养控制方法，属于生物发酵工程
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技术介绍
随着基因工程技术的发展，越来越多的生物制品可通过基因工程工艺制得。其中，大肠杆菌与毕赤酵母已广泛应用于基因工程菌的构建，用以获得对人们有利用价值的外源基因产物。利用基因工程菌发酵旨在获得大批量的高质量外源基因产物，同时还要尽可能减少宿主细胞自身组成成分的污染，因而其发酵工艺不同于传统微生物的发酵工艺。传统的分批式培养采用一次性投料和放罐，其培养液初始浓度较高，容易产生底物和代谢产物的抑制作用，而且较高的发酵液浓度亦不利于氧的传递。据 申请人:所知，目前，高密度发酵工艺日渐成熟，已成为生物技术中试生产的主要工艺，具有工艺稳定、发酵周期短、外源基因表达量高的优点，在某些发酵过程中其发酵周期可缩短50%以上，而菌体产量和外源基因表达量是非高密度培养的10-50倍。高密度培养工艺也已成为基因工程菌提高外源基因表达量的重要手段之一。然而，影响基因工程菌外源基因表达量的因素较多，如:基因工程菌的特性，培养基成分，发酵时的温度、pH值、溶解氧的浓度，发酵罐中物料的混合程度，诱导物的流加方式和流加量等，其中，溶解氧的浓度和发酵罐中物料的混合程度对高密度培养基因工程外源基因表达量的影响尤为显著。按现有基因工程菌高密度培养的方法，一般在菌体生长期溶氧浓度控制在30%左右，在诱导期溶氧浓度控制在20%左右。在菌体生长期，由于菌体中菌体数量相对稳定期的菌体数量较少，通过调控进气量等条件很容易达到30%溶氧浓度的要求。而在菌体诱导期，溶氧浓度控制在20%左右则不易达到，其原因在于:菌体诱导期属于高密度培养后期，菌体数量呈指数型扩增，对溶解氧的需求急剧增加，而普通生物反应器的气液分散性能有限，仅通过增大通气量和提高搅拌转速的手段很难满足菌体对溶解氧及混合传质的需求。针对这一难题，不少发酵工艺会使用纯氧代替空气来解决问题，然而使用纯氧不但会增加生产成本，而且会给整个发酵过程的控制带来不便。目前，基因工程菌高密度培养常用生物反应器主要有三大类:气升式反应器、通风搅拌反应器、自吸式反应器。气升式反应器分为气升式外环流反应器和气升式内环流反应器。由于其具有结构简单、运行时剪应力较小等特点，广泛应用于剪切敏感型微生物发酵过程。气升式反应器主要利用气体的喷射功能和流体介质的密度差来推动反应体系循环流动。在气升式反应器中可通过安装导流筒来增强发酵罐内反应体系循环流动和混合传质的效果。气升式反应器可提高气液分布的均匀性和溶氧速率，但它要求较高的通气量和通气压力，这在一定程度上导致能耗增加，尤其对于粘度较高的发酵体系，其氧传质系数较小，混合效果较差。在用于基因工程菌高密度培养时，其混合传质效果难以达到要求，当通气量较大时容易产生大量的泡沫，增大染菌的几率。与气升式反应器相比，通风搅拌反应器结构较为复杂。通风搅拌反应器通常由罐体、搅拌装置、通气装置和其它附属装置构成。其中，搅拌装置设于罐体中间并与罐体采用无菌密封，通气装置的气体分布器设于罐体底部位置。气体经通气装置从气体分布器喷射出来，依靠高速旋转的搅拌桨叶实现混合传质。通风搅拌反应器适用于大多数好氧发酵过程，但也存在不足，如，为实现较高的溶氧浓度和混合传质就要增大搅拌转速和通气量，这会增加能耗，并使罐体中整体剪应力增大，不利于剪切敏感型微生物生长，尤其是在丝状菌体培养时对细胞的损伤较大。自吸式反应器是一种利用气液分散转子高速转动、主动将外界气体吸入罐体的反应器，因具有优秀的气液分散性能和低耗能的特性而得到广泛的应用，尤其在食醋和酵母的发酵生产中应用更加成熟。然而，现有自吸式反应器的结构也存在不尽合理的地方，主要体现在:气液分散转子吸气量小、罐体高径比不能过大、罐体体积也不可太大，这就限制了反应器的发酵容量。现有自吸式反应器的气液分散转子一般设于罐体底部或中间位置处。气液分散转子设于罐体底部时由于有较高的液位差，导致气液分散转子临界转速增大、吸气量减小，随着罐体高径比的增大这种现象更加严重。由于气液分散转子较小且放置于罐体底部，在发酵过程中罐体中上部的发酵液只是在气泡的带动下进行整体宏观循环，其宏观混合强度较弱，会导致传质效果下降，物料混合不均匀。在粘度较大的反应体系中混合传质效果会更差。气液分散转子设于罐体中间位置时，与气液分散转子置于罐体底部的反应器相比其临界转速降低、同等转速下的吸气量增大，但会出现罐体上部气含率大于罐体下部气含率的现象，而该现象极不利于微生物的生长。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:克服现有技术存在的问题，提供一种基因工程菌高密度培养用高溶氧生物反应器，可满足高溶氧浓度的需求，利于实施基因工程菌高密度培养。此外，还提供采用该反应器的培养控制方法。本专利技术解决其技术问题的技术方案如下:一种基因工程菌高密度培养用高溶氧生物反应器，包括上部设加料孔、下部设放料口的罐体，其特征是，所述罐体顶部外侧设有搅拌驱动电机，所述搅拌驱动电机输出轴与伸入罐体的搅拌桨传动连接；所述罐体底部外侧设有转子驱动电机，所述转子驱动电机输出轴与位于罐体内部的气液分散转子传动连接，所述气液分散转子具有顶部设进气口且下部设出气口的通气内腔，所述进气口经管路与带压空气源连接；所述罐体底部内侧还固连有气液分散定子，所述气液分散定子具有设进水口和出水口的导流槽，所述导流槽的进水口靠近气液分散转子、出水口远离气液分散转子；所述气液分散定子位于气液分散转子周向，所述气液分散定子与气液分散转子同轴并构成转动副。该结构在使用时，一方面以顶置式搅拌桨持续搅拌罐内混合物，另一方面气液分散转子持续转动，使空气源输入的气体与罐内液体很好地混合在一起，并使气液混合物经气液分散定子喷射入罐体，分散效果好，溶氧效率高，可满足高溶氧浓度的需求。本专利技术反应器进一步完善的技术方案如下:优选地，所述气液分散转子为多弯叶空腔转子，所述各弯叶由上部弧形部分和下部垂直部分构成，所述各弯叶上部弧形部分沿转子转动方向扭曲；所述各弯叶上部弧形部分的顶端与转子上端口固连，所述各弯叶下部垂直部分的底端与转子底面固连；所述各弯叶与转子底面及转子上端口共同围成通气内腔，所述各弯叶内侧形成空气导流弯道、外侧形成液体导流弯道；所述通气内腔的进气口位于转子上端口，所述通气内腔的出气口有多个、分别位于各弯叶下部垂直部分。 申请人:在深入实践研究中发现，气液分散转子采用这种结构可增大其内部空腔的空间，有利于提高气液分散转子的吸气量，气液分散转子内部与转动方向一致的空气导流弯道，可使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基因工程菌高密度培养用高溶氧生物反应器，包括上部设加料孔、下部设放料口的罐体，其特征是，所述罐体顶部外侧设有搅拌驱动电机，所述搅拌驱动电机输出轴与伸入罐体的搅拌桨传动连接；所述罐体底部外侧设有转子驱动电机，所述转子驱动电机输出轴与位于罐体内部的气液分散转子传动连接，所述气液分散转子具有顶部设进气口且下部设出气口的通气内腔，所述进气口经管路与带压空气源连接；所述罐体底部内侧还固连有气液分散定子，所述气液分散定子具有设进水口和出水口的导流槽，所述导流槽的进水口靠近气液分散转子、出水口远离气液分散转子；所述气液分散定子位于气液分散转子周向，所述气液分散定子与气液分散转子同轴并构成转动副。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：洪厚胜，李军庆，蔡子金，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：