本發(fā)明涉及一種用于大規(guī)模連續(xù)發(fā)酵的發(fā)酵與分離耦合系統(tǒng)，屬于發(fā)酵與分離工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐是一種典型的生物反應(yīng)器，也是目前常用的發(fā)酵裝置。在傳統(tǒng)的分批培養(yǎng)過程中，菌體生長到一定程度就會停止繁殖，并且由于菌體代謝的不斷進(jìn)行，菌體所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物會對細(xì)胞的生長產(chǎn)生抑制作用。針對這一弊端，可以采用連續(xù)發(fā)酵和分離耦合技術(shù)予以解決。即在一套設(shè)備中同時完成發(fā)酵和分離過程。目前，雖然報(bào)道有一些連續(xù)發(fā)酵和分離耦合裝置，但這些裝置往往是小試或中試等實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，在大規(guī)模實(shí)際連續(xù)生產(chǎn)中存在較大問題。例如，由于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模較小，在分離過濾過程中經(jīng)常采用死端過濾的方式進(jìn)行分離，而實(shí)際生產(chǎn)規(guī)模很大，主要采用錯流過濾的方式進(jìn)行分離。然而，錯流過濾過程中主要通過剪切力帶走菌體細(xì)胞，但剪切力過大會導(dǎo)致細(xì)胞死亡，細(xì)胞存活率降低，影響發(fā)酵過程；而剪切力過小又會導(dǎo)致過濾效果差，影響產(chǎn)物分離。此外，在大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)過程中，需要始終通氣，導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備中的供料泵等動力裝置氣蝕嚴(yán)重，維修頻繁且成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中連續(xù)發(fā)酵和分離耦合裝置不適用于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，發(fā)酵菌體存活率偏低，以及輸送裝置等部件氣蝕嚴(yán)重，維護(hù)成本高的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于大規(guī)模連續(xù)發(fā)酵的發(fā)酵與分離耦合系統(tǒng)，所采取的技術(shù)方案如下：

一種用于大規(guī)模連續(xù)發(fā)酵的發(fā)酵與分離耦合系統(tǒng)，包括發(fā)酵罐1，分離裝置2，供料泵4，氨水罐7，補(bǔ)料罐8，連接上述裝置的管道及控制開關(guān)的閥，此外，還包括通過管道連接的吸附裝置3，活化罐5，初培罐6，導(dǎo)納裝置18，安全過濾器19，氣水分離器20以及物料循環(huán)泵；

所述發(fā)酵罐1、供料泵4、安全過濾器19、氣水分離器20依次通過管道連接；

所述氣水分離器20通過物料循環(huán)泵i21與分離裝置2連接；

所述分離裝置2通過菌體回收管道與發(fā)酵罐1連通，通過產(chǎn)物回收管道與吸附裝置3連通；

所述吸附裝置3通過泵和管道與發(fā)酵罐1連通；

所述初培罐6、氨水罐7和補(bǔ)料罐8通過管道與發(fā)酵罐1連通；

所述活化罐5通過管道與初培罐6連通；

所述導(dǎo)納裝置18連接在通過管道與過濾裝置2的上部連通；

所述氣水分離器20設(shè)有液位計(jì)和與液位計(jì)聯(lián)鎖控制的閥viii17；

所述過濾裝置2內(nèi)設(shè)有與物料循環(huán)泵的控制器聯(lián)鎖的流速計(jì)202和粘度計(jì)203。

優(yōu)選地，所述分離裝置2為過濾裝置。

更優(yōu)選地，所述過濾裝置中的過濾膜是孔徑小于0.2μm的微濾膜或分子截留量在5000～50000da的超濾膜。

更優(yōu)選地，所述過濾膜為無機(jī)陶瓷膜或有機(jī)膜；所述無極陶瓷膜的材質(zhì)為氧化鋁、氧化鋯或氧化鈦；所述有機(jī)膜的材質(zhì)為聚偏氟乙烯、聚碳酸酯或聚氯乙烯。

優(yōu)選地，與所述活化罐5、初培罐6、氨水罐7、補(bǔ)料罐8、發(fā)酵罐1和吸附裝置3出口連接的管道上均設(shè)有控制閥。

更優(yōu)選地，所述控制閥為啟動隔膜閥。

優(yōu)選地，所述導(dǎo)納裝置18為過濾系統(tǒng)上的自動延時排氣裝置。

優(yōu)選地，在分離裝置2的菌體回收管道上設(shè)有流量計(jì)10。

優(yōu)選地，供料泵4為立式離心泵；所述物料循環(huán)泵為臥式離心泵。

優(yōu)選地，所述吸附裝置3為納濾裝置、萃取裝置或樹脂吸附裝置。納濾裝置所述膜元件可以是截留分子量100-1000可選；萃取裝置所述有機(jī)溶劑根據(jù)產(chǎn)物的物理性質(zhì)確定，可以是乙酸丁酯、乙酸乙酯、石油醚或甲苯等；樹脂吸附裝置中所述樹脂類型與產(chǎn)物的性質(zhì)相關(guān)，可以是弱堿性陰離子樹脂，強(qiáng)堿性陰離子樹脂等。

優(yōu)選地，所述吸附裝置3為萃取裝置，吸附裝置3通過管道與用于盛裝有機(jī)溶劑的流加罐9連通。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明獲得的有益效果是：

本發(fā)明采用氣水分離裝置和導(dǎo)納裝置，能夠大幅降低在輸送過濾過程中管道內(nèi)部的氣體含量，一方面增加發(fā)酵液在輸送過濾過程中的運(yùn)行穩(wěn)定性；另一方面，也能夠大幅減低輸送過程中氣蝕作用對設(shè)備的損壞，延長設(shè)備使用周期，降低維護(hù)和生產(chǎn)成本。

本發(fā)明通過在管道和過濾裝置內(nèi)設(shè)置粘度檢測裝置、發(fā)酵液輸送流速計(jì)，并將粘度檢測裝置和流速計(jì)與輸送泵等動力裝置進(jìn)行聯(lián)鎖控制，對流體內(nèi)的流速和粘度進(jìn)行精確控制，實(shí)時監(jiān)測和控制輸送和過濾過程中的剪切力。該機(jī)構(gòu)設(shè)置能夠很好地完成剪切力的反饋協(xié)調(diào)控制，既保證了足夠剪切力維持錯流過濾效果，又能保證發(fā)酵菌體較高的存活率，避免菌體死亡對發(fā)酵過程的影響。

同時，本發(fā)明在發(fā)酵罐前設(shè)置了發(fā)酵劑活化培養(yǎng)罐和菌種前期培養(yǎng)罐，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)酵菌種中的直接利用，大大提升了生產(chǎn)效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種優(yōu)選方案中發(fā)酵與分離耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一種優(yōu)選方案中剪切力控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1，發(fā)酵罐；2，分離裝置；3，吸附裝置；4，供料泵；5，活化罐；6，初培罐；7，氨水罐；8，補(bǔ)料罐；9，流加罐；10，流量計(jì)；11，閥i；12，閥ii；13，閥iv；14，閥v；15，閥vi；16，閥vii；17，閥viii；18，導(dǎo)納裝置；19，安全過濾器；20，氣水分離器；21，物料循環(huán)泵i；22，物料循環(huán)泵ii；23，物料循環(huán)泵iii；31，產(chǎn)物收集口；201，過濾膜；202，流速計(jì)；203，粘度計(jì)；2101，循環(huán)泵控制器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不受實(shí)施例的限制。

其中，圖1為本發(fā)明一種優(yōu)選方案中發(fā)酵與分離耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1中可知，該發(fā)酵與分離耦合系統(tǒng)是由主發(fā)酵罐1，分離裝置2，吸附裝置3，供料泵4，活化罐5，初培罐6，氨水罐7，補(bǔ)料罐8，流加罐9，流量計(jì)10，導(dǎo)納裝置18，安全過濾器19，氣水分離器20，物料循環(huán)泵以及連接管道和控制閥組成。

發(fā)酵罐1，活化罐5和初培罐6為機(jī)械式攪拌發(fā)酵罐，罐內(nèi)設(shè)有與電機(jī)連接的攪拌槳，以便于對發(fā)酵液進(jìn)行攪拌?；罨?的出口設(shè)有閥i11，并通過管道與初培罐6連接，為提高輸送效率，還可設(shè)置與管道連接的泵。初培罐6的出口設(shè)有閥ii12，并通過管道與發(fā)酵罐1連通，同樣，為提高輸送效率也可在管道上設(shè)置泵?；罨?和初培罐6類似地，氨水罐7和補(bǔ)料罐8分別通過閥vi15和閥vii16及管道與發(fā)酵罐1連通。發(fā)酵罐1的底部出口通過管道與供料泵4連接。供料泵4為立式離心泵。供料泵4的另一端通過管道與安全過濾器19連接。安全過濾器19通過管道與氣水分離器20連接。氣水分離器20通過管道與物料循環(huán)泵i21連接。

物料循環(huán)泵i21設(shè)有兩個出口分別于兩個分離裝置2連接。分離裝置2為是由氧化鋯陶瓷過濾膜的過濾裝置。兩個分離裝置通過菌體回收管道與流量計(jì)10連接。流量計(jì)10的另一端通過管道和控制閥與發(fā)酵罐1連通，以便于將沒有過濾除去的發(fā)酵菌體進(jìn)行回收。與分離裝置2頂部連通的管道上設(shè)有一個導(dǎo)納裝置18，該導(dǎo)納裝置18為過濾系統(tǒng)上的自動延時排氣裝置。具體來說，導(dǎo)納裝置18包括一個圓柱體溶液存儲裝置，在存儲裝置上安裝有射頻導(dǎo)納物位開關(guān)，以及與物位開關(guān)聯(lián)鎖控制的閥門。當(dāng)存儲裝置內(nèi)的液位低于預(yù)設(shè)值時(即循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)氣體累積到預(yù)設(shè)值時)，射頻導(dǎo)納物位開關(guān)自動開啟，釋放氣體，當(dāng)液位上升到液位值時，開關(guān)自動關(guān)閉。由此，循環(huán)體系中初始的氣體可通過氣水分離器20排除，過濾中存留的氣體可通過導(dǎo)納裝置18排出。分離裝置2的產(chǎn)物回收管道與物料循環(huán)泵ii22連接，經(jīng)過過濾獲得的清液通過物料循環(huán)泵ii22泵入到吸附裝置3內(nèi)。吸附裝置3內(nèi)設(shè)有分子截留量為100～1000da的納濾膜，具體參數(shù)根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的分子量而定。當(dāng)吸附裝置3為萃取裝置時，還可在吸附裝置3通過管道連接一個用于盛裝萃取劑等有機(jī)溶劑的流加罐9，以便于對實(shí)時補(bǔ)充萃取劑。為便于回收發(fā)酵產(chǎn)物，在吸附裝置3上設(shè)有產(chǎn)物收集口31。吸附裝置3的底部通過管道連接有閥v14，閥v14通過管道與物料循環(huán)泵iii23連接。物料循環(huán)泵iii23通過管道將經(jīng)過過濾并回收的營養(yǎng)物質(zhì)打回到發(fā)酵罐1內(nèi)。其中，所用的供料泵4可采用立式離心機(jī)，而物料循環(huán)泵則優(yōu)選臥式離心泵，例如格蘭富或fenqi牌的低剪切泵。其中，所有的閥均優(yōu)選使用隔膜閥。

圖2為本發(fā)明一種優(yōu)選方案中剪切力控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖2中可知，該發(fā)酵與分離耦合系統(tǒng)內(nèi)的剪切力控制裝置是通過物料循環(huán)泵(即物料循環(huán)泵i21)和管道與分離裝置2連通，分離裝置2內(nèi)設(shè)有過濾膜21，用來對發(fā)酵液進(jìn)行過濾。分離裝置2的上部有粘度計(jì)203和流速計(jì)202以便于對分離裝置內(nèi)的發(fā)酵液的粘度和流速進(jìn)行測定，并可將測定的參數(shù)反饋給與其連接的循環(huán)泵控制器2101，以便于循環(huán)泵控制器2101根據(jù)獲得的粘度和流速參數(shù)信息調(diào)整物料循環(huán)泵的輸出功率，調(diào)節(jié)發(fā)酵液的流速等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對過濾裝置2內(nèi)剪切力的控制。相應(yīng)地，同樣的信息反饋和調(diào)節(jié)設(shè)置方式還可設(shè)在其他容易產(chǎn)生氣蝕的部位。

本發(fā)明的發(fā)酵與分離耦合系統(tǒng)的使用過程如下：

1)發(fā)酵種子液培養(yǎng)：將搖瓶培養(yǎng)至對數(shù)期的菌液接種至活化罐5培養(yǎng)，培養(yǎng)一段時間，待菌體達(dá)到對數(shù)期，用隔膜閥i11轉(zhuǎn)至初培罐6，培養(yǎng)一段時間，菌體達(dá)對數(shù)生長期。

2)發(fā)酵罐前期培養(yǎng)：將初培罐6的菌液通過隔膜閥ii12轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐1培養(yǎng)，控制合適發(fā)酵參數(shù)，培養(yǎng)一定周期，達(dá)到對數(shù)生長期。

3)發(fā)酵罐誘導(dǎo)階段：待發(fā)酵罐1中菌液od生長至對數(shù)期，降低溫度，控制一定轉(zhuǎn)速及風(fēng)量，添加iptg或乳糖類似誘導(dǎo)物使其在發(fā)酵罐中含量0.1-0.5mm。

4)發(fā)酵罐分離與耦合發(fā)酵階段：待發(fā)酵罐1誘導(dǎo)培養(yǎng)一段時間，產(chǎn)物含量達(dá)到抑制濃度，開啟過濾裝置2并打開供料泵4(若膜組件采用陶瓷膜，使用前采用1％堿液進(jìn)行浸泡6h進(jìn)行消毒，后用無菌水洗滌至中性封閉備用)，發(fā)酵液通過保安過濾器19與過濾后，然后經(jīng)過氣水分離器20，通過高低液位傳感器的感應(yīng)控制閥viii17的開關(guān)，保證進(jìn)料系統(tǒng)無氣泡，物料通過供料泵4的推動力輸送至膜組件中，通過自控設(shè)置導(dǎo)納裝置18，開啟時間100s左右，排除循環(huán)系統(tǒng)的氣泡，然后開啟物料循環(huán)泵i21，進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵。通過調(diào)節(jié)供料泵4和物料循環(huán)泵i21的功率調(diào)節(jié)清液流量，控制一定稀釋率，保證發(fā)酵罐1內(nèi)發(fā)酵液體積恒定，同時利用補(bǔ)料罐8通過隔膜閥vii16補(bǔ)充新鮮的培養(yǎng)基，通過氨水罐7及隔膜閥vi15控制發(fā)酵罐1的ph。待清液通過后續(xù)的吸附裝置3，將產(chǎn)物濃縮后，將含有營養(yǎng)物質(zhì)的清液通過泵18及隔膜閥v14輸送回發(fā)酵罐1進(jìn)行培養(yǎng)。

當(dāng)發(fā)酵罐1中的產(chǎn)物含量不再增加時，發(fā)酵結(jié)束。

雖然本發(fā)明已以較佳的實(shí)施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做各種改動和修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。