一种电磁耦合镶嵌式双罐体装置及其应用的制作方法

1.本发明属于微生物发酵领域，具体涉及一种电磁耦合镶嵌式双罐体装置及其应用。


背景技术：

2.生物医药、食品、生物农药及污水处理等行业中离不开生物发酵，当今生物发酵行业存在如下缺点：（1）生物发酵带来大量的废水和特殊气味的废气，不仅回收和处理困难，增加了原料单耗，降低了产品转化率，还会污染后续发酵过程，导致原料的进一步浪费；（2）化学原料药生产带来的污染存在种类多、成份复杂、浓度大、毒性高、波动性大、间歇式排放、ph值不稳定、化学需氧量高、难以生化降解等特点，给污染物的治理带来巨大难度和成本压力；（3）当今生物发酵还面临最大的技术问题，发酵设备缺乏技术创新，尽管在加料、补料、搅拌、调酸碱、罐体消毒、温控、过滤空气消毒等方面自动化程度高，这些参数在线控制常采用dcs来实现，但工业发酵采用传统的单罐发酵，单罐发酵获得目标产物有边界效应，也就是说，无论怎么优化发酵参数、科学合理配料还是利用合成生物学甚至基因编辑技术对工业菌种进行基因改造，工业菌种在单罐发酵获得目标产物都是有限的提高，此为当今生物发酵行业面临最大的技术“瓶颈”。
3.针对常规生物发酵这一“瓶颈”，本发明利用电磁耦合镶嵌式双罐体装置进行发酵，该发酵方式的优点如下：（1）电磁耦合双罐体发酵大罐镶嵌两个单罐，每个单罐设立搅拌器，每个单罐表面开设排列有规则的小孔，单罐搅拌器转向相反，转速可调，大罐罐周围布设磁场，由于小罐搅拌器转速不同，整个罐体形成无数生物电场，工业微生物菌种在电磁耦合环境下进行基因与蛋白时序高效表达；（2）该发酵系统磁场强度可调，电场强度因两个单罐搅拌速度、配料微量元素添加量、流体的粘度、补料等相关；（3）镶嵌式双罐体发酵发挥工业菌种产目标产物优势明显，也即镶嵌式双罐体发酵有助于目标产物基因的副调控因子失效、正调控增效作用；（4）镶嵌式双罐体发酵能缩短发酵周期，减少副产物的排放（废水、废渣和废气）；最终节能减耗，目标产物大量生产；（5）通过该系统的电场和磁场强度的优化组合，充分发挥工业菌种在该系统发酵潜能，从而使工业菌种在该系统发酵时的目标产物基因转录高效表达。


技术实现要素：

4.为了解决传统发酵行业采用单罐体发酵存在的诸多缺陷问题，首先，本发明提供一种电磁耦合镶嵌式双罐体装置，该装置包括大型发酵罐（1），内镶嵌两个形状与体积相同的小罐，小罐周围布设无数规则圆形均匀分布的小孔（21），两个小罐内部安装搅拌器（22），大罐周围布设磁场（3），大罐内安置循环水加热管道（13），消毒空气管道（14），ph传感器（11），溶解氧传感器（12），自动调酸碱系统，自动补料系统，大型发酵罐（1）与两个小罐采用dcs在线控制系统。
5.本发明中，工业微生物菌种在电磁耦合场进行目标产物高效表达，由于该装置中
单罐体搅拌速度不同、发酵配方、补料物质、流体粘度形成的电场强度不同（0～100mv/cm)，而磁场强度可在由n和s极距离进行调节(0.1
‑
0.6t)；电磁耦合镶嵌式双罐体发酵系统可以减少工业菌种发酵副产物排放同时增加工业菌种目标产物的生产量和缩短发酵周期；电磁耦合双罐体装置发酵对小金色链霉菌、金色产色链霉菌和淡紫链霉菌海南变种等生物农药工业菌种的生产效价的提高作用显著；利用电磁耦合镶嵌式双罐体装置进行发酵颠覆传统工业发酵技术，满足国家倡导绿色生物智能制造的要求，对食品、酶化工、医药、发酵饲料行业是颠覆性变革技术。
6.在本发明的优选的实施方式中，大罐体积根据实际发酵要求可调，优选为0.03～100m3；优选小罐体积为大罐体积的1/3。
7.在本发明的优选的实施方式中，所述的小孔的直径为1～2mm，并且，一个小罐小孔直径为另一个小孔直径的2倍。
8.在本发明的优选的实施方式中，所述的搅拌器转速功率0.75kw～75kw，两个小罐中的搅拌器转向相反，转速可调，大罐罐体周围布设磁场，两个小罐的搅拌器转速不同，整个罐体形成无数个电场。
9.在本发明的优选的实施方式中，所述的磁场是由两块n极和s极之间距离远近调节磁感应强度，其磁感应强度为0.1
‑
0.6t，优选为0.2t；该装置外加电场通过直流电源，其电流强度可调距间为0
‑
100mv/cm，优选为40mv/cm。
10.本发明还保护所述的装置在发酵小金色链霉菌产春雷霉、金色产色链霉菌和淡紫链霉菌海南变种中的应用。
11.其中，小金色链霉菌培养基配方可参考授权的发明专利“一种春雷霉素发酵培养基及发酵方法（cn201711346595.6）”，小金色链霉菌的发酵培养基的配方为：黄豆粕粉8.0% ，nacl0.5%，玉米浆干粉1.0%，麦芽糖2.5%，鱼油4.0%，kh2po
4 0.05% ，肌醇0.03%，灭菌水配置，ph7.2；金色产色链霉菌发酵培养基的配方为：玉米粉10%、低温黄豆饼粉2.5%、啤酒酵母粉0.4%、鱼粉0.5%、nacl 0.3%、caco
3 0.3%、kh2po
4 0.05%、α
‑
淀粉酶0.015%，灭菌水配置，高温消毒备用，所述发酵培养基的ph值6.5
‑
6.8，经高温消毒备用；淡紫链霉菌海南变种发酵培养基的配方为：可溶性淀粉（ar）1.0%、mgso4·
7h2o（ar）0.045%、kh2po4（ar）0.10%、kcl（ar）0.045%、nano3（ar）0.125%、feso4·
7h2o（ar）0.001%，其余是蒸馏水，ph6.8
‑
7.0，经高温消毒配置。
12.在本发明的优选的实施方式中，小金色链霉菌、金色产色链霉菌和淡紫链霉菌海南变种在单罐体发酵条件与发酵工艺与电磁耦合镶嵌式双罐体发酵条件与发酵工艺相同。
13.在本发明的优选的实施方式中，在磁场强度为0.2t，电场强度60mv/cm时，小金色链霉菌在单罐体发酵平均效价为14520
±
125μg/ml，发酵周期为189h，小金色链霉菌在电磁耦合镶嵌式双罐体装置发酵的平均效价为16252
±
106μg/ml，发酵周期为180h；其发酵效价高于其他任何磁场和电场强度的组合。
14.在本发明的优选的实施方式中，在磁场强度为0.3t，电场强度40mv/cm时，金色产色链霉菌在单罐体发酵的平均效价为3125
±
18μg/ml，发酵周期120h；金色产色链霉菌在电磁耦合镶嵌式双罐体装置发酵的平均效价为3925
±
13.6μg/ml，发酵周期108h；其发酵效价高于其他任何的磁场和电场强度的组合。
15.在本发明的优选的实施方式中，在磁场强度为0.2t，电场强度40mv/cm时，淡紫链
霉菌海南变种在单罐体发酵的平均效价为8795
±
95μg/ml，发酵周期84h；淡紫链霉菌海南变种在电磁耦合镶嵌式双罐体发酵的平均效价为11189
±
103μg/ml，发酵周期76h；其发酵效价高于其他任何的磁场和电场强度的组合。
16.与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、电磁耦合镶嵌式双罐体装置发酵在宏观上可以缩短目标工业菌种的发酵周期，同时为企业提高单位时间的生产产量和节能减耗，进一步减少发酵企业在单位时间的三废排放量；缓解企业三废处理压力，缩短企业流动资金周转时间，进一步增加企业资金使用率；2、电磁耦合镶嵌式双罐体装置发酵可提高目标工业菌种的生产效价，进一步为企业提高市场竞争力和高附加值的技术产品；电磁耦合镶嵌式双罐体装置发酵在微观上充分调动目标工业菌种基因时序高效表达，也即镶嵌式双罐体发酵有助于目标产物基因的副调控因子失效、正调控增效作用。
附图说明
17.下面结合附图做进一步的说明：图1为本发明的电磁耦合镶嵌式双罐体装置。
18.其中，包括大型发酵罐（1），单罐（2），磁场（3），小孔（21），搅拌器（22），ph传感器（11），溶解氧传感器（12），循环水加热管道（13），消毒空气体管道（14）。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
20.下面结合实施例，进一步阐述本发明。
21.实施例1：(1)单罐体三级发酵设备购置南京天汇生物科技有限公司，零级发酵罐总体积为5l，一级发酵发酵罐体积为30l，二级发酵罐体积为50l，每个发酵罐安装消毒的空气导管、消毒空气由小型空气压缩机产生并由导管输入至发酵罐（装有空气流量计），消毒罐体的水蒸气由蒸汽发生器产生并由导管输入至发酵罐（中间装有电磁阀、蒸汽计量计），每个发酵罐装有实时监控溶解氧、ph、温度、转速、补料、消泡和补酸碱系统。电磁耦合镶嵌式双罐体是经设计加工，零级电磁耦合双罐体外周罐为5l，内置两个1.5l单罐，其周围布设磁场和电场，内置单罐开设直径为1mm和2mm孔径，镶嵌式双罐体一级发酵发酵罐体积为30l，内置两个10l单罐，其周围布设磁场和电场，内置单罐开设直径为1mm和2mm孔径，二级发酵罐体积为50l，内置两个20l单罐，其周围布设磁场和电场，内置单罐开设直径为1mm和2mm孔径，其余发酵条件、接种量等参数同单罐体发酵相同，小金色链霉菌各级发酵罐的发酵培养基配方为：玉米粉为0.3%，葡萄糖为0.35%、酵母浸粉为0.35%、kh2po
4 0.15%，caco
3 0.45%,豆粕0.45%，鱼粉0.13%，nacl0.15%，豆油0.015%，(nh4)2so
4 0.1%，gpe消泡剂 0.006%，淀粉酶0.0005%，余量为灭菌水。批次接种量为发酵体积的10～15%，零级发酵时间为29h，一级发酵时间34h和二级发酵时间为189h。发酵条件为：温度28～30℃、通气量1:1、搅拌转速150～
200rpm、罐压0.02mpa，发酵189h收集发酵清液提纯获得春雷霉素。二级罐发酵120h后的发酵液经12000rmp超速离心30min的上清液依次经陶瓷膜过滤(膜平均孔径0.1μm，跨膜压0.2
‑
0.3mpa)测定其春雷霉素含量，具体结果见下表1。
[0022] 表1 电磁耦合镶嵌式双罐体发酵小金色链霉菌与常规单罐体发酵效果对比实施例2：(2) 单罐体三级发酵设备购置南京天汇生物科技有限公司，零级发酵罐总体积为5l，一级发酵发酵罐体积为30l，二级发酵罐体积为50l，每个发酵罐安装消毒的空气导管、消毒空气由小型空气压缩机产生并由导管输入至发酵罐（装有空气流量计），消毒罐体的水蒸气由蒸汽发生器产生并由导管输入至发酵罐（中间装有电磁阀、蒸汽计量计），每个发酵罐装有实时监控溶解氧、ph、温度、转速、补料、消泡和补酸碱系统。电磁耦合镶嵌式双罐体是经设计加工，零级电磁耦合双罐体外周罐为5l，内置两个1.5l单罐，其周围布设磁场和电场，内置单罐开设直径为1mm和2mm孔径，镶嵌式双罐体一级发酵发酵罐体积为30l，内置两个10l单罐，其周围布设磁场和电场，内置单罐开设直径为1mm和2mm孔径，二级发酵罐体积为50l，内置两个20l单罐，其周围布设磁场和电场，内置单罐开设直径为1mm和2mm孔径，其余发酵条件、接种量等参数同单罐体发酵相同，金色产色链霉菌发酵培养基配方为：玉米粉10%、低温黄豆饼粉2.5%、啤酒酵母粉0.4%、鱼粉0.5%、nacl 0.3%、caco
3 0.3%、kh2po
4 0.05%、α
‑
淀粉酶0.015%，灭菌水配置，高温消毒备用。批次接种量为发酵体积的10～15%，零级发酵时间为24h，一级发酵时间48h和二级发酵时间为120h。发酵条件为：温度28～30℃、通气量1.5:1、搅拌转速150～200rpm、罐压0.02mpa，二级发酵120h收集发酵清液，提纯获得多抗霉素，多抗霉霉素效价测定采用生物测定法，具体测定结果见下表2。
[0023]
表2 电磁耦合镶嵌式双罐体发酵金色产色链霉菌与常规单罐体发酵效果对比
实施例3：(3)单罐体三级发酵设备购置南京天汇生物科技有限公司，零级发酵罐总体积为5l，一级发酵发酵罐体积为30l，二级发酵罐体积为50l，每个发酵罐安装消毒的空气导管、消毒空气由小型空气压缩机产生并由导管输入至发酵罐（装有空气流量计），消毒罐体的水蒸气由蒸汽发生器产生并由导管输入至发酵罐（中间装有电磁阀、蒸汽计量计），每个发酵罐装有实时监控溶解氧、ph、温度、转速、补料、消泡和补酸碱系统。电磁耦合镶嵌式双罐体是经设计加工，零级电磁耦合双罐体外周罐为5l，内置两个1.5l单罐，其周围布设磁场和电场，内置单罐开设直径为1mm和2mm孔径，镶嵌式双罐体一级发酵发酵罐体积为30l，内置两个10l单罐，其周围布设磁场和电场，内置单罐开设直径为1mm和2mm孔径，二级发酵罐体积为50l，内置两个20l单罐，其周围布设磁场和电场，内置单罐开设直径为1mm和2mm孔径，其余发酵条件、接种量等参数同单罐体发酵相同，淡紫链霉菌的发酵培养基配方为：可溶性淀粉（ar）1.0%mgso4·
7h2o、（ar）0.045%、kh2po4（ar）0.10%、kcl（ar）0.045%、nano3（ar）0.125%、feso4·
7h2o（ar）0.001%，其余是蒸馏水，ph6.8
‑
7.0，高温消毒备用。批次接种量为发酵体积的10～15%，零级发酵时间为24h，一级发酵时间48h和二级发酵时间为84h。发酵条件为：温度28～30℃、通气量1:1、搅拌转速150～200rpm、罐压0.02mpa，二级发酵84h收集发酵清液，提纯获得中生菌素，中生菌素效价测定采用生物测定法，具体测定结果见下表3。
[0024]
表3电磁耦合镶嵌式双罐体发酵淡紫链霉菌海南变种与常规单罐体发酵效果对比
虽然，上文中已经用了一般性说明，具体实施方式及试验，对本发明做了详细的描述，但在本发明基础上，可以对之作做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此在不偏离本发明的基础上所做的一些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。