CN103966084B - 薄层自控静态固体发酵集成优化方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄层自控静态固体发酵集成优化方法及其装置，为解决现有技术，方法是将已灭菌、接种的固体发酵物料一次性薄层敷料于无菌发酵室内的多层式可移动板带发酵床上，然后根据不同发酵阶段自动控制调节无菌空气量、温度和湿度进行固体发酵，待固体物料完成发酵全过程后，启动多层可移动板带发酵床的驱动装置将物料移出发酵室，然后进行产品后处理。包括无菌空气调节系统、移动式灭接种菌罐、螺旋铺料机、多层可移动板带式发酵床和无菌发酵室。其具有发酵菌菌丝不易断裂，生长良好，特别有利于产酶、酶解类的固体发酵；突破薄层静态固体发酵规模化瓶颈、工业规模化程度高，设备投资少、生产效率高的优点。

Description

薄层自控静态固体发酵集成优化方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种固体发酵方法，具体涉及一种薄层自控静态固体发酵集成优化方法及其装置。

背景技术

固体发酵具有发酵成本低，原料价格低廉，可以直接利用工农业残次资源，无“三废”排放，工艺过程及产品后处理简单。但是，固体发酵工艺与设备因其易染杂菌，发酵条件难于控制，工业放大困难等原因，其对于液态发酵而言相对落后。近年来固体发酵的诸多优点成为固态发酵工艺和设备快速发展的强大吸引力与生命力。用于微生物固体发酵生产的方法和设备，如发酵罐式、滚筒式、盘式、多层网带式等均有较大发展。特别是自动多层网带式固体发酵方法和装置已能适应部分常规好氧固体物料的连续动态、规模化发酵生产的要求。但是，在食品、饲料、环保等领域还有很大一部分好氧固体发酵是生产各种生物酶和酶解底物，这类固体发酵需要在薄层、静态、好氧的状态下进行。例如，利用农作物秸秆及工农业残次纤维原料生产生物蛋白饲料的固体发酵。现有的自动多层网带式固体发酵方法和装置，多数是连续动态发酵，少数为半动态发酵，还有的是穿透式送风发酵，它们都不可避免地破坏了菌丝体生长，引起菌丝断裂，影响菌株产酶和酶解发酵物料。这类固体发酵方法和装置是将自动多层网带上的发酵物料置于一个大的无菌空间内，自动连续进行物料发酵的全过程而不能根据物料发酵的不同阶段来调整发酵条件，不能实现菌株高效产酶和酶解发酵物料；现有的固体浅盘发酵方法及装置，或是不能适应工业规模化生产，或是设备投资过大，运行成本过高而难于实现产业化。

发明内容

本发明所要解决的问题是，提供一种薄层自控静态固体发酵集成优化方法，本发明目的还在于提供用于实施该方法的装置.该方法及其装置适用于需要耗氧且在静止状态下进行、发酵全过程可根据不同发酵阶段自动控制调节无菌空气量、温度和湿度，发酵产生的菌丝不易断裂，薄层固体发酵规模大、工业化程度高，设备投资少、生产效率高。

为实现上述目的，本发明薄层自控静态固体发酵集成优化方法是将已灭菌、接种的固体发酵物料一次性薄层敷料于无菌发酵室内的多层式可移动板带发酵床上，然后根据不同发酵阶段自动控制调节无菌空气量、温度和湿度进行固体发酵，待固体物料完成发酵全过程后，启动可移动板带发酵床的驱动装置将物料移出发酵室，然后进行产品后处理。其能解决现有耗氧静态固体发酵规模小，工业化程度低问题；具有发酵工艺条件好、产品质量高，生产能力强，能适应大规模生产的优点。

作为优化，所述自动控制调节无菌空气量、温度和湿度是通过调节进入无菌发酵室的无菌空气温度、湿度和气量并使之以层流状态缓缓流过发酵物料表面进行传质传热过程来实现的。多层可移动板带的每层都在一侧配备一个或者一排喷气口，所述喷气口水平向喷出无菌空气流，所述喷出的无菌空气流的中心线与承载发酵物料的该层可移动板带平行，所述喷出的无菌空气流位于该层可移动板带上方。

用于实现本发明所述方法的装置包括无菌空气调节系统、移动式灭接种菌罐、螺旋铺料机、多层式可移动板带发酵床和无菌发酵室；其中多层式可移动板带发酵床位于发酵室中心承载发酵物料，无菌空气调节系统向发酵室提供无菌空气和自动控制调节进入发酵室的无菌空气量、温度和湿度，移动式灭菌接种罐向发酵室投料，螺旋铺料机承接投进发酵室的发酵物料、并向多层式可移动板带发酵床进行薄层布料。具体可以是其中多层式可移动板带发酵床固装在发酵室中心、发酵室配装无菌空气调节系统、移动式灭菌接种罐10通过投料管与发酵室顶部投料口相连、向多层式可移动板带发酵床进行薄层布料的螺旋铺料机位于发酵室顶部投料口与多层式可移动板带发酵床之间。其适用于规模化耗氧、静态、薄层固体发酵，发酵菌丝完整；若用连续进料方式也可实现耗氧连续动态固体发酵；其相关设备，可为设备制造业开发利用。本发明发酵规模大、自动化程度高，设备投资少、效率高。

作为优化，所述无菌空气调节系统由加湿器、初效空气过滤器、中效空气过滤器、空调器、风机、进气高效空气过滤器、排气高效空气过滤器和配气管组成；其中配气管将来自气源的无菌空气分配输送向所述多层可移动板带式发酵床的各层可移动板带的上方空间，排气高效空气过滤器位于配气管的相对侧向外排气，配气管向外依次连接另一组高效空气过滤器、风机、配装空调器和加湿器的中效空气过滤器及初效空气过滤器。具体是配气管位于发酵室内与多层可移动板带式发酵床相对的一侧，一组高效空气过滤器配装置在发酵室内与多层可移动板带式发酵床相对的另一侧。

作为优化，所述空调器对流经中效空气过滤器的空气进行调温，所述加湿器对流经初效空气过滤器的空气进行增湿，所述配气管的出气口数量与可移动板带的层数相同，每个配气管出气口都分别与相对层可移动板带上物料上方空气流动空间相对应，配置在发酵室另一侧的一组高效空气过滤器位于发酵室侧壁的中上部，使无菌空气以层流状态缓缓流过发酵物料表面进行传质传热。

作为优化，所述移动式灭菌接种罐为一个配有行走机构的能耐受蒸气灭菌常用压力并带有搅拌功能的固体发酵物料的蒸气高温灭菌冷却接种罐。

作为优化，所述螺旋铺料机为一个水平放置的改型螺旋输送机，其机壳体上部为一敞开长条形料斗，其底部一侧间断开有与可移动板带上面铺料幅宽相配合的若干个长条形铺料口，并在物料前进方向一侧安装有一用来控制铺料高度的刮料控制板；其机壳体中心配置预先设置有正反转自控程序的变频电机驱动的螺旋铺料机，控制物料在长条形料斗内均匀分布。

作为优化，所述可移动板带式发酵床由用于薄层固体物料发酵和传送物料的传送板带及板带传动胶轮、板带支撑滚筒和该传送板带的驱动机构组成。所述传送板带优选为不锈钢波纹传送板带。可移动板带发酵床为多层立体布置。

作为优化，所述可移动板带式发酵床为在垂直方向上依次布置的第一发酵床层、第二发酵床层、第三发酵床层至第N发酵床层，其中第一发酵床层的输入端用于承接铺料口下落的物料，第二发酵床层的输入端用于承接第一发酵床层的输出端下落的物料，第三发酵床层的输入端用于承接承接第二发酵床层的输出端下落的物料，如此类推第四发酵床层至第N发酵床的移动传送状态布置。所述第N发酵床层也可以称为第N可移动板带层。

作为优化，所述板带驱动机构由依次驱动的变频电机、电机驱动齿轮和与板带传动胶轮同轴的板带驱动齿轮组成，电机驱动齿轮驱动板带驱动齿轮的方式是电机驱动齿轮驱动最低层一个板带驱动齿轮，该板带驱动齿轮和其它板带驱动齿轮再自下至上依次逐级驱动；所述板带为不锈钢传送板带，其单面有波纹，移动时带有波纹的板面与板带传动胶轮接触，板带光面承接发酵物料；所述第一发酵床层至第N发酵床层自上至下，向右向左交替错落分布。

本发明的优点是：

1.薄层、超多层固体发酵，发酵床面积大、发酵物容量多，具有规模化生产能力。

2.物料全程处于静态发酵状态，发酵菌株菌丝体完好，园满地符合特定菌株的产酶与酶解底物要求。

3.通过自控调节无菌空气的气量、温度和湿度，实现物料不同发酵阶段的全过程即时调控，可实现最佳发酵状态，提高发酵产品质量。

4.可移动板带式发酵床，不堵塞、不抛洒、清洁文明，发酵操作全部自动化进行。

5.若改变发酵操作方法，加厚发酵物料层，连续进出物料，物料在发酵床层转换中翻动，实现固体耗氧发酵的连续自动化生产。一套发酵装置，可实现多种类型的固体发酵生产。

采用上述技术方案后，本发明基于薄层自控静态固体发酵集成优化方法及其装置能解决现有耗氧静态固体发酵规模小，工业化程度低问题。具有发酵菌菌丝不易断裂，生长良好，特别有利于产酶、酶解类的固体发酵；突破薄层静态固体发酵规模化瓶颈、工业规模化程度高，设备投资少、生产效率高。

附图说明

图1是本发明薄层自控静态固体发酵集成优化装置的工艺结构示意图；

图2是本发明中板带式发酵床的侧视剖视结构示意图；

图3是本发明中螺旋铺料机的结构示意图；

图4是本发明中螺旋铺料机的剖视结构示意图。

图中标记：离心式加湿器1，初效空气过滤器2，中效空气过滤器3，空调器4，风机5，进气高效空气过滤器6-1，排气高效空气过滤器6-2，活页门7，配气管8，发酵室9，移动式灭菌接种罐10，螺旋铺料机11，刮料控制板12，板带式发酵床13，变频电机14，电机驱动齿轮15，板带驱动齿轮16，物料进口塑料球阀17-1，物料出口塑料球阀17-2，板带传动胶轮18，固体发酵物料19，板带支撑滚筒20，板带传动胶轮轴承座21，板带发酵床支撑框架22。

具体实施方式

本发明基于薄层自控静态固体发酵集成优化方法是将已灭菌、接种的固体发酵物料一次性薄层敷料于无菌发酵室内的多层式可移动板带发酵床上，然后根据不同发酵的阶段要求，适时自动控制调节无菌空气量、温度和湿度进行固体发酵，实现全程即时最佳发酵。待固体物料完成发酵全过程后，启动多层可移动板带发酵床的驱动装置将物料移出发酵室，然后进行产品后处理。所述自动控制调节无菌空气量、温度和湿度是通过调节进入无菌发酵室的无菌空气温度、湿度和气量并使之以层流状态缓缓流过发酵物料表面进行传质传热过程来实现的。所述的发酵床是可移动的不锈钢波纹板带式发酵床；所述的不锈钢波纹板带是单面有波纹，移动时带有波纹的板面与板带胶轮接触，板带光面承接发酵物料；所述的可移动是通过板带传动胶轮和与之连接的板带驱动齿轮、电机驱动齿轮和变频电机来实现的。

如图1、图2所示，本发明基于薄层自控静态固体发酵的集成优化方法的装置包括无菌空气调节系统、移动式灭菌接种罐10、螺旋铺料机11、可移动板带式发酵床13、发酵室9及发酵室9的进排气高效空气过滤器6-1、6-2，排气高效空气过滤器6-2的室外方向安装有一个活页门7。其活页门7在发酵室9灭菌和可移动板带发酵床出料时处于关闭状态，其他时间处于开放状态。

所述的无菌空气调节系统由离心式加湿器1、初效空气过滤器2、中效空气过滤器3、空调器4、风机5、进气高效空气过滤器6-1，和配气管8组成。

所述的移动式灭菌接种罐10为一个配有行走机构的能耐受一定压力并带有搅拌功能的固体发酵物料19的高温灭菌、冷却、接种罐。作为优化，所述的耐受的压力为蒸气高温灭菌的常用压力。

所述的螺旋铺料机11为一个水平放置的改型螺旋输送机，其机壳体上部为一敞开长条形料斗，其底部一侧间断开有若干个长条形铺料口，并安装有一刮料控制板12用来控制铺料高度；螺旋铺料机11的电机为一变频电机，并预先设置有正反转自控程序，控制物料在长形料斗内均匀分布。

所述可移动板带式发酵床13，由用于薄层固体物料发酵和传送物料的传送板带及该传送板带的驱动机构组成，其中驱动机构选用变频电机14，以更好地控制传送板带的运动速度；所述板带驱动机构由变频电机14，变频电机14驱动齿轮15，板带驱动齿轮16和板带传动胶轮18组成，变频电机14与发酵室9地面固定。作为优化，所述的板带式发酵床13为可移动不锈钢波纹板带，其单面有波纹，移动时带有波纹的板面与板带传动胶轮18接触，板带光面承接发酵物料，板带驱动齿轮16驱动与之固定连接的板带传动胶轮18转动，从而带动板带式发酵床13移动。板带传动胶轮18通过板带传动胶轮轴承座21固定在板带发酵床支撑框架22上，板带式发酵床13的板带支撑滚筒20通过其轴承座固定在板带发酵床支撑框架22上。

作为优化，所述的可移动板带式发酵床13为在垂直方向上依次布置的第一发酵床层、第二发酵床层、第三发酵床层至第N发酵床层，其中第一发酵床层的输入端用于承接铺料口下落的物料，第二发酵床层的输入端用于承接第一发酵床层的输出端下落的物料，如此类推第三发酵床层至第N发酵床层的移动传送状态布置。

作为优化，所述发酵室9为无菌发酵室9。

其工作方式如下：

首先按常规方法对发酵室9灭菌，并用无菌空气置换，然后按我们申请的专利方法(申请号20121011792.8)，即将固体发酵物料19置于移动式灭菌接种罐10中，进行配料、调湿、灭菌、冷却、接种。物料接种后，移动移动式灭菌接种罐10至发酵室9上方的物料进口塑料球阀17-1处，通过波纹连接短管与塑料球阀17-1连接，并用蒸汽对波纹连接短管灭菌。然后，开通移动式灭菌罐10的出口和发酵室9进口塑料球阀17-1，并启动移动式灭菌罐搅拌电机，将接种发酵物料逐步移入螺旋铺料机11的长条形料斗中，开启螺旋铺料机11并调节刮料控制板12与可移动板带式发酵床13的相对高度来控制菌株固体发酵物料19所要求厚度，对板带式发酵床13铺料。同时启动变频电机14，通过电机驱动齿轮15和板带驱动齿轮16驱动板带传动胶轮18转动，从而带动板带式发酵床13向前移动，依次完成第一发酵床层至第N发酵床层的整体铺料过程。铺料完成后关闭塑料球阀17-1。

在可移动板带式发酵床13整体铺料完成后，依次启动无菌空气调节系统的离心式加湿器1、初效空气过滤器2、中效空气过滤器3、空调器4、风机5、进气高效空气过滤器6-1，根据物料发酵的阶段要求，将适时自控调节无菌空气气量、温度和湿度后的无菌空气通过配气管8进入可移动板带式发酵床13表面的固体发酵物料19上方，实现固体发酵物料19不同发酵阶段的全过程即时调控，达到全程即时最佳发酵。具有一定温度和湿度的适量无菌空气缓缓流过发酵物料表面进行传质传热过程，待物料完成固体发酵全过程后，关闭发酵室9的排气高效空气过滤器6-2的室外活页门7并保持发酵室9正压状态，启动变频电机14，通过电机驱动齿轮15和板带驱动齿轮16驱动板带传动胶轮18转动，从而带动板带式发酵床13向前移动出料，并通过物料出口塑料球阀17-2将发酵完成物料移出发酵室9。在完成发酵物料全部移出发酵室9后，关闭物料出口塑料球阀17-2和开启发酵室9的排气高效空气过滤器6-2的室外活页门7后，便可开始下一批物料的发酵操作。

Claims (9)

1.一种薄层自控静态固体发酵集成优化方法，其特征在于将已灭菌、接种的固体发酵物料一次性薄层敷料于无菌发酵室内的多层式可移动板带发酵床上，然后根据不同发酵阶段自动控制调节无菌空气量、温度和湿度进行固体发酵，待固体物料完成发酵全过程后，启动多层可移动板带发酵床的驱动装置将物料移出发酵室，然后进行产品后处理；

所述自动控制调节无菌空气量、温度和湿度是通过调节进入无菌发酵室的无菌空气温度、湿度和气量并使之以层流状态缓缓流过发酵物料表面进行传质传热过程来实现的；多层可移动板带的每层都在一侧配备一个或者一排喷气口，所述喷气口水平向喷出无菌空气流，所述喷出的无菌空气流的中心线与承载发酵物料的该层可移动板带平行，所述喷出的无菌空气流位于该层可移动板带上方。

2.用于实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于包括无菌空气调节系统、移动式灭接种菌罐、螺旋铺料机、多层可移动板带式发酵床和无菌发酵室；其中多层可移动板带式发酵床位于发酵室中心承载发酵物料，无菌空气调节系统向发酵室提供无菌空气和自动控制调节进入发酵室的无菌空气量、温度和湿度，移动式灭菌接种罐向发酵室投料，螺旋铺料机用于承接投进发酵室的发酵物料、并向多层可移动板带式发酵床进行薄层布料；其中多层可移动板带式发酵床固装在发酵室中心、发酵室配装无菌空气调节系统、移动式灭菌接种罐通过投料管与发酵室顶部投料口相连、向多层可移动板带式发酵床进行薄层布料的螺旋铺料机位于发酵室顶部投料口与多层可移动板带式发酵床之间。

3.根据权利要求2所述装置，其特征在于所述无菌空气调节系统由加湿器、初效空气过滤器、中效空气过滤器、空调器、风机、进气高效空气过滤器、排气高效空气过滤器和配气管组成；其中配气管将来自气源的无菌空气分配输送向所述多层可移动板带式发酵床的各层可移动板带的上方空间，排气高效空气过滤器位于配气管的相对侧向外排气，配气管向外依次连接另一组高效空气过滤器、风机、配装空调器和加湿器的中效空气过滤器及初效空气过滤器。

4.根据权利要求3所述装置，其特征在于所述空调器对流经中效空气过滤器的空气进行调温，所述加湿器对流经初效空气过滤器的空气进行增湿，所述配气管的出气口数量与可移动板带的层数相同，每个配气管出气口都分别与相对层可移动板带上物料上方空气流动空间相对应，配置在发酵室另一侧的一组高效空气过滤器位于发酵室侧壁的中上部，使无菌空气以层流状态缓缓流过发酵物料表面进行传质传热。

5.根据权利要求2所述装置，其特征在于所述移动式灭菌接种罐为一个配有行走机构的能耐受蒸气灭菌常用压力并带有搅拌功能的固体发酵物料的蒸气高温灭菌冷却接种罐。

6.根据权利要求2所述装置，其特征在于所述螺旋铺料机为一个水平放置的改型螺旋输送机，其机壳体上部为一敞开长条形料斗，其底部一侧间断开有与可移动板带上面铺料幅宽相配合的若干个长条形铺料口，并在物料前进方向一侧安装有一用来控制铺料高度的刮料控制板；其机壳体中心配置预先设置有正反转自控程序的变频电机驱动的螺旋铺料机，控制物料在长条形料斗内均匀分布。

7.根据权利要求2所述装置，其特征在于所述可移动板带式发酵床由用于薄层固体物料发酵和传送物料的传送板带及板带传动胶轮、板带支撑滚筒和该传送板带的驱动机构组成。

8.根据权利要求7所述装置，其特征在于所述可移动板带式发酵床为在垂直方向上依次布置的第一发酵床层、第二发酵床层、第三发酵床层至第N发酵床层，其中第一发酵床层的输入端用于承接铺料口下落的物料，第二发酵床层的输入端用于承接第一发酵床层的输出端下落的物料，第三发酵床层的输入端用于承接承接第二发酵床层的输出端下落的物料，如此类推第四发酵床层至第N发酵床的移动传送状态布置。

9.根据权利要求8所述装置，其特征在于所述板带驱动机构由依次驱动的变频电机、电机驱动齿轮和与板带传动胶轮同轴的板带驱动齿轮组成，电机驱动齿轮驱动板带驱动齿轮的方式是电机驱动齿轮驱动最低层一个板带驱动齿轮，该板带驱动齿轮和其它板带驱动齿轮再自下至上依次逐级驱动；所述板带为不锈钢传送板带，其单面有波纹，移动时带有波纹的板面与板带传动胶轮接触，板带光面承接发酵物料；所述第一发酵床层至第N发酵床层自上至下，向右向左交替错落分布。