CN106701563B - 全自动控制多功能固态发酵罐 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全自动控制多功能固态发酵罐，包括圆形立式发酵罐主体和发酵控制系统，发酵罐主体上端一侧设有进料绞龙，发酵罐主体内部设有多个隔板，每个发酵层内设有高料层料位自动控制装置；每个发酵层内均设有无菌空分布系统，无菌空分布系统与位于发酵罐主体外侧的无菌空气发生罐连接，发酵罐主体内部转动安装有主轴，隔板上端设有搅拌桨叶。本发明集干料混合、加水拌料、蒸汽灭菌、接种、自控发酵、低温干燥、原料粉碎、自动出料、成品破碎八种功能于一体，使固态发酵所有操作均可在多功能生物固态发酵罐中完成，通过本设备可连续完成固体类生物制品的发酵、生产制备过程。

Description

全自动控制多功能固态发酵罐
技术领域
本发明涉及一种立式全自动固态连续发酵设备，具体来说涉及一种全自动控制多功能固态发酵罐。
背景技术
工业生产上的发酵方式主要有深层液体发酵和固态发酵两种。其中深层液态发酵方式是最主要的发酵工艺，技术较为成熟，在工业化生产中被广泛应用。但是也存在着工艺流程复杂，容易染菌，发酵后处理复杂，三废排放多，产芽孢率低等缺点。随着时代的发展，液体深层发酵技术进一步发展遇到了障碍，高污染和高能耗就是其面临的最大问题，高浓度、高粘度发酵成为液体深层发酵的重要发展方向，然而高浓度、高粘度发酵的极限状态就是固态发酵（Solid-state fermentation，SSF)。历史悠久的固态发酵重新被人们重视起来，作为一种新的工业生产方式，现代固态发酵在生产中体现出自己特有的优越性。固态发酵是没有或只有少量游离水存在，在具有可以满足微生物生长代谢的一定湿度的固态营养基质中进行微生物发酵过程。从生态学和仿生学的观点来看，固态发酵更适宜于微生物的生存、繁殖和代谢。固态发酵，尤其是产品为生物量或初级代谢产物的固态发酵相对于液态深层发酵，表现出众多的优越性。和传统的深层液体发酵工艺相比，固态发酵具有培养基含水量低，所需反应器体积小；产物浓度高，产品纯化费用低；无废水排放，污染物较少，可用于生产生物饲料、生物肥料、生物农药、酶制剂、有机酸、功能食品等众多产品；所需通气压力低，能耗少；培养基来源广泛等优越性，具有节水节能等优势，属于清洁生产技术。
固态发酵由不溶于水的固体、少量的水分及空气组成，发酵过程微生物产热导致水分蒸发，使发酵体系具有气液固不均匀三相，存在严重的浓度梯度及传热、传质困难，这样很难控制pH、水分、发酵温度等，使发酵产量大大下降。较大规模的固态发酵装置，目前主要有浅盘发酵，厚层通风发酵池，圆盘式固态发酵，立式锥形固态发酵罐等。浅盘发酵的优点是，容易与外界发生物质、能量的交换，传质、传热、传气容易，菌体生长良好，缺点是，操作时，需要人工填装和摆放，劳动强度大，工作效率低，极易染菌；厚层通风发酵池，存在进料出料无法自动化，接种及发酵过程容易染菌，无法混合等缺点；圆盘式固态发酵存在装料系数低，混合不均匀，接种困难，出料不干净等缺点，转鼓式发酵罐，不能连续生产，只能间歇操作，也需要人力操作，因此效率低；翻转盘发醉罐，虽然可以连续操作，但是结构复杂，不易控制；深层通风发酵罐，需要较高压力的无菌空气，耗能大，而且发酵培养基散热不佳。上述三种方法均不能很好地满足连续化无菌固态发酵的要求，并且只有单一的发酵功能，无法实现灭菌、真空低温干燥等功能；立式锥形固态存在发酵罐物料混合不均匀，能耗大，接种困难，发酵过程中对物料无法均匀混合，温度不均匀等问题。此外，固态发酵中PH、溶氧、基质浓度等不易在线检测，因此已有的固态发酵设备存在诸多缺点，使固态发酵的生产应用几乎处于停滞状态，无法实现固态发酵的工业化规模生产。
固态发酵反应器的研制对于固态发酵的工业化推广具有重要意义，根据基质的运动情况，固态发酵反应器可以分为两类：静态固态发酵反应器和动态固态发酵反应器。好养菌固态发酵影响因素受物料含水量，通气量，温度影响较大，好氧菌固态发酵反应器主要应该解决对于固态发酵温度、通气、物料含水量、防染菌等方面的控制。已有的固态发酵装置中通常将通气、加湿、散热分开处理，存在原理及制造复杂，操作控制复杂，发酵过程易染菌，或设备造价高等方面的问题。
固态发酵最难解决的就是搅拌系统的设计，搅拌系统直接关系到传质传热及溶氧的效率，并且，对液态难以发酵的丝状菌体而言，转速不能太快，否则会切断菌丝而影响发酵质量，搅拌中保持混合均匀、料层厚度一致，才能保证物料受热均匀、通气均匀，提高发酵成绩。
在对通入空气除菌时采用的方法主要有辐射杀菌、热杀菌、静电除菌，过滤除菌采用的介质如棉花、玻璃纤维、活性炭存在体填充费时费力，松紧度不易掌握的缺点；纸类过滤介质如超细玻璃纤维纸受潮后强度降低，影响空气过滤效果。现代的金属膜和有机膜得到了很好地应用。
现代固态发酵迫切要求纯菌种大规模生产，相关研究和应用取得了不少进展。但是，适合于纯菌种大规模培养的固态发酵设备缺乏严重制约了固态发酵的应用。
公开号为CN201506789U的专利中，将双锥形罐体设计成转鼓式，中轴和中轴上的桨叶设计成中空式，蒸汽从罐体中间通入，这种设计不能保证灭菌没有死角，发酵效果难以保证，并且没有提及保温措施。公开号为CN102358883A的专利中，介绍了一种卧式转轴式固态发酵罐，蒸汽也是从上口进入，而物料在下方，同样不能保证灭菌没有死角，发酵效果也是难以保证，发酵过程产生的热量不能及时带走，影响发酵质量。公开号为CN102318789A的专利中，介绍了一种用于发酵红曲的转鼓式固态发酵罐，通过罐顶喷淋的方式控制发酵罐的温度，效率不高；取样口设计在罐体下部，而且没有说明具体取样方式和取样时染菌的预防措施。在已经公开的固态发酵罐专利中，都没有涉及如何保证搅拌后物料厚度均匀的措施，势必会使发酵料层厚度不均，受热不均而影响发酵质量。
总之，固态发酵周期长，传质传热困难，发酵中物料温度、pH、溶氧、基质浓度、生物量等不易在线检测，所以设计固态发酵罐的核心问题就是如何设计高效的搅拌系统，使各处物料温度、pH、溶氧等均匀，其次是设计物料温度、pH、溶氧、基质浓度、生物量等的在线检测，再次是设计固态发酵罐的清洗和灭菌，避免物料培养过程和物料输送过程染菌。
目前，有许多类型的固态发酵反应器已经问世（包括实验室、中试阶段、工业生产规模化）。其中动态固态发酵的生物反应器中的基质处于间断或连续的运动状态，强化了传热和传质，设备结构比较紧凑，自动化程度相对较高，大多数都在100m3以下，由于结构不合理，放大到200 m3时发酵过程的不均匀、出料难、染菌，以及过程检控等一系列问题，到目前为止尚未见到有关大型工业化规模固态反应器的报道。固态发酵必须解决反应器的过程放大，否则只能小规模生产。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种可以对固态物料发酵所需的灭菌、冷却、液体接种、控温、发酵、控湿、通气、真空烘干等功能在固态发酵罐内同时完成，使固态物料在罐体内形成循环流动，并可实现自动出料且出料干净完全的多功能生物固态发酵罐。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：全自动控制多功能固态发酵罐，包括圆形立式发酵罐主体和发酵控制系统，发酵罐主体上端设有排气口，发酵罐主体上端一侧设有进料绞龙，进料绞龙连接斗式提升机；发酵罐主体内部设有多个隔板，每个隔板上均设有下料口，下料口沿着发酵罐主体轴线呈螺旋状设置，隔板将发酵罐主体分为多个发酵层和1个预烘干层，每个发酵层内设有高料层料位自动控制装置；每个发酵层内均设有无菌空分布系统，每个无菌空分布系统均与位于发酵罐主体外侧的无菌空气发生罐连接，每个发酵层的隔板下设有蒸汽或冷却水盘管，发酵罐主体的外侧设有蒸汽主管、冷却水主管、空气主管，每个发酵层的蒸汽或冷却水盘管均与蒸汽主管和冷却水主管相连接，每个发酵层一侧外壁上均设有夹套进口，另一侧均设有夹套出口，蒸汽主管和冷却水主管分别与每个发酵层的夹套进口相连，每个发酵层的夹套出口均与冷却回水管相连；预烘干层位于最下层，预烘干层的隔板为具有多孔的喷风板，喷风板下端为底板，底板下端通过多个支柱支撑，喷风板和底板之间的发酵罐主体壳体上设有预烘干层进风口，预烘干层进风口与位于发酵罐主体外侧的振动流化床干燥机连接，预烘干层的下料口下方设有出料绞龙，出料绞龙设置在振动流化床干燥机上方；发酵罐主体内部转动安装有主轴，主轴下端连接联轴器，联轴器连接减速器，减速器连接电机，主轴穿过每个隔板的中心孔，隔板的中心孔与主轴之间通过填料密封或机械密封进行密封，每个隔板上端均设有搅拌桨叶，搅拌桨叶安装在主轴上；发酵控制系统包括温湿度检测系统、温度控制单元、湿度控制单元、供气控制单元和尾气检测控制单元，温湿度检测系统分别连接温度控制单元和湿度控制单元。
所述进料绞龙包括筒体，筒体水平设置，筒体轴线与发酵罐主体呈90度夹角，筒体底部设有机座，筒体上方设有进料口和接种喷液口，筒体下方设有出料口，出料口处设有分料板，筒体内部设有螺旋轴，螺旋轴上设有螺旋叶片、爪形打棒和成螺旋排列的柱状打棒，筒体一端与发酵罐主体连接，连接处设有填料密封座，填料密封座内部设有石墨盘根，筒体另一端设有减速机，减速机安装在减速机座上，减速机一端连接电机，另一端通过减速机的联轴器与螺旋轴连接。
所述高料层料位自动控制装置包括料位控制仪和旋转式闭气下料阀，料位控制仪上设有摆针和自调重心料摆，料位控制仪和摆针相连，料位控制仪和摆针通过摆片Ⅰ同步起伏，自调重心料摆和摆针通过传动轴同轴摆动，传动轴通过外球面轴承座及填料座固定在发酵罐壳体上，自调重心料摆采用不锈钢板制成瓢型、半球型或球型，自调重心料摆的腔体内装有若干滑块；旋转式闭气下料阀通过法兰盘Ⅰ连接在每个发酵层的下料口处，并通过法兰盘Ⅱ固定在发酵罐主体壳体上，旋转式闭气下料阀连接变频调速电机。
所述高料层料位自动控制装置包括自调重心料摆、摆片Ⅱ、传动轴、连杆、平衡杆、料门轴和料门，自调重心料摆采用不锈钢板制成瓢型、半球型或球型，自调重心料摆的腔体内装有若干滑块，自调重心料摆连接摆片Ⅱ，摆片Ⅱ与传动轴连接，摆片Ⅱ和平衡杆上均设有4个固定孔，连杆一端通过摆片Ⅱ上的固定孔与摆片Ⅱ连接，连杆另一端通过平衡杆上的固定孔与平衡杆连接，平衡杆一端与料门轴固定连接，另一端上设有平衡块，料门轴上固定连接料门，料门设置在每个发酵层的下料口处，料门轴设在轴承座上。
所述无菌空分布系统包括无菌空气进口、出风口、气体分布主管和气体分布管Ⅰ，无菌空气进口和出风口设在发酵罐主体壳体上，无菌空气进口与气体分布主管相连通，无菌空气进口连接无菌空气发生罐，气体分布主管和气体分布管Ⅰ相连，气体分布管Ⅰ为米字状分布或非字状分布，气体分布管Ⅰ上垂直设有多个气体分布管支管Ⅰ，气体分布管支管Ⅰ上设有喷气口，出风口连接主排气管。
所述无菌空分布系统包括气体分布管Ⅱ，气体分布管Ⅱ安装在搅拌桨叶上，气体分布管Ⅱ上垂直设有多个气体分布管支管Ⅱ，主轴为空心轴，主轴上端设有进气孔，进气孔与无菌空气发生罐连接，每个发酵层的主轴上均设有开孔，气体分布管Ⅱ的进气口与主轴的开孔相对应，气体分布管Ⅱ的进气口与主轴的开孔之间通过台阶孔胶垫进行密封。
所述无菌空气发生罐为气湿耦合无菌空气发生罐，包括主罐体和气湿耦合装置，主罐体上端设有罐盖，在主罐体和罐盖之间设有橡胶圈垫，罐盖上设有出气管道、温度探头安装座和湿度探头安装座，主罐体一侧设有无菌空气进气管，另一侧设有蒸汽管和压力表接口，蒸汽管上安装有自动调节阀，主罐体底端设有多余水排放口，气湿耦合装置包括2～4个环形水管，每个环形水管均连接无菌冷却蒸馏水管，每个无菌冷却蒸馏水管上均设有电磁阀，每个环形水管上均匀分布有多个雾化喷头。
所述搅拌桨叶为直叶、斜叶、弯叶或螺旋桨叶，搅拌桨叶为前斜式或后斜式单刀形，或者为主刀加副刀的双刀形；搅拌桨叶端部为单刀形，搅拌桨叶端部设有与发酵罐主体内壁弹性接触的弹性接触件，弹性接触件为搅料棒或刮料棒。
每个发酵层均设有视镜和维修用的人孔，发酵罐主体的壳体上设置有三个压力表接口，分别设在发酵罐主体顶部、发酵罐主体中部以及发酵罐主体底部；喷风板上设有多个喷气口，喷气口的排列是以同心圆形式排列，同心圆的半径值为R=50x，x≥0，x为自然数，喷气口的直径为Φ3.1~Φ3.4mm。
所述温湿度检测系统包括温湿度传感器，温湿度传感器为SS10系列总线式温湿度传感器，温湿度传感器设置在每个发酵层的不同地方，每个温湿度传感器均与总线相连，总线连接无线数据处理分机，无线数据处理分机内部设置电源和无线收发模块，通过无线收发模块将数据无线发出，传输距离达1000米；无线主机接收数据，并将数据传送到读写器，读写器通过解调传送过来的数据，通过串口485总线传送给电脑。
所述温度控制单元由发酵层温度控制单元、烘干层温度控制单元和灭菌控制单元三个部分组成，发酵层温度控制单元包括设在夹套进口处的夹层冷却进水电动调节阀、设在冷却水盘管的盘管冷却进水电磁阀、设在冷却回水管上的出水电磁阀以及蒸汽主管上的蒸汽电动调节阀，蒸汽电动调节阀分别连接冷却进水电动调节阀和盘管冷却进水电磁阀；灭菌控制单元包括蒸汽电动调节阀；烘干层温度控制单元包括设在预烘干层进风口处的热空气进气阀；湿度控制单元由无菌空气发生罐上的无菌水流量调节阀及湿度传感器组成；供气控制单元由无菌空气发生罐、管道、进气电动蝶形调节阀和出气电动蝶形调节阀组成，进气电动蝶形调节阀设在无菌空气进口处，出气电动蝶形调节阀设在出风口处，无菌空气发生罐通过管道与发酵罐主体内的每个发酵层连接。
所述尾气检测控制单元包括多个采样管、通气管、电控转换阀、红外线传感器和电化学传感器，每个采样管一端均连接尾气排放管，采样管另一端均连接通气管，采样管与通气管连接处设有电控转换阀，通气管上依次设有气水分离器、灰尘过滤器、硅胶、气泵、稳流阀和三通阀Ⅰ，三通阀Ⅰ分别连接管路一和管路二，管路一为出气管，出气管上依次设有气体流量计、红外线CO2传感器和电化学O2传感器，管路二上设有三通阀Ⅱ，三通阀Ⅱ分别与标气管路和零气管路连接，气水分离器上设有排水管，稳流阀上设有放气管，每个采样管上均设有阀门，阀门与多路脉冲控制器连接。
本发明的全自动控制多功能固态发酵罐的有益效果是：1、在发酵罐主体内设有若干个隔板将发酵罐主体内空间隔离成若干单元空间，在隔板上设有下料口；可将这若干个单元空间分发酵段、预烘干段，或者是好氧发酵段、厌氧发酵段、预烘干段，或者是发酵段、烘干段、冷却段，或者是灭菌段、冷却段、接种段、自控发酵段、低温干燥段五种功能于一体；2、可实现连续进排料，可进行自动化生产，降低劳动强度；3、可进行无菌生产；适用于无菌程度要求高的医药、酶制剂、抗生素固态发酵工业化生产；4、操作简便，可完全实现机械化控制；5、可实现整体控温、控湿。
本发明集干料混合、加水拌料、蒸汽灭菌、接种、自控发酵、低温干燥、原料粉碎、自动出料、成品破碎八种功能于一体, 生产原料无需转移，不会露天暴露在外，可使固态发酵所有操作均可在发明的多功能生物固态发酵罐中完成，通过本设备可连续完成固体类生物制品的发酵、生产制备过程。本设备适用于各种抗性的、好氧菌种、厌氧菌种的固态发酵，不仅卫生、环保、节能，而且可大幅度提高生产效率，能够实现工业化规模生产，降低了生产成本和设备投资，有效解决了在制备生物制品时，固态发酵生产工艺落后、固态发酵设备功能单一、易染菌、劳动量大、装料系数低、无法控制混合搅拌、温度、湿度以及生物繁殖成功率低、均匀性、稳定性差、效率低的难题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是进料绞龙的结构示意图。
图3是搅拌桨叶的结构示意图。
图4是图3的A向视图。
图5是图3的B向视图。
图6是高料层料位自动控制装置的结构示意图1。
图7是自调重心料摆的A-A剖视图。
图8是高料层料位自动控制装置的结构示意图2。
图9是无菌空分布系统的结构示意图。
图10是图9的C向视图1。
图11是图9的C向视图2。
图12是无菌空气发生罐的结构示意图。
图13是温度控制单元、湿度控制单元和供气控制单元的结构示意图。
图14是尾气检测控制单元的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1～图14所示的全自动控制多功能固态发酵罐，包括圆形立式发酵罐主体2和发酵控制系统，发酵罐主体2上端设有排气口3，发酵罐主体2上端一侧设有进料绞龙1，进料绞龙1连接斗式提升机28；发酵罐主体2内部设有多个隔板29，每个隔板29上均设有下料口12，下料口12沿着发酵罐主体2轴线呈螺旋状设置，隔板29将发酵罐主体2分为多个发酵层和1个预烘干层，每个发酵层内设有高料层料位自动控制装置13；每个发酵层内均设有无菌空分布系统9，每个无菌空分布系统9均与位于发酵罐主体2外侧的无菌空气发生罐22连接，每个发酵层的隔板下设有蒸汽或冷却水盘管8，发酵罐主体2的外侧设有蒸汽主管、冷却水主管、空气主管，每个发酵层的蒸汽或冷却水盘管8均与蒸汽主管和冷却水主管相连接，每个发酵层一侧外壁上均设有夹套进口25，另一侧均设有夹套出口6，蒸汽主管和冷却水主管分别与每个发酵层的夹套进口25相连，每个发酵层的夹套出口6均与冷却回水管相连；预烘干层位于最下层，预烘干层的隔板为具有多孔的喷风板24，喷风板24下端为底板23，底板23下端通过多个支柱支撑，喷风板24和底板23之间的发酵罐主体壳体上设有预烘干层进风口14，预烘干层进风口14与位于发酵罐主体2外侧的振动流化床干燥机15连接，预烘干层的下料口下方设有出料绞龙16，出料绞龙16设置在振动流化床干燥机15上方；发酵罐主体2内部转动安装有主轴11，主轴11下端连接联轴器21，联轴器21连接减速器19，减速器19连接电机20，主轴11穿过每个隔板29的中心孔，隔板29的中心孔与主轴11之间通过填料密封26或机械密封进行密封，每个隔板29上端均设有搅拌桨叶7，搅拌桨叶7安装在主轴11上，主轴11采用一固定轴承固定上轴头和一推动轴承固定下轴头，避免了把主轴11和搅刀的重量以及物料转动的反作用力都下压到减速器19上，造成减速器19损坏、寿命不长和能耗消耗大等；也可用滚动轴承把上轴头固定在发酵罐外部，一旦损坏更换非常容易；发酵控制系统包括温湿度检测系统、温度控制单元、湿度控制单元、供气控制单元和尾气检测控制单元，温湿度检测系统分别连接温度控制单元和湿度控制单元。
所述进料绞龙1包括筒体2-11，筒体2-11水平设置，筒体2-11轴线与发酵罐主体2呈90度夹角，筒体2-11底部设有机座2-13，筒体2-11上方设有进料口2-5和接种喷液口2-7，筒体2-11下方设有出料口，出料口处设有分料板2-12，使接种后的物料均匀地分散在发酵罐主体2的顶层；筒体2-11内部设有螺旋轴2-8，出料口外侧设有滑动密封轴承用于支撑螺旋轴2-8，螺旋轴2-8上设有螺旋叶片、爪形打棒2-6和成螺旋排列的柱状打棒2-10，使固体物料均匀接种而无结块；筒体2-11一端与发酵罐主体2连接，连接处设有填料密封座，填料密封座内部设有石墨盘根，筒体2-11另一端设有减速机2-2，减速机2-2安装在减速机座2-3上，减速机2-2一端连接电机2-1，另一端通过减速机的联轴器2-4与螺旋轴2-8连接。当物料从进料口进入筒体2-11，通过电机2-1与减速机2-2的工作，驱动螺旋轴2-8旋转使物料从进料口2-5向前移动，物料通过接种喷液口2-7时被液体菌种接种，并被爪形打棒2-6打散被螺旋叶片向前输送，结团的物料被螺旋轴2-8上打棒打散后继续输送到出料口；由于筒体2-11采用圆筒形故密封效果好。
所述高料层料位自动控制装置13包括料位控制仪4-5和旋转式闭气下料阀4-10，料位控制仪4-5上设有摆针4-7和自调重心料摆4-1，料位控制仪4-5和摆针4-7相连，料位控制仪4-5和摆针4-7通过摆片Ⅰ4-6同步起伏，自调重心料摆4-1和摆针4-7通过传动轴4-4同轴摆动，传动轴4-4通过外球面轴承4-3及填料座固定在发酵罐壳体上，采用外球面轴承4-3固定传动轴4-4，能确保料摆上下浮动时的灵活性，也增加了轴承的使用寿命，通过填料密封，能有效杜绝发酵气体通过传动轴4-4和发酵罐壳体间隙外逸的现象，减少了无菌空气消耗，提高了生产安全系数；自调重心料摆4-1采用不锈钢板制成瓢型、半球型或球型，自调重心料摆4-1的腔体内装有若干滑块4-13，通过滑块4-13能自动调整重心，能够可靠的随湿物料上下浮动，不会被埋或被卡；旋转式闭气下料阀4-10通过法兰盘Ⅰ4-14连接在每个发酵层的下料口12处，并通过法兰盘Ⅱ4-11固定在发酵罐主体壳体上，旋转式闭气下料阀4-10连接变频调速电机4-12。自调重心料摆4-1随着湿物料的高度上下浮动，摆针4-7通过传动轴4-4与自调重心料摆4-1同步起伏，通过摆针4-7将料层高度同步传递到料位控制仪4-5，料位控制仪4-5根据摆针4-7所处位置不同，自动调整旋转式闭气下料阀4-10的转速，从而实现高料层料位能保持一定高度，保证有足够的纯种发酵时间，确保发酵效果。
另一种高料层料位自动控制装置13包括自调重心料摆4-1、摆片Ⅱ5-10、传动轴4-4、连杆5-2、平衡杆5-4、料门轴5-6和料门5-8，自调重心料摆4-1采用不锈钢板制成瓢型、半球型或球型，自调重心料摆4-1的腔体内装有若干滑块4-13，自调重心料摆4-1连接摆片Ⅱ5-10，摆片Ⅱ5-10与传动轴4-4连接，摆片Ⅱ5-10和平衡杆5-4上均设有4个固定孔，连杆5-2一端通过摆片Ⅱ5-10上的固定孔与摆片Ⅱ5-10连接，连杆5-2另一端通过平衡杆5-4上的固定孔与平衡杆5-4连接，平衡杆5-4一端与料门轴5-6固定连接，另一端上设有平衡块5-5，料门轴5-6上固定连接料门5-8，料门5-8设置在每个发酵层的下料口12处，料门轴5-6设在轴承座5-7上。发酵罐内料层的上下浮动使自调重心料摆4-1上下浮动，使传动轴4-4同轴摆动，带动摆片Ⅱ5-10同步起伏，通过摆片Ⅱ5-10带动连杆5-2上下移动，连杆5-2带动平衡杆5-4摆动，平衡杆5-4带动料门轴5-6转动，料门轴5-6带动料门5-8转动，从而调节料门5-8的开度；通过平衡块5-5在平衡杆5-4上安装位置不同产生不同的杠杆力大小能够控制料门轴5-6产生不同的转动角度。为了方便观察，在传动轴4-4上可固定一料位指针。
所述无菌空分布系统9包括无菌空气进口27、出风口10、气体分布主管6-1和气体分布管Ⅰ6-2，无菌空气进口27和出风口10设在发酵罐主体壳体上，无菌空气进口27与气体分布主管6-1相连通，无菌空气进口27连接无菌空气发生罐22，气体分布主管6-1和气体分布管Ⅰ6-2相连，气体分布管Ⅰ6-2为米字状分布或非字状分布，气体分布管Ⅰ6-2上垂直设有多个气体分布管支管Ⅰ6-3，气体分布管支管Ⅰ6-3上设有喷气口，出风口10连接主排气管6-6，从无菌空气进口27进入的灭菌用蒸汽或无菌空气能够均匀的送入到发酵罐主体2内。
另一种无菌空分布系统9包括气体分布管Ⅱ6-4，气体分布管Ⅱ6-4安装在搅拌桨叶7上，气体分布管Ⅱ6-4上垂直设有多个气体分布管支管Ⅱ6-5，主轴11为空心轴，主轴11上端设有进气孔，进气孔与无菌空气发生罐22连接，每个发酵层的主轴11上均设有开孔，气体分布管Ⅱ6-4的进气口与主轴11的开孔相对应，气体分布管Ⅱ6-4的进气口与主轴11的开孔之间通过台阶孔胶垫进行密封。
所述无菌空气发生罐22为气湿耦合无菌空气发生罐，包括主罐体7-5和气湿耦合装置，主罐体7-5上端设有罐盖，在主罐体7-5和罐盖之间设有用于密封的橡胶圈垫，罐盖上设有出气管道7-1、温度探头安装座7-2和湿度探头安装座7-6，主罐体7-5一侧设有无菌空气进气管，另一侧设有蒸汽管7-9和压力表接口7-7，蒸汽管7-9上安装有自动调节阀，当进气温度低时，蒸汽管7-9上的自动调节阀自动开启，当进气温度高时，开启换热器降低无菌空气温度；主罐体7-5底端设有多余水排放口7-10，气湿耦合装置包括2～4个环形水管7-4，每个环形水管7-4均连接无菌冷却蒸馏水管7-3，每个无菌冷却蒸馏水管7-3上均设有电磁阀，由控制系统根据湿度探头信号来控制电磁阀的开闭；每个环形水管7-4上均匀分布有多个雾化喷头7-8。
所述搅拌桨叶7为直叶、斜叶、弯叶或螺旋桨叶，搅拌桨叶7为前斜式或后斜式单刀形3-1，或者为主刀加副刀的双刀形3-3；搅拌桨叶7端部为单刀形，搅拌桨叶7端部设有与发酵罐主体2内壁弹性接触的弹性接触件，弹性接触件为搅料棒3-2或刮料棒3-4。搅拌桨叶7能够使固态物料均匀的得到搅拌，而且无死角、无粘壁和结块。
所述每个发酵层均设有视镜4和维修用的人孔5，发酵罐主体2的壳体上设置有三个压力表接口，分别设在发酵罐主体顶部、发酵罐主体中部以及发酵罐主体底部；喷风板24上设有多个喷气口，喷气口的排列是以同心圆形式排列，同心圆的半径值为R=50x，x≥0，x为自然数，喷气口的直径为Φ3.1~Φ3.4mm。
所述温湿度检测系统包括温湿度传感器，温湿度传感器为SS10系列总线式温湿度传感器，温湿度传感器设置在每个发酵层的不同地方，温湿度传感器内带有唯一的ID号标签（由24位的字母、数字组成，可以实现无限的序号组合，即可实现全球唯一ID号），每只标签的ID号与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中，即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第6号发酵罐的，第3发酵层，第7只温湿度标签，具体位置是：高0.5米；距离中心X轴距3.2米、Y轴距1.8米；每个温湿度传感器均与总线相连，总线连接无线数据处理分机，无线数据处理分机内部设置电源和无线收发模块，当温湿度传感器测量到现场的数据后，通过无线收发模块将数据无线发出，传输距离达1000米；无线主机接收数据，并将数据传送到读写器，读写器通过解调传送过来的数据，通过串口485总线传送给电脑，电脑将接收到的数据存储，通过软件对发酵罐各料层数据检测进行三维动态数字图形显示，并与控制系统设定的标准值比较，若现场值超出标准值，系统会报警告知管理人员，并会自动的启动温度控制单元、湿度控制单元对控制设备作相应处理。
温度控制单元由发酵层温度控制单元、烘干层温度控制单元和灭菌控制单元三个部分组成，发酵层温度控制单元包括设在夹套进口处的夹层冷却进水电动调节阀8-4、设在冷却水盘管的盘管冷却进水电磁阀8-2、设在冷却回水管上的出水电磁阀8-8以及设在蒸汽主管上的蒸汽电动调节阀8-1，冷却进水电动调节阀8-4和盘管冷却进水电磁阀8-2均与蒸汽电动调节阀8-1连接。当需要降温时，开启夹层冷却进水电动调节阀8-4、盘管冷却进水电磁阀8-2和出水电磁阀8-8；当需要升温时，开启夹层冷却进水电动调节阀8-4、盘管冷却进水电磁阀8-2和出水电磁阀8-8，同时开启蒸汽电动调节阀8-1。灭菌控制单元包括蒸汽电动调节阀8-1，当对罐内物料进行实消时，只开启蒸汽电动调节阀8-1和出水电磁阀8-8。
烘干层温度控制单元包括设在预烘干层进风口14处的热空气进气阀8-6，它利用沸腾干燥法烘干尾气直接进入发酵罐底层预烘干层对固态发酵物料进行预干燥，然后由出料绞龙16输送至振动流化床干燥机15干燥，这样既利用了烘干尾气的余热，又解决了固态发酵物料在出料绞龙16中的粘联问题。或者在振动流化床干燥机15前进行造粒，所述造粒步骤包括：将所述活性固态发酵物通过造粒机进行造粒，所述造粒机的筛网孔径为1-4毫米；所述振动流化床干燥机15的进风口处安装有高效过滤器，所述高效过滤器对大于0.3微米颗粒过滤效率99.97%；所述振动流化床干燥机15的物料出口处设置有脉冲布袋除尘器。
湿度控制单元由无菌空气发生罐22上的无菌水流量调节阀8-5及湿度传感器组成，当湿度超过上下限时，通过无菌水流量调节阀8-5，可实现固态发酵的湿度全自动化调节。开启无菌空气发生罐上的蒸汽电动调节阀还可对气湿耦合无菌空气发生罐及无菌空气管道进行灭菌。从而可实现固态发酵的全自动化生产。
供气控制单元由无菌空气发生罐22、管道、进气电动蝶形调节阀8-3和出气电动蝶形调节阀8-7组成，进气电动蝶形调节阀8-3设在无菌空气进口处，出气电动蝶形调节阀8-7设在出风口10处，无菌空气发生罐22内的温湿气体由管道分配到各发酵单元层，通过进气电动蝶形调节阀8-3、出气电动蝶形调节阀8-7的开度来控制发酵层内气压力达到0~0.09Mpa，也可对好氧量进行调节。
同时还可以全开进气电动蝶形调节阀8-3和关闭出气电动蝶形调节阀8-7的“吸”，关闭进气电动蝶形调节阀8-3和全开出气电动蝶形调节阀8-7的“排”，这样交替吸排的压差驱动可使发酵层内的废气可以充分排出，排气的过程可加速培养基中水分蒸发及时带走发酵过程中产生的热量，同时培养基中的水分又可以由补入的新鲜湿空气补充。发酵罐内部压力的周期变化对微生物形成周期刺激，有利于促进微生物的生长。
完全关闭进气电动蝶形调节阀8-3和出气电动蝶形调节阀8-7还可实现兼性厌氧发酵和厌氧发酵。一罐多用，既可以用于普通的固态发酵，又可以用于惰性载体固态发酵，还可以用于连续惰性载体固态发酵。
所述尾气检测控制单元包括多个采样管、通气管、电控转换阀、红外线传感器和电化学传感器，每个采样管一端均连接尾气排放管，采样管另一端均连接通气管，采样管与通气管连接处设有电控转换阀，通气管上依次设有气水分离器、灰尘过滤器、硅胶、气泵、稳流阀和三通阀Ⅰ，三通阀Ⅰ分别连接管路一和管路二，管路一为出气管，出气管上依次设有气体流量计、红外线CO2传感器和电化学O2传感器，管路二上设有三通阀Ⅱ，三通阀Ⅱ分别与标气管路和零气管路连接，气水分离器上设有排水管，稳流阀上设有放气管，使得从多个尾气进样管进来的气体不相互干扰，待通气管上都为同一尾气进样管过来的气体时才进入传感器测定；每个采样管上均设有阀门，阀门与多路脉冲控制器连接，通过多路脉冲控制器对阀门进行自动化控制，即间隔巡检测量每个采样测点。
尾气通过采样管进入通气管，经气水分离器进行气水分离，分离出的水通过排水管排出，通过灰尘过滤器对尾气中的固态微粒进行过滤，通过硅胶进行吸潮，保证进入的尾气干净、湿度低，通过红外线CO2传感器和电化学O2传感器对尾气中的CO2 和O2浓度进行检测；管路二上设有标气管路和零气管路，标气管路中的标气（9.95% CO2和9.95% O2）和零气管路中的零气（99.99%N2）分别通过红外线CO2传感器和电化学O2传感器，从而对尾气中的CO2 和O2浓度进行比对。
用多路脉冲控制器对发酵层不同测量点阀门进行自动化控制，即间隔巡检测量每个采样测点；同时也将一个采样测量点放在发酵罐的进气管上，通过检测得到发酵呼吸熵（respiratory quotient简称RQ），即同一时间二氧化碳产生量和氧气消耗量的比值。RQ值大致区分细胞在不同状态下的能量代谢。对于好氧发酵而言CO2对菌体生长具有抑制作用，排气中的CO2浓度高于4%时，菌体的糖代谢和呼吸率都下降，CO2在微生物发酵中的分压有一个最适值，如果高于或低于此分压，产量都会降低；CO2对发酵的菌体生长、形态及产物合成产生影响外，还影响培养液的酸碱平衡。因此，通过尾气检测单元与发酵罐的供气控制单元的电动调节阀可控制发酵罐中微生物发酵处于最佳呼吸状态和生长状态。

Claims (9)

1.全自动控制多功能固态发酵罐，其特征在于：包括圆形立式发酵罐主体和发酵控制系统，发酵罐主体上端设有排气口，发酵罐主体上端一侧设有进料绞龙，进料绞龙连接斗式提升机；发酵罐主体内部设有多个隔板，每个隔板上均设有下料口，下料口沿着发酵罐主体轴线呈螺旋状设置，隔板将发酵罐主体分为多个发酵层和1个预烘干层，每个发酵层内设有高料层料位自动控制装置；每个发酵层内均设有无菌空分布系统，每个无菌空分布系统均与位于发酵罐主体外侧的无菌空气发生罐连接，每个发酵层的隔板下设有蒸汽或冷却水盘管，发酵罐主体的外侧设有蒸汽主管、冷却水主管、空气主管，每个发酵层的蒸汽或冷却水盘管均与蒸汽主管和冷却水主管相连接，每个发酵层一侧外壁上均设有夹套进口，另一侧均设有夹套出口，蒸汽主管和冷却水主管分别与每个发酵层的夹套进口相连，每个发酵层的夹套出口均与冷却回水管相连；预烘干层位于最下层，预烘干层的隔板为具有多孔的喷风板，喷风板下端为底板，底板下端通过多个支柱支撑，喷风板和底板之间的发酵罐主体壳体上设有预烘干层进风口，预烘干层进风口与位于发酵罐主体外侧的振动流化床干燥机连接，预烘干层的下料口下方设有出料绞龙，出料绞龙设置在振动流化床干燥机上方；发酵罐主体内部转动安装有主轴，主轴下端连接联轴器，联轴器连接减速器，减速器连接电机，主轴穿过每个隔板的中心孔，隔板的中心孔与主轴之间通过填料密封或机械密封进行密封，每个隔板上端均设有搅拌桨叶，搅拌桨叶安装在主轴上；发酵控制系统包括温湿度检测系统、温度控制单元、湿度控制单元、供气控制单元和尾气检测控制单元，温湿度检测系统分别连接温度控制单元和湿度控制单元；
所述无菌空分布系统包括气体分布管Ⅱ，气体分布管Ⅱ安装在搅拌桨叶上，气体分布管Ⅱ上垂直设有多个气体分布管支管Ⅱ，主轴为空心轴，主轴上端设有进气孔，进气孔与无菌空气发生罐连接，每个发酵层的主轴上均设有开孔，气体分布管Ⅱ的进气口与主轴的开孔相对应，气体分布管Ⅱ的进气口与主轴的开孔之间通过台阶孔胶垫进行密封；
所述进料绞龙包括筒体，筒体水平设置，筒体轴线与发酵罐主体呈90度夹角，筒体底部设有机座，筒体上方设有进料口和接种喷液口，筒体下方设有出料口，出料口处设有分料板，筒体内部设有螺旋轴，螺旋轴上设有螺旋叶片、爪形打棒和成螺旋排列的柱状打棒，筒体一端与发酵罐主体连接，连接处设有填料密封座，填料密封座内部设有石墨盘根，筒体另一端设有减速机，减速机安装在减速机座上，减速机一端连接电机，另一端通过减速机的联轴器与螺旋轴连接；
所述无菌空气发生罐为气湿耦合无菌空气发生罐，包括主罐体和气湿耦合装置，主罐体上端设有罐盖，在主罐体和罐盖之间设有橡胶圈垫，罐盖上设有出气管道、温度探头安装座和湿度探头安装座，主罐体一侧设有无菌空气进气管，另一侧设有蒸汽管和压力表接口，蒸汽管上安装有自动调节阀，主罐体底端设有多余水排放口，气湿耦合装置包括2～4个环形水管，每个环形水管均连接无菌冷却蒸馏水管，每个无菌冷却蒸馏水管上均设有电磁阀，每个环形水管上均匀分布有多个雾化喷头。
2.根据权利要求1所述的全自动控制多功能固态发酵罐，其特征在于：所述高料层料位自动控制装置包括料位控制仪和旋转式闭气下料阀，料位控制仪上设有摆针和自调重心料摆，料位控制仪和摆针相连，料位控制仪和摆针通过摆片Ⅰ同步起伏，自调重心料摆和摆针通过传动轴同轴摆动，传动轴通过外球面轴承座及填料座固定在发酵罐壳体上，自调重心料摆采用不锈钢板制成瓢型、半球型或球型，自调重心料摆的腔体内装有若干滑块；旋转式闭气下料阀通过法兰盘Ⅰ连接在每个发酵层的下料口处，并通过法兰盘Ⅱ固定在发酵罐主体壳体上，旋转式闭气下料阀连接变频调速电机。
3.根据权利要求1所述的全自动控制多功能固态发酵罐，其特征在于：所述高料层料位自动控制装置包括自调重心料摆、摆片Ⅱ、传动轴、连杆、平衡杆、料门轴和料门，自调重心料摆采用不锈钢板制成瓢型、半球型或球型，自调重心料摆的腔体内装有若干滑块，自调重心料摆连接摆片Ⅱ，摆片Ⅱ与传动轴连接，摆片Ⅱ和平衡杆上均设有4个固定孔，连杆一端通过摆片Ⅱ上的固定孔与摆片Ⅱ连接，连杆另一端通过平衡杆上的固定孔与平衡杆连接，平衡杆一端与料门轴固定连接，另一端上设有平衡块，料门轴上固定连接料门，料门设置在每个发酵层的下料口处，料门轴设在轴承座上。
4.根据权利要求1所述的全自动控制多功能固态发酵罐，其特征在于：所述无菌空分布系统包括无菌空气进口、出风口、气体分布主管和气体分布管Ⅰ，无菌空气进口和出风口设在发酵罐主体壳体上，无菌空气进口与气体分布主管相连通，无菌空气进口连接无菌空气发生罐，气体分布主管和气体分布管Ⅰ相连，气体分布管Ⅰ为米字状分布或非字状分布，气体分布管Ⅰ上垂直设有多个气体分布管支管Ⅰ，气体分布管支管Ⅰ上设有喷气口，出风口连接主排气管。
5.根据权利要求1所述的全自动控制多功能固态发酵罐，其特征在于：所述搅拌桨叶为直叶、斜叶、弯叶或螺旋桨叶，搅拌桨叶为前斜式或后斜式单刀形，或者为主刀加副刀的双刀形；搅拌桨叶端部为单刀形，搅拌桨叶端部设有与发酵罐主体内壁弹性接触的弹性接触件，弹性接触件为搅料棒或刮料棒。
6.根据权利要求1所述的全自动控制多功能固态发酵罐，其特征在于：所述每个发酵层均设有视镜和维修用的人孔，发酵罐主体的壳体上设置有三个压力表接口，分别设在发酵罐主体顶部、发酵罐主体中部以及发酵罐主体底部；喷风板上设有多个喷气口，喷气口的排列是以同心圆形式排列，同心圆的半径值为R=50x，x>0，x为自然数，喷气口的直径为Φ3.1~Φ3.4mm。
7.根据权利要求1所述的全自动控制多功能固态发酵罐，其特征在于：所述温湿度检测系统包括温湿度传感器，温湿度传感器为SS10系列总线式温湿度传感器，温湿度传感器设置在每个发酵层的不同地方，每个温湿度传感器均与总线相连，总线连接无线数据处理分机，无线数据处理分机内部设置电源和无线收发模块，通过无线收发模块将数据无线发出，传输距离达1000米；无线主机接收数据，并将数据传送到读写器，读写器通过解调传送过来的数据，通过串口485总线传送给电脑。
8.根据权利要求1所述的全自动控制多功能固态发酵罐，其特征在于：所述温度控制单元由发酵层温度控制单元、烘干层温度控制单元和灭菌控制单元三个部分组成，发酵层温度控制单元包括设在夹套进口处的夹层冷却进水电动调节阀、设在冷却水盘管的盘管冷却进水电磁阀、设在冷却回水管上的出水电磁阀以及蒸汽主管上的蒸汽电动调节阀，蒸汽电动调节阀分别连接冷却进水电动调节阀和盘管冷却进水电磁阀；灭菌控制单元包括蒸汽电动调节阀；烘干层温度控制单元包括设在预烘干层进风口处的热空气进气阀。
9.根据权利要求1或4所述的全自动控制多功能固态发酵罐，其特征在于：所述湿度控制单元由无菌空气发生罐上的无菌水流量调节阀及湿度传感器组成；供气控制单元由无菌空气发生罐、管道、进气电动蝶形调节阀和出气电动蝶形调节阀组成，进气电动蝶形调节阀设在无菌空气进口处，出气电动蝶形调节阀设在出风口处，无菌空气发生罐通过管道与发酵罐主体内的每个发酵层连接；尾气检测控制单元包括多个采样管、通气管、电控转换阀、红外线传感器和电化学传感器，每个采样管一端均连接尾气排放管，采样管另一端均连接通气管，采样管与通气管连接处设有电控转换阀，通气管上依次设有气水分离器、灰尘过滤器、硅胶、气泵、稳流阀和三通阀Ⅰ，三通阀Ⅰ分别连接管路一和管路二，管路一为出气管，出气管上依次设有气体流量计、红外线CO2传感器和电化学O2传感器，管路二上设有三通阀Ⅱ，三通阀Ⅱ分别与标气管路和零气管路连接，气水分离器上设有排水管，稳流阀上设有放气管，每个采样管上均设有阀门，阀门与多路脉冲控制器连接。
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