專利名稱：發(fā)酵罐精確計量流加裝置及高濃度溶液的流加方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)酵罐的精確計量流加裝置及高濃度溶液的流加方法，尤其是涉及在發(fā)酵過程中精確地控制流加高濃度流加液體積和流加速度的裝置和方法。
背景技術：
發(fā)酵過程中常以某一營養(yǎng)物質作為限制性基質，采用營養(yǎng)物流加技術是常用的一種發(fā)酵調控策略，流加補料操作往往是生物反應過程優(yōu)化調控的關鍵操作，因此，流加補料裝置已經成為絕大多數生物反應器的必配裝置。發(fā)酵過程中流加的物料有酸、堿、中和劑、 消泡劑、碳源、氮源、酶制劑、前體和誘導物等，現代生物反應過程對補料計量、補料控制精度及周期的要求越來越高?，F有的發(fā)酵罐計量流加補料裝置和流加工藝，必須滿足流加液、流加管路和補料罐、補料杯或計量杯，甚至計量泵都要能高溫滅菌，無滅菌死角，一般要達到1 %的流加計量精度，流加速度可控制，以及價格合理等幾個方面的要求。目前在生物反應過程中比較常用的有連續(xù)式和離散式兩大類流加補料裝置，但能同時符合上述多個條件的計量流加裝置很少。實驗室規(guī)模小型發(fā)酵罐的計量流加裝置，大多采用蠕動泵和稱重補料傳感器；大型發(fā)酵罐系統的流加補料裝置，采用占空比控制可調的隔膜閥、智能稱量補料裝置。蠕動泵流加補料裝置，由于蠕動泵的不同硅膠管的管徑及彈性，空轉和蠕動泵進出口壓差不同，以及電機啟動的靜摩擦力等，依據轉速或開通時間進行補料計量會帶來很大誤差，蠕動泵的特點也不適合大型發(fā)酵罐的大流量計量流加。連續(xù)式計量補料裝置，使用電磁流量計、質量流量計等，精度高，但價格也高。如果流加液中有氣泡存在，還會影響精度，而且必須配用價格昂貴的連續(xù)調節(jié)閥。離散式計量流加補料裝置，有計量杯式、三閥系統和電磁計量泵三種。計量杯式流加補料裝置，是以計量杯為計量單位，即使每次計量正確，最高精度也只有計量杯的容積， 在發(fā)酵過程中罐壓、起泡等因素影響其計量的準確性。三閥系統流加補料裝置，以閥腔為計量單位，價格高，對進出口的壓力要求較高，料液中的氣泡等影響計量精度。電磁計量泵流加補料裝置，以泵的工作時間積算補料量，價格高，而且不能耐蒸汽滅菌。專利(申請?zhí)?00810033769. 8)公開了一種流體補料稱重計量控制裝置，直接稱量每次補料的重量，并經智能模塊運算補料量。該裝置的閥門系統復雜；稱量模塊或電子秤要很好地防止實驗和生產環(huán)境的潮濕影響；稱量補料系統管路用軟管連接，管路耐久性差； 稱量系統對環(huán)境的振動干擾敏感，要克服連接管道的撓性干擾和電機轉動及不同轉速的轉矩干擾，克服反應罐整機搖擺所造成的局部應力集中；二次儀表的設計要具備自動標定、去皮、累計、速率等稱重操作，克服振動等影響；還必須克服罐上人工操作時的瞬時接觸干擾等。 現有的發(fā)酵罐計量流加補料方式，除了強酸、強堿和氨水等本身就能殺菌的物質以外，為了防止發(fā)酵染菌，流加液均需要經過蒸汽滅菌后流加到發(fā)酵罐中，對流加罐和流加液流加過程經過的管、泵、閥等都要以蒸汽滅菌，蒸汽滅菌過程的能耗高；熱敏性流加物不能蒸汽滅菌，有些物料(如葡萄糖)經蒸汽滅菌后顏色變深，部分成分發(fā)生變化；流加液的濃度不高，流加后對發(fā)酵液的稀釋率較高，對發(fā)酵液中的產物稀釋率較高，發(fā)酵罐的罐容利用率不高。隨著技術進步，計量泵的精度不斷提高。我國機械行業(yè)標準JB/T 53192-1999《計量泵產品質量分等》中規(guī)定，計量泵的穩(wěn)定性精度、線性度和復現性精度均為士 1%。我國國家標準GB/T 7782-2008《計量泵》規(guī)定，計量泵在額定條件下和最大相對行程長度處的流量計量精度應不低于1%。微生物的生長繁殖與水分活度(Aw)相關，微生物的活動和生物化學反應都需要一定的Aw值，物料中的水分活度低于某一臨界Aw值時，其中的微生物則停止生長繁殖。微生物的這種特性，已被應用在許多液態(tài)食品的保存上。

發(fā)明內容
針對現有的計量流加補料裝置和方法的缺陷，本發(fā)明提供一種在發(fā)酵過程中精確地控制流加高濃度流加液體積和流加速度的裝置和方法。本發(fā)明的技術方案如下一種精確計量流加補料裝置，包括發(fā)酵罐、膜過濾器、計量泵、流加罐、閥門和電子監(jiān)控系統組成，從發(fā)酵罐1通過管路依次連接流加管閥門8、過濾器后閥門7、膜過濾器2、 計量泵出液閥門5、計量泵3、計量泵進液閥門11和流加罐4;排汽閥門6以管路連接在計量泵出液閥門5的發(fā)酵罐1 一側，排汽閥門10通過管路連接在流加管閥門8的發(fā)酵罐1 一側；蒸汽閥門9的一頭通過管路連接在流加管閥門8的過濾器后閥門7 —側，蒸汽閥門9的另一頭連接蒸汽管路S。本發(fā)明的電子監(jiān)控系統采用通用的可以實現本發(fā)明的系統都可以，也可以采用以下的電子監(jiān)控系統包括過程參數傳感器、通訊網絡、指令輸入系統、電控設備、流加補料速率控制器、 顯示模塊、記錄儀和監(jiān)控系統；對于無反饋流加補料，電子監(jiān)控系統根據指令輸入系統設定的參數，由電控設備通過通訊網絡對流加補料速率控制器下達指令，按照指令啟動計量泵，控制并記錄、顯示流加補料的時間、速率和補料量；對于反饋流加補料，過程參數傳感器將采集到的發(fā)酵過程參數通過通訊網絡上傳給電控設備，電控設備根據指令設定的運算程序，決定流加補料的時間、速率和補料量，再通過通訊網絡對流加補料速率控制器下達指令，按照指令啟動計量泵，控制并記錄、顯示流加補料的時間、速率和補料量。本發(fā)明的的計量流加補料的流加方法，步驟如下1)滅菌發(fā)酵罐1的實消和膜過濾器2的滅菌分別進行。發(fā)酵罐1實消時，關閉流加管閥門8，打開排氣閥門10，發(fā)酵罐內的高壓蒸汽從排氣閥門10排出，對發(fā)酵罐1至流加管閥門 8之間的管路滅菌，滅菌結束關閉排氣閥門10。膜過濾器2的滅菌，關閉計量泵出液閥門5， 打開過濾器后閥門7、排汽閥門6和蒸汽閥門9，通過蒸汽閥門9和蒸汽管S，向膜過濾器2 及其至流加管閥門8之間的管路通入蒸汽，進行滅菌，高壓蒸汽從排氣閥門6排出，滅菌結束關閉排汽閥門6和蒸汽閥門9 ；2)流加
將流加料液儲存在流加罐中，計量泵進液閥門11保持開啟狀態(tài)；在發(fā)酵過程中需要流加液體物料時，打開計量泵出液閥門5、過濾器后閥門7和流加管閥門8，按照電子監(jiān)控系統設定的程序，啟動計量泵3。計量泵3的排出壓力高于發(fā)酵罐內的壓力0. 001 1. OMPa,流加罐4中的流加液經計量泵3的精確計量、加壓，經膜過濾器2過濾除菌，流入發(fā)酵罐1內，實施計量流加補料。通過電子監(jiān)控系統，可以記錄和顯示流加補料的時間、流加速率和流加補料量。發(fā)酵罐實消的同時對膜過濾器2及流加管路滅菌；關閉計量泵出液閥門5，打開排汽閥門6、排氣閥門10、過濾器后閥門7和蒸汽閥門9，蒸汽閥門9和蒸汽管S向發(fā)酵罐1和膜過濾器2通入蒸汽滅菌，排汽閥門6和排氣閥門10排出部分蒸汽，滅菌結束關閉蒸汽閥門9、排汽閥門10和排汽閥門6。所述的膜過濾器2的作用是濾除流加液中的微生物，其中的過濾膜可以超濾膜或微濾膜，過濾膜的孔徑從3000道爾頓分子量至0. 45 μ m。所述的計量泵3是電磁驅動式計量泵、機械驅動式隔膜計量泵、液壓驅動式隔膜計量泵、柱塞式計量泵、波紋管式計量泵或精密齒輪泵。計量泵可以根據需要決定是否加裝流量調節(jié)器、緩沖罐和安全閥，這是容積式計量泵的基本常識，在此不再一一贅述。所述的電控設備是計算機、工控機、單片機、嵌入系統、PLC或PC104。所述的流加罐4中流加液的含水量，一般低于其中微生物生長繁殖所需的水分活度，其中的微生物不會生長繁殖。對于流加罐中的液體酶制劑，由于液體酶制劑中已經添加有防腐劑，使用商品液體酶制劑即可。因此，流加罐4、計量泵3和流加罐中的流加液，不需滅菌。本發(fā)明，可以根據發(fā)酵過程中的發(fā)酵時間、發(fā)酵的呼吸商、發(fā)酵液的pH、泡沫高度、 氧化還原電位、底物濃度、生物量、產物濃度、中間代謝產物含量、前體物質含量、誘導物含量及其他指示性指標，通過自動控制系統，提前設定流加補料的時間、流加速率和流加補料量，進行反饋流加補料或無反饋流加補料，可以實現指數流加、線性流加和脈沖流加等流加方式。本發(fā)明適用于流加酸液、堿液、中和劑溶液、液體消泡劑、碳源溶液、氮源溶液、液體酶制劑、前體溶液和誘導物溶液或液體誘導物等液體物料。本發(fā)明的發(fā)酵罐精確計量流加裝置，在一臺發(fā)酵罐上，可以有一套至多套，依據發(fā)酵流加補料的需要而定。本發(fā)明有以下的有益效果補料量的控制精度達到以內，實現精確定量流加補料；適合實驗和生產的不同規(guī)模的發(fā)酵罐；管路和閥門系統簡單；管路全部可以采用硬管連接，使用壽命長；模塊式結構，便于組合，布線簡單，干擾因素少；計量泵、流加罐和流加系統的大部分管路不需要滅菌消毒，因此可根據需要選擇多種計量泵，控制精度高；裝置的造價低；使用靈活方便，自動控制系統比較簡單，可以按照需要隨意設定補料量、補料速率和補料時間，實時顯示瞬時計量和累計補料量，滿足實驗和生產的需要；采用高濃度的流加液，其水分活度低，抑制了有機物流加液中微生物的生長繁殖；一種流加液可以只使用一個大型流加罐，對多個發(fā)酵罐實施流加操作，降低了設備加工、運行和維護的成本；流加液可以長時間多罐次使用，減少了流加液配制的勞動量；高濃度的流加液減少了對發(fā)酵液的稀釋，發(fā)酵液中產物濃度高，還提高了發(fā)酵罐的罐容利用率；以膜過濾的方式對流加液除菌，不僅節(jié)約了蒸汽滅菌的能耗，而且特別適合熱敏性物料的流加；降低發(fā)酵制品的生產成本。


圖1是發(fā)酵罐精確計量流加裝置的示意圖。圖2為電子監(jiān)控系統示意圖。
具體實施例方式實施例1 發(fā)酵罐的精確計量流加裝置。發(fā)酵罐1通過管路依次連接流加管閥門8、過濾器后閥門7、膜過濾器2、計量泵出液閥門5、計量泵3、計量泵進液閥門11和流加罐4 ；排汽閥門6以管路連接在計量泵出液閥門5的發(fā)酵罐1 一側，排汽閥門10通過管路連接在流加管閥門8的發(fā)酵罐1 一側；蒸汽閥門9的一頭通過管路連接在流加管閥門8的過濾器后閥門 7 一側，蒸汽閥門9的另一頭連接蒸汽管路S。電子監(jiān)控系統由過程參數傳感器、指令輸入系統、電控設備、流加補料速率控制器、顯示模塊、記錄儀和監(jiān)控系統通過通訊網絡的信號線連接。指令輸入系統向電控設備輸入指令，過程參數傳感器通過通訊網絡向電控設備輸入過程參數信號，電控設備根據監(jiān)控系統的計算結果，通過通訊網絡向流加補料速率控制器和計量泵下達指令啟動計量泵，控制流加補料的時間、速率和補料量，同時與電控設備連接的顯示模塊和記錄儀，記錄并顯示流加補料的時間、速率和補料量。實施例2 50m3罐檸檬酸發(fā)酵的無反饋流加補糖和反饋流加消泡兩套精確計量流加補料裝置，一套流加裝置流加葡萄糖漿，為葡萄糖漿流加裝置； 另一套流加消泡劑，為消泡劑流加裝置。葡萄糖漿流加裝置的膜過濾器2的膜孔徑0. 2 μ m，將固形物含量76%的葡萄糖漿儲存在流加罐中，計量泵進液閥門11保持開啟狀態(tài)。在發(fā)酵罐實消時，關閉計量泵出液閥門5和流加管閥門8，打開排汽閥門10，對流加管閥門8至發(fā)酵罐1之間的管路滅菌。打開過濾器后閥門7、排汽閥門6和蒸汽閥門9，從蒸汽管S通入蒸汽，對膜過濾器2及其至流加管閥門8之間的管路滅菌。滅菌結束，關閉蒸汽閥門9、排汽閥門6和排汽閥門10。流加罐 4、計量泵3和流加罐中的葡萄糖漿均不需滅菌。待發(fā)酵液溫度降到36°C時，向發(fā)酵罐中接入菌種，按照常規(guī)工藝進行檸檬酸發(fā)酵，發(fā)酵罐的裝液量、攪拌轉速、通風量和溫度控制均不變，發(fā)酵罐的罐壓0. IMPa0當發(fā)酵液中的總糖含量降低到5%以下時，發(fā)酵液的泡沫減少，打開計量泵出液閥門5和流加管閥門8，按照電子監(jiān)控系統設定的程序，啟動計量泵3， 計量泵3的平均排出壓力0. 25MPa，流加罐4中的葡萄糖漿經計量泵3的計量、加壓，經膜過濾器2濾除葡萄糖漿中的菌，流入發(fā)酵罐1內，實施流加補糖。葡萄糖漿的流加速度為每小時每立方米發(fā)酵液流加2. 6L，連續(xù)流加5小時。電子監(jiān)控系統記錄并顯示流加葡萄糖漿的時間、流量和流速。發(fā)酵結束時，發(fā)酵液中檸檬酸含量增加1. 1個百分點。消泡劑流加裝置。膜過濾器2的膜孔徑0. 1 μ m，將液體泡敵儲存在流加罐中，計量泵進液閥門11保持開啟狀態(tài)。在發(fā)酵罐實消時，關閉計量泵出液閥門5和流加管閥門8， 打開排汽閥門10，對流加管閥門8至發(fā)酵罐1之間的管路滅菌。打開過濾器后閥門7、排汽閥門6和蒸汽閥門9，從蒸汽管S通入蒸汽，對膜過濾器2及其至流加管閥門8之間的管路滅菌。滅菌結束，關閉蒸汽閥門9、排汽閥門6和排汽閥門10。流加罐4、計量泵3和流加罐中的泡敵均不需滅菌。當發(fā)酵過程中發(fā)酵液的泡沫達到預定高度時，發(fā)酵罐的泡沫傳感器啟動，泡沫高度信號通過通訊網絡反饋給電控設備，電控設備按照指令輸入系統預先輸入的指令和監(jiān)控系統的分析，通過通訊網絡和流加補料速率控制器，啟動計量泵，按照50ml/s 的流加速率向發(fā)酵罐1中流加消泡劑，流加量為200ml。 以上實施例是說明性的，發(fā)明內容提出的所有技術方案本發(fā)明都可以實現，凡采用等同替換或等效變形形成的技術方案均在本發(fā)明要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種精確計量流加補料裝置，包括發(fā)酵罐、膜過濾器、計量泵、流加罐、閥門和電子監(jiān)控系統組成，其特征是從發(fā)酵罐(1)通過管路依次連接流加管閥門(8)、過濾器后閥門(7)、 膜過濾器O)、計量泵出液閥門(5)、計量泵(3)、計量泵進液閥門(11)和流加罐；排汽閥門(6)以管路連接在計量泵出液閥門( 的發(fā)酵罐(1) 一側，排汽閥門(10)通過管路連接在流加管閥門(8)的發(fā)酵罐(1) 一側；蒸汽閥門(9)的一頭通過管路連接在流加管閥門 (8)的過濾器后閥門(7) —側，蒸汽閥門(9)的另一頭連接蒸汽管路S。
2.如權利要求1所述的精確計量流加補料裝置，其特征是所述的電子監(jiān)控系統包括過程參數傳感器、通訊網絡、指令輸入系統、電控設備、流加補料速率控制器、顯示模塊、記錄儀和監(jiān)控系統；對于無反饋流加補料，電子監(jiān)控系統根據指令輸入系統設定的參數，由電控設備通過通訊網絡對流加補料速率控制器下達指令，按照指令啟動計量泵，控制并記錄、 顯示流加補料的時間、速率和補料量；對于反饋流加補料，過程參數傳感器將采集到的發(fā)酵過程參數通過通訊網絡上傳給電控設備，電控設備根據指令設定的運算程序，決定流加補料的時間、速率和補料量，再通過通訊網絡對流加補料速率控制器下達指令，按照指令啟動計量泵，控制并記錄、顯示流加補料的時間、速率和補料量。
3.如權利要求1的計量流加補料的流加方法，其特征是步驟如下1)滅菌發(fā)酵罐1的實消和膜過濾器2的滅菌分別進行；發(fā)酵罐(1)實消時，關閉流加管閥門 (8)，打開排氣閥門(10)，發(fā)酵罐內的高壓蒸汽從排氣閥門排出，對發(fā)酵罐至流加管閥門之間的管路滅菌，滅菌結束關閉排氣閥門；膜過濾器( 的滅菌，關閉計量泵出液閥門(5)，打開過濾器后閥門(7)、排汽閥門(6)和蒸汽閥門(9)，通過蒸汽閥門和蒸汽管S，向膜過濾器及其至流加管閥門之間的管路通入蒸汽，進行滅菌，高壓蒸汽從排氣閥門排出，滅菌結束關閉排汽閥門和蒸汽閥門；2)流加將流加料液儲存在流加罐中，計量泵進液閥門(11)保持開啟狀態(tài)；在發(fā)酵過程中需要流加液體物料時，打開計量泵出液閥門(5)、過濾器后閥門(7)和流加管閥門(8)，按照電子監(jiān)控系統設定的程序，啟動計量泵(3)；計量泵的排出壓力高于發(fā)酵罐內的壓力0.001 l.OMPa，流加罐(4)中的流加液經計量泵的精確計量、加壓，經膜過濾器( 過濾除菌，流入發(fā)酵罐(1)內，實施計量流加補料；通過電子監(jiān)控系統，可以記錄和顯示流加補料的時間、 流加速率和流加補料量。
4.如權利要求3所述的流加方法，其特征是發(fā)酵罐實消的同時對膜過濾器及流加管路滅菌；關閉計量泵出液閥門，打開排汽閥門、排氣閥門、過濾器后閥門和蒸汽閥門，蒸汽閥門和蒸汽管S向發(fā)酵罐和膜過濾器通入蒸汽滅菌，排汽閥門和排氣閥門排出部分蒸汽，滅菌結束關閉蒸汽閥門、排汽閥門和排汽閥門。
5.如權利要求3所述的流加方法，其特征是在一臺發(fā)酵罐上，有一套或多套精確計量流加補料裝置。
6.如權利要求3所述的流加方法，其特征是所述的膜過濾器中的膜為超濾膜或微濾膜，過濾膜的孔徑從3000道爾頓分子量至0. 45 μ m。
7.如權利要求3所述的流加方法，其特征是所述的計量泵是電磁驅動式計量泵、機械驅動式隔膜計量泵、液壓驅動式隔膜計量泵、柱塞式計量泵、波紋管式計量泵或精密齒輪泵。
8.如權利要求3所述的流加方法，其特征是所述的電控設備是計算機、工控機、單片機、嵌入系統、PLC或PC104。
9.如權利要求3所述的方法，其特征是所述的流加罐中流加液的含水量，低于其中微生物生長繁殖所需的水分活度。
10.如權利要求3所述的方法，其特征是所述的流加液，是酸液、堿液、中和劑溶液、液體消泡劑、碳源溶液、氮源溶液、液體酶制劑、前體溶液和誘導物溶液或液體誘導物液體物料。
全文摘要
本發(fā)明涉及發(fā)酵罐精確計量流加裝置及高濃度溶液的流加方法，流加裝置包括發(fā)酵罐、膜過濾器、計量泵、流加罐、閥門和電子監(jiān)控系統組成，從發(fā)酵罐通過管路依次連接流加管閥門、過濾器后閥門、膜過濾器、計量泵出液閥門、計量泵、計量泵進液閥門和流加罐；排汽閥門以管路連接在計量泵出液閥門的發(fā)酵罐一側，蒸汽閥門的一頭通過管路連接在流加管閥門的過濾器后閥門一側，蒸汽閥門的另一頭連接蒸汽管路S；另一個排汽閥門通過管路連接在流加管閥門的發(fā)酵罐一側。流加的物料為低水分活度的高濃度溶液，無需蒸汽滅菌，以膜過濾的方法濾除流加液中的菌。根據發(fā)酵過程中的發(fā)酵時間、pH、泡沫高度、發(fā)酵的呼吸商等指示性指標，通過電子監(jiān)控系統，進行精確計量流加補料。補料量的控制精度達到1％以內，適合實驗和生產的不同規(guī)模的發(fā)酵罐。
文檔編號C12M1/36GK102533540SQ20111045073
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權日2011年12月29日
發(fā)明者張笑然, 田一梅 申請人:天津工業(yè)生物技術研究所