[发明专利]一种单细胞微生物发酵系统及其方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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；