專利名稱：一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)酵工程與分離工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反 應(yīng)器。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，建立在分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、生物化學(xué)、微生 物學(xué)、細(xì)胞學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等基礎(chǔ)上的現(xiàn)代生物技術(shù)——生物化學(xué)工程成為20世紀(jì)后半 期國際上發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域之一，它為人類健康、農(nóng)牧業(yè)、食品工業(yè)、環(huán)境保護(hù)以及精細(xì) 化工等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了前所未有的動(dòng)力。生物反應(yīng)器是利用生物催化劑為細(xì)胞培養(yǎng)(或發(fā)酵)或酶反應(yīng)提供良好的反應(yīng)環(huán) 境的設(shè)備，因而成為生物化工的核心。生物反應(yīng)器有很多種，最常見的生物反應(yīng)器就是機(jī)械 攪拌式發(fā)酵罐(最傳統(tǒng)的微生物反應(yīng)器)，其它還有諸如中空纖維反應(yīng)器、陶質(zhì)矩形通道蜂 窩狀反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、固化床反應(yīng)器等。雖然生物反應(yīng)器種類很多，但 其在現(xiàn)階段基本上只完成生物反應(yīng)的過程，仍屬于上游過程的一個(gè)環(huán)節(jié)，而對于生產(chǎn)的目 標(biāo)產(chǎn)物的提取分離則需要另外轉(zhuǎn)移到下游處理過程進(jìn)行。目前，反應(yīng)和分離兩個(gè)過程是相 互獨(dú)立的，需要分別配備相應(yīng)的設(shè)備，工廠需要建設(shè)發(fā)酵車間和提取車間，實(shí)驗(yàn)室要分別設(shè) 立發(fā)酵實(shí)驗(yàn)室和分離提取實(shí)驗(yàn)室，無論是投資還是能耗都是很可觀的。反應(yīng)-分離耦合過程是指在一套設(shè)備中同時(shí)完成反應(yīng)和分離兩個(gè)過程，廣義上也 可理解為將一系列分離器與反應(yīng)器集成于一個(gè)系統(tǒng)中操作。反應(yīng)-分離耦合技術(shù)因其可提 高產(chǎn)品收率、降低設(shè)備投資和能耗引起人們越來越多的重視，應(yīng)用范圍逐步推廣擴(kuò)大。另 外，在生化反應(yīng)中常有產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，使產(chǎn)率偏低。例如乳酸、丙酮、抗生素等發(fā)酵過程中具 有產(chǎn)物抑制，利用萃取發(fā)酵生產(chǎn)工藝，可以有效的減輕產(chǎn)物抑制，提高基質(zhì)濃度，明顯提高 反應(yīng)器生產(chǎn)能力，降低生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用反應(yīng)_分離耦合技術(shù)的優(yōu)勢，提供一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合 生物反應(yīng)器，可以在一套裝置中實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵與產(chǎn)物在線分離、濃縮的全過程。應(yīng)用該生物 反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)對特定發(fā)酵工藝或特定目標(biāo)產(chǎn)物在上、下游過程中的緊密連接。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明包括發(fā)酵培養(yǎng)裝置、第一進(jìn)料泵15、第一膜組件16、成品儲(chǔ)存罐19、第二進(jìn) 料泵20、第二膜組件21。發(fā)酵培養(yǎng)裝置通過第一進(jìn)料泵15與第一膜組件16相連，第一膜 組件16再分別與成品儲(chǔ)存罐19和發(fā)酵培養(yǎng)裝置的回液口 12連接，第二進(jìn)料泵20連接成 品儲(chǔ)存罐19和第二膜組件21，第二膜組件21又分別與發(fā)酵培養(yǎng)裝置的回液口 12和成品儲(chǔ) 存罐19連接。發(fā)酵培養(yǎng)裝置主要由反應(yīng)器8、料液量檢測裝置、pH檢測控制裝置、補(bǔ)料裝置構(gòu) 成。其中，料液量檢測裝置是用來檢測反應(yīng)器8內(nèi)物料量的，它可以是液位檢測裝置，也可以是稱重裝置，二者可以根據(jù)實(shí)際需要加以靈活應(yīng)用。另外，根據(jù)不同的需求，發(fā)酵培養(yǎng)裝 置還可配備固定化培養(yǎng)單元、攪拌裝置、溫度控制裝置、泡沫檢測控制裝置、溶解氧檢測控 制裝置、主控制器與人機(jī)交互界面和計(jì)算機(jī)等，但是這些裝置的配備與否并不對本發(fā)明做 出限制。液位檢測裝置包括液位傳感器11和液位檢測儀6，液位傳感器11接在反應(yīng)器8 上。稱重裝置包括稱重傳感器22和稱重儀表23，稱重傳感器22接在反應(yīng)器8上。補(bǔ)料裝 置由補(bǔ)料瓶2、空氣過濾器3-2，恒流泵4-2及連接管路構(gòu)成；當(dāng)反應(yīng)器8內(nèi)物料總量減少， 通過恒流泵4-2向反應(yīng)器8內(nèi)補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基。pH檢測控制裝置包括pH電極9、pH檢測 儀表5、恒流泵4-1、酸/堿液瓶1、空氣過濾器3-1及相互連接管路，當(dāng)反應(yīng)器8內(nèi)pH偏離 設(shè)定值時(shí)通過恒流泵4-1向反應(yīng)器8內(nèi)補(bǔ)加酸液或堿液自動(dòng)調(diào)節(jié)pH。當(dāng)反應(yīng)器8中的產(chǎn)物累積到一定濃度時(shí)，通過第一進(jìn)料泵15將反應(yīng)器8中的發(fā)酵 液泵入相連的第一膜組件16，第一膜組件16所選用的膜元件的孔徑(截留分子量)可根據(jù) 發(fā)酵液的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，含小分子組分(包含目標(biāo)產(chǎn)物)的料液透過膜元件進(jìn)入成品 儲(chǔ)存罐19，含大分子組分(包括菌體)的料液被膜元件截留，通過連接管路自回液口 12返 回反應(yīng)器8內(nèi)，補(bǔ)料裝置根據(jù)料液量檢測裝置反饋的信號自動(dòng)向反應(yīng)器8內(nèi)補(bǔ)加一定量的 新鮮培養(yǎng)基，菌體在反應(yīng)器8內(nèi)繼續(xù)發(fā)酵。 成品儲(chǔ)存罐19內(nèi)的料液通過第二進(jìn)料泵20泵入第二膜組件21，第二膜組件21采 用的是孔徑更加微小的膜元件?？梢愿鶕?jù)壓力表13的讀數(shù)調(diào)節(jié)閥門14-5的開度以控制第 二膜組件21的壓力，這時(shí)小分子溶質(zhì)透過膜元件，經(jīng)連接管路自回液口 12重新進(jìn)入反應(yīng)器 8內(nèi)，大分子溶質(zhì)(主要是目標(biāo)產(chǎn)物)被截留返回成品儲(chǔ)存罐19內(nèi)。隨著這一過程的進(jìn)行， 小分子溶質(zhì)被送回反應(yīng)器8內(nèi)得以重新利用，成品儲(chǔ)存罐19內(nèi)的目標(biāo)產(chǎn)物被循環(huán)濃縮。上述第一膜組件16采用的膜元件是超濾膜，截留分子量5000-50000D可選。所述 的膜元件可以是無機(jī)陶瓷膜，材質(zhì)為氧化鋁、氧化鋯或氧化鈦；所述的膜元件也可以是有機(jī) 膜，材質(zhì)為聚偏氟乙烯(PVDF)、聚碳酸酯(PC)或聚氯乙烯(PVC)。上述第一進(jìn)料泵15為恒流泵，連接管路為具有一定彈性并且可高溫消毒的軟管。上述第二膜組件21采用的膜元件是納濾膜。上述第二進(jìn)料泵20為高壓旋轉(zhuǎn)葉片泵。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用了原位分離技術(shù)(ISPR)，發(fā)酵產(chǎn)物在發(fā)酵過程 中可以在線分離、濃縮，降低反應(yīng)器內(nèi)累積的發(fā)酵產(chǎn)物的濃度，可打破發(fā)酵過程中的反饋抑 制作用。本發(fā)明大大降低發(fā)酵產(chǎn)物的分離能耗，提高了設(shè)備使用率，簡化了工藝，降低生產(chǎn) 成本。使用該裝置可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、高密度發(fā)酵，提高了生產(chǎn)效率。該裝置操作簡單，管理方便， 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，具有很好的發(fā)展前景。


附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.酸/堿液瓶，2.補(bǔ)料瓶，3-1、3-2、3-3.空氣過濾器，4_1、4_2.恒流泵，5. pH檢測 儀表，6.液位檢測儀，7.進(jìn)氣口，8.反應(yīng)器，9. pH電極，10.排氣口，11.液位傳感器，12.回 液口，13.壓力表，14-1 14-7.閥門，15.第一進(jìn)料泵，16.第一膜組件，17.供氣口，18.清洗口，19.成品儲(chǔ)存罐，20.第二進(jìn)料泵，21.第二膜組件，22.稱重傳感器，23.稱重儀表
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不對本發(fā)明做出限制。該裝置包括發(fā)酵培養(yǎng)裝置、第一進(jìn)料泵15、第一膜組件16、成品儲(chǔ)存罐19、第二進(jìn) 料泵20、第二膜組件21。發(fā)酵培養(yǎng)裝置通過第一進(jìn)料泵15和配套的連接管路與第一膜組 件16相連，第一膜組件16再分別與成品儲(chǔ)存罐19和發(fā)酵培養(yǎng)裝置的回液口 12通過管路 進(jìn)行連接，第二進(jìn)料泵20及相關(guān)連接管路連接成品儲(chǔ)存罐19和第二膜組件21，第二膜組件 21又分別與發(fā)酵培養(yǎng)裝置的回液口 12和成品儲(chǔ)存罐19通過管路連接。發(fā)酵培養(yǎng)裝置主要由反應(yīng)器8、料液量檢測裝置、pH檢測控制裝置、補(bǔ)料裝置構(gòu) 成。其中，料液量檢測裝置是用來檢測反應(yīng)器8內(nèi)物料量的，它可以是液位檢測裝置，也可 以是稱重裝置，二者可以根據(jù)實(shí)際需要加以靈活應(yīng)用。反應(yīng)器8上還通過管路設(shè)有排氣口 10和供氣口 7，供氣口 7還設(shè)有氣體過濾器3-3。另外，根據(jù)不同的需求，發(fā)酵培養(yǎng)裝置還 可配備固定化培養(yǎng)單元、攪拌裝置、溫度控制裝置、泡沫檢測控制裝置、溶解氧檢測控制裝 置、主控制器與人機(jī)交互界面以及計(jì)算機(jī)等，但是這些裝置的配備與否并不對本發(fā)明做出 限制。液位檢測裝置包括液位傳感器11和液位檢測儀6，液位傳感器11接在反應(yīng)器8 上。稱重裝置包括稱重傳感器22和稱重儀表23，稱重傳感器22接在反應(yīng)器8上。補(bǔ)料裝置 由補(bǔ)料瓶2、空氣過濾器3-2，恒流泵4-2及連接管路構(gòu)成，當(dāng)反應(yīng)器8內(nèi)物料的總量減少， 通過恒流泵4-2向反應(yīng)器8內(nèi)補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基達(dá)到原來的數(shù)量。pH檢測控制裝置包括pH 電極9、pH檢測儀表5、恒流泵4-1、酸/堿液瓶1、空氣過濾器3-1及相互連接管路，當(dāng)反應(yīng) 器8內(nèi)pH偏離設(shè)定值時(shí)通過恒流泵4-1向反應(yīng)器8內(nèi)補(bǔ)加酸液或堿液自動(dòng)調(diào)節(jié)pH。補(bǔ)酸 還是補(bǔ)堿是依據(jù)工藝來決定的，如果需要的話還可以同時(shí)配置酸、堿對PH進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)。 本發(fā)明的補(bǔ)料裝置和PH檢測控制裝置所采用的補(bǔ)料瓶2、酸/堿液瓶1、空氣過濾器3-1、空 氣過濾器3-2和連接管路可耐高溫高壓消毒，所述的連接管路為具有一定彈性的軟管。當(dāng)反應(yīng)器8中的產(chǎn)物累積到一定濃度時(shí)，通過第一進(jìn)料泵15將反應(yīng)器8中的發(fā)酵 液泵入相連的第一膜組件16，第一膜組件16所選用的膜元件的孔徑(截留分子量)可根據(jù) 發(fā)酵液的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，含小分子組分(包含目標(biāo)產(chǎn)物)的料液透過膜元件進(jìn)入成品 儲(chǔ)存罐19，含大分子組分(包括菌體)的料液被膜元件截留，通過連接管路自回液口 12返 回反應(yīng)器8內(nèi)，補(bǔ)料裝置根據(jù)液位檢測裝置或稱重裝置反饋的信號自動(dòng)向反應(yīng)器8內(nèi)補(bǔ)加 一定量的新鮮培養(yǎng)基，菌體在反應(yīng)器8內(nèi)繼續(xù)發(fā)酵。通過第二進(jìn)料泵20將成品儲(chǔ)存罐19內(nèi)的料液泵入第二膜組件21，第二膜組件21 采用的是孔徑更加微小的膜元件?？梢愿鶕?jù)壓力表13的讀數(shù)調(diào)節(jié)閥門14-5的開度以控制 第二膜組件21的壓力，這時(shí)小分子溶質(zhì)透過膜元件，經(jīng)連接管路自回液口 12重新進(jìn)入反應(yīng) 器8內(nèi)，大分子溶質(zhì)(主要是目標(biāo)產(chǎn)物)被截留返回成品儲(chǔ)存罐19內(nèi)。隨著這一過程的進(jìn) 行，小分子溶質(zhì)被送回反應(yīng)器8內(nèi)得以繼續(xù)利用，成品儲(chǔ)存罐19內(nèi)的目標(biāo)產(chǎn)物被循環(huán)濃縮。上述第一膜組件16采用的膜元件是超濾膜，截留分子量5000-50000D可選。所述 的膜元件可以是無機(jī)陶瓷膜，材質(zhì)為氧化鋁、氧化鋯或氧化鈦；所述的膜元件也可以是有機(jī) 膜，材質(zhì)為聚偏氟乙烯(PVDF)、聚碳酸酯(PC)或聚氯乙烯(PVC)。
上述第一膜組件16還設(shè)有清洗口 18和進(jìn)氣口 17，可以采用外壓式反沖洗對第一 膜組件16進(jìn)行清洗，從而提高膜的超濾速率、延長膜的使用壽命。上述第一進(jìn)料泵15為恒流泵，連接管路為具有一定彈性并且可高溫消毒的軟管， 如硅膠管、橡膠管等。上述第二膜組件21采用的膜元件是納濾膜。上述第二膜組件21可以在位清洗納濾膜，將合適的清洗劑倒入成品儲(chǔ)存罐19內(nèi)， 通過二進(jìn)料泵20將清洗劑泵入第二膜組件21進(jìn)行清洗作業(yè)。還可以上述第二膜組件21 的納濾膜卸下進(jìn)行清洗。上述第二進(jìn)料泵20為高壓旋轉(zhuǎn)葉片泵，其特點(diǎn)是壓力高、流量恒定。
權(quán)利要求
一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器，包括發(fā)酵培養(yǎng)裝置、第一進(jìn)料泵(15)、第一膜組件(16)、成品儲(chǔ)存罐(19)、第二進(jìn)料泵(20)、第二膜組件(21)，其特征在于所述的發(fā)酵培養(yǎng)裝置通過第一進(jìn)料泵(15)與第一膜組件(16)相連，第一膜組件(16)再分別與成品儲(chǔ)存罐(19)和發(fā)酵培養(yǎng)裝置的回液口(12)連接，第二進(jìn)料泵(20)連接成品儲(chǔ)存罐(19)和第二膜組件(21)，第二膜組件(21)又分別與發(fā)酵培養(yǎng)裝置的回液口(12)和成品儲(chǔ)存罐(19)連接；所述的發(fā)酵培養(yǎng)裝置主要由反應(yīng)器(8)、物料量檢測裝置、pH檢測控制裝置、補(bǔ)料裝置構(gòu)成；當(dāng)反應(yīng)器(8)中的發(fā)酵產(chǎn)物累積到一定濃度時(shí)，通過第一進(jìn)料泵(15)將反應(yīng)器(8)中的發(fā)酵液經(jīng)由連接管路泵入第一膜組件(16)，第一膜組件(16)所選用的膜元件的孔徑可根據(jù)發(fā)酵液的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，含小分子組分的料液透過膜元件進(jìn)入成品儲(chǔ)存罐(19)，含大分子組分的料液被膜元件截留，通過連接管路自回液口(12)返回反應(yīng)器(8)內(nèi)，補(bǔ)料裝置根據(jù)物料量檢測裝置反饋的信號自動(dòng)向反應(yīng)器(8)內(nèi)補(bǔ)加一定量的新鮮培養(yǎng)基，菌體在反應(yīng)器8內(nèi)繼續(xù)發(fā)酵；成品儲(chǔ)存罐(19)內(nèi)的料液通過第二進(jìn)料泵(20)經(jīng)由連接管路泵入第二膜組件(21)，第二膜組件(21)采用的是孔徑更加微小的膜元件；可以根據(jù)壓力表(13)的讀數(shù)調(diào)節(jié)閥門(14 5)的開度以控制第二膜組件(21)的壓力，這時(shí)小分子溶質(zhì)透過膜元件，經(jīng)連接管路自回液口(12)重新進(jìn)入反應(yīng)器(8)內(nèi)，大分子溶質(zhì)被截留返回成品儲(chǔ)存罐(19)內(nèi)；隨著這一過程的進(jìn)行，小分子溶質(zhì)被送回反應(yīng)器(8)內(nèi)得以重新利用，成品儲(chǔ)存罐(19)內(nèi)的目標(biāo)產(chǎn)物被循環(huán)濃縮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器，其特征在于所述的物 料量檢測裝置是液位檢測裝置，所述的液位檢測裝置包括液位傳感器(11)和液位檢測儀 (6)，液位傳感器(11)接在反應(yīng)器(8)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器，其特征在于所述的物 料量檢測裝置是稱重裝置，所述的稱重裝置包括稱重傳感器(22)和稱重儀表(23)，稱重傳 感器(22)接在反應(yīng)器(8)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器，其特征在于所述的pH 檢測控制裝置包括PH電極(9)、pH檢測儀表(5)、恒流泵(4-1)、酸/堿液瓶⑴、空氣過濾 器(3-1)及相互連接管路，當(dāng)反應(yīng)器(8)內(nèi)pH偏離設(shè)定值時(shí)通過恒流泵(4-1)向反應(yīng)器 (8)內(nèi)補(bǔ)加酸液或堿液自動(dòng)調(diào)節(jié)pH。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器，其特征在于所述的補(bǔ) 料裝置由補(bǔ)料瓶(2)、空氣過濾器(3-2)，恒流泵(4-2)及連接管路構(gòu)成，當(dāng)反應(yīng)器(8)內(nèi)物 料總量減少，通過恒流泵(4-2)向反應(yīng)器(8)內(nèi)補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器，其特征在于所述的第 一膜組件16采用的膜元件是超濾膜，截留分子量5000-50000D可選。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器，其特征在于所述的膜 元件是無機(jī)陶瓷膜和有機(jī)膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器，其特征在于所述的第 一進(jìn)料泵(15)為恒流泵，所述的連接管路為具有一定彈性并且可高溫消毒的軟管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器，其特征在于所述的第 二膜組件(21)采用的膜元件是納濾膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器，其特征在于所述的第二進(jìn)料泵(20)為高壓旋轉(zhuǎn)葉片泵
全文摘要
本發(fā)明公開了一種連續(xù)發(fā)酵和分離耦合生物反應(yīng)器，包括發(fā)酵培養(yǎng)裝置、第一進(jìn)料泵15、第一膜組件16、成品儲(chǔ)存罐19、第二進(jìn)料泵20、第二膜組件21。發(fā)酵培養(yǎng)裝置通過第一進(jìn)料泵15與第一膜組件16相連，第一膜組件16再分別與成品儲(chǔ)存罐19和發(fā)酵培養(yǎng)裝置的回液口12連接，第二進(jìn)料泵20連接成品儲(chǔ)存罐19和第二膜組件21，第二膜組件21又分別與發(fā)酵培養(yǎng)裝置的回液口12和成品儲(chǔ)存罐19連接。利用本發(fā)明在發(fā)酵過程中可以在線分離、濃縮發(fā)酵產(chǎn)物，可打破發(fā)酵過程中的反饋抑制作用，還可以大大降低發(fā)酵產(chǎn)物的分離能耗，提高設(shè)備使用率，簡化工藝，降低生產(chǎn)成本。該裝置可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、高密度發(fā)酵，提高生產(chǎn)效率。該裝置操作簡單，管理方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，具有很好的發(fā)展前景。
文檔編號C12M1/36GK101935614SQ20091014988
公開日2011年1月5日 申請日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月1日
發(fā)明者丁春華, 張大為, 王煜, 石建偉, 章金元, 陸兆新 申請人:鎮(zhèn)江東方生物工程設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司;南京農(nóng)業(yè)大學(xué)