CN104946459B - 液、固态生物原料发酵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液、固态生物原料发酵系统，包括由工控机控制的固态原料处理单元、固态原料配料混合单元、固态原料发酵单元和液态原料制备单元；固态原料发酵单元由自下而上横向设置在塔架上的多层发酵室、设置在顶层发酵室上部的刮板布料器、底层发酵室下部的缓冲出料斗和出料刮板输送机组成；刮板布料器进料口通过摆式布料器与垂直设置在塔架一侧的第二提升机出料口相衔接；每层发酵室均由多个结构相同的箱体单元沿横向排列组成；上、下相邻层发酵室中的箱体单元沿竖向叠加布置。本发明优点在于物料自上而下由多层发酵室依次间歇发酵、重力流动完成发酵和翻料，满足了酿造、生物饲料、生物制药、生物肥料发酵的大规模工业化生产需要。
Description
技术领域
本发明涉及生物原料发酵技术领域，尤其是涉及适于工业化生产的液、固态生物原料发酵系统。
背景技术
液、固态发酵技术历史由来已久，但发酵工艺及发酵设备滞后，大多采用人工配以简易设备，生产工艺过程相互脱节，不能实现工业化流水线自动生产，更不能适应目前发酵行业规模化发展需要。传统的生物原料固态发酵工艺（如生物有机肥，生物蛋白饲料），一般采用发酵池发酵，即将人工配制、机械混合的物料用人工推车或机动翻斗车运填在发酵池中发酵，发酵过程中间隔一段时间用人工或翻料机翻料，中途用人工检测温度，湿度和PH值，发酵基本达到要求后采用人工或推料机转入下道工序。此发酵池发酵，占地面积大，生产环境差，机械翻料存在死角，即物料发酵温度不均匀，发酵过程难掌控，物料发酵品质不稳定，且劳动强度大，消耗人力多，难实现规模化工业生产。
近些年来发酵技术经过不断的发展，出现了一此新的发酵工艺及设备，如立式发酵罐，卧式转鼓式发酵罐，卧式搅拌式发酵罐，固态流化发酵床等。部分发酵设备不同程度上采用了辅助通风、增温、增湿及温湿度检测装置，采用了PLC（可编程控制器）控制器控制技术，提高了适用性和控制技术水平，一定程度上适应了小规模工业化生产需要。但也存在不足，翻料要消耗较大动力且物料温度均匀性差，发酵室内物料残留难清除，受容积限制产量小，制造成本和使用成本相对生产量较高，不能适应年产5000吨以上至几万吨、几十万吨规模化的生物发酵生产需要。中国专利申请公布号：CN101914432A公开设一种《塔式固体发酵装置》，但其公开的内容仅是一种思路而未给出可实施的技术手段，按照该公开的内容不能够实现固态发酵的规模化工业生产。
发明内容
本发明目的在于提供一种液、固态生物原料发酵系统，以实现固态生物原料发酵的规模化工业自动化生产。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述的液、固态生物原料发酵系统，包括由工控机控制的固态原料处理单元、固态原料配料混合单元、固态原料发酵单元和液态原料制备单元；所述固态原料发酵单元由自下而上沿横向设置在塔架上的多层发酵室、设置在所述顶层发酵室上部的刮板布料器、设置在底层发酵室下部的缓冲出料斗和出料刮板输送机组成；所述刮板布料器进料口通过摆式布料器与垂直设置在塔架一侧的第二提升机出料口相衔接；所述的每层发酵室均由多个结构相同的箱体单元沿横向排列组成；上、下相邻层发酵室中的箱体单元沿竖向叠加布置；
所述箱体单元由底板为翻板结构的上开口箱体和翻板执行机构组成；所述翻板结构的箱体底板由至少两组下翻式翻板门组成，所述每组下翻式翻板门的门轴两端分别与固定在上开口箱体前、后侧板上的轴承体转动连接，在每个上开口箱体内均安装有用于工控机检测的温湿度传感器；所述翻板执行机构由设置在上开口箱体前侧板或后侧板外部塔架上由工控机控制的气缸或液压缸、连杆机构和固定在每组下翻式翻板门门轴端部的拐臂组成；所述连杆机构由水平设置的第一连杆、倾斜设置的第二连杆和摆臂组成，所述摆臂上设置有用于限制气缸或液压缸活塞杆行程的限位座；所述每个拐臂均与所述第一连杆铰接，第一连杆通过第二连杆、摆臂与所述气缸或液压缸的活塞杆铰接；
塔架的一侧设置有进风通道而相对的另一侧设置有排风通道，位于顶层以下各层发酵室的箱体单元分别通过管道与所述进风通道、排风通道相连通；所述进风通道上设置有进风温湿度调节装置，所述进风温湿度调节装置由设置在管体内的加湿段和换热段构成；所述加湿段由沿轴向间隔设置的多层水帘构成，所述换热段由列管式换热器构成；加湿段与所述列管式换热器的管程相连通，列管式换热器的壳程通过电控三通阀分别与外部热源和冷源相连通；每个水帘的顶部通过管道与外部水源相连通；所述液态原料制备单元包括种子罐、发酵罐、混合罐和酸碱自动调节装置；所述种子罐与发酵罐、发酵罐与混合罐之间分别通过液体泵相连通，所述酸碱自动调节装置通过电控阀与发酵罐相连通；混合罐出液口通过电控输液泵与固态原料配料混合单元中的混合机进料口相连通。
所述每组下翻式翻板门的门轴由方形钢管和焊接于所述方形钢管两端部的实心轴头组成，所述两实心轴头分别与对应固定在上开口箱体前、后侧板上的轴承体转动连接，下翻式翻板门通过螺栓与方形钢管固定连接，在方形钢管上沿轴向固定有导风管，所述导风管的管壁沿轴向开设有10mm～40mm的缝隙用于导入气流穿透物料。
所述每组下翻式翻板门的门轴由方形钢管和焊接于所述方形钢管两端的实心轴头组成，所述两实心轴头分别与对应固定在上开口箱体前、后侧板上的轴承体转动连接，所述下翻式翻板门通过螺栓与方形钢管固定连接；位于方形钢管上方沿轴向间隙设置有由两斜板组成的 “人”字形结构的减压板，所述两斜板之间的夹角小于60°，所述减压板的两端分别与所述上开口箱体前、后侧板固定连接。
位于顶层发酵室的各箱体单元中设置有用于工控机检测的料位检测传感器。
所述固态原料处理单元由投料斗、与所述投料斗出料口衔接的螺旋输送机、与所述螺旋输送机进料口衔接的气爆机组成；所述气爆机出料口排出的物料通过第一提升机进入所述固态原料配料混合单元中的圆筒或圆锥筛分机内。
所述固态原料配料混合单元包括圆筒或圆锥筛分机，所述圆筒或圆锥筛分机的过筛物料出口通过旋转分配器与配料仓进料口衔接，所述配料仓出料口通过出仓机、配料秤斗与混合机进料口衔接；所述混合机卸料口通过缓冲斗和输送机与所述第二提升机进料口相衔接；混合机内腔通过管道与菌液添加装置出液口相连通。
所述固态原料发酵单元中的出料刮板输送机出料口通过第三提升机与物料干燥单元相衔接。
本发明优点在于可以根据生产规模、产品品种及投资能力对固态原料发酵单元的发酵容积进行模块化组合。物料通过刮板布料器完成顶层发酵室各箱体单元中的布料后，工控机发出指令给各箱体单元中的翻板执行机构打开下翻式翻板门，物料通过重力撒落到相邻下层发酵室对应的各箱体单元内后，工控机发出指令给各箱体单元中的翻板执行机构关闭下翻式翻板门，物料在撒落过程中完成了翻料操作，因此不存在翻料不均匀现象，进入下层发酵室对应各箱体单元内的物料，在密闭的环境中进行发酵，发酵的温、湿度通过温湿度传感器进行检测并将数据传输给工控机，工控机将检测到的数据与设定的发酵参数比较后，通过进风通道和排风通道进行调节，当发酵时间达到设定值后，工控机发出指令给该层各箱体单元中的翻板执行机构打开下翻式翻板门卸料后关闭，之后依次重复上述过程，直至完成发酵的物料自塔架底部缓冲出料斗输送到出料刮板输送机输出。物料自上而下由多层发酵室依次间歇发酵、重力流动翻料完成发酵和翻料，因此满足了酿造、生物饲料、生物制药、生物肥料等固态发酵的大规模工业化生产的需要。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明所述箱体单元的第一种结构示意图。
图2.1是图2中A部放大结构示意图。
图3是本发明所述箱体单元的第二种结构示意图。
图3.1是图3中B部放大结构示意图。
图4是本发明所述进风温湿度调节装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明所述的液、固态生物原料发酵系统，包括由工控机1控制的固态原料处理单元2、固态原料配料混合单元3、固态原料发酵单元4和液态原料制备单元54；所述固态原料发酵单元4由自下而上沿横向设置在塔架上的十层发酵室、和设置在顶层发酵室上部的刮板布料器5、以及设置在底层发酵室下部的缓冲出料斗6和出料刮板输送机7组成；刮板布料器5进料口通过摆式布料器8与垂直设置在塔架一侧的第二斗式提升机9出料口相衔接；每层发酵室均由八个结构相同的箱体单元10沿横向排列组成；上、下相邻层发酵室中的箱体单元10沿竖向叠加布置；
如图2和图2.1所示，箱体单元10由底板为翻板结构的上开口箱体和翻板执行机构组成；所述翻板结构的箱体底板由五组下翻式翻板门11组成，每组下翻式翻板门11的门轴均由方形钢管12和焊接于方形钢管12两端部的实心轴头13组成，两实心轴头13分别与对应固定在上开口箱体前、后侧板上的轴承体14转动连接，下翻式翻板门11通过螺栓与方形钢管12固定连接，在方形钢管12上沿轴向固定有导风管15，导风管15的管壁沿轴向开设有10mm～40mm的缝隙16用于导入气流穿透物料，同时，当下翻式翻板门11向下翻转卸料时，导风管15以实心轴头13为轴心向上转动，起到翻料和推动卸料作用；在每个上开口箱体内均安装有用于工控机1检测的温湿度传感器17。翻板执行机构由设置在上开口箱体前侧板外部塔架上由工控机1控制的气缸18、连杆机构和固定连接在每组下翻式翻板门11实心轴头13上的拐臂19组成；连杆机构由水平设置的第一连杆20、倾斜设置的第二连杆21和摆臂22组成，摆臂22上设置有用于限制气缸18活塞杆行程的限位座23；每个拐臂19均与第一连杆20铰接，第一连杆20通过第二连杆21、摆臂22与气缸18的活塞杆铰接；在箱体单元10的上开口箱体前侧板上设置有观测窗24；每层发酵室相邻箱体单元10的上开口箱体左、右侧板均通过螺栓相连接。
箱体单元10也可采取如图3和3.1所示的结构，每组下翻式翻板门11的实心轴头13和翻板执行机构与图2和图2.1所示的结构相同，不再重复；其不同点是在位于方形钢管12上方沿轴向间隙设置有由两斜板组成的 “人”字形结构的减压板25，两斜板之间的夹角a在50-55°之间选择，减压板25的两端分别与上开口箱体前、后侧板固定连接。
塔架的一侧设置有进风通道26而相对的另一侧设置有排风通道27，位于顶层发酵室（第十层发酵室）以下的各层发酵室的箱体单元10分别通过由工控机1控制的电动阀和管道与进风通道26、排风通道27相连通；在进风通道26上设置有进风温湿度调节装置28；顶层发酵室箱体单元10的上开口箱体内设置有由工控机1控制的料位检测传感器。
如图4所述，进风温湿度调节装置28由设置在管体内的加湿段和换热段构成；加湿段由沿轴向间隔设置的五层水帘29构成，换热段由列管式换热器构成；加湿段与列管式换热器的管程30相连通，列管式换热器的壳程31通过由工控机1控制的电控三通阀32分别与外部热源和冷源相连通；每个水帘29顶部通过管道33和由工控机1控制的电控阀34与外部水源相连通。
如图1所示，固态原料处理单元2由投料斗35、与投料斗35出料口衔接的螺旋输送机36、与螺旋输送机36进料口衔接的气爆机37组成；气爆机37出料口排出的物料通过第一斗式提升机38进入固态原料配料混合单元3中的圆筒筛分机39内。
固态原料配料混合单元3包括圆筒筛分机39，圆筒筛分机39的过筛物料出口通过旋转分配器40与配料仓41进料口衔接，配料仓41出料口通过出仓机和配料秤斗42与混合机43进料口衔接；混合机43卸料口通过缓冲斗44和输送机45与固态原料发酵单元4中的第二斗式提升机9进料口相衔接；混合机43内腔通过管道与菌液添加装置46出液口相连通。
液态原料制备单元54包括种子罐55、发酵罐56、混合罐57和酸碱自动调节装置58；所述种子罐55与发酵罐56、发酵罐56与混合罐57之间分别通过液体泵相连通，酸碱自动调节装置58通过电控阀与发酵罐56相连通；混合罐57出液口通过电控输液泵与混合机43进料口相连通。
对于有些发酵后需要干燥的物料，自固态原料发酵单元4中的出料刮板输送机7出料口排出的物料通过第三斗式提升机47送入现有的物料干燥单元48内进行干燥处理。
本发明原料处理和配料混合工作原理如下：
如图1所示，固态原料由人工从投料斗35投入，投料斗35上设置有栅栏，以保投料人员安全和防止大、杂物料（如袋子，麻绳）掉入机内；投料斗35上装有脉冲除尘器49，以改善投料环境，防止投料产尘对外飞扬；投入的原料由螺旋输送机36输送到气爆机37内，经气爆机37粉碎、灭菌处理后，由第一斗式提升机38输送至圆筒筛分机39内进行筛选处理，对易结团原料采用具有打散功能的圆锥筛较好，对含有金属杂质的原料还应加永磁筒除铁；经筛分后的原料通过旋转分配器40以重力方式下料进入配料仓41。配料仓41的数量据所配大宗原料品种确定，一般一种原料进一个配料仓41，配料仓41内装有上、下料位器，当仓内原料装到上限时发出报警并停止上游设备进料，当仓内原料达到下限时通知进料；每个配料仓41下各自带一台出仓机，工控机1根据事先设定的每批配料参数，启动一台出仓机给配料秤斗42进料，配料秤斗42动态称重并显示，工控机1跟踪检测，当达到该种原料的配方设定值时停止进料，再启动另一个配料仓41的出仓机进另一种原料，依次完成配料过程。当配料完成后，工控机1发出指令给配料秤斗42打开秤斗闸门将配料卸入混合机43中混合，同时，菌液由菌液添加装置46通过管道进入混合机43中参加混合，而种子罐55中按照设计配比配置的培养液，经发酵罐56发酵并按设计要求调节酸碱度后，通过混合罐57和电控输液泵输送到混合机43内参加混合；每批次配料在混合机43中混合3～6分钟后混合机43出料口打开，混合后的物料经缓冲斗44、输送机45和第二斗式提升机9进入固态原料发酵单元4中的摆式布料器8内。
本发明原料发酵工作原理如下：
如图2-图4所示，进入摆式布料器8内的物料通过塔架顶部的刮板布料器5输送到第十层（顶层）发酵室各箱体单元10的上开口箱体内，当各上开口箱体内物料达到设定的布料厚度时即被料位检测传感器检测到并将数据传输给工控机1，工控机1发出指令停止上游设备进料，同时控制第十层发酵室各箱体单元10的翻板执行机构打开各下翻式翻板门11，物料在重力作用下撒落到第九层发酵室各箱体单元10的上开口箱体内（此时第九层发酵室各箱体单元10的下翻式翻板门11处于关闭状态），物料在撒落过程中得到翻料。经过设定的时间后，工控机1控制第十层发酵室各箱体单元10的翻板执行机构将下翻式翻板门11关闭，进入下一轮进料布料。
物料在第九层发酵室各箱体单元10的上开口箱体内发酵至设定的时间后，工控机1发出指令，打开第九层发酵室各箱体单元10的下翻式翻板门11，物料在重力作用下撒落到第八层发酵室各箱体单元10的上开口箱体内，物料在撒落过程中得到第二次翻料。经过设定的时间后，工控机1控制第九层发酵室各箱体单元10的下翻式翻板门11关闭，进入下一轮进料。
第八层发酵室至第一层发酵室的工作过程同第九层发酵室，不再重复。
当物料逐层发酵进入第一层发酵室经过设定的发酵时间后，工控机1控制打开各箱体单元10的下翻式翻板门11，物料通过缓冲出料斗6出料口卸料到出料刮板输送机7输送至下一道工序。
第一层发酵室至第十层发酵室各箱体单元10的上开口箱体均通过管道和由工控机1控制的进风电动阀50、排风电动阀51与进风通道26、排风通道27相连通。当工控机1通过温湿度传感器17检测到某层发酵室（现以第三层发酵室为例）各箱体单元10的上开口箱体内物料发酵温度、湿度偏离设定的发酵值时，工控机1发出指令开启鼓风机52、抽风机53，同时打开通往第二层发酵室各箱体单元10上开口箱体的进风电动阀50、通往第三层发酵室各箱体单元10上开口箱体的排风电动阀51，鼓风机52输送的风通过进风温湿度调节装置28、进风通道26进入第二层发酵室各箱体单元10上开口箱体内，并经第三层发酵室各箱体单元10中的下翻式翻板门11的门缝、导风管15的管壁缝隙16（如图2.1所示），穿透第三层发酵室各箱体单元10上开口箱体内的物料后，自排风通道27排出。当发酵室10的物料处于耗氧发酵期，可按上述步骤适度开启进风电动阀50和排风电动阀51进行通风供氧，在发酵休眠期，可关闭或关小进风电动阀50和排风电动阀51。
送风的温、湿度调节通过联通在进风通道26上的进风温湿度调节装置28来实现。如图4所示，当需要送热风时，工控机1控制电控三通阀32开启与外部热源联通的阀门，外部热工质进入列管式换热器的壳程31内对通过管程30的风进行加热；反之，工控机1控制电控三通阀32开启与外部冷源联通的阀门，外部冷工质进入列管式换热器的壳程31内对通过管程30的风进行降温。当需要加湿时，工控机1控制电控阀34开启，外部水源通过管道33进入加湿段，通过水帘29对经过加湿段的风进行加湿，同时，通过加湿段的风也得到除尘处理。当然，也可以同时对送风进行加湿和降温处理，或加湿和冷却处理。
Claims (6)
1.一种液、固态生物原料发酵系统，包括由工控机控制的固态原料处理单元、固态原料配料混合单元、固态原料发酵单元和液态原料制备单元；其特征在于：所述固态原料发酵单元由自下而上沿横向设置在塔架上的多层发酵室、设置在顶层发酵室上部的刮板布料器、设置在底层发酵室下部的缓冲出料斗和出料刮板输送机组成；所述刮板布料器进料口通过摆式布料器与垂直设置在塔架一侧的第二提升机出料口相衔接；所述的每层发酵室均由多个结构相同的箱体单元沿横向排列组成；上、下相邻层发酵室中的箱体单元沿竖向叠加布置；位于顶层发酵室的各箱体单元中设置有用于工控机检测的料位检测传感器；
所述箱体单元由底板为翻板结构的上开口箱体和翻板执行机构组成；所述翻板结构的箱体底板由至少两组下翻式翻板门组成，所述每组下翻式翻板门的门轴两端分别与固定在上开口箱体前、后侧板上的轴承体转动连接，在每个上开口箱体内均安装有用于工控机检测的温湿度传感器；所述翻板执行机构由设置在上开口箱体前侧板或后侧板外部塔架上由工控机控制的气缸或液压缸、连杆机构和固定在每组下翻式翻板门门轴端部的拐臂组成；所述连杆机构由水平设置的第一连杆、倾斜设置的第二连杆和摆臂组成，所述摆臂上设置有用于限制气缸或液压缸活塞杆行程的限位座；所述每个拐臂均与所述第一连杆铰接，第一连杆通过第二连杆、摆臂与所述气缸或液压缸的活塞杆铰接；
塔架的一侧设置有进风通道而相对的另一侧设置有排风通道，位于顶层以下各层发酵室的箱体单元分别通过管道与所述进风通道、排风通道相连通；所述进风通道上设置有进风温湿度调节装置，所述进风温湿度调节装置由设置在管体内的加湿段和换热段构成；所述加湿段由沿轴向间隔设置的多层水帘构成，所述换热段由列管式换热器构成；加湿段与所述列管式换热器的管程相连通，列管式换热器的壳程通过电控三通阀分别与外部热源和冷源相连通；每个水帘的顶部通过管道与外部水源相连通；
所述液态原料制备单元包括种子罐、发酵罐、混合罐和酸碱自动调节装置；所述种子罐与发酵罐、发酵罐与混合罐之间分别通过液体泵相连通，所述酸碱自动调节装置通过电控阀与发酵罐相连通；混合罐出液口通过电控输液泵与固态原料配料混合单元中的混合机进料口相连通。
2.根据权利要求1所述的液、固态生物原料发酵系统，其特征在于：所述每组下翻式翻板门的门轴由方形钢管和焊接于所述方形钢管两端部的实心轴头组成，所述实心轴头分别与对应固定在上开口箱体前、后侧板上的轴承体转动连接，下翻式翻板门通过螺栓与方形钢管固定连接，在方形钢管上沿轴向固定有导风管，所述导风管的管壁沿轴向开设有10mm～40mm的缝隙用于导入气流穿透物料。
3.根据权利要求1所述的液、固态生物原料发酵系统，其特征在于：所述每组下翻式翻板门的门轴由方形钢管和焊接于所述方形钢管两端的实心轴头组成，所述实心轴头分别与对应固定在上开口箱体前、后侧板上的轴承体转动连接，所述下翻式翻板门通过螺栓与方形钢管固定连接；位于方形钢管上方沿轴向间隙设置有由两斜板组成的 “人”字形结构的减压板，所述两斜板之间的夹角小于60°，所述减压板的两端分别与所述上开口箱体前、后侧板固定连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的液、固态生物原料发酵系统，其特征在于：所述固态原料处理单元由投料斗、与所述投料斗出料口衔接的螺旋输送机、与所述螺旋输送机进料口衔接的气爆机组成；所述气爆机出料口排出的物料通过第一提升机进入所述固态原料配料混合单元中的圆筒或圆锥筛分机内。
5.根据权利要求1、2或3所述的液、固态生物原料发酵系统，其特征在于：所述固态原料配料混合单元包括圆筒或圆锥筛分机，所述圆筒或圆锥筛分机的过筛物料出口通过旋转分配器与配料仓进料口衔接，所述配料仓出料口通过出仓机、配料秤斗与混合机进料口衔接；所述混合机卸料口通过缓冲斗和输送机与所述第二提升机进料口相衔接；混合机内腔通过管道与菌液添加装置出液口相连通。
6.根据权利要求1、2或3所述的液、固态生物原料发酵系统，其特征在于：所述固态原料发酵单元中的出料刮板输送机出料口通过第三提升机与物料干燥单元相衔接。
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