專利名稱：多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器領(lǐng)域，特別涉及多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
固態(tài)發(fā)酵在中國有悠久的歷史，多用于食品生產(chǎn)。固態(tài)發(fā)酵是微生物如真菌、霉菌、酵母和細(xì)菌在潮濕的固體基質(zhì)上的生長技術(shù)。與常規(guī)的液態(tài)發(fā)酵過程相比，固態(tài)發(fā)酵單位體積底物在反應(yīng)器中所占的體積小，產(chǎn)量高，成本低。因此近年來，人們又開始對固態(tài)發(fā)酵及其生產(chǎn)酶及微生物代謝產(chǎn)物的能力產(chǎn)生濃厚的興趣。然而，盡管有這些優(yōu)越性，由于固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計水平相對落后，我國固態(tài)發(fā)酵工藝還多為傳統(tǒng)的生產(chǎn)形式。
固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩大類。在靜態(tài)體系中，整個發(fā)酵過程中固態(tài)基質(zhì)保持不動，動態(tài)發(fā)酵體系則能夠在發(fā)酵過程中提供物料的混合方式。目前國內(nèi)工業(yè)固態(tài)發(fā)酵普遍采用淺盤或培養(yǎng)池進行發(fā)酵，物料通常為靜態(tài)，因此很難實現(xiàn)發(fā)酵過程的有效熱交換。很多固態(tài)發(fā)酵工藝采用通氣法帶走熱量，這種方式不僅帶走了熱量，還使固體基質(zhì)的水份蒸發(fā)，導(dǎo)致物料表面干燥，同時還會造成物料溫度分布的不均一性，使得微生物的生長活性不均一(Murthy，et al.，BiochemicalEngineering Aspects of Solid-State Fermentation.Advances in AppliedMicrobiology，3899-147)。因此影響發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，以克服現(xiàn)有固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器在物料發(fā)酵過程的有效熱交換率低，微生物的生長活性不均一等缺陷，使微生物發(fā)酵的所有操作，包括滅菌、接種、培養(yǎng)、產(chǎn)物分離以及分離后處理，均可以在本發(fā)明所述的反應(yīng)器中完成，同時提高發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量。
固態(tài)發(fā)酵一般包括如下步驟1)培養(yǎng)設(shè)備和培養(yǎng)基的滅菌；2)接種；3)微生物固態(tài)發(fā)酵；4)微生物產(chǎn)品的提?。?)廢料和培養(yǎng)設(shè)備的后處理。本發(fā)明提供的多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器能夠?qū)⑸鲜龉虘B(tài)發(fā)酵步驟在一個單一的密閉反應(yīng)器中完成，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在培養(yǎng)過程中微生物的生長環(huán)境精確控制，使反應(yīng)器內(nèi)溫度、水份均勻，縮短或消除微生物生長的延遲期，可以大大加快固態(tài)發(fā)酵過程，還可以實現(xiàn)反應(yīng)器中的化學(xué)物質(zhì)、營養(yǎng)成分無污染均勻添加。另外，本發(fā)明還可以適用于微生物產(chǎn)物的提取，可實現(xiàn)物料的自動進出。本發(fā)明的多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器適用于多種微生物的發(fā)酵過程。
本發(fā)明的多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)包括主發(fā)酵罐、轉(zhuǎn)動支架、物料輸入輸出裝置、傳動裝置和控制裝置。
所述的圓柱形主發(fā)酵罐1的一端有一固定中心軸32，所述的固定中心軸32被一環(huán)形法蘭18固定在主發(fā)酵罐1上；主發(fā)酵罐1的另一端為一透明圓臺形的圓臺視窗33(可為聚碳酸酯材料)，圓臺視窗33的一端與主發(fā)酵罐1連接，其連接處有一密封圈19，圓臺視窗33的另一端為物料進出口6；所述的固定中心軸32上安裝有換熱器流體輸入管13、換熱器流體輸出管16、發(fā)酵罐流體輸入管21、浸取液輸出管34、傳感器及開有出氣口25；所述的換熱器流體輸入管13和換熱器流體輸出管16分別與主發(fā)酵罐1內(nèi)的換熱器12連接，換熱器流體輸入管13與主發(fā)酵罐1外的載熱流體輸入閥門14連接，載熱流體輸入閥門14上連接有溫度控制裝置A；所述的換熱器12內(nèi)的換熱蛇管15的兩端分別與換熱器流體輸入管13和換熱器流體輸出管16連接。
所述的發(fā)酵罐流體輸入管21一端與主發(fā)酵罐1內(nèi)部為一帶有流體出口的流體輸入分布管22連接，流體輸入分布管22為剛性，長度略短于罐體，內(nèi)有流體導(dǎo)向隔柵23的管體；另一端連接滅菌氣體輸入閥門17、接種液閥門20、進氣閥門27、補料閥門28、浸取液閥門29，滅菌氣體輸入閥門17與滅菌氣體壓力控制裝置連接，進氣閥門27與壓力輸入控制裝置連接；所述的出氣口25一端安裝于固定中心軸32上，主發(fā)酵罐1外的一端連接有出氣閥門26，其上連接壓力輸出控制裝置C；所述的物料輸入輸出裝置是在主發(fā)酵罐1內(nèi)部的物料進出口6的一端安裝固定螺旋葉片11；所述的浸取液輸出管34在主發(fā)酵罐1內(nèi)部的一端裝有濾膜30，另一端連接有液泵31；所述的傳動裝置是在發(fā)酵罐外側(cè)安裝有環(huán)形齒輪10，環(huán)形齒輪10與驅(qū)動電機8的主動輪9嚙合；主發(fā)酵罐1在驅(qū)動電機8的帶動下能夠順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，配合物料進出口6的固定螺旋葉片的方向，可以實現(xiàn)物料的自動裝載、出料及混勻。
所述的控制裝置是在固定中心軸32上安裝有溫度控制傳感器A、滅菌氣體壓力控制傳感器B、壓力輸出控制傳感器C和壓力輸入控制傳感器D。
所述的流體輸入分布管22上有流體出口24，使輸入的流體能夠在發(fā)酵罐中沿軸向均勻分布于罐體中。輸入的流體可以為氣態(tài)或液態(tài)。流體輸入管道可以向反應(yīng)器中運送蒸汽、臭氧或其他化學(xué)物質(zhì)，用于發(fā)酵前后主反應(yīng)器及其中物料的滅菌，還可以在發(fā)酵反應(yīng)的任何階段，向其中添加水、氧氣或其他發(fā)酵所需物質(zhì)。
為提高換熱效率，本發(fā)明改變了通常的鼓風(fēng)換熱形式，在反應(yīng)器內(nèi)部安裝有換熱器，可載有冷或熱流體，以傳導(dǎo)方式加熱或冷卻物料，實現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)部溫度精確控制，以達到不同微生物發(fā)酵的要求。反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)帶動物料動態(tài)混合，換熱器在實現(xiàn)熱交換的同時，還有助于物料混合均勻。
另外，該反應(yīng)器還能夠提供從微生物中提取有用物質(zhì)的方式。從流體輸入管道向發(fā)酵罐中運送提取液，可以在主反應(yīng)器中實現(xiàn)微生物產(chǎn)物的提取。
所述的物料輸入輸出裝置進一步有一進料斗3與物料進出口6對接，進料斗3的一端與一軌道4滑動連接，以便于控制進料斗的運行，進料斗3的另一端料斗下進料口5與物料進出口6對接。
所述的進料斗3的料斗下進料口5的管道內(nèi)安裝有料斗擋板7。
所述的主發(fā)酵罐1的罐身為圓柱形，安放方式為臥式安放。
由于發(fā)酵罐1的一端為透明圓臺形，所以可以觀察反應(yīng)器內(nèi)部的情況，內(nèi)部有固定螺旋葉片，為物料輸入、輸出裝置。
所述的主發(fā)酵罐1可被進一步安放在轉(zhuǎn)動支架2上。
本發(fā)明中的多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的優(yōu)點在于微生物發(fā)酵的所有操作，包括滅菌、接種、培養(yǎng)、產(chǎn)物分離以及分離后處理，均可以在本發(fā)明所述的反應(yīng)器中完成；該反應(yīng)器的主發(fā)酵罐設(shè)有固定中心軸32，流體輸入輸出及各種控制系統(tǒng)均可以安裝在固定中心軸上，另一端為圓臺形視窗33，可以觀察發(fā)酵全過程；該反應(yīng)器采用全密封操作，避免反應(yīng)器內(nèi)部及其中的物料與外環(huán)境接觸，減少了染菌的可能性；利用本發(fā)明進行固態(tài)發(fā)酵可縮短微生物的生長延遲期，大大縮短了發(fā)酵周期；該反應(yīng)器中的固態(tài)發(fā)酵物料動態(tài)混合，不易板結(jié)，通過進氣、排氣周期交替進行，實現(xiàn)氣體傳質(zhì)，以傳導(dǎo)方式實現(xiàn)溫度控制，傳質(zhì)、傳熱均勻；并且在發(fā)酵周期中的任何階段，都可以向反應(yīng)器中補加液態(tài)料液；反應(yīng)器內(nèi)溫度、濕度、壓力等操作參數(shù)能夠精確控制，大大提高固態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)量。
該反應(yīng)器空間利用率高，生產(chǎn)成本低，可以用于多種微生物的固態(tài)發(fā)酵過程及微生物代謝產(chǎn)物的提取。


圖1.本發(fā)明的多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器側(cè)視圖；圖2.本發(fā)明的多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器主視示意3.本發(fā)明的多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的進料斗示意圖；圖4.本發(fā)明的多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的換熱器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5.本發(fā)明的多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的流體輸入分布管縱截面示意圖；圖6.本發(fā)明的多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的流體輸入分布管橫截面示意圖。
附圖標(biāo)記1.主發(fā)酵罐2.轉(zhuǎn)動支架3.進料斗4.軌道
5.料斗下進料口 6.物料進出口7.料斗擋板 8.電機9.主動輪 10.齒輪 11.螺旋葉片 12.換熱器1 3.換熱器流體輸入管 14.載熱流體輸入閥門15.換熱蛇管16.換熱器流體輸出管17.滅菌氣體入口閥門18.法蘭 19.密封圈20.接種液閥門 21.發(fā)酵罐流體輸入管22.流體輸入分布管 23.流體分布隔柵24.分布管流體出口 25.出氣口26.出氣閥門27.進氣閥門28.補料閥門 29.浸取液閥門30.濾膜31.液泵 32.固定中心軸33.圓臺視窗34.浸取液輸出管A溫度控制裝置B滅菌氣體壓力控制裝置C壓力輸出控制裝置D壓力輸入控制裝置具體實施方式
下面結(jié)合附圖1～6詳細(xì)說明本發(fā)明的多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的工作原理一金屬多功能反應(yīng)器的主發(fā)酵罐1安放于金屬轉(zhuǎn)動支架2上，該反應(yīng)器的主發(fā)酵罐1設(shè)有固定中心軸32，流體輸入輸出及各種控制系統(tǒng)均安裝在固定中心軸32上。經(jīng)過預(yù)處理的發(fā)酵物料裝載入進料斗3，通過進料斗軌道4移動，使下進料口5與主發(fā)酵罐1的物料進出口6配合，料斗擋板7打開，在電機8的驅(qū)動下，主動輪9帶動發(fā)酵罐外齒輪10，使發(fā)酵罐順時針轉(zhuǎn)動，螺旋葉片11將固態(tài)物料導(dǎo)入發(fā)酵罐中。發(fā)酵物料在靜摩擦力的帶動下，動態(tài)混勻，沿發(fā)酵罐軸向均勻分布。這時，換熱器12的流體輸入管13的閥門14打開，熱流體進入換熱器蛇管15，由流體輸出管16流出，以傳導(dǎo)方式加熱發(fā)酵罐及其中的物料，待溫度升至預(yù)定溫度，溫度控制裝置A作用閥門14，保持發(fā)酵罐中的溫度，滅菌氣體(蒸汽、臭氧或其他滅菌氣體)閥門17開啟，壓力逐漸升高，壓力控制裝置B作用使發(fā)酵罐內(nèi)達到預(yù)設(shè)壓力，法蘭18、密封圈19使發(fā)酵罐密閉，壓力維持，滅菌氣體對發(fā)酵罐內(nèi)部及其中的物料進行滅菌。滅菌后通過換熱器中冷熱流體控制，使發(fā)酵罐內(nèi)環(huán)境達到適宜溫度，新鮮種子菌液經(jīng)由閥門20發(fā)酵罐流體輸入管21及流體分布管22，在隔柵23的導(dǎo)向作用下，沿軸向均勻分布，通過流體出口24，流入主發(fā)酵罐內(nèi)，實現(xiàn)接種。
發(fā)酵過程中，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度通過換熱器中的冷、熱流體帶走或帶入熱量，對發(fā)酵罐及其內(nèi)部物料進行冷卻或加熱，同時發(fā)酵物料為動態(tài)，避免局部過熱，以保持發(fā)酵罐內(nèi)的溫度在發(fā)酵各個階段均能夠精確控制在所需溫度。
本發(fā)明所述的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的固態(tài)物料的傳質(zhì)通過轉(zhuǎn)鼓方式實現(xiàn)。在電機8的驅(qū)動下，主動輪帶動從動輪，使發(fā)酵罐轉(zhuǎn)動，從而使物料分散混勻，防止物料聚集結(jié)塊。氣體傳質(zhì)則通過壓力周期變化來實現(xiàn)。在進氣周期，壓力輸出控制裝置C作用使出氣口25的閥門26關(guān)閉，進氣閥27在壓力輸入控制裝置D作用下開啟，經(jīng)過濾后的新鮮無菌氣體進入發(fā)酵罐。當(dāng)表壓到達預(yù)定值后，進氣閥關(guān)閉，保持壓力。然后出氣閥門26開啟，進入排氣周期，反應(yīng)器中的氣體經(jīng)過濾后排入空氣中。通過壓力及進氣、排氣周期性的變化，固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器中的氣體完成置換更新。
利用本發(fā)明的反應(yīng)器，在發(fā)酵的任何階段，均可以向反應(yīng)器中補加液態(tài)物質(zhì)。補料時閥門28開啟，滅菌后的料液(水、化學(xué)物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)等)經(jīng)由流體分布管沿軸向向發(fā)酵罐中均勻添加。
發(fā)酵過程結(jié)束后，利用本發(fā)明的反應(yīng)器還可以進行生物活性物質(zhì)的提取。浸取劑經(jīng)由閥門29進入發(fā)酵罐，發(fā)酵罐轉(zhuǎn)動使浸取劑與發(fā)酵結(jié)束后的物料充分混合，浸取液經(jīng)過濾膜30由液泵31將其吸出?？赏ㄟ^聚碳酸酯材料做的圓臺形視窗33，觀察發(fā)酵全過程。
發(fā)酵結(jié)束后，殘渣滅菌。發(fā)酵罐逆時針旋轉(zhuǎn)，將殘渣導(dǎo)出發(fā)酵罐物料進出口6，整個發(fā)酵周期結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，包括主發(fā)酵罐、轉(zhuǎn)動支架、物料輸入輸出裝置、傳動裝置和控制裝置，其特征是所述的主發(fā)酵罐(1)的一端有一固定中心軸(32)，所述的固定中心軸(32)被一環(huán)形法蘭(18)固定在主發(fā)酵罐(1)上；主發(fā)酵罐(1)的另一端為一透明圓臺形的圓臺視窗(33)，圓臺視窗(33)的一端與主發(fā)酵罐(1)連接，圓臺視窗(33)的另一端為物料進出口(6)；所述的固定中心軸(32)上安裝有換熱器流體輸入管(13)、換熱器流體輸出管(16)、發(fā)酵罐流體輸入管(21)、浸取液輸出管(34)、傳感器及開有出氣口(25)；所述的物料輸入輸出裝置是在主發(fā)酵罐(1)內(nèi)部的物料進出口(6)的一端安裝固定螺旋葉片(11)；所述的傳動裝置是在發(fā)酵罐外側(cè)安裝有環(huán)形齒輪(10)，環(huán)形齒輪(10)與驅(qū)動電機(8)的主動輪(9)嚙合；所述的控制裝置是在固定中心軸(32)上安裝有溫度控制傳感器A、滅菌氣體壓力控制傳感器B、壓力輸出控制傳感器C和壓力輸入控制傳感器D。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是所述的換熱器流體輸入管(13)和換熱器流體輸出管(16)分別與主發(fā)酵罐(1)內(nèi)的換熱器(12)連接，換熱器流體輸入管(13)與主發(fā)酵罐(1)外的載熱流體輸入閥門(14)連接。
3.如權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其特征是所述的換熱器(12)內(nèi)的換熱蛇管(15)的兩端分別與換熱器流體輸入管(13)和換熱器流體輸出管(16)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是所述的發(fā)酵罐流體輸入管(21)一端與主發(fā)酵罐(1)內(nèi)部為一帶有流體出口的流體輸入分布管(22)連接，流體輸入分布管(22)內(nèi)有流體導(dǎo)向隔柵(23)；另一端連接滅菌氣體輸入閥門(17)、接種液閥門(20)、進氣閥門(27)、補料閥門(28)和浸取液閥門(29)。
5.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是所述的物料輸入輸出裝置進一步有一進料斗(3)與物料進出口(6)對接，進料斗(3)的一端與一軌道(4)滑動連接，進料斗(3)的另一端料斗下進料口(5)與物料進出口(6)對接。
6.如權(quán)利要求5所述的反應(yīng)器，其特征是所述的進料斗(3)的料斗下進料口(5)的管道內(nèi)安裝有料斗擋板(7)。
7.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是所述的浸取液輸出管(34)在主發(fā)酵罐(1)內(nèi)部的一端裝有濾膜(30)，另一端連接有液泵(31)。
8.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是所述的溫度控制傳感器A與載熱流體輸入閥門(14)連接、滅菌氣體壓力控制傳感器B與滅菌氣體輸入閥門(17)連接、壓力輸出控制傳感器C與出氣閥門(26)連接，壓力輸入控制傳感器D與進氣閥門(27)連接。
9.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是所述的圓臺視窗(33)與主發(fā)酵罐(1)的連接處有一密封圈(19)。
10.如權(quán)利要求1、2、4、7或9所述的反應(yīng)器，其特征是所述的主發(fā)酵罐(1)被進一步安放在轉(zhuǎn)動支架(2)上。
全文摘要
本發(fā)明屬于固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器領(lǐng)域，特別涉及多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。多功能固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)包括主發(fā)酵罐、轉(zhuǎn)動支架、物料輸入輸出裝置、傳動裝置和控制裝置。圓柱形主發(fā)酵罐1的一端有一固定中心軸32，所述的固定中心軸32被一環(huán)形法蘭18固定在主發(fā)酵罐1上；主發(fā)酵罐1的另一端為一透明圓臺形的圓臺視窗33，圓臺視窗33的一端與主發(fā)酵罐1連接，圓臺視窗33的另一端為物料進出口6；固定中心軸32上安裝有流體輸入輸出、各種控制系統(tǒng)及開有出氣口；在該反應(yīng)器中，可以完成微生物的發(fā)酵的所有操作。該反應(yīng)器中的物料動態(tài)混合，不易板結(jié)，物料自動輸入輸出，反應(yīng)器內(nèi)的操作參數(shù)可以精確控制，并提高固態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)量。
文檔編號C12M1/00GK1519308SQ03100890
公開日2004年8月11日 申請日期2003年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月24日
發(fā)明者杜竹瑋, 李浩然 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所