一种发酵生产L-苏氨酸的系统的制作方法

本实用新型涉及一种发酵生产L-苏氨酸的系统，属于L-苏氨酸生产技术领域。

背景技术：

L-苏氨酸(Threonine)是Rose在1935年于纤维蛋白水解物中分离并鉴定出来的。1936年Meger对它的空间结构进行了研究，因其结构类似苏糖，故将其命名为苏氨酸。L-苏氨酸是常见的十八种氨基酸中的一种，也是人体必需氨基酸之一，具有恢复疲劳、促进生长发育的效果，广泛应用于食品业、饲料业和医药行业等领域。

当前利用微生物直接发酵法生产L-氨基酸以其原料成本低，来源广泛，产品纯度高，反应条件温和等优点逐渐成为L-苏氨酸的主要工业化生产方法。该方法主要利用L-苏氨酸高产菌株以淀粉糖为原料进行发酵生产获得含有苏氨酸的发酵液，然后通过一定的技术手段从中提取L-苏氨酸。提取工艺方法路线的选择直接影响L-苏氨酸产品的质量优劣，经济成本的高低以及是否满足清洁环保的要求。

常用的细胞培养方法有批次培养、补料批次培养、灌流培养等。通常采用的分批发酵的方法培养时间短，放料、洗罐、灭菌等过程频繁，耗时耗力，且培养过程中副产物积累，影响产生菌的生长和发酵条件，导致产率下降。而灌流培养能使体系中的培养基不断被更新，及时满足细胞对营养物质的需求，同时移除有害代谢产物，给与细胞较优良和稳定的生长环境，这种方法有效地提高了细胞密度和活率，延长了细胞的培养时间，并使得发酵产量大幅上升。基于中空纤维柱截留原理而设计的交替式切向流（alternating tangential flow，ATF）装置具有有效缓解滤膜堵塞，剪切力低等优点，采用ATF作为细胞截留设备的灌流培养系统，是目前较优良的系统。

在下游分离提取工艺中，通常采用离交、等电沉降等方法。传统的离子交换技术，在生产过程中工业排废较多，分离工艺复杂，需要更换流动相，而膜分离技术无需其它溶液，减少了配液工作，同时分离过程中无需改变流动相，易实现连续生产，并且其工艺简单，操作方面，过程易控制。膜分离过程作为一门新型的分离、浓缩、提纯技术，有着节能、高效、无相变等优点，近年来已在各个工业领域及科学研究中取得广泛的应用。随着膜材料、膜工艺、膜装置、膜过程和应用技术的不断涌现，膜技术已从单一膜过程的应用到膜集成过程，再到和其它化工分离过程连用。在解决一些复杂的分离问题时，为了获得最佳的效益，将几种膜分离过程组合起来用，或者将膜分离与其他分离方法结合起来用，将它们各自用在最合适的条件下，发挥其最大效率，是个最合理的工艺流程。

目前工业生产制造正向着自动化连续生产飞速发展，而随着上游灌流培养技术的日渐成熟，为实现发酵行业的上下游一体化连续生产，对能与上游灌流培养技术相结合的下游提取精制工艺需求也日益显著。因此开发出一种高度自动化、可连续的发酵生产L-苏氨酸系统对促进L-苏氨酸的连续生产显得十分迫切。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术苏氨酸提取工艺工业排放多，工艺繁琐等缺陷，提供一种发酵生产L-苏氨酸的系统，进一步实现高度自动化操作，节约人力。

本实用新型的技术方案，一种发酵生产L-苏氨酸的系统，包括补料罐、发酵罐、交替式切向流过滤装置、纳滤罐、纳滤装置、反渗透罐、反渗透装置、多效蒸发装置和离心装置；所述补料罐与发酵罐连接，发酵罐与交替式切向流过滤装置连接，交替式切向流过滤装置与纳滤罐连接，纳滤罐与纳滤装置连接，纳滤装置与反渗透罐连接，反渗透罐与多效蒸发装置连接，多效蒸发装置与离心装置连接；所述反渗透装置与反渗透罐构成循环回路。

所述补料罐与发酵罐连接的管道上设有比例调节阀；补料罐上设有冷却水夹层，补料罐上设有温度传感器。

所述发酵罐与交替式切向流过滤装置的连接管路上设有发酵罐罐底阀；所述发酵罐罐体上设有冷却水夹层；所述发酵罐上还安装有温度传感器、溶氧传感器和pH检测器。

所述反渗透装置的进口管路和回流管路与反渗透罐连接，形成循环管路，透过出口与排放管路连接；所述循环管路上设有反渗透隔膜泵和反渗透透过阀。

所述交替式切向流过滤装置与纳滤罐连接的管路上设有ATF透过阀；交替式切向流过滤装置上端设有ATF隔膜泵。

所述纳滤罐与纳滤装置连接的管路上设有纳滤罐罐底阀和纳滤隔膜泵；纳滤装置与纳滤罐构成循环回路，循环回路上设置纳滤回流阀和纳滤排放阀。

所述纳滤装置与反渗透罐连接的管路上设置纳滤透过阀。

所述反渗透罐与多效蒸发装置连接的管路上设有反渗透罐罐底阀和蒸发结晶隔膜泵，多效蒸发装置与离心装置连接的管路上设有蒸发结晶罐罐底阀和离心前隔膜泵。

所述发酵生产L-苏氨酸的系统通过自动控制系统进行控制；所述自动控制系统控制所有设备及部件；所述自动控制系统的控制器为PLC控制器。

本实用新型的有益效果：本实用新型中采用ATF装置过滤发酵液，系统不使用蠕动泵，对细胞的影响力更加温和，且交替流在过滤膜表面形成了反冲，有利于降低过滤器污染。

附图说明

图1是本实用新型发酵生产L-苏氨酸的系统图。

图2是本实用新型电路连接示意图。

附图标记说明：1、补料罐；2、发酵罐；3、ATF装置；4、纳滤罐；5、纳滤装置；6、反渗透罐；7、反渗透装置；8、蒸发结晶装置；9、离心装置；10、比例调节阀；11、发酵罐罐底阀；12、ATF透过阀；13、纳滤罐罐底阀；14、纳滤回流阀；15、纳滤排放阀；16、纳滤透过阀；17、反渗透透过阀；18、反渗透罐罐底阀；19、蒸发结晶罐罐底阀；20、ATF隔膜泵；21、纳滤隔膜泵；22、反渗透隔膜泵；23、蒸发结晶隔膜泵；24、离心前隔膜泵。

具体实施方式

如图1所示，一种发酵生产L-苏氨酸的系统，包括补料罐1、发酵罐2、交替式切向流过滤装置3、纳滤罐4、纳滤装置5、反渗透罐6、反渗透装置7、多效蒸发装置8和离心装置9；所述补料罐1与发酵罐2连接，发酵罐2与交替式切向流过滤装置3连接，交替式切向流过滤装置3与纳滤罐4连接，纳滤罐4与纳滤装置5连接，纳滤装置5与反渗透罐6连接，反渗透罐6与多效蒸发装置8连接，多效蒸发装置8与离心装置9连接；所述反渗透装置7与反渗透罐6构成循环回路。

所述补料罐1与发酵罐2连接的管道上设有比例调节阀10；补料罐1上设有冷却水夹层，补料罐1上设有温度传感器、液位传感器和压力传感器。

所述发酵罐2与交替式切向流过滤装置3的连接管路上设有发酵罐罐底阀11；所述发酵罐2罐体上设有冷却水夹层；所述发酵罐2上还安装有温度传感器、溶氧传感器、pH传感器和压力传感器。

所述反渗透装置7的进口管路和回流管路与反渗透罐6连接，形成循环管路，透过出口与排放管路连接；所述循环管路上设有反渗透隔膜泵22和反渗透透过阀17。

所述交替式切向流过滤装置3与纳滤罐4连接的管路上设有ATF透过阀12；交替式切向流过滤装置3上端设有ATF隔膜泵20。

所述纳滤罐4与纳滤装置5连接的管路上设有纳滤罐罐底阀13和纳滤隔膜泵21；纳滤装置5与纳滤罐4构成循环回路，循环回路上设置纳滤回流阀14和纳滤排放阀15；所述纳滤罐4上还装有温度传感器、液位传感器和压力传感器。

所述纳滤装置5与反渗透罐6连接的管路上设置纳滤透过阀16。

所述反渗透罐6与多效蒸发装置8连接的管路上设有反渗透罐罐底阀18和蒸发结晶隔膜泵23，多效蒸发装置8与离心装置9连接的管路上设有蒸发结晶罐罐底阀19和离心前隔膜泵24；所述反渗透罐6上还装有温度传感器、液位传感器和压力传感器。

所述发酵生产L-苏氨酸的系统通过自动控制系统进行控制；所述自动控制系统控制所有设备及部件，具体控制电路图如图2所示；所述自动控制系统的控制器为PLC控制器或DCS控制系统。

所述系统生产L-苏氨酸的方法，包括以下步骤：

（1）在5L补料罐1和发酵罐2中分别注入3L培养基，补料罐1、发酵罐2和ATF装置3经过121℃高温灭菌后将温度降至培养温度37℃；

（2）向发酵罐2接入产生菌为大肠杆菌的L-苏氨酸种子液，培养过程中监控溶氧、pH等，取样测吸光度，确认培养至对数期后，启动ATF装置3，打开ATF透过阀12，控制透过流速100mL/h，使过滤速度保持在较低的水平。同时打开补料罐罐底比例调节阀10，通过补料罐压差传料，调节比例调节阀10开度使流速保持100mL/h；

（3）含有L-苏氨酸发酵液经过ATF装置3中的微滤膜过滤，选用无机微滤膜，孔径为500nm，在温度37℃条件下进行过滤，从透过管路得到去除菌体及微粒的苏氨酸清液Ⅰ，含有菌体的母液Ⅰ回流至发酵罐2继续培养；

（4）当纳滤罐4中的清液Ⅰ收集到2L后，利用孔径截留分子量为1000Da的纳滤膜，在压强1MPa，温度37℃条件下，对苏氨酸清液Ⅰ进行过滤，通过反渗透罐6收集从透过管路流出的苏氨酸清液Ⅱ，过滤后的母液Ⅱ回流至纳滤前的纳滤罐4，与后续清液Ⅰ混合，重复第二步，直到无清液Ⅰ补充后，将纳滤罐2中的母液Ⅱ浓缩到300 mL，关闭纳滤回流阀14，开启纳滤排放阀15，排出浓缩后的母液Ⅱ；

（5）当苏氨酸清液Ⅱ达到2L后，经膜材料为醋酸纤维素，孔径为80Da的反渗透膜，在压强3MPa，温度37℃条件下，循环浓缩过滤，透过液通过排放管路排出，直到无清液Ⅱ补充后，浓缩到1L后，停止过滤，得到L-苏氨酸浓缩液；

（6）L-苏氨酸浓缩液经过蒸发结晶，控制温度60℃，真空度-0.08Mpa，浓缩3-4倍后，进行冷结晶，最后传入离心装置9，在6000rpm条件下离心脱水，干燥后，得到纯度为98%的L-苏氨酸晶体，L-苏氨酸的收率为85.6%。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。