小分子肽类药物生产设备及工艺

1.本发明属于肽类药物生产技术领域，具体涉及一种小分子肽类药物生产设备及工艺。


背景技术：

2.小分子肽类药物通常是指小分子活性肽，其分子量小与一般的蛋白质，大于氨基酸，大多是由几十个氨基酸组成。现有技术研究显示，小分子肽由于结构简单、分子量小，可以被小肠粘膜迅速吸收，所以其转化率和利用率较高，可以调节机体生理功能，为机体发育提供所需的营养物质。
3.利用工程菌发酵作用生产小分子肽，是常见的技术手段，比如“李文婧,陶妍,赵冬梅,等.人类抗菌肽hepcidin在毕赤酵母中的分泌表达和纯化[j].生物工程学报,2015,31(5):682-691”，该文献利用生物肝脏细胞表达了一类具有抗菌作用和铁代谢调节功能的碱性小分子抗菌肽，这些抗菌肽在机体免疫系统中发挥了重要作用，抑菌实验显示，含有目的抗菌肽的发酵上清对革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌都具有良好的抑菌效果。
[0004]
现有技术中，与工程菌发酵生产小分子肽工艺配套使用的设备是发酵罐，其包括罐体、控温装置和搅拌装置，罐体中设有加料口和出料口，控温装置包括温度传感器、加热器和控制器，搅拌装置包括电机和搅拌桨，上述结构的发酵罐可以实现批式发酵。但是，批式发酵过程中不能更换培养基，导致微生物发酵后期营养不足，上述发酵罐结构也不能将微生物和目的产物分离，需要后续的分离纯化过程。
[0005]
因此，需要开发一种又能补充发酵过程中营养，又能将微生物和目的产物初步分离的设备。


技术实现要素：

[0006]
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种小分子肽类药物生产设备及工艺。
[0007]
本发明提供了一种小分子肽类药物生产设备，包括发酵罐，所述发酵罐上设有温控装置，还包括培养基罐，所述发酵罐位于培养基罐的上方，所述发酵罐与所述培养基罐之间通过输料管连通，形成液体循环通路，所述输料管上还设有泵；
[0008]
所述发酵罐内设置有半封闭罐，所述半封闭罐的罐体下部为封闭结构，上部为镂空网结构，与所述发酵罐连接的所述输料管的端部贯穿所述发酵罐侧壁，并与其同侧的所述封闭结构侧壁及所述封闭结构内部连通，所述封闭结构转动连接所述发酵罐内壁上，且所述封闭结构上安装有控制其转动的动力装置；
[0009]
所述发酵罐内位于所述半封闭罐下方处设置有多肽截留装置，所述多肽截留装置包括箱体和过滤床，所述箱体的顶部设有开口，所述开口位于所述半封闭罐的下方，所述过滤床安装在所述箱体内。
[0010]
优选的，上述小分子肽类药物生产设备，所述镂空网结构上的网孔直径设置在20-30nm。
[0011]
优选的，上述小分子肽类药物生产设备，所述过滤床可拆卸安装在所述箱体内。
[0012]
优选的，上述小分子肽类药物生产设备，所述箱体与所述培养基罐连通。
[0013]
优选的，上述小分子肽类药物生产设备，所述箱体的底部连通废料箱。
[0014]
优选的，上述小分子肽类药物生产设备，所述封闭结构以及所述镂空网结构的侧壁均为喇叭形。
[0015]
优选的，上述小分子肽类药物生产设备，所述半封闭罐以及所述发酵罐均采用透明材料制备，或者所述半封闭罐以及所述发酵罐上设置有透明的观察窗。
[0016]
本发明还提供了一种小分子肽类药物生产工艺，按照“所述箱体底部与所述培养基罐连通”等结构连接方式组装小分子肽类药物生产设备，并按照以下步骤进行发酵：
[0017]
第一步，准备培养基：与发酵液以及培养基接触的所有部件内部均进行灭菌操作，所述培养基罐内添加用于补充发酵过程中营养的营养物质；
[0018]
第二步，接种：开启所述动力装置，使所述镂空网结构位于所述封闭结构上方，向所述半封闭罐内加入灭菌培养基和液体菌种；
[0019]
第三步，第一批发酵：开启所述发酵罐上的温控装置，进行发酵，直至第一批发酵完成，当第一批发酵完成后，开启所述动力装置，使所述镂空网结构位于所述封闭结构下方，所述半封闭罐内粒径大于所述镂空网结构网孔直径的物料保留在其内部，其余物料均流经所述过滤床和箱体，并最终流入培养基罐中；卸掉所述过滤床，回收其上的小分子多肽；
[0020]
第四步，第二批发酵：物料流入培养基罐中后，开启所述动力装置，使所述镂空网结构位于所述封闭结构上方，然后开启所述泵，将所述培养基罐中的培养基重新添加到所述半封闭罐内，继续进行发酵，此时不需要再接种，温控装置也无需关闭。
[0021]
优选的，上述小分子肽类药物生产工艺，还包括：
[0022]
第五步，第n批发酵，n≥3：重复上述第四步的操作，直至所有的发酵批次完成，最后拆卸掉所述过滤床，回收其上的小分子多肽。
[0023]
优选的，上述小分子肽类药物生产工艺，按照“所述箱体的底部连接废料箱”等结构连接方式组装小分子肽类药物生产设备，并按照以下步骤进行发酵：
[0024]
第一步，准备培养基：与发酵液以及培养基接触的所有部件均进行灭菌操作，所述培养基罐内添加用于补充发酵过程中营养的营养物质；
[0025]
第二步，接种：开启所述动力装置，使所述镂空网结构位于所述封闭结构上方，向所述半封闭罐内加入灭菌培养基和液体菌种；
[0026]
第三步，第一批发酵：开启所述发酵罐上的所述温控装置，进行发酵，直至第一批发酵完成，当第一批发酵完成后，开启所述动力装置，使所述镂空网结构位于所述封闭结构下方，所述半封闭罐内粒径大于所述镂空网结构网孔直径的物料保留在其内部，其余物料均流经所述过滤床和箱体，并最终流入废料箱中；卸掉所述过滤床，回收其上的小分子多肽；
[0027]
第四步，第二批发酵：物料流入所述培养基罐中后，开启所述动力装置，使所述镂空网结构位于所述封闭结构上方，然后开启所述泵，将所述培养基罐中的培养基添加到所述半封闭罐内，继续进行发酵，此时不需要再接种，温控装置也无需关闭。
[0028]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0029]
1、本发明的装置实现了多批次培养，间歇性的向培养基中补加营养物质，满足微生物长期发酵的需求，使发酵始终维持在较高的速率下，提高小分子多肽的产量，水等液体可循环使用，节约资源。另外，本发明将多批次发酵得到的小分子多肽收集在过滤床上，实现了微生物和目的产物分离，最后一次性回收，操作便捷，简化了后续的分离纯化过程。
[0030]
2、本发明将半封闭罐设置为可转动，一方面满足小分子多肽分离和培养基补加营养的需求，另一方面，旋转的过程对微生物和发酵液进行了混合，相当于传统发酵罐的“搅拌器”的作用。
附图说明
[0031]
图1为实施例1的小分子肽类药物生产设备的立体结构示意图；
[0032]
图2为实施例1的小分子肽类药物生产设备的工作原理图一；
[0033]
图3为实施例1的小分子肽类药物生产设备的工作原理图二；
[0034]
图4为实施例2的小分子肽类药物生产设备的发酵罐的内部结构示意图。
具体实施方式
[0035]
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
[0036]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0037]
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0038]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0039]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一特征和第二特征直接接触，或第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0040]
实施例1
[0041]
一种小分子肽类药物生产设备，参见图1，包括发酵罐1和培养基罐2，发酵罐1上设
有进料口和出料口，优选的，将进料口和出料口分别设置在发酵罐1的相对的两侧壁上，比如进料口设置在图1所示发酵罐1左侧壁，出料口设置在图1所示发酵罐1右侧壁；发酵罐1上还设有温控装置，温控装置采用现有技术的结构均可，比如包括温度传感器、加热套和控制器，温度传感器安装在发酵罐1内，加热套和控制器安装在发酵罐1外壁，温度传感器和加热套分别与控制器电连接，温度传感器检测发酵罐1内温度，并反馈给控制器，控制器根据温度值以及预设的发酵温度值来确定是否控制加热套进行加热工作。
[0042]
发酵罐1用于进行微生物发酵生产的小分子多肽，以及将微生物与生产的小分子多肽进行分离，培养基罐2用于盛放新鲜的灭菌的培养基，用于给微生物的发酵补给新的营养。在本发明中，发酵罐1位于培养基罐2的上方或者侧上方，发酵罐1与培养基罐2之间通过输料管3串联连通，形成液体循环通路，输料管3上还设有泵4，泵4采用循环泵或者提升泵均可。
[0043]
参见图2，发酵罐1顶部设有可拆卸的罐盖，内设置有半封闭罐5，半封闭罐5的罐体下部为封闭结构51，封闭结构51内部具有空腔，发酵液和发酵物料置于空腔内，不能从封闭结构51侧壁通过，半封闭罐5的罐体上部为镂空网结构52，镂空网结构52与封闭结构51通过螺栓或者螺钉可拆卸连接，二者连接后形成一个中空的罐体，罐体为圆柱状或者立方体形状。与发酵罐1连接的输料管3的端部贯穿发酵罐1侧壁，并与其同侧的封闭结构51侧壁以及封闭结构51内部连通，即封闭结构51的左侧壁连通了一个输料管3端部，右侧壁连通了一个输料管3端部，从输料管3输送的新鲜培养基可进入封闭结构51中。
[0044]
镂空网结构52上的网孔直径小于微生物直径，大于单个氨基酸以及培养基中小分子化合物的粒径，由于菌体直径通常大于40cm，单个氨基酸以及小分子化合物的粒径大多小于10nm，所以可将网孔设置在20-30nm。镂空网结构52的主要作用是将封闭结构51中发酵一段时间后的发酵物料进行过滤，培养基和小分子多肽流出镂空网结构52，微生物保留在镂空网结构52内部。优选的，封闭结构51沿其长度方向两侧均设有转轴511的一端，转轴511的另一端安装在与其同侧的发酵罐1内壁上，任一转轴511上安装有控制其转动的动力装置512，动力装置512为双向旋转电机或者角位移电机，动力装置512的开关位于发酵罐1外壁。
[0045]
发酵罐1内位于半封闭罐5下方处设置有多肽截留装置6，多肽截留装置6包括箱体61和过滤床62，箱体61的顶部设有开口，开口位于半封闭罐5的正下方，开口长度大于半封闭罐5长度，宽度大于半封闭罐5的宽度，使得从镂空网结构52中流出的物料可全部进入箱体61内，过滤床62可拆卸安装在箱体61内，用于吸附小分子多肽，而使其它物质继续向下流动，具体的，箱体61内壁设有环形搁置条，过滤床62放置在环形搁置条上，过滤床62采用填充对小分子多肽具有特异性吸附功能的树脂材料的填充床结构，比如填充床结构的外壳为具有多个滤柱的壳体或者采用孔径非常小的密网，壳体或者密网内填充树脂材料。为了防止物料飞溅到箱体61外，半封闭罐5与箱体61顶部之间的距离为3-5cm，且过滤床62顶部到箱体61顶部之间的距离为8-12cm。箱体61的底部通过物料管63与培养基罐2的顶部连通。
[0046]
本实施例的工作流程如下：
[0047]
第一步，准备培养基：与发酵液以及培养基接触的所有部件均进行灭菌操作，如果设备尺寸较小，直接全部置入灭菌锅中进行灭菌；将发酵需要补加的营养物质加入到培养基罐2内，可在培养基罐2上设置加样口，以实现营养物质的准备；此时泵4处于关闭状态。
[0048]
第二步，接种：开启动力装置512，使半封闭罐5相对于发酵罐1旋转，并使镂空网结
构52位于封闭结构51上方，参见图2，将第一批发酵用的新鲜灭菌培养基和液体菌种加入到半封闭罐5内，可在发酵罐1的罐盖上设置物料输送口，设置软管53，软管53贯穿物料输送口和镂空网结构52的网孔，并将物料输送口和镂空网结构52内部连通，从软管53处向半封闭罐5内加入新鲜灭菌培养基和液体菌种，注意液体不要流出半封闭罐5，加液完毕后，取出软管53并密封物料输送口，或者直接将软管53的管口密封。
[0049]
第三步，第一批发酵：开启发酵罐1上的温控装置，使发酵在合适的温度下进行，发酵一段时间后，培养基中的营养物质被消耗了一部分，微生物代谢活动也产生了小分子多肽，第一批发酵完成。
[0050]
第四步，第二批发酵：当第一批发酵完成后，开启动力装置512，使半封闭罐5相对于发酵罐1旋转，并使镂空网结构52位于封闭结构51下方，参见图3，半封闭罐5内粒径大于网孔直径的微生物等保留在其内部，其余物料均流经箱体61和过滤床62，并最终流入培养基罐2中，与培养基罐2中的营养物质混合，实现对已发酵培养基营养成分的加强；接着再开启动力装置512，使半封闭罐5相对于发酵罐1旋转，并使镂空网结构52位于封闭结构51上方，然后开启泵4，将培养基罐2中的培养基重新添加到半封闭罐5内，继续进行发酵，此时不需要再接种，温控装置也无需关闭；第二批发酵过程中，向培养基罐2补加灭菌后的营养物质，也可单独对培养基罐2进行灭菌。图1所示箭头方向为本发明实施例的液体循环方向。
[0051]
第五步，第n批发酵，n≥3：重复上述第四步的操作，直至所有的发酵批次完成，最后拆卸掉过滤床62，回收其上的小分子多肽，清理发酵装置的所有部件。
[0052]
本发明的装置实现了多批次培养，间歇性的向培养基中补加营养物质，满足微生物长期发酵的需求，使发酵始终维持在较高的速率下，提高小分子多肽的产量，水等液体可循环使用，节约资源。另外，本发明将多批次发酵得到的小分子多肽收集在过滤床62上，实现了微生物和目的产物分离，最后一次性回收，操作便捷，简化了后续的分离纯化过程。
[0053]
本发明设计的半封闭罐5虽然是半封闭结构，但是发酵罐1是封闭结构，所以，微生物的发酵以及小分子多肽的分离均是在封闭环境中进行的，避免染菌。如果是好氧发酵，可以向发酵罐1中通入无菌空气，具体的方法可参照传统发酵罐的无菌空气通入方法，注意无菌操作，防止污染。本发明将半封闭罐5设置为可转动，一方面满足小分子多肽分离和培养基补加营养的需求，另一方面，旋转的过程对微生物和发酵液进行了混合，相当于传统发酵罐的“搅拌器”的作用。
[0054]
需要说明的是，为了温度控制的更佳精确，可将温控装置的温度传感器安装在半封闭罐5内壁上。
[0055]
需要说明的是，为了方便观察发酵情况以及半封闭罐5的位置，将半封闭罐5以及发酵罐1均采用透明材料制备，或者设置透明的观察窗，半封闭罐5以及发酵罐1上观察窗的位置相对应。
[0056]
实施例2
[0057]
一种小分子肽类药物生产设备，与实施例1的结构基本相同，区别在于，箱体61的底部连通的是废料箱，废弃的培养基暂存在废料箱中，待发酵结束后统一处理。培养基罐2中放置的是新鲜灭菌培养基，每次向封闭结构51补加的也是新鲜培养基。
[0058]
实施例3
[0059]
一种小分子肽类药物生产设备，与实施例1的结构基本相同，区别在于，参见图4，
为了方便液体的流动和收集，封闭结构51以及镂空网结构52相背的侧壁，也就是图4中的上方和下方分别设置为喇叭形。
[0060]
需要说明的是，本发明中未特别提及的部件连接关系均默认采用现有技术，由于其不涉及发明点，且为现有技术普遍应用，故不详述结构连接关系。
[0061]
需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0062]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。