CN101787344B - 一种气囊鼓动式固态发酵方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过气囊鼓动式固态发酵方法及其装置。本发明所公开的固态发酵方法特征在于在密闭的罐体内安装了可以充气放气气囊；通过气囊充放气带来的形态变化推动物料在罐中往复运动，同时通过气囊膨胀收缩带来的罐内压力变化强化相间传递过程。该方法以温和的搅动和法向作用力强化固态发酵的传质过程，同时避免了常规动态固态发酵反应器操作中剪切力对微生物的伤害。既可以用于好氧固态发酵过程，也可以用于厌氧发酵固态发酵体系，而且结构简单，操作方便，应用范围广，为发酵工业提供了新的技术平台。

Description

一种气囊鼓动式固态发酵方法及装置
技术领域
本发明属于发酵工业技术领域
背景技术
固态发酵是在不含或者含有少量游离水的固体基质上进行的生物反应过程。由于固态发酵具有能耗低，工艺简单、能够利用固体基质以及用水量少的特点，在食品、酶、生物农药等产品的生产上，固态发酵发挥着重要作用。
近年来，由于科学家和工程学家的努力，固态发酵已经从粗放的传统生产方式走向了以大规模和纯种(或组合菌种)为特征的现代固态发酵。这使得固态发酵的研究和应用有了长足的进步。不过，由于固态发酵体系较为复杂，种类又繁多，因此固态发酵反应器的开发还不能很好的满足固态发酵的需要。
固态发酵的工艺和装置可以分为静态和动态两类。由于固体的导热系数差，静态的固态发酵反应器比如前盘式和填充床式或者装料系数太低，或者传热传至效率差。而动态的固态发酵反应器比如搅拌式和滚筒式虽然通过搅拌的作用强化了传递过程，但是搅拌和滚筒的翻动对于微生物属于剪切作用力，会对菌丝造成较大的伤害。在惰性载体固态发酵中，由于颗粒较大，这种伤害作用更为明显。
针对目前固态发酵反应器的不足，我们认为新反应器的开发应该在弱化搅拌剪切作用和强化发酵过程传递为目标。吉林大学曾有学者设计过模仿动物胃肠蠕动而设计的蠕动反应器(ZL 200610017078.X)。这种反应器通过蠕动对物料进行挤压研磨混合和输送，较好的解决了搅拌剪切对微生物的伤害作用，并使用膜技术进行物料内外的物质交换。但是，这种反应器没有解决热量传递的问题，因此放大是有困难的；同时，这种反应器没有专门的强化气液传递的装置，只能用于厌氧发酵过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种气囊鼓动式固态发酵装置及方法，既能热量传递过程，又尽量减少剪切作用力的，从而在强化传递过程的同时又尽量减少对菌体或菌丝造成的破坏作用。
参阅说明书附图1，为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现一种一种气囊鼓动式固态发酵装置及方法，其实质特点是在该装置具有底部凹陷的罐体(5)、安装在罐体底部能够通过充气放气改变体积的气囊(6)以及环形的空气分布器(10)组成，并通过气囊的反复充放气实现物料的翻动，以在强化热量传递的同时减少对微生物的伤害。
按照技术方案提供的一种气囊鼓动式固态发酵装置及方法其实质特点在于在发酵罐的底部装了可以反复充放气的柔性气囊。
按照技术方案提供的一种气囊鼓动式固态发酵装置及方法，其实质特点在于，发酵过程中使用的强化传热传质的方式是通过给气囊中反复充放气实现的。
本发明的基本思想是通过气囊周期性的鼓动，推动物料在发酵反应器内运动以有利于物料的混合和热量的散失；同时通过气囊反复膨胀，起到反复提高和降低罐内压力的作用，以强化料层内外气体流动和增加不同相间传质传热的作用。
本发明的生物反应器如图1所示。在圆柱形的罐体(5)底部有一向下的凹陷，凹陷处安装气囊(6)。气囊上有气囊进气口(8)和气囊排气口(9)，气囊的作用是在充气和放气过程中推动物料上下运动，是物料变得松散，强化传递过程。另外，罐体上分别设置发酵罐进气口(1)，发酵罐排气口(3)，用于接种和进液体物料的喷头(4)、空气分布器(10)用以给物料通风以及进料口(2)、出料口(7)用以进出物料。
其具体的操作方法是：
1.物料从进料口(2)装入并封闭。进料时气囊处于无气压状态。
2.从发酵罐进气口通入高温蒸汽灭菌。
3.从喷头出喷淋培养基和发酵种子液。
4.灭菌结束并冷却后从进气口通入菌悬液或者孢子粉。
5.在发酵过程中，周期性给气囊充放气。先打开气囊进气口(8)的阀门，关闭气囊排气口(9)的阀门，使得气囊隆起到最大。然后关闭气囊进气阀。维持气囊充满气的状态15～150min后打开气囊排气阀掉气囊中的空气。间隔15～150min后重复气囊充放气操作。
本发明具有以下优点：
1.使用气囊鼓动的方式推动物料运动
2.气囊充放气带来的罐内压力变化两种方式强化传热和传质。相比常规的搅拌作用剪切力小，对菌丝破坏小。
3.适用范围广，可以用于好氧固态发酵，也可以用于厌氧固态发酵。
4.装料系数大，适合放大和工业应用。
附图说明
图1，本发明装置示意图
1.发酵罐进气口  2.进料口  3.发酵罐排气口  4.喷头  5.发酵罐罐体6.气囊  7.发酵罐排料口  8.气囊进气口  9.气囊排气口  10.空气分布器
具体实施方式
实例1：用于甜高粱固态发酵生产乙醇
物料的准备：将成熟收获后的甜高粱秸秆去掉穗、叶和根后使用秸秆粉碎机搅碎；
装料：粉碎后的甜高粱从进料口装入发酵罐，装料系数为发酵罐体积的50％。
灭菌：从发酵罐进气口(1)通入高温蒸汽灭菌。灭菌温度在121-125℃，灭菌时间为15-20min。
接种：将活性干酵母(安琪酵母)与无菌水混合，混合比例按酵母1g加无菌水40mL，在35℃活化25-30min，活化后再置于室温下45-60min；按照100g秸秆加20ml活化液的比例将甜高粱与活化液混合；
发酵：维持发酵罐所在环境温度20-30℃进行发酵。发酵开始后，开始向发酵罐地步的气囊中反复充气放气。具体操作如下：打开气囊进气口(8)上的阀门，关闭气囊排气口(9)上的阀门，向气囊中充入空气，直到达到充分鼓起；关闭气囊进气口(8)上的阀门，维持气囊的压力15min；打开气囊排气口(9)上的阀门，放尽气囊中的空气。间隔150min之后开始下一周期的操作。
发酵结束后从出料后卸出罐中的物料，通过蒸馏得到乙醇。经检测，甜高粱酒精转化率达10-13％。
实例2：用于汽爆麦草固态发酵生产纤维素酶
物料的准备：将收获的麦草经蒸汽爆破处理，并风干备用。
装料：将干燥得汽爆麦草与水按照质量比1∶5的比例混合搅拌均匀，填充掉发酵罐中，装料量为罐容积的50％。
灭菌：从发酵罐进气口(1)通入高温蒸汽灭菌。灭菌温度在121-125℃，灭菌时间为15-20min。
接种：将绿色木酶(Trichoderma viride)孢子从罐体的进料口(1)用无菌空气吹入固态发酵罐，接种量每罐1g绿色木酶孢子。
发酵：维持发酵罐所在环境温度30℃左右进行发酵。通过罐体的进气口和出气口吹入无菌空气，保持气体流量0.2VVM(按照装料体积估算)。发酵开始后，开始向发酵罐地步的气囊中反复充气放气。具体操作如下：打开气囊进气口(8)上的阀门，关闭气囊排气口(9)上的阀门，向气囊中充入空气，直到达到充分鼓起；关闭气囊进气口(8)上的阀门，维持气囊的压力60min；打开气囊排气口(9)上的阀门，放尽气囊中的空气。间隔60min之后开始下一周期的操作。
发酵结束后从出料后卸出罐中的物料，得到酶曲。经检测，产量60-100FPA/g干酶曲。
实例3：用于汽爆麦草固态发酵生产碱性蛋白酶
物料的准备：将洗净的聚氨酯泡沫塑料剪成边长为1cm的方形颗粒备用。另外配制液体培养基，成份为蛋白胨10g/L，牛肉膏0.5g/L，NaCl 0.5g/L。
装料：将干燥上述聚氨酯泡沫塑料填充到发酵罐内，装料量为罐容积的50％。
灭菌：从发酵罐进气口(1)通入高温蒸汽灭菌。灭菌温度在121-125℃，灭菌时间为15-20min。培养基在另外的容器中按照同样的温度和时间进行灭菌。
接种：将浓度大约为106个/ml的短小芽胞杆菌(Bacillus pumilus)菌悬液按照体积比1∶10的比例与灭菌并冷却的培养基混合，从喷头(4)喷入发酵罐中。同时，快速给发酵罐底部的气囊充放气，使得聚氨酯泡沫塑料和接种后的培养基充分混合。
发酵：持发酵罐所在环境温度32℃左右进行发酵。通过罐体的进气口(1)和出气口(3)吹入无菌空气，保持气体流量0.2VVM(按照装料体积估算)。发酵开始后，开始向发酵罐地步的气囊中反复充气放气。具体操作如下：打开气囊进气口(8)上的阀门，关闭气囊排气口(9)上的阀门，向气囊中充入空气，直到达到充分鼓起；关闭气囊进气口(8)上的阀门，维持气囊的压力150min；打开气囊排气口(9)上的阀门，放尽气囊中的空气。间隔15min之后开始下一周期的操作。发酵周期4天。
发酵结束后从卸料口卸出物料。通过挤压载体得到发酵液并经过进一步的提取得到碱性蛋白酶。酶活力达到2000-3000U/mL。

Claims (6)

1.一种气囊鼓动式固态发酵装置，该装置由能够密闭且底部凹陷的罐体(5)、安装在罐体底部能够通过充气放气改变体积的气囊(6)以及环形的空气分布器(10)组成。
2.根据权利要求1所述的气囊鼓动式固态发酵装置，其特征在于罐体(5)内部的气囊安装在罐体底部的凹陷处。
3.根据权利要求1所述的气囊鼓动式固态发酵装置，其特征在于气囊可以通过控制气囊上进气口(8)和排气口(9)的开关阀门控制气囊的充气和放气。
4.根据权利要求1所述的气囊鼓动式固态发酵装置，其特征在通过安装在发酵罐顶部的发酵罐进气口(1)和发酵罐排气口(3)以及环形空气分布器(10)给罐内通气。
5.根据权利要求1所述的气囊鼓动式固体发酵装置，其特征在于发酵物料填充在气囊和空气分布器上方。
6.利用权利要求1所述的气囊鼓动式固态发酵装置进行气囊鼓动式固态发酵的方法，其特征在于通过发酵装置内部的柔性气囊的充气放气带来的形变推动物料运动。
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