CN201850276U

CN201850276U - 乳酸菌的微滤膜偶联高密度培养装置

Info

Publication number: CN201850276U
Application number: CN2010201831809U
Authority: CN
Inventors: 董英; 徐斌; 周兴华; 葛林立
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2020-05-07

Abstract

本实用新型涉及一种微生物高密度培养装置制造领域，公开了乳酸菌的微滤膜偶联高密度培养装置，包括发酵罐(1)、补料罐(2)、空气除菌过滤系统、蒸汽灭菌系统、温度控制系统、pH测量及控制系统、溶解氧测量系统、电气控制柜，膜过滤系统，膜过滤系统包括中空纤维膜装置(3)和蠕动泵(9)，中空纤维膜装置(3)的循环口通过管道与所述发酵罐(1)的进料口相连，中空纤维膜装置(3)的进料口通过管道与所述发酵罐(1)的出料口相连，中空纤维膜分离装置(3)的代谢物排出口通过管道连接排污口(14)。本实用新型提高了基质转化率，适于乳酸菌高密度培养实验研究和生产应用。

Description

乳酸菌的微滤膜偶联高密度培养装置

技术领域

本实用新型涉及一种微生物高密度培养装置制造领域，尤其涉及利用微滤膜偶联生物反应器高密度培养泡菜用乳酸菌的装置。

背景技术

我国传统泡菜一般采用自然发酵工艺，存在发酵周期长、受季节影响，易受杂菌污染和亚硝酸盐超标等弊端，特别是其中乳酸菌含量低，无法满足工业化规模生产要求，同时，泡菜产品质量也难以保持稳定。直投式发酵剂的开发为实现泡菜工业化生产并保证其食用安全开辟了新途径，而乳酸菌的高密度培养方法和装备的研发是直投式发酵剂生产的关键技术。

微滤膜偶联培养是将连续培养与微滤技术相结合，在普通培养装置上附加一套膜分离装置。用泵使培养液流过过滤膜将菌体截留，滤液包括培养过程中的产物一起流出培养体系，并通过液面计控制添加新鲜的培养基，维持培养基体积不变。膜过滤培养过程中乳酸被完全去除，是目前较理想的微生物高密度培养方法之一。

现有技术已认识到将膜技术应用于乳酸菌高密度培养，其效果优于传统发酵方式，在流加培养的同时，膜过滤技术可以分离去除代谢产物，使乳酸菌高密度培养。

1996年Suzuki用陶瓷膜获得的最大细菌干重为141g/L，其产率约为0.8g/(L×h)，耗水量约为0.2m³/kg。2006年韩亦龙进行了膜滤式乳酸菌高密度培养研究，采用陶瓷微滤膜浓缩与反应器相偶联，设计出的乳酸菌高密度培养的生化反应器。但以上研究所用的陶瓷膜存在设备造价高、膜脆性大和膜易堵塞等缺陷。

1989年汪恩浩用国产的中空纤维超滤装置使乳酸菌浓度达到了分批培养的17倍，此研究虽显著提高了菌体浓度，但未考虑实际生产过程中的产物浓度，基质转化率等因素。该技术采用国产中空纤维膜，使用前用0.1％NaOCl灭菌，无菌水充分冲洗，存在灭菌不彻底的缺陷，且无法实现过滤装置的长期有效运转和再生。

此外，影响高密度培养的因素还有：菌体生长所需的营养物质、培养过程中生长抑制物的积累、溶解氧浓度、培养温度、培养液的pH值、补料方式及培养液流变学特性等。

为此，本实用新型将膜技术引入到泡菜用乳酸菌高密度培养过程中，利用生物反应器一系列传感器严格控制好发酵过程，设计了一套结构简单、使用方便、自动化程度高、且适于乳酸菌高密度培养的装置。

发明内容

本实用新型的目的在于克服传统发酵和现有技术存在的上述缺陷，提供一种中空纤维微滤膜偶联生物反应器高密度培养泡菜用乳酸菌的装置，利用微生物发酵生物反应器与膜技术结合起来，将代谢产物移出，从而解除了乳酸菌生长中的抑制作用，这样既保证了乳酸菌的活性，又能使菌体不断富集。

本实用新型所采取的技术方案是，本实用新型主要由生物反应系统和膜过滤系统二大部分构成：

生物反应系统：由发酵罐、补料罐、空气除菌过滤系统、蒸汽灭菌系统、温度控制系统、pH测量及控制系统、溶解氧测量系统、电气控制柜等部分组成。其中发酵罐由物料输送系统、消泡系统、DO值控制系统、pH控制系统和温控系统独立的五部分组成。整个生物反应系统采用PLC设计，通过操作面板上的参数设定来自动控制整个发酵过程。

膜过滤系统：包括中空纤维膜装置和蠕动泵，中空纤维膜装置为在立式壳体内设有一束中空纤维束，每根膜管的两端以黏合剂与膜壳本体及内壁粘连固定，上端设有菌体循环口和代谢物排出口，下端设有进料口，在一定的压力作用下，液体经进料口自下而上进入膜装置，小分子物质透过布置于中空纤维膜管壁周围的微孔渗透至管壁内，然后经过代谢物排出口流出，而滞留在中空纤维膜内的大分子物质，可通过膜壳本体一侧上开设的循环出口导出。

中空纤维膜装置的循环口通过管道与发酵罐的进料口相连，管道上设有进料阀A，进料阀A为针型阀；所述中空纤维膜装置的进料口通过管道与所述发酵罐的出料口相连，管道上依次设有蠕动泵、出料阀E；所述中空纤维膜分离装置的代谢物排出口通过管道连接将废弃物从排污口排出，管道上设有排污阀E。

所述发酵罐、补料罐为耐高温、耐腐蚀的不锈钢材质的圆柱状装置，该容器顶端封闭，其中装有各种附件，例如阀门、管道及用于测定探头和其它辅助设备，电气控制柜位于发酵罐旁边。蒸汽系统、空气系统和水路系统分别采用阀门控制，水路系统主要用于发酵罐的清洗和恒温水箱进水；蒸气系统用于整个装置的消毒杀菌处理；空气系统主要用于通气培养和加料供压。仪器上备用各种传感器利于发酵过程中全程控制。物料经蠕动泵打入发酵罐，产物直接从下端出料口移出，方便浸出物料的装卸，以耐高温硅橡胶材料作为密封环，保证系统的气密性。所述恒温箱为不锈钢材质的圆柱形或矩形装置，其内配有一加热管，用于保持水温恒定，恒温箱其一端与水泵相连，另一端通过恒温水阀进入发酵罐夹层内。为便于工作的自动控制，该装置还在发酵罐、补料罐设有温度、pH值、溶氧量传感器，发酵罐根据实际需要可设计成各种体积，其它部分按发酵工艺要求配置成相应大小或规格。

本装置的工作过程如下：

(1)设备使用之前，应先检查电源是否正常，空压机、蒸汽发生器、循环水系统是否能正常工作。检查系统上的阀门、接头及紧固螺钉是否拧紧。开动空压机，用0.15Mpa压力，检查发酵罐、过滤器、管路、阀门的密封性能是否良好，有无泄漏。并对溶氧仪、pH仪、PLC系统进行检查、校正。

(2)在投料前，应对设备进行空消处理，气路、料路、发酵罐、补料罐必须用蒸汽进行灭菌，消除所有死角的杂菌，保证系统处于无菌状态。空消时，溶氧、pH电极应取出，可以延长其使用寿命。

(3)空气管路空消过程中，应关闭除水减压阀，使蒸汽通过蒸汽总过滤器然后进入总除菌过滤器，同时除菌过滤器下端的排气阀应微微开启，排除冷凝水。发酵罐进行空消时，应将罐上的接种口，排气阀，及料路阀门微微打开，使蒸汽通过这些阀门排出。

(4)空消结束后，首先需将pH、DO电极校正好后装入罐体中的接头中，然后将配好的培养基从加料口加入罐内，用蒸汽对其进行实消处理，此时夹套内应无冷却水。

(5)为了减少蒸汽冷凝水，实消先利用夹套通蒸汽对培养基进行预热，保持夹套压力≤0.1Mpa，待培养基温度到达90℃后，关闭夹套蒸汽，改为直接向罐内通入蒸汽。

(6)当罐压升至0.12Mpa，温度升到121~123℃时，控制蒸汽阀门开度，保持罐压不变，30分钟后停止供汽。打开冷却水的进排阀门，在夹套内通水冷却。

(7)发酵过程通过PLC设定温度、pH值等参数，发酵罐可自动完成整个发酵过程。

(8)发酵一段时间后，将发酵液通过泵系统打入膜过滤装置，代谢产物渗出滤膜外被排除，菌体被重新循环进入发酵罐，同时利用空压机造成的罐压继续补加新鲜的培养基进行富集培养，这样重复循环2～3次即可。

(9)待完全发酵结束后，将发酵液从出料管道排出。

(10)出料后取出溶氧、pH电极，进行清洗保养。同时立即放水清洗发酵罐及料路管道阀门，并开动空压机，向发酵罐供气搅拌，将管路中的发酵液冲洗干净。

本实用新型是利用了微滤膜偶联乳酸菌高密度培养生物反应，首先将培养基在蠕动泵的作用下打入发酵罐、补料罐中，经过实消处理后，通入冷水冷却培养基，在电气控制柜上设定好发酵的温度、pH值后，即自动完成乳酸菌的整个发酵过程，发酵中的温度是通过恒温水箱进水排水系统完成的，并通过自动添加碱液来中和发酵过程中产生的乳酸等发酵产物以维持pH值的恒定，这样可达到乳酸菌的高密度生长，以提高单位体积的乳酸菌产率。同时通过DO值控制系统随时监测发酵进程。当发酵结束后，将发酵培养物自下而上进入膜装置中，即利用膜的分离作用使大部分代谢物外渗进入膜外通过代谢物排出口被移出，在排出乳酸菌代谢产物的同时，解除了对乳酸菌发酵的抑制作用，同时大分子的乳酸菌菌体在膜内被截流下来，从而使乳酸菌得到进一步浓缩，经膜装置上端的循环出口再次进入发酵罐进行菌体富集。然后打开空气压缩机，将过滤空气通入补料罐内，利用压差，将新鲜培养基补加到发酵罐内继续发酵，这样重复操作2-3次，使菌体浓度可提高2个数量级。

本实用新型有益效果是：

(1)本实用新型的微滤膜偶联生物反应器的膜浓缩组件采用中空纤维膜，克服了陶瓷膜价格高、脆性大和易堵塞等缺陷。

(2)本实用新型的中空纤维膜能耐酸、耐碱和高温，可进行在线灭菌，克服了现有中空纤维膜灭菌不彻底的缺陷，实现了过滤装置的长期有效运转和再生。

(3)本实用新型的微滤膜偶联生物反应器采用溶氧、温度、pH等多个传感器以及PLC控制系统，对菌体生长所需营养物质、培养过程中生长抑制物的积累、溶解氧浓度、培养温度、培养液的pH值、补料方式及培养液流变学特性等工艺参数和发酵过程严格控制。节省了发酵时间，提高了菌体浓度和基质转化率。

(4)本实用新型采用膜分离技术代替传统的离心分离来富集浓缩菌体，降低了菌体的损失率，为实现高效浓缩型泡菜发酵剂的商品化生产提供了技术与装备支持。并可根据需要制作不同规模的实验装置或中试装置。

(5)本实用新型装置采用中空纤维膜技术大幅度降低了装置造价，减小设备体积，降低设备投入，且运行成本低廉，相对产量大，将乳酸菌的浓度提高了2～3个数量级，适于乳酸菌高密度培养实验研究和生产应用。

附图说明

图1是本实用新型装置结构示意图。

图中1，发酵罐；2，补料罐；3，中空纤维膜装置；4，过滤减压器；5，总过滤器；6，精过滤器A；7，精过滤器B；8，蒸气过滤器；9，蠕动泵；10，恒温水箱；11，水泵；12，蒸气口；13，进水口；14，排污口；15，电磁阀A；16，电磁阀B；17，排污阀A；18，排污阀B；19，排污阀C；20，排污阀D；21，排污阀E；22，出料阀D；23，出料阀C；24，出料阀A；25，出料阀B；26，进水阀A；27，进水阀B；28，空气阀A；29，空气阀B；30，空气阀C；31，空气阀D；32，空气阀E；33，空气阀G；34，空气阀F；35，蒸汽阀A；36，蒸汽阀B；37，蒸汽阀C，38，蒸汽阀D；39，蒸汽阀E；40，蒸汽阀H；41，蒸汽阀F；42，蒸汽阀G；43，排空阀A；44，排空阀B；45，排空阀C；46，排空阀D；47，排空阀E；48，排空阀F；49，排空阀G；50，排空阀J；51，排空阀H；52，排空阀I；53，进料阀A；54，出料阀E；55，压缩空气入口；56，进料口；57，循环出口。

具体实施方式

该装置主要由生物反应系统和膜过滤系统二大部分构成：

生物反应系统：由发酵罐1、补料罐2、空气除菌过滤系统、蒸汽灭菌系统、温度控制系统、pH测量及控制系统、溶解氧测量系统、电气控制柜等部分组成。其中发酵罐由物料输送系统、消泡系统、DO值控制系统、pH控制系统和温控系统独立的五部分组成。整个生物反应系统采用PLC设计，通过操作面板上的参数设定来自动控制整个发酵过程。

膜过滤系统：包括中空纤维膜装置3和蠕动泵9，中空纤维膜装置3为在立式壳体内设有一束中空纤维束，每根膜管的两端以黏合剂与膜壳本体及内壁粘连固定，上端设有菌体循环口和代谢物排出口，下端设有进料口，在一定的压力作用下，液体经进料口自下而上进入膜装置，小分子物质透过布置于中空纤维膜管壁周围的微孔渗透至管壁内，然后经过代谢物排出口流出，而滞留在中空纤维膜内的大分子物质，可通过膜壳本体一侧上开设的循环出口导出。

发酵罐1一端通过管道与补料罐2相连，管道上依次设有出料阀E54、出料阀A24、出料阀B25、出料阀C23、出料阀D22，其中出料阀A24、出料阀B25、出料阀C23和出料阀D22为球阀，出料阀E54为针型阀，利用压差将补料罐2中的新鲜培养基输入发酵罐1中。发酵罐1通过管道与中空纤维膜装置3相连，管道上设有蠕动泵9、出料阀E54、进料阀A53，在蠕动泵9作用下从下至上将罐内培养物压入中空纤维膜装置3中，富集的菌体经循环管再次进入发酵罐1中重新进行培养，该部分在膜装置作用下，利用中空纤维膜的微滤作用，使代谢产物排出，被浓缩出来的菌体再循环进入罐里进一步发酵富集。压缩空气通过管道与发酵罐1相连，管道上依次设有过滤减压器4、空气阀A28、总过滤器5及空气阀B29、精过滤器A6、空气阀C30、空气阀D31，其中空气阀A28、空气阀B29、空气阀C30、空气阀D31为针型阀；压缩空气通过管道与补料罐2相连，管道上依次设有过滤减压器4、空气阀A28、总过滤器5、空气阀E32、精过滤器B7、空气阀F34、空气阀G33，其中空气阀A28、空气阀E32、空气阀F34、空气阀G33为针型阀。蒸气经蒸气口12进入整个生物反应系统，其间通过三个管道进入发酵罐1中，三个管道上依次设有蒸汽阀A35、蒸气过滤器8、蒸汽阀B36、精过滤器A6、空气阀C30、空气阀D31和蒸汽阀C37、空气阀D31和蒸汽阀D38；同时通过四个管道进入补料罐2中，四个管道上依次设有蒸汽阀A35、蒸气过滤器8、蒸气阀H40、精过滤器B7、空气阀F34、空气阀G33和蒸汽阀E39、出料阀B25、出料阀C23、出料阀D22和蒸汽阀F41、蒸汽阀G33和空气阀G42，其中出料阀B25、出料阀C23、出料阀D22为球形阀，空气阀C30、空气阀D31、空气阀G33、蒸汽阀A35、蒸汽阀B36、蒸汽阀C37、蒸汽阀D38、蒸汽阀E39、蒸汽阀F41、蒸汽阀G33为针型阀。进水系统通过进水口及管道进入发酵罐1中，管道上设有进水阀A26，其中进水阀A26为球型阀；通过进水口13及管道进入补料罐2中，管道上设有进水阀B27，其中进水阀B27为球型阀。发酵罐1通过管道将废弃物从排污口14排出，管道上设有排污阀A17、排污阀B18，其中排污阀A17、排污阀B18为球形阀；补料罐2通过管道将废弃物从排污口14排出，管道上设有排污阀C19、排污阀D20，其中排污阀C19、排污阀D20为球形阀；中空纤维膜分离装置3通过管道将废弃物从排污口14排出，管道上设有排污阀E21，其中排污阀E21为球形阀。整个生物反应系统通过排空阀A43、排空阀B44、排空阀C45、排空阀D46、排空阀E47、排空阀F48、排空阀G49、排空阀H51、排空阀I52、排空阀J50与外界相连，其中以上均为针型阀；恒温水箱10一端与水泵11、进水阀A26、进水口13相连，另一端通过进水阀B27及管道将恒温水箱里的水通过发酵罐夹层管道进入发酵罐底部，用于提供热量以及用来保证发酵罐处于恒温状态，其中进水阀A26、进水阀B27为球阀。

Claims

1.乳酸菌的微滤膜偶联高密度培养装置，包括发酵罐(1)、补料罐(2)、空气除菌过滤系统、蒸汽灭菌系统、温度控制系统、pH测量及控制系统、溶解氧测量系统、电气控制柜，其特征是，还包括膜过滤系统，所述膜过滤系统包括中空纤维膜装置(3)和蠕动泵(9)；所述中空纤维膜装置(3)的菌体循环出口(57)通过管道与所述发酵罐(1)的进料口相连，管道上设有进料阀A(53)；所述中空纤维膜装置(3)的进料口(56)通过管道与所述发酵罐(1)的出料口相连，管道上依次设有蠕动泵(9)、出料阀E(54)；所述中空纤维膜分离装置(3)的代谢物排出口通过管道连接排污口(14)，管道上设有排污阀E(21)。

2.根据权利要求1所述的乳酸菌的微滤膜偶联高密度培养装置，其特征是，所述中空纤维膜装置(3)为在立式壳体内设有一束中空纤维束，每根膜管的两端以黏合剂与立式壳体内壁固定连接，上端设有菌体循环出口(57)，下端设有进料口(56)，立式壳体一侧上开设代谢物排出口。

3.根据权利要求1或2所述的乳酸菌的微滤膜偶联高密度培养装置，其特征是，所述进料阀A(53)和所述出料阀E(54)为针型阀，所述排污阀E(21)为球形阀。