CN102925336B - 一种链式提升固体发酵罐及发酵方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种链式提升固体发酵罐及发酵方法。所述发酵罐包括设有夹套的立式发酵罐，所述发酵罐中间设有挡板，挡板上方设有双向转轮；所述双向转轮上设有柔性传动条；所述柔性传动条与挡板两侧的刮板连接。所述方法利用所述发酵罐进行固态发酵。本发明发酵罐结构简单合理、紧凑，占地小，自动化程度高，操作容易；本发明发酵方法不易染菌，物料混合均匀，能够节约成本，有效地解决工业放大过程中的物料混合问题，有利于实现固态发酵的工业化规模生产。

Description

一种链式提升固体发酵罐及发酵方法

技术领域

本发明涉及一种链式提升固体发酵罐及发酵方法，属于生物发酵设备加工制造领域。 

背景技术

一般发酵工艺过程按照培养基物理性状不同，将发酵方式分为两大类：固态发酵和液态发酵。液态发酵主要有表面发酵和深层发酵，而一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，称之为固体基质发酵(so1id substrates fermentation)。按照这样的理解，既包括将固体悬浮在液体中的深层发酵，也包括在没有（或几乎没有）游离水的湿固体材料上培养微生物的工艺过程。而对于固态发酵来讲，是指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物发酵的一个生物反应过程。从生物反应过程中的本质考虑，固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程。 

固态发酵是气体作为生物反应过程中的O₂、CO₂、热量、营养和产物的传递介质，表现为O₂、CO₂扩散比较容易，热量传递困难，存在明显的营养梯度，并且无大量有机废水产生。 

固体发酵具有操作简便、能耗低、发酵过程容易控制、对无菌要求相对较低、不易发生大面积的污染等优点。 

虽然固态发酵与液态发酵相比，具有它独特的优势，但也存在着许多不足。特别是传统固态发酵是发酵工业中古老而又落后工艺的代名词。甚至，在发酵工程或生化工程的教科书中，也很少提到固态发酵。现代发酵技术的关键条件是纯种大规模集约化培养。随着科学技术发展和可持续发展的影响，国内外逐 步重视对固态发酵的研究开发，已取得了很大进展。因此，依据固态发酵过程中是否能实现限定微生物纯种培养，分为传统固态发酵与现代固态发酵。现代固态发酵是为了充分发挥固态发酵的优势，针对传统固态发酵存在的问题，使之适应现代生物技术的发展而进行的，可以实现限定微生物的纯种大规模培养。 

生物反应器提供生物生长的环境，可以阻止外物进入和内部物质的外溢，必须无毒、耐振动、不易腐蚀，有良好的搅拌、通气、散热、冷却系统，能够进行无菌操作。固态发酵不同于深层液态发酵，反应基质以固态形式存在，反应体系内的传递过程极其复杂，包括气—固、气—液、液—固等形式，气相是其最主要的流动介质，因此固态发酵生物反应器与液体发酵反应器有着显著的区别，而目前限制固态发酵反应用于现代生物反应工程的一个重要因素就是适用的固态发酵反应器。 

迄今为止已有许多类型的固态发酵反应器问世（包括实验室、中试、工业生产规模）。B.Lonsane曾经归纳出了九种不同形式的工业规模的固态发酵反应器；转鼓式，木盒式，加盖盘式，垂直培养盒式，倾斜接种盒式，浅盘式，传送带式，圆柱式，混合式等。K.E.Aidou也提出了十种不同形式的固态发酵反应器，但以基质的运动情况则可以分为两类：①静态固态发酵反应器，包括浅盘式和塔柱式反应器；②动态固态发酵反应器，包括机械搅拌的筒柱式、转鼓式反应器等。第一类反应器内发酵基质在发酵过程中基本处于静止状态。其优点是结构简单，操作方便，工业放大问题小；其明显的缺点是：由于发酵基质的相对静止，热量、氧气和其他营养物质的传递困难，从而导致基质内部温度、湿度、酸碱度和菌体生长状态的严重不均匀。第二类反应器中的基质处于间断或连续的运动状态，而强化了传热和传质，设备结构紧凑，自动化程度相对较高，但由于机械部件多，结构复杂，灭菌消毒比较围难，固态基质的搅拌能耗 过大，发酵物料的持续运动有可能会破坏菌丝体，从而影响菌体的生长与代谢。对于实验室规模的发酵过程，搅拌所起的作用（如促进物质传递，使发酵基质内部参数均匀）不一定十分显著，因而这种设备的放大是一个突出的问题。无论何种形式的固态发酵反应器，都必须考虑以下几个方面的问题：①接种技术；②灭菌方式；③发酵基质的特性；④供气手段；⑤参数的测量和控制；⑥取样分析技术；⑦结构简单，操作方便。 

CN 202124625U涉及一种多功能生物固体发酵罐，包括设有夹套的卧式发酵罐，发酵罐的顶部开有进料口，底部开有出料口；卧式发酵罐的中部横向安装有卧式刮抄推进桨叶，在发酵罐的下部设有与卧式刮抄推进桨叶平行的绞龙；在发酵罐的顶部和绞龙的底部分别设有喷雾装置和气体通入装置；发酵罐顶部设有与抽真空系统相连的气压帽。该发明所公开的固体发酵罐虽然能够在一定程度上解决发酵过程中的物料混合、工业放大问题，但是结构复杂，不易于制造和使用。 

固态发酵由于其基质以固态存在，所以不能像液体发酵那样可以用摇瓶进行大量的基础研究，而只能依靠设计合理、控制手段完备的固态发酵反应器。固态发酵反应器主要由两部分组成，即反应器主体和供气、控温、保温系统，后者的主要目的是保持发酵系统的需氧状态和调节发酵基质的温度和湿度。 

因此发展一种新型的固体发酵罐，以有效地解决工业放大过程中的物料混合问题，是所属技术领域面临的难题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种不同于现有发酵罐的链式提升固体发酵罐及发酵方法，以有效地解决放大过程中的物料混合问题，实现固态发酵的工业化规模生产。 

为达此目的，本发明采用以下技术方案： 

本发明的目的之一在于提供一种链式提升固体发酵罐，包括设有夹套的立式发酵罐，所述发酵罐中间设有挡板，挡板上方设有双向转轮；所述双向转轮上设有柔性传动条；所述柔性传动条与挡板两侧的刮板连接。本发明通过提供一种新型的发酵罐结构以解决现有固体发酵罐在工业放大生产过程中物料混合的均匀性问题。本发明所述发酵罐中间的挡板具有一定高度，其上方留出满足双向转轮的安装和转动空间即可。所述发酵罐的进料、出料及其他附属部件，可由本领域技术人员根据实际情况及发酵过程的常规需要进行设计。 

以下为本发明的优选设计，本发明包括但不限于以下设计。 

本发明在双向转轮上设置柔性传动条，目的在于通过柔性传动条的传动，对挡板两侧的刮板进行提升等操作。本发明所述柔性传动条为链条或吊绳。优选地，所述双向转轮上设有插槽，柔性传动条安装于插槽中。当选择链条作为柔性传动条时，可以将链条与转轮设计为相啮合的结构形式；当选择吊绳作为柔性传动条时，可以将吊绳安装于插槽中轴向固定，吊绳与转轮间保持一定的摩擦力，从而可以通过吊绳对挡板两侧的刮板进行操作。 

优选地，本发明所述挡板下部设有多个小孔或缝隙。在发酵过程中，刮板在挡板的上部运动；需要出料时，刮板运动到挡板底部，通过挡板下部的小孔或缝隙，物料落入出料口完成出料。本领域技术人员可以了解，即使挡板下部不设小孔或缝隙，即挡板为完整状态时，亦可通过控制出料口的开闭完成出料。 

本发明所述双向转轮由双向旋转电机带动。设计双向转轮的目的是使转轮能够双向旋转，从而实现刮板的往复运动，最终实现发酵过程中固体物料在罐体内循环流动，充分混合。 

本发明所述发酵罐内固体物料中设有多个透气小球。在发酵罐运行过程中， 透气小球随物料流动，能够强化物料混合，强化传热传质，同时圆滑的外形不会产生过强的机械剪切，避免菌体的破坏。本发明所述“多个”可由本领域技术人员进行选择并实施，例如3个，8个，15个，24个，32等，当设置多个透气小球时，进料时每隔一段高度分层加入适量透气小球，保证进入后混合一段时间仍均匀。 

本发明所述透气小球为中空小球，材料为聚四氟乙烯；优选地，所述透气小球直径≤5cm，例如0.6cm，1.3cm，1.8cm，2.5cm，4cm，4.8cm等，进一步优选≤2cm，特别优选≤1cm。 

本发明所述发酵罐顶部开有进料口，底部开有出料口。在发酵罐的顶部和底部分别设有喷雾装置和气体通入装置。进料口和出料口的具体位置及个数可由本领域技术人员进行选择并实施，本发明并无特殊限制。所述喷雾装置用于在发酵过程中，用无菌压缩空气向罐内通入液体种子；气体通入装置主要用于进料后通入高温蒸汽对原料进行灭菌，在发酵过程中也可以起到通气、调压的作用。 

本发明所述发酵罐的两端分别装有测温湿度探头及物料水分检测探头，用以测量罐内的实时温湿度和实时水分含量。发酵罐顶部装有压力表，可以随时了解发酵罐内的压力情况。 

本发明还提供了一种利用如上述发酵罐的发酵方法，首先将原料从进料口加入发酵罐内，封闭进料口后灭菌、冷却；达到发酵温度后，启动喷雾装置向罐内通入液体种子，并增加罐压力至发酵压力；开动电机，带动双向转轮旋转，柔性传动条连接的一侧刮板提升，另一侧刮板下降；当高侧刮板到达挡板顶部，低侧刮板达到罐体底部后，电机向相反方向转动，低侧刮板升高，高侧刮板降低；如此往复，以实现发酵过程中固体物料在罐体内循环流动，充分混合；发 酵完成后，通过底部出料口取出物料。 

本发明所述发酵温度、发酵压力可根据不同发酵原料、菌种等进行选择。其他发酵条件可以根据实际情况由本领域技术人员进行选择。 

在封闭进料口后，通过底部气体通入装置通入高温蒸汽对物料进行灭菌，高温蒸汽的温度为115~135℃，可选择115.2~133.5℃，118.6~130℃，123~128℃，125℃等，进一步优选120~125℃。 

优选地，灭菌后，通过向罐体外部的夹套内通入冷却水进行冷却。 

与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果： 

（1）本发明发酵罐结构简单合理、紧凑，占地小，自动化程度高，操作容易； 

（2）本发明发酵方法不易染菌，物料混合均匀，能够节约成本，有效地解决工业放大过程中的物料混合问题，有利于实现固态发酵的工业化规模生产。 

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。 

图中：1-发酵罐；2-挡板；3-双向转轮；4-柔性传动条；5-刮板；6-透气小球。 

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的权利范围以权利要求书为准。 

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下： 

一种链式提升固体发酵罐，包括设有夹套的立式发酵罐1，所述发酵罐1中间设有挡板2，挡板2上方设有双向转轮3；所述双向转轮3上设有柔性传动条 4；所述柔性传动条4与挡板2两侧的刮板5连接。所述柔性传动条4为链条或吊绳；所述双向转轮3上设有插槽，柔性传动条4安装于插槽中。所述挡板2下部设有多个小孔或缝隙。所述双向转轮3由双向旋转电机带动。所述发酵罐内固体物料中设有多个透气小球6。所述发酵罐1顶部开有进料口，底部开有出料口；在发酵罐1的顶部和底部分别设有喷雾装置和气体通入装置。所述发酵罐1的两端分别装有测温湿度探头及物料水分检测探头，顶部装有压力表。 

所述透气小球6为中空小球，材料为聚四氟乙烯。所述透气小球直径≤5cm，进一步优选≤2cm，特别优选≤1cm。 

发酵时，首先将发酵原料从进料口通过机械或人工方法加入到发酵罐内，加入量为罐总容积的50%左右；封闭加料口，通过底部气体通入装置通入120~125℃的蒸汽对物料进行高温灭菌，然后通过罐体外部的夹套内通入冷却水进行冷却；达到发酵温度后，启动喷雾装置用无菌压缩空气向罐内通入液体种子，并增加罐内压力；达到合适的发酵压力后，开动电机，带动双向转轮旋转，柔性传动条随之旋转，一侧刮板提升，另一侧刮板随之下降；一段时间后，高侧刮板到达中间挡板顶部位置，低侧刮板达到罐体底部；而后电机向相反方向转动，低侧刮板升高，高侧刮板降低；如此往复，通过控制双向转轮的转速和转动方向，以及小球随物料的流动，实现发酵过程中固体物料在罐体内循环流动，充分混合；发酵完成后，待温度及压力达到合适值，通过底部出料口取出物料。 

采用下部设有多个小孔或缝隙的挡板时，在发酵过程中，刮板在挡板的上部运动；需要出料时，刮板运动到挡板底部，通过挡板下部的小孔或缝隙，物料落入出料口完成出料。 

通过本发明发酵罐和发酵方法进行固态发酵，可以很好地实现在工业放大 过程中物料混合均匀，解决现有技术的难题。 

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及发酵方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及发酵方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及发酵方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。 

Claims (17)

1.一种链式提升固体发酵罐，包括设有夹套的立式发酵罐（1），其特征在于，所述发酵罐（1）中间设有挡板（2），挡板（2）上方设有双向转轮（3）；所述双向转轮（3）上设有柔性传动条（4）；所述柔性传动条（4）与挡板（2）两侧的刮板（5）连接。

2.如权利要求1所述的发酵罐，其特征在于，所述柔性传动条（4）为链条或吊绳。

3.如权利要求1所述的发酵罐，其特征在于，所述双向转轮（3）上设有插槽，柔性传动条（4）安装于插槽中。

4.如权利要求1所述的发酵罐，其特征在于，所述挡板（2）下部设有多个小孔或缝隙。

5.如权利要求1-4之一所述的发酵罐，其特征在于，所述双向转轮（3）由双向旋转电机带动。

6.如权利要求1-4之一所述的发酵罐，其特征在于，所述发酵罐内固体物料中设有多个透气小球（6）。

7.如权利要求6所述的发酵罐，其特征在于，所述透气小球（6）为中空小球，材料为聚四氟乙烯。

8.如权利要求7所述的发酵罐，其特征在于，所述透气小球（6）直径≤5cm。

9.如权利要求8所述的发酵罐，其特征在于，所述透气小球（6）直径≤2cm。

10.如权利要求9所述的发酵罐，其特征在于，所述透气小球（6）直径≤1cm。

11.如权利要求1-4之一所述的发酵罐，其特征在于，所述发酵罐（1）顶部开有进料口，底部开有出料口；在发酵罐（1）的顶部和底部分别设有喷雾装置和气体通入装置。

12.如权利要求1-4之一所述的发酵罐，其特征在于，所述发酵罐（1）的顶部和底部分别装有测温湿度探头及物料水分检测探头，顶部装有压力表。

13.一种利用如权利要求1-4之一所述发酵罐的发酵方法，首先将原料从进料口加入发酵罐（1）内，封闭进料口后灭菌、冷却；达到发酵温度后，启动喷雾装置向罐内通入液体种子，并增加罐压力至发酵压力；开动电机，带动双向转轮（3）旋转，柔性传动条（4）连接的一侧刮板提升，另一侧刮板下降；当高侧刮板到达挡板（2）顶部，低侧刮板达到罐体底部后，电机向相反方向转动，低侧刮板升高，高侧刮板降低；如此往复，以实现发酵过程中固体物料在罐体内循环流动，充分混合；发酵完成后，通过底部出料口取出物料。

14.如权利要求13所述的发酵方法，其特征在于，封闭进料口后，通过底部气体通入装置通入高温蒸汽对物料进行灭菌。

15.如权利要求14所述的发酵方法，其特征在于，高温蒸汽的温度为115～135℃。

16.如权利要求15所述的发酵方法，其特征在于，高温蒸汽的温度为120～125℃。

17.如权利要求14所述的发酵方法，其特征在于，灭菌后，通过向罐体外部的夹套内通入冷却水进行冷却。

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