一种单细胞微生物发酵系统及其方法技术方案

一种单细胞微生物发酵系统及其发酵方法，本发明专利技术属于生物发酵设备及方法，解决现有装置发酵过程中pH值不易控制的问题，并解决现有发酵方法每轮发酵种子扩培次数过多、导致花费时间过长及成本过高的问题。本发明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。本发明专利技术的发酵方法，包括预装、种子扩培、种子暂存、发酵、第N级种复培和循环步骤。采用本发明专利技术，缩短了种子扩培时间，降低了染菌风险，较大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】

本专利技术属于生物发酵设备及方法，具体涉及一种单细胞微生物发酵系统及其发酵方法。
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
本专利技术提供一种单细胞微生物发酵系统，同时提供其发酵方法，解决现有装置发酵过程中pH值不易控制的问题，并解决现有发酵方法每轮发酵种子扩培次数过多、导致花费时间过长及成本过高的问题；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。本专利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，所述罐体具有温度调节结构，用于调节罐体的温度；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：所述罐体的温度调节结构为沿罐体的内壁均匀分布有温控列管或者罐体的侧壁具有环绕的空心夹层，温控列管和空心夹层用于通入热介质或冷介质，对罐体升温或降温；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。所述单细胞微生物发酵系统的发酵方法，其特征在于,包括下述步骤：A.预装步骤：系统启动前，在发酵罐装置、各级种子罐装置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；在第一级种子罐装置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的培养罐罐体内；待第一级种子罐装置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的培养罐罐体内并培养；待第二级种子罐装置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)和多个中和剂分布器(118)，所述罐体(111)具有温度调节结构，用于调节罐体(111)的温度；所述多个搅拌器(117)在罐体(110)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)和多个中和剂分布器(118)，所述罐体(111)具有温度调节结构，
用于调节罐体(111)的温度；所述多个搅拌器(117)在罐体(110)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

\t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。
2.如权利要求1所述的单细胞微生物发酵系统，其特征在于：
所述罐体(111)的温度调节结构为沿罐体的内壁均匀分布有温控列管或
者罐体的侧壁具有环绕的空心夹层，温控列管和空心夹层用于通入热介质或
冷介质，对罐体升温或降温；
构成所述中和剂分布器的闭合圆圈直径为相应罐体(110)直径的1/4～
3/4，不锈钢管的内径为0.5cm～30cm。
3.如权利要求1或2所述的单细胞微生物发酵系统，其特征在于：
所述发...

【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：发明
国别省市：湖北;42