一种动态管道发酵装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及生物发酵设备技术领域，尤其涉及一种动态管道发酵装置。


背景技术：

[0002]
通常生产用发酵装置主要为机械搅拌式发酵装置和气升式发酵装置，设备投入量大，安装空间要求高。
[0003]
机械搅拌式发酵装置的特点是结构复杂，需要搅拌容器和搅拌机配套使用。气体自搅拌容器底部进入，通过传动装置带动搅拌轴和搅拌器，将上升的气泡破碎成更小的气泡；搅拌器选配形式影响循环效果和搅拌功率，进而影响气液混合效率、气体溶解量。机械搅拌式发酵装置的搅拌容器通常高径比为1～3，罐容积受限制，换热元件比表面积小，功率消耗大，存在不易解决的传热、混合、反应等问题，整体制造和运行费用高，建设周期长，空间要求高。搅拌器的剪切作用影响某些微生物的菌丝生长形态和生产；机械搅拌器需要电动机提供动力，在高溶氧需求、高粘度物料状态下，电机产热高，噪音大，远离搅拌桨的近壁区常出现滞留边界层，难以达到预期的混合效果和溶氧效果；转动轴在高压下操作时容易出现密封问题；机械搅拌式发酵装置的使用效果受搅拌器形式、搅拌器转速、搅拌容器和内构件几何特征、流体特性、物料特性、菌种特性、传热形式、传热效率等多种因素影响，检修困难，使用条件有限，生产模式单一，灵活度差。
[0004]
气升式发酵装置内部无搅拌器，其是采用内环流气升式中心进气的方式，利用空气喷嘴喷出高速的气体通过分布器进入中心导流筒，造成筒内流体密度比筒外低，在静压差和进入气体的动量作用下，使液体携带气泡在装置内形成循环流动，从而达到气液混合的效果，适用于好氧类反应。气升式发酵装置一般为细长型，高径比大，安装立体空间要求高，生产模式单一；需要非常大的空气吞吐量；相间混合接触较差；当循环的有机物和操作条件发生变化时底物、营养物和溶解氧不能保持一致；不适用于高粘度培养液发酵、含大量固体培养液发酵、高密度培养发酵等。
[0005]
因此，需要提供一种动态管道发酵装置，以管道为发酵主体，是一种配套设施少、能耗小、造价低、空间利用率高、灵活度高的新型自动化的动态管道发酵装置。


技术实现要素：

[0006]
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种动态管道发酵装置，以文丘里效应为理论基础，文丘里喷射装置的进料口与缓冲罐连接，文丘里喷射装置的进气口与无菌气体和饱和蒸汽连接，文丘里喷射装置的出料口与物料管线连接，物料管线为物料发酵的主体段。
[0007]
为解决以上技术问题，本实用新型采用下述技术方案：
[0008]
一种动态管道发酵装置，包括发酵模块单元和并联的进料管道、出料管道、移种管道、消泡剂管道、第二补料管道和第一补料管道；所述发酵模块单元包括缓冲罐、无菌过滤器、文丘里喷射装置、无菌气体管道和饱和蒸汽管道，所述缓冲罐设有缓冲罐进料口、缓冲
罐出料口和缓冲罐排气口，所述文丘里喷射装置包括喷射装置进料口、喷射装置出料口和喷射装置进气口；所述缓冲罐进料口通过管道与进料管道、移种管道、消泡剂管道、第二补料管道和第一补料管道连通连接，所述缓冲罐出料口通过管道与喷射装置进料口连通连接，所述缓冲罐排气口通过管道与无菌过滤器连通连接，所述喷射装置出料口与物料管线连通连接，所述物料管线与缓冲罐进料口和出料管道连通连接，所述喷射装置进气口通过管道与无菌气体管道和饱和蒸汽管道连通连接。利用文丘里喷射装置的喷射湍流作为流体动力进行强力混合，混合充分，有效防止物料沉积、高粘度物料滞留、高密度发酵混合不均，无需考虑搅拌因素，能耗低，噪音小，检修工作少，工作环境好。且机械剪切应力小，对菌体形态影响小，对微生物伤害少。
[0009]
优选地，所述发酵模块单元多级串联，前一级发酵模块单元的物料管线与后一级发酵模块单元的缓冲罐进料口连通连接，最后级发酵模块单元的物料管线与最前级发酵模块单元的缓冲罐进料口和出料管道连通连接。所述发酵模块单元可根据实际生产需要灵活调整配置为单级循环发酵或多级串联组合使用，生产模式多样化，适用性更广。
[0010]
优选地，所述物料管线上设有换热装置，所述换热装置的底部连接控温介质进管道，所述换热装置的顶部连接控温介质出管道，所述控温介质进管道上设有控温介质调节阀和控温介质进截断阀，所述控温介质出管道上设有控温介质出截断阀。换热装置对物料管线进行降温，使物料温度达到接种温度。
[0011]
优选地，所述缓冲罐进料口的管道上设有缓冲罐进料阀，所述进料管道上设有进料阀，所述移种管道上设有移种截断阀，所述移种截断阀上设有移种截断阀尾阀，所述消泡剂管道上设有消泡剂截断阀，所述消泡剂截断阀上设有消泡剂截断阀尾阀，所述第二补料管道上设有第二补料截断阀，所述第二补料截断阀上设有第二补料截断阀尾阀，所述第一补料管道上设有第一补料截断阀，所述第一补料截断阀上设有第一补料截断阀尾阀。缓冲罐进料阀控制缓冲罐的进料，进料阀控制进料管道的开启和关闭，移种截断阀控制移种管道的开启和关闭，消泡剂截断阀控制消泡剂管道的开启和关闭，第二补料截断阀控制第二补料管道的开启和关闭，第一补料截断阀控制第一补料管道的开启和关闭。
[0012]
优选地，所述缓冲罐排气口与无菌过滤器之间的管道上依次设有缓冲罐排气阀、缓冲罐排气调节阀和单呼阀。缓冲罐排气阀用于释放缓冲罐内的气体，有效提高气液混合率、气体溶解率。缓冲罐排气调节阀可调节缓冲罐排气阀的排气量，从而对缓冲罐的压力进行控制。单呼阀保证排气管道内只能出气，不能进气。无菌过滤器可以防止菌体外泄，尽量降低环境中菌体数量，保护生产环境。
[0013]
优选地，所述缓冲罐出料口与喷射装置进料口之间的管道上设有缓冲罐出料阀，所述缓冲罐出料阀上设有缓冲罐取样阀，所述缓冲罐取样阀上连接有取样饱和蒸汽管道，所述取样饱和蒸汽管道上设有取样进蒸汽阀和取样排污阀。取样饱和蒸汽管道可以在取样分析的时候给取样管路消毒，保证取出来的样品不会被取样管路内微生物污染，取出来的是无菌样品。
[0014]
优选地，所述饱和蒸汽管道上设有饱和蒸汽进汽调节阀和饱和蒸汽进汽阀，所述无菌气体管道上设有无菌气体进气调节阀和无菌气体进气阀，所述无菌气体进气阀上设有无菌气体进气阀尾阀，所述喷射装置进气口与无菌气体管道和饱和蒸汽管道连接的管道上设有止回阀。饱和蒸汽进汽阀可以控制饱和蒸汽管道的开启和关闭，饱和蒸汽进汽调节阀
可以调节饱和蒸汽进汽量。无菌气体进气阀可以控制无菌气体管道的开启和关闭，无菌气体进气调节阀可以调节无菌气体进气量。止回阀是机械启动形式，前段压力高于后端压力的时候自动开启。
[0015]
用于好氧发酵，溶氧充分，加上比表面积大，传热传质性能好，良好的生长环境有效促进新陈代谢，利于提高产品产率、转化率，缩短生产周期；通入惰性气体，可在无机械搅拌情况下进行厌氧发酵，物料混合充分、利用率高，能耗低，噪音小；无菌气体管道的供气类型灵活，供气量灵活，可用于好氧发酵、有氧发酵、厌氧发酵等发酵等多种发酵类型。
[0016]
优选地，所述出料管道上设有出料阀。当取样检测结果达到放料要求后，开启出料阀进行放料。
[0017]
本实用新型的有益效果如下：
[0018]
本实用新型由于采用了以上技术方案，装置结构简单，配套设备、设施少，造价低，运行成本低，建设周期短；无设备死角问题，灭菌彻底，无动密封问题，无泄漏问题；采用气带料，气体即为动力源，无需其他能耗可自动混合、流动，配套自动化阀门即实现自动化发酵；动态管道发酵装置既能进行充分的气液混合，延长气液混合时间，又能利用喷射装置出料口喷射流的湍流效应推动管道中物料的良好流动，既可单个发酵模块单元使用，也可根据空间状况、实际使用需求多个发酵模块单元串联使用，适用于生物动态发酵、管道发酵、自动化连续发酵、多级气-液/气-液-固混合发酵、气-液/气-液-固无搅拌发酵、高粘度物料发酵、好氧发酵、需氧发酵、厌氧发酵等。
[0019]
上述说明仅为本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本实用新型的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本实用新型的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
[0020]
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
[0021]
图1示出本实用新型的一种动态管道发酵装置的结构示意图。
[0022]
图2示出本实用新型的一种动态管道发酵装置的发酵模块单元示意图。
[0023]
主要附图标记说明：
[0024]
1-出料管道，2-出料阀，3-进料管道，4-进料阀，5-移种管道，6-移种截断阀尾阀，7-移种截断阀，8-消泡剂管道，9-消泡剂截断阀尾阀，10-消泡剂截断阀，11-第二补料管道，12-第二补料截断阀尾阀，13-第二补料截断阀，14-第一补料管道，15-第一补料截断阀尾阀，16-第一补料截断阀，17-缓冲罐进料阀，18-缓冲罐排气阀，19-缓冲罐排气调节阀，20-单呼阀，21-缓冲罐出料阀，22-缓冲罐取样阀，23-取样饱和蒸汽管道，24-取样进蒸汽阀，25-取样排污阀，26-无菌气体管道，27-无菌气体进气调节阀，28-无菌气体进气阀，29-无菌气体进气阀尾阀，30-饱和蒸汽管道，31-饱和蒸汽进汽调节阀，32-饱和蒸汽进汽阀，33-止回阀，34-控温介质进管道，35-控温介质调节阀，36-控温介质进截断阀，37-控温介质出截断阀，38-控温介质出管道，100-无菌过滤器，200-缓冲罐，300-文丘里喷射装置，400-换热装置。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0026]
除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。
[0027]
在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
[0028]
如图1-图2所示，一种动态管道发酵装置，包括发酵模块单元和并联的进料管道3、出料管道1、移种管道5、消泡剂管道8、第二补料管道11和第一补料管道14。
[0029]
所述发酵模块单元可单级使用，也可以多级串联使用，如图1所示，其中线框a、线框b和线框c为框示的三个发酵模块单元，前一级发酵模块单元的物料管线与后一级发酵模块单元的缓冲罐进料口连通连接，最后级发酵模块单元的物料管线与最前级发酵模块单元的缓冲罐进料口和出料管道1连通连接。可根据实际生产需要灵活调整配置为单级循环发酵或多级串联组合使用，生产模式多样化，适用性更广。如图2所示，以发酵模块单元a为例，对发酵单元模块进行详细说明。
[0030]
所述发酵模块单元包括缓冲罐200、无菌过滤器100、文丘里喷射装置300、无菌气体管道26和饱和蒸汽管道30，所述缓冲罐200设有缓冲罐进料口、缓冲罐出料口和缓冲罐排气口，所述文丘里喷射装置300包括喷射装置进料口、喷射装置出料口和喷射装置进气口；所述缓冲罐进料口通过管道与进料管道3、移种管道5、消泡剂管道8、第二补料管道11和第一补料管道14连通连接，所述缓冲罐进料口的管道上设有缓冲罐进料阀17，所述缓冲罐出料口通过管道与喷射装置进料口连通连接，所述缓冲罐排气口通过管道与无菌过滤器100连通连接。
[0031]
所述进料管道3上设有进料阀4，所述移种管道5上设有移种截断阀7，所述移种截断阀7上设有移种截断阀尾阀6，所述消泡剂管道8上设有消泡剂截断阀10，所述消泡剂截断阀10上设有消泡剂截断阀尾阀9，所述第二补料管道11上设有第二补料截断阀13，所述第二补料截断阀13上设有第二补料截断阀尾阀12，所述第一补料管道14上设有第一补料截断阀16，所述第一补料截断阀16上设有第一补料截断阀尾阀15。缓冲罐进料阀17控制缓冲罐200的进料，进料阀4控制进料管道3的开启和关闭，移种截断阀7控制移种管道5的开启和关闭，消泡剂截断阀10控制消泡剂管道8的开启和关闭，第二补料截断阀13控制第二补料管道11的开启和关闭，第一补料截断阀16控制第一补料管道14的开启和关闭。
[0032]
所述喷射装置出料口与物料管线连通连接，所述物料管线与缓冲罐进料口和出料管道1连通连接，所述喷射装置进气口通过管道与无菌气体管道26和饱和蒸汽管道30连通连接。利用文丘里喷射装置300的喷射湍流作为流体动力进行强力混合，混合充分，有效防
止物料沉积、高粘度物料滞留、高密度发酵混合不均，无需考虑搅拌因素，能耗低，噪音小，检修工作少，工作环境好。且机械剪切应力小，对菌体形态影响小，对微生物伤害少。
[0033]
所述物料管线上设有换热装置400，所述换热装置400的底部连接控温介质进管道34，所述换热装置400的顶部连接控温介质出管道38，所述控温介质进管道34上设有控温介质调节阀35和控温介质进截断阀36，所述控温介质出管道38上设有控温介质出截断阀37。换热装置400对物料管线进行降温，使物料温度达到接种温度。
[0034]
所述缓冲罐排气口与无菌过滤器100之间的管道上依次设有缓冲罐排气阀18、缓冲罐排气调节阀19和单呼阀20。缓冲罐排气阀18用于释放缓冲罐200内的气体，有效提高气液混合率、气体溶解率。缓冲罐排气调节阀19可调节缓冲罐排气阀18的排气量，从而对缓冲罐200的压力进行控制。单呼阀20保证排气管道内只能出气，不能进气。无菌过滤器100可以防止菌体外泄，尽量降低环境中菌体数量，保护生产环境。
[0035]
所述缓冲罐出料口与喷射装置进料口之间的管道上设有缓冲罐出料阀21，所述缓冲罐出料阀21上设有缓冲罐取样阀22，所述缓冲罐取样阀22上连接有取样饱和蒸汽管道23，所述取样饱和蒸汽管道23上设有取样进蒸汽阀24和取样排污阀25。取样饱和蒸汽管道23可以在取样分析的时候给取样管路消毒，保证取出来的样品不会被取样管路内微生物污染，取出来的是无菌样品。
[0036]
所述饱和蒸汽管道30上设有饱和蒸汽进汽调节阀31和饱和蒸汽进汽阀32，所述无菌气体管道26上设有无菌气体进气调节阀27和无菌气体进气阀28，所述无菌气体进气阀28上设有无菌气体进气阀尾阀29，所述喷射装置进气口与无菌气体管道26和饱和蒸汽管道30连接的管道上设有止回阀33。饱和蒸汽进汽阀32可以控制饱和蒸汽管道30的开启和关闭，饱和蒸汽进汽调节阀31可以调节饱和蒸汽进汽量。无菌气体进气阀28可以控制无菌气体管道26的开启和关闭，无菌气体进气调节阀27可以调节无菌气体进气量。止回阀33是机械启动形式，前段压力高于后端压力的时候自动开启。
[0037]
用于好氧发酵，溶氧充分，加上比表面积大，传热传质性能好，良好的生长环境有效促进新陈代谢，利于提高产品产率、转化率，缩短生产周期；通入惰性气体，可在无机械搅拌情况下进行厌氧发酵，物料混合充分、利用率高，能耗低，噪音小；无菌气体管道26的供气类型灵活，供气量灵活，可用于好氧发酵、有氧发酵、厌氧发酵等发酵等多种发酵类型。
[0038]
所述出料管道1上设有出料阀2。当取样检测结果达到放料要求后，开启出料阀2进行放料。
[0039]
根据上述的一种动态管道发酵装置的发酵方法，该方法包含如下步骤：
[0040]
步骤一，装置系统自检，设定缓冲罐排气阀18、缓冲罐排气调节阀19和取样排污阀25处于开启状态，其余各阀门均处于关闭状态，系统各处连接完好，饱和蒸汽管道30和无菌气体管道26的供给端处于正常状态。
[0041]
步骤二：进料，首先开启进料阀4和缓冲罐进料阀17，进料管道3内的物料进入缓冲罐200，缓冲罐200内液位达到设定值时关闭缓冲罐排气阀18，同时开启缓冲罐出料阀21，随着进料的进行缓冲罐200压力升高，将物料通过文丘里喷射装置300压出，并通过物料管线进入后一级发酵模块单元的缓冲罐200或填充满本级发酵模块单元的物料管线后进入缓冲罐200，填充完毕后停止进料，关闭进料阀4。
[0042]
步骤三，装置系统灭菌，设定饱和蒸汽进汽调节阀31的初始开度，开启饱和蒸汽进
汽阀32、无菌气体进气阀尾阀29和缓冲罐排气阀18，饱和蒸汽通过文丘里喷射装置300带动物料从缓冲罐200中流入文丘里喷射装置300并混合喷出，同时提高物料温度和系统压力，设定饱和蒸汽进汽调节阀31与本级发酵模块单元的物料管线温度计(图1和图2中tic05)连锁，自动控制本发酵模块单元的物料温度在设定温度范围以内；设定缓冲罐排气调节阀19与本级发酵模块单元的物料管线压力表(图1和图2中pic01)连锁，自动控制本发酵模块单元的灭菌压力在设定压力范围以内；在各级发酵模块单元的喷射装置出料口的温度均到达设定的灭菌温度时开始计时并开启取样进蒸汽阀24，周期性开启缓冲罐取样阀22和无菌气体进气阀尾阀29进行闪排；计时结束时，关闭无菌气体进气阀尾阀29、缓冲罐取样阀22、饱和蒸汽进汽阀32、取样进蒸汽阀24、取样排污阀25和饱和蒸汽进汽调节阀31；设定无菌气体进气调节阀27初始开度，开启无菌气体进气阀28，设定无菌气体进气调节阀27与进气流量计(图1和图2中fic04)连锁，自动控制进气流量在设定范围以内；重新设定本发酵模块单元的压力范围，继续保持缓冲罐排气调节阀19与本级发酵模块单元的物料管线压力表(图1和图2中pic01)连锁，自动控制本发酵模块单元的压力；保持进气状态，通过无菌气体带动物料并进行气液混合。缓冲罐取样阀22和无菌气体进气阀尾阀29闪排就是按照固定的周期开启，例如以60秒为一个周期，每个周期内开启5秒。
[0043]
步骤四，降温，设定控温介质调节阀35初始开度，开启控控温介质进截断阀36和控温介质出截断阀37；设定控温介质进截断阀36与降温后物料管线温度计(图1和图2中tic10)连锁，自动控制物料管线温度接近接种温度，保持进气状态。
[0044]
步骤五，接种，确认移种管道5已经灭菌至移种截断阀尾阀6，关闭移种截断阀尾阀6，移种管道5压力高于本装置系统内压力，开启移种截断阀7开始接种，待接种完毕，关闭移种截断阀7，自动控制无菌气体进气流量、物料管线压力、物料管线温度在设定的工艺范围以内，开始发酵。
[0045]
步骤六，发酵，结合物料管线的溶解氧、ph值、压力和流量的数据，调整无菌气体进气流量、物料管线压力、物料管线温度的设定值并进行自动控制；发酵过程中通过取样进蒸汽阀24和取样排污阀25进行灭菌和取样操作，用于理化数据检测、菌体状态检测、发酵程度检测。
[0046]
步骤七，补料，确认消泡剂管道8、第二补料管道11和第一补料管道14已分别灭菌至消泡剂截断阀尾阀9、第二补料截断阀尾阀12和第一补料截断阀尾阀15，关闭消泡剂截断阀尾阀9、第二补料截断阀尾阀12和第一补料截断阀尾阀15；调整消泡剂管道8、第二补料管道11和第一补料管道14的压力至工艺范围，分别开启消泡剂截断阀10、第二补料截断阀13和第一补料截断阀16进行补料。
[0047]
步骤八，中途放料，取样检测结果达到中途放料标准，或缓冲罐200液位达到中途放料标准时，调整系统压力与无菌气体进气量并继续进行自动控制；开启出料阀2进行中途放料；达到设定的放料体积后，调整系统压力与无菌气体进气量，继续进行发酵培养。
[0048]
步骤九，发酵结束放料，取样检测结果达到发酵完成放料标准时，关闭缓冲罐排气阀18，开启出料阀2进行放料，待系统内物料全部排出，放料完成，关闭无菌气体进气阀28、控温介质进截断阀36和控温介质出截断阀37，开启缓冲罐排气阀18，通过控制缓冲罐排气调节阀19开度，将各级发酵模块单元的缓冲罐200压力降至常压；解除连锁无菌气体进气调节阀27与进气流量计(图1和图2中fic04)连锁，解除控温介质进截断阀36与降温后物料管
线温度计(图1和图2中tic10)连锁，发酵完成，放料结束。
[0049]
前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本实用新型的保护范围。

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