專利名稱：一種新型發(fā)酵罐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種酶學(xué)或微生物學(xué)裝置，尤其是采用了膜分離技術(shù)的生物發(fā)酵罐。
背景技術(shù)：
膜分離技術(shù)有以下優(yōu)點在常溫下進行，條件溫和；物料沒有相變；能耗低；設(shè)備簡單， 操作控制方便。膜和膜技術(shù)己在化工、醫(yī)藥、食品飲料、電子及生物化工等領(lǐng)域得到了較廣 泛的應(yīng)用。膜和生物反應(yīng)器有機結(jié)合而成的一種集成系統(tǒng)——膜生物反應(yīng)器(Membrane Reactor, MBR)，已經(jīng)成為近年來的研究熱點。
至今已有多種膜生物反應(yīng)器被研究。最早的膜生物反應(yīng)器是針對水處理的應(yīng)用，也是至 今為止在應(yīng)用上最為成熟的膜生物反應(yīng)器，但是這類反應(yīng)器不適用于通常所說的生物發(fā)酵， 與本發(fā)明的目的不同?，F(xiàn)有的膜生物反應(yīng)器尚不能完全滿足生物發(fā)酵生產(chǎn)應(yīng)用的要求。林曉 的《無機膜生物反應(yīng)裝置》(ZL 03221776.5)和路福平的《采用無機膜實現(xiàn)微生物原位分離 發(fā)酵的方法》(CN 1908176A)均是將膜置于發(fā)酵罐外，膜與發(fā)酵罐通過管路串聯(lián)，屬于膜循 環(huán)發(fā)酵罐；這類膜生物反應(yīng)器的缺點是細胞在膜組件和管路中時，溶解氧等條件無法控制， 泵對流體產(chǎn)生劇烈的攪動，易對細胞生長和代謝造成傷害，且容易破壞生化反應(yīng)體系的穩(wěn)定 性。也有人將有機中空纖維膜置于發(fā)酵罐中，但是這類膜的機械強度低，通量小，處理量小， 不易清洗，化學(xué)穩(wěn)定性差，使用壽命短，更不適和在大型生物反應(yīng)器中使用。

實用新型內(nèi)容
本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種新型發(fā)酵罐，它從設(shè)計上解決了上述膜生物反 應(yīng)器的缺點，更符合生物反應(yīng)器的使用操作要求，并且成本低、投資小，結(jié)構(gòu)簡單。
本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種新型發(fā)酵罐，是一體式膜發(fā)酵罐，包括罐體以及從發(fā)酵罐通出的管道，所述管道通 入罐體的一端連接有膜過濾器，管道的另一端與罐外相通。
所述膜過濾器為板式膜或管式膜，其中膜的材料可以是有機膜或無機膜；所述膜過濾器 中的膜孔徑為分子量1000道爾頓 10um;所述膜過濾器在發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)置方向與罐的縱軸成 0-90°角度；膜過濾器的個數(shù)至少為兩個；膜過濾器可以通過管道連接在罐體壁上；所述發(fā) 酵罐可以為攪拌式發(fā)酵罐，包括攪拌軸以及安裝在攪拌軸上的攪拌漿，所述攪拌軸為從罐頂 通下來的上攪拌式或從罐底通上來的下攪拌式；所述攪拌軸可以為空心攪拌軸，膜過濾器通 過管道與空心攪拌軸連接通向罐外；所述發(fā)酵罐也可以為氣升式發(fā)酵罐或機械攪拌自吸式發(fā) 酵罐，發(fā)酵罐還可以是厭氧發(fā)酵罐。膜在發(fā)酵罐內(nèi)浸沒于發(fā)酵液中，膜內(nèi)的透過液，通過與 膜連接的管道通至罐外，管道可以是與膜的一端連接通入罐外的單根管，也可以是與膜的兩 端連接分別通至罐外的兩根管道。該管道有闊門，可以連接泵、儲罐、色譜柱、膜組件、發(fā)酵罐、反應(yīng)釜、濃縮裝置、結(jié)晶裝置、萃取裝置和蒸餾塔等裝置。
氣升式發(fā)酵罐可以是帶環(huán)流管的內(nèi)環(huán)流式或外環(huán)流式的，也可以是不帶環(huán)流管的氣升式 發(fā)酵罐，膜的材質(zhì)是金屬或陶瓷或樹脂，也可以是復(fù)合材料；管式膜的橫截面的形狀可以是 圓形、三角形、水滴形、流線形。膜可以通過管道或/和固定件，固定于發(fā)酵罐的壁上。連接 膜與發(fā)酵罐的管道，穿過發(fā)酵罐壁與發(fā)酵罐外的管道連接。膜可以通過管道和/或固定件固定 于發(fā)酵罐的攪拌軸上，隨攪拌軸一起旋轉(zhuǎn)，固定件起支撐和固定作用，防止膜因重力、旋轉(zhuǎn) 和外周攪拌液的影響而松動或從攪拌軸脫落。膜通過連接膜和攪拌軸的管道，與空心攪拌軸 內(nèi)的管道連接，空心攪拌軸內(nèi)的管道再與罐外的管道相連接。膜分離過程中膜過濾器與發(fā)酵 液實現(xiàn)相對運動， 一方面在不斷運動中更好地避免了膜表面形成濃差極化，使膜保持較高的 浸透通量，從而保持良好的過濾效果；另一方面也可以起到攪拌漿的作用，使發(fā)酵液混合更 充分。
膜還可以是上述不同材質(zhì)、不同形狀、不同固定角度的組合。膜的固定排列方式可以是 單排、單層、單圈，也可以是多排、多層、多圈的。膜與管道和固定件的連接方式可以是焊 接、螺紋連接、法蘭連接、插接連接、快裝卡箍連接，也可以是上述連接方式的結(jié)合。
本實用新型將膜置于發(fā)酵罐內(nèi)，浸沒在發(fā)酵液中，在生物發(fā)酵的同時，進行膜分離操作。 膜的安裝方式及膜的選擇，完全滿足生物發(fā)酵的要求。生物細胞不進入膜及與膜連接的管路 內(nèi)，細胞的生長代謝條件可以很好地控制；發(fā)酵罐的無菌操作可以保證。發(fā)酵罐內(nèi)的正壓或/ 和罐外的負壓使液相物料透過膜，通過管路到達膜發(fā)酵罐外的其它裝置，懸浮的細胞和被截 流的顆粒被截留在發(fā)酵罐內(nèi)。因為是外壓式過濾，有機械或壓縮氣體的攪拌，使發(fā)酵液一直 處于攪動狀態(tài)，發(fā)酵液在膜周圍形成錯流，避免了在膜表面形成濃差極化，使膜保持較高的 通量，延長膜的使用周期。必要時，可以通過膜反向向發(fā)酵罐內(nèi)通入液體或氣體，對膜進行 反沖，使膜恢復(fù)通量。
發(fā)酵罐的幾種類型的具體構(gòu)造為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識，也可在《生物工程設(shè)備》 等相關(guān)參考資料中査到，不影響本發(fā)明的具體實施。
本實用新型的新型發(fā)酵罐利用發(fā)酵罐與膜分離結(jié)合的特點，可以實現(xiàn)以下技術(shù)效果① 細胞培養(yǎng)與產(chǎn)物提取的耦合，產(chǎn)物的原位分離；②細胞和酶的重復(fù)利用；③連續(xù)發(fā)酵； 細 胞的高密度培養(yǎng)；⑤減少發(fā)酵的物質(zhì)和能量消耗；⑥提高轉(zhuǎn)化率，提高生產(chǎn)效率，提高設(shè)備 利用率；⑦降低發(fā)酵液粘度，解決高粘度發(fā)酵的溶氧難題；⑧簡化生產(chǎn)工藝流程，提高生產(chǎn) 的自動化水平和生產(chǎn)的穩(wěn)定性；⑨對有產(chǎn)物抑制的反應(yīng)系統(tǒng)，通過反應(yīng)一分離耦合可降低反 應(yīng)體中的產(chǎn)物濃度，減輕或消除產(chǎn)物抑制；⑩實現(xiàn)發(fā)酵與產(chǎn)物提取在容器與管路中密閉進行， 減少外界的污染和干擾；最終實現(xiàn)降低生產(chǎn)成本的目的。本方法利用發(fā)酵罐與膜一體式的優(yōu) 點，簡化了操作程序，并且使操作條件更易于控制，反應(yīng)分離更加溫和，得到的產(chǎn)物純度更咼。


4圖1是內(nèi)置與發(fā)酵罐縱軸平行布置的膜的攪拌式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是圖1發(fā)酵罐沿A-A向的剖面圖，膜為板式膜。 圖3是圖1發(fā)酵罐沿A-A向的剖面圖，膜為管式膜。
圖4是內(nèi)置了與發(fā)酵罐縱軸垂直或成一定角度的膜的攪拌式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是圖4發(fā)酵罐沿A-A向的剖面圖，膜為板式膜。 圖6是圖4發(fā)酵罐沿A-A向的剖面圖，膜為管式膜。
圖7是膜與發(fā)酵罐縱軸平行地連接在攪拌軸上的攪拌式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖8是圖7發(fā)酵罐沿A-A向的剖面圖，膜為板式膜。 圖9是圖7發(fā)酵罐沿A-A向的剖面圖，膜為管式膜。
圖10是膜與發(fā)酵罐縱軸垂直地連接在攪拌軸上的攪拌式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖11是圖10發(fā)酵罐沿A-A向的剖面圖，膜為板式膜。 圖12是圖10發(fā)酵罐沿A-A向的剖面圖，膜為管式膜。
圖13是膜與發(fā)酵罐攪拌軸成一定角度，通過管道連接在攪拌軸上的下攪拌式發(fā)酵罐的結(jié) 構(gòu)示意圖。
圖14是內(nèi)置了與發(fā)酵罐縱軸平行的膜之氣升式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)示意圖。 圖15是在外環(huán)流管中內(nèi)置了膜的外環(huán)流氣升式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
如圖1所示，本一體式新型發(fā)酵罐包括罐體l，膜過濾器6，與膜過濾器連接的管道4， 膜過濾器6置于罐體1的內(nèi)部，通過管道4的一端相接，管道4另一端穿過罐體1壁通出。 膜過濾器6可以與罐體1的縱軸平行，個數(shù)可以為兩個在罐內(nèi)對稱設(shè)置，膜可以為板式膜， 如圖2所示，也可以為管式膜，剖面圖如圖3所示。膜過濾器6還可以與發(fā)酵罐縱軸相垂直 安裝在罐體l壁上，如圖4所示，膜過濾器6的周邊設(shè)置有起支撐和固定作用的固定件7， 固定件7與膜的連接方式可以是焊接、螺紋連接、法蘭連接、插接連接、快裝卡箍連接，也 可以是上述連接方式的結(jié)合。膜過濾器6也可以通過管道4成一定角度安裝在罐體1的壁上。
當發(fā)酵罐為攪拌式發(fā)酵罐時，膜過濾器6可以通過管道4與發(fā)酵罐縱軸平行或垂直或成 一定角度安裝在攪拌軸2上，如圖7-13，攪拌軸2為空心攪拌軸與連接膜過濾器6的管道4 相通，攪拌軸2通出罐外與其他裝置連接，濾出液通過攪拌軸流出發(fā)酵罐。膜過濾器6每層 膜元件的數(shù)量和膜元件的層數(shù)，依膜元件的大小和發(fā)酵罐的大小而定。每個膜過濾器6通過
5快裝卡箍、焊接、螺紋連接、法蘭連接、插接等連接方式5與管道4連接。膜過濾器6可以 是微濾膜或超濾膜。發(fā)酵罐也可以是氣升式發(fā)酵罐，膜過濾器安裝在罐體1的壁上與發(fā)酵罐
縱軸平行，如圖14;也可以是在外環(huán)流管中內(nèi)置了膜的外環(huán)流氣升式膜發(fā)酵罐，如圖15。發(fā)
酵罐還可以是機械攪拌自吸式發(fā)酵罐和厭氧發(fā)酵罐?？傊?，本發(fā)明并不局限于發(fā)酵罐的形式， 只要是把膜過濾器設(shè)置在罐體內(nèi)，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
發(fā)酵時，使膜浸沒在發(fā)酵液中進行發(fā)酵；在需要時，啟動膜過濾，進行膜分離操作，發(fā) 酵罐內(nèi)的正壓或/和罐外的負壓使液相物料透過膜，通過管路到達膜發(fā)酵罐外的其它裝置，懸 浮的細胞和被截流的顆粒被截留在發(fā)酵罐內(nèi)繼續(xù)發(fā)酵。膜透過液進入其他裝置，進行進一步 的提取和精制工藝。
權(quán)利要求1. 一種新型發(fā)酵罐，包括罐體(1)以及管道(4)，其特征在于，所述管道(4)通入罐體(1)的一端連接有膜過濾器(6)，管道(4)的另一端與罐外相通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)酵罐，其特征在于，所述膜過濾器(6)為板式膜或管式膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)酵罐，其特征在于，所述膜過濾器(6)為超濾膜或微濾膜，膜的孔徑為分子量1000道爾頓 10y m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)酵罐，其特征在于，所述膜過濾器(6)為至少兩個。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項權(quán)利要求所述發(fā)酵罐，其特征在于，所述膜過濾器(6)在罐體(1)內(nèi)設(shè)置方向與罐的縱軸成0-90。角度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)酵罐，其特征在于，所述膜過濾器(6)通過管道(4)連接在罐體(1)的壁上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述發(fā)酵罐，其特征在于，所述罐體(1)內(nèi)設(shè)置有攪拌軸(2)以及安裝在攪拌軸(2)上的攪拌漿G)，所述攪拌軸(2)為從罐頂通下來的上攪拌式或從罐底通上來的下攪拌式。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)酵罐，其特征在于，所述攪拌軸(2)為空心攪拌軸，膜過濾器(6)通過管道(4)與空心攪拌軸連接通向罐外。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)酵罐，其特征在于，所述膜過濾器(6)的材質(zhì)為金屬或陶瓷或樹脂或復(fù)合材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)酵罐，其特征在于，所述管式膜的橫截面形狀為圓形或三角形或水滴形或流線形。
專利摘要本實用新型公開了一種新型發(fā)酵罐，包括罐體、膜過濾器、管道，膜過濾器設(shè)置于罐體內(nèi)部，所述管道一端在罐內(nèi)連接有膜過濾器，管道的另一端通向罐外或通過空心的攪拌軸通向罐外。膜過濾器可以通過管道設(shè)置在罐壁上，也可以設(shè)置在空心的攪拌軸上，膜過濾器與罐的縱軸可以成0-90°角度。在生物發(fā)酵的同時，進行膜分離操作，發(fā)酵罐內(nèi)的正壓或/和罐外的負壓使液相物料透過膜，通過管路到達發(fā)酵罐外的其它裝置，懸浮的細胞和被截流的顆粒被截留在發(fā)酵罐內(nèi)繼續(xù)發(fā)酵。本實用新型的新型發(fā)酵罐利用發(fā)酵罐與膜分離結(jié)合的特點，在罐中實現(xiàn)了細胞培養(yǎng)與產(chǎn)物提取的耦合；不影響細胞的生長和代謝，反應(yīng)效果好，生化反應(yīng)體系穩(wěn)定，且成本低投資小，適合生物反應(yīng)應(yīng)用。
文檔編號C12M1/12GK201272805SQ200820141909

公開日2009年7月15日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者姜泓芳, 杜愛民 申請人:姜泓芳