CN113684115A - 一种微界面传质强化发酵系统及方法 - Google Patents

一种微界面传质强化发酵系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微界面传质强化发酵系统及方法，包括发酵罐；发酵罐的一侧连接有循环管路；循环管路的入口高度高于出口高度；循环管路的内部设置有微界面机组；微界面机组包括第一微界面发生器和第二微界面发生器，第一微界面发生器位于第二微界面发生器的上方，第一微界面发生器与第二微界面发生器间设置有导流管，第一微界面发生器的出口通过导流管与第二微界面发生器相连；第一微界面发生器的一侧壁连接有空气管路，空气经空气管路进入第一微界面发生器分散破碎成微米级别的微气泡后，进入第二微界面发生器继续分散破碎。本发明的微界面传质强化发酵系统发酵时间短，发酵效率高，原料利用率高。

Description

一种微界面传质强化发酵系统及方法
技术领域
本发明属于发酵系统技术领域，具体而言，涉及一种微界面传质强化发酵系统及方法。
背景技术
微生物菌剂是指有效菌经过工业化生产扩繁后，利用草炭、蛭石等多孔的物质作为吸附剂吸附菌体的发酵液加工制成的活菌制剂。这种菌剂可用于农业拌种或蘸根，具有改良土壤、恢复地力、预防土传病害、维持根际微生物区系平衡和降解有毒害物质等作用。农用微生物菌剂恰当使用可以提高农产品产量、改善农产品品质、减少化肥用量、降低成本、改良土壤、保护生态环境。发酵罐是生产微生物菌剂过程中必需使用到的设备。
现有的用于生产微生物菌剂的发酵罐，存在以下不足：
(1)现有的发酵罐一般都是通过一根设置在中部的搅拌轴带动搅拌桨来进行旋转，搅拌不够充分，一般只能进行局部搅拌，而且还会存在搅拌死角，使得内部食品发酵物受热不充分，影响发酵效率；
(2)发酵罐内空气与物料间的传质面积小，发酵时间长，效率低。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种微界面传质强化发酵系统，该系统发酵时间短，发酵效率高，通过设置循环管路，将未反应完全的发酵物回流至发酵罐底部继续参与发酵，提高了发酵罐内发酵物的利用率，避免了发酵物的浪费；通过在发酵罐内设置微界面机组，能够将空气分散破碎为微米级别的微气泡后，与物料进行混合，提高了空气与物料间的相界传质面积，缩短了发酵时间，提高了发酵效率。
本发明的第二目的在于提供一种微界面传质强化发酵方法，该方法通过应用上述发酵系统，大幅提高了发酵效率，缩短了发酵时间，降低了发酵成本。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种微界面传质强化发酵系统，包括发酵罐；所述发酵罐的一侧连接有循环管路；所述循环管路的入口高度高于出口高度；所述循环管路的内部设置有微界面机组；
所述微界面机组包括第一微界面发生器和第二微界面发生器，所述第一微界面发生器位于所述第二微界面发生器的上方，所述第一微界面发生器与所述第二微界面发生器间设置有导流管，所述第一微界面发生器的出口通过所述导流管与所述第二微界面发生器相连；所述第一微界面发生器的一侧壁连接有空气管路，空气经所述空气管路进入所述第一微界面发生器分散破碎成微米级别的微气泡后，进入所述第二微界面发生器继续分散破碎。
现有技术中，发酵罐一般都是通过一根设置在中部的搅拌轴带动搅拌桨来进行旋转，搅拌不够充分，一般只能进行局部搅拌，而且还会存在搅拌死角，使得内部食品发酵物受热不充分，影响发酵效率；且发酵罐内液体与物料间的传质面积小，发酵时间长，效率低，所需空气用量大，需要加压操作才能够保证产率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种微界面传质强化发酵系统，该发酵系统通过设置循环管路，将未反应完全的发酵物回流至发酵罐底部继续参与发酵，提高了发酵罐内发酵物的利用率，避免了发酵物的浪费；通过在循环管路内设置微界面机组，能够将空气分散破碎为微米级别的微气泡后，与物料进行混合，提高了空气与物料间的相界传质面积，缩短了发酵时间，提高了发酵效率，且无需加压，能够有效降低能耗。
优选的，所述第二微界面发生器下方设置有锥形的微气泡分布器，且微气泡分布器的锥形尖端向下，所述微气泡分布器的表面为网状。通过设置微气泡分布器，能够使微气泡进行均匀分散，提高传质效果；另外，之所以微气泡分布器设置为网状，微气泡从第二微界面发生器中流出后，部分微气泡与微气泡分布器的网壁相撞，进一步破碎为更小的微气泡，提高了微气泡的微界面强化传质效果。
优选的，所述循环管路靠近出口的一端设置有轴流泵，所述轴流泵沿所述循环管路内物料流动方向位于所述微界面机组的后方。设置轴流泵是为了为循环物料提供循环动力，另外，轴流泵还能够与微气泡分布器配合，轴流泵为微气泡提供较快的流速，使其撞击在微气泡分布器的网壁上，利用微气泡本身的动能将其破碎为更微小的微气泡，从而进一步提高传质效果。
优选的，所述第一微界面发生器为气动式微界面发生器、液动式微界面发生器或气液联动式微界面发生器。
优选的，所述第二微界面发生器为气动式微界面发生器、液动式微界面发生器或气液联动式微界面发生器。
本发明的发酵系统将微界面技术与发酵工艺相结合，提高了发酵效率。其中，发酵罐的一侧设置有循环管路，循环管路能够将未反应完全的发酵物回流至发酵罐底部继续参与发酵，进而提高发酵罐内发酵物的利用率，避免了发酵物的浪费；通过在循环管路内设置微界面机组，能够将空气分散破碎为微米级别的微气泡后，与物料进行混合，提高了空气与物料间的相界传质面积，缩短了发酵时间，提高了发酵效率。
在本发明中，微界面机组包括第一微界面发生器和第二微界面发生器，且两个微界面发生器间通过导流管连接，这种串联设置的方式能够使空气经过两次微界面分散破碎，能够有效提高微界面传质效果。另外，第二微界面发生器下方还设置有网状的微气泡分布器，微气泡从第二微界面发生器流出后，在轴流泵的作用下具有较快的流速，流经微气泡分布器时，部分微气泡撞击在网壁上，破碎为更微小的微气泡，从而进一步提高传质效果。可见，本发明通过将微界面技术与发酵技术相结合，并结合导流管和微气泡分布器，提高了微界面发生器本身的应用效果。
本领域所属技术人员可以理解的是，本发明所采用的微界面发生器在本发明人在先专利中已有体现，如申请号CN201610641119.6、CN201610641251.7、CN201710766435.0、CN106187660、CN105903425A、CN109437390A、CN205833127U及CN207581700U的专利。在先专利CN201610641119.6中详细介绍了微米气泡发生器(即微界面发生器)的具体产品结构和工作原理，该申请文件中记载了“微米气泡发生器包括本体和二次破碎件、本体内具有空腔，本体上设有与空腔连通的进口，空腔的相对的第一端和第二端均敞开，其中空腔的横截面积从空腔的中部向空腔的第一端和第二端减小；二次破碎件设在空腔的第一端和第二端中的至少一个处，二次破碎件的一部分设在空腔内，二次破碎件与空腔两端敞开的通孔之间形成一个环形通道。微米气泡发生器还包括进气管和进液管。”从该申请文件中公开的具体结构可以知晓其具体工作原理为：液体通过进液管切向进入微米气泡发生器内，超高速旋转并切割气体，使气体气泡破碎成微米级别的微气泡，从而提高液相与气相之间的传质面积，而且该专利中的微米气泡发生器属于气动式微界面发生器。
另外，在先专利201610641251.7中有记载一次气泡破碎器具有循环液进口、循环气进口和气液混合物出口，二次气泡破碎器则是将进料口与气液混合物出口连通，说明气泡破碎器都是需要气液混合进入，另外从后面的附图中可知，一次气泡破碎器主要是利用循环液作为动力，所以其实一次气泡破碎器属于液动式微界面发生器，二次气泡破碎器是将气液混合物同时通入到椭圆形的旋转球中进行旋转，从而在旋转的过程中实现气泡破碎，所以二次气泡破碎器实际上是属于气液联动式微界面发生器。其实，无论是液动式微界面发生器，还是气液联动式微界面发生器，都属于微界面发生器的一种具体形式，然而本发明所采用的微界面发生器并不局限于上述几种形式，在先专利中所记载的气泡破碎器的具体结构只是本发明微界面发生器可采用的其中一种形式而已。
此外，在先专利201710766435.0中记载到“气泡破碎器的原理就是高速射流以达到气体相互碰撞”，并且也阐述了其可以用于微界面强化反应器，验证本身气泡破碎器与微界面发生器之间的关联性；而且在先专利CN106187660中对于气泡破碎器的具体结构也有相关的记载，具体见说明书中第[0031]-[0041]段，以及附图部分，其对气泡破碎器S-2的具体工作原理有详细的阐述，气泡破碎器顶部是液相进口，侧面是气相进口，通过从顶部进来的液相提供卷吸动力，从而达到粉碎成超细气泡的效果，附图中也可见气泡破碎器呈锥形的结构，上部的直径比下部的直径要大，也是为了液相能够更好的提供卷吸动力。
由于在先专利申请的初期，微界面发生器才刚研发出来，所以早期命名为微米气泡发生器(CN201610641119.6)、气泡破碎器(201710766435.0)等，随着不断技术改进，后期更名为微界面发生器，现在本发明中的微界面发生器相当于之前的微米气泡发生器、气泡破碎器等，只是名称不一样。综上所述，本发明的微界面发生器属于现有技术。
优选的，所述发酵罐与所述循环管路入口的连通处设置有挡板，所述挡板的高度高于所述循环管路入口的直径。设置挡板是为了防止发酵物流入循环管路中。
优选的，所述循环管路靠近入口的一端管壁设置有多个冲洗口，多个所述冲洗口均连接有冲洗管。设置冲洗管是为了对循环管路进行清洁消毒，从而保障适合发酵物生存的无菌环境。
优选的，所述空气管路上设置有空气滤菌器。设置空气滤菌器是为了对进入第一微界面发生器的空气进行杀菌，防止空气中的细菌进入发酵罐中影响发酵物的工作环境。
优选的，所述发酵罐的上部设置有物料进口，底部设置有物料出口；所述物料进口连接有进料管路，所述进料管路上设置有灭菌器。设置灭菌器是为了对物料进行消毒，防止物料中携带有对发酵物不利的细菌。
优选的，所述发酵罐内设置有搅拌杆，所述搅拌杆上由上到下依次设置有三组搅拌翼，至少两组搅拌翼位于所述发酵罐内液位的下方；所述搅拌杆顶部穿出所述发酵罐顶壁连接有驱动电机。进一步的，位于中间的一组搅拌翼高度与循环管路的入口高度平齐。设置多层搅拌翼是为了适应不同的液面高度，从而保证发酵罐中不同液面高度下均具有良好的发酵效果。
本发明还提供了一种上述的微界面传质强化发酵系统的发酵方法，包括以下步骤：
空气经微界面分散破碎为微米级别的微气泡后，与原料和发酵物混合进行发酵。
具体的，该方法通过使物料循环，重复利用了发酵物，使得发酵物的利用率增大，通过将空气分散破碎成微气泡，增大了相界传质面积，使得物料发酵时间缩短，提高了发酵效率，节约了资源。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的微界面传质强化发酵系统通过设置循环管路，将未反应完全的发酵物回流至发酵罐底部继续参与发酵，提高了发酵罐内发酵物的利用率，避免了发酵物的浪费；通过在循环管路内设置微界面机组，能够将空气分散破碎为微米级别的微气泡后，与物料进行混合，提高了空气与物料间的相界传质面积，缩短了发酵时间，提高了发酵效率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种微界面传质强化发酵系统的结构示意图；
图2为本实施例中循环管路的结构示意图。
其中：
10-进料管路； 20-灭菌器；
30-发酵罐； 301-驱动电机；
302-搅拌杆； 303-搅拌翼；
304-挡板； 305-物料出口；
306-物料进口；
40-循环管路； 401-冲洗口；
402-冲洗管； 403-第一微界面发生器；
404-导流管； 405-第二微界面发生器；
406-微气泡分布器； 407-轴流泵；
408-空气滤菌器； 409-空气管路。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。
实施例1
参阅图1-2所示，为本发明实施例提供的一种微界面传质强化发酵系统，包括发酵罐30；发酵罐30的一侧连接有循环管路40；循环管路40的入口高度高于出口高度；循环管路40的内部设置有微界面机组；
如图2所示，微界面机组包括第一微界面发生器403和第二微界面发生器405，第一微界面发生器403位于第二微界面发生器405的上方，第一微界面发生器403与第二微界面发生器405间设置有导流管404，第一微界面发生器403的出口通过导流管404与第二微界面发生器405相连；第一微界面发生器403的一侧壁连接有空气管路409，空气管路409上设置有空气滤菌器408。空气经空气管路409进入第一微界面发生器403分散破碎成微米级别的微气泡后，进入第二微界面发生器405继续分散破碎。
其中，第二微界面发生器405下方设置有锥形的微气泡分布器406，锥形的尖端向下，微气泡分布器406的表面为网状。
在本实施例中，第一微界面发生器403可以为气动式微界面发生器、液动式微界面发生器或气液联动式微界面发生器。第二微界面发生器405可以为气动式微界面发生器、液动式微界面发生器或气液联动式微界面发生器。本实施例中的第一微界面发生器403和第二微界面发生器405均为气动式微界面发生器。
继续参阅图2，循环管路40靠近出口的一端设置有轴流泵407，轴流泵407沿循环管路40内物料流动方向位于微界面机组的后方。使用时，轴流泵407为微气泡提供较快的流速，使其撞击在微气泡分布器406的网壁上，利用微气泡本身的动能将其破碎为更微小的微气泡，从而进一步提高传质效果。
本实施例中，循环管路40靠近入口的一端管壁设置有多个冲洗口401，多个冲洗口401均连接有冲洗管402。
参阅图1，发酵罐30与循环管路40入口的连通处设置有挡板304，挡板的高度高于循环管路入口的直径。实际上，可以通过一个连接板将挡板304固定在发酵罐30的侧壁上，使挡板304与发酵罐30的侧壁平行。另外，安装时，还需要使挡板304能够完全遮挡发酵罐30与循环管路40入口的连通处，这样使发酵罐30内的物料越过挡板304后才能进入循环管路40中，从而能够有效防止发酵物进入循环管路40中。
在本实施例中，发酵罐30的上部设置有物料进口306，底部设置有物料出口305；物料进口306连接有进料管路10，进料管路10上设置有灭菌器20。使用时，灭菌器20对物料实时消毒，从而无需在工作过程中对发酵罐30进行间歇式消毒，使发酵罐30能够进行连续的发酵作业，进一步提高发酵效率。
在本实施例中，发酵罐30内设置有搅拌杆302，搅拌杆302上由上到下依次设置有三组搅拌翼303，至少两组搅拌翼303位于发酵罐30内液位的下方，即位于中部的搅拌翼303沿竖直方向的高度低于液位。搅拌杆302顶部穿出发酵罐30顶壁连接有驱动电机301。位于中间的一组搅拌翼303高度与循环管路40的入口高度平齐。使用时，能够在不同的液面高度对发酵罐30内液体进行搅拌，从而保证发酵罐30中不同液面高度下均具有良好的发酵效果。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于本实施例中不使用灭菌器20。使用时，发酵罐30运行一段时间后，需要对发酵罐30进行消毒后再继续使用，以保证发酵罐30内的无菌环境。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于本实施例中第一微界面发生器403和第二微界面发生器405均为液动式微界面发生器。
实施例4
本实施例与实施例1的区别仅在于本实施例中第一微界面发生器403和第二微界面发生器405均为气液联动式微界面发生器。
对比例1
本实施例与实施例1的区别仅在于本实施例中不设置循环管路和微界面机组。
对比例2
本实施例与实施例1的区别仅在于本实施例中的循环管路内不设置微界面机组。
实验例
分别使用实施例1-4、对比例1-2的发酵系统对秸秆进行发酵，其中，具体发酵方法为：
选取秸秆10kg，晒干，切割粉碎，用100ml浓度为0.01mol/L硫酸溶液浸泡24h，温度为40℃，加入碳酸钙，调节pH值为6.2。
发酵过程中选用梭状芽胞杆菌用于发酵，并添加梭状芽胞杆菌用于发酵，此时调节温度至发酵温度38℃，pH值调节为6.2，梭状芽胞杆菌活菌数为0.4×109CFU/g。此时适宜梭状芽胞杆菌发酵，连续发酵48h。
表1
Figure BDA0003239622280000101
Figure BDA0003239622280000111
从上表可以看出，本发明的实施例1-4发酵速度快，发酵效率高，显著优于对比例1-2。这说明通过将微界面机组与循环管路结合应用，能够显著提高发酵效率，缩短发酵时间；其中，实施例4的发酵效果最好，这是因为实施例4采用了气液联动式微界面发生器，能够利用空气进入时的动力和轴流泵的动力对气体进行分散破碎，分散效率更高，因此效果更好。
总之，与现有的发酵系统相比，本发明的微界面传质强化发酵系统发酵时间短，发酵效率高，原料利用率高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种微界面传质强化发酵系统，其特征在于，包括发酵罐；所述发酵罐的一侧连接有循环管路；所述循环管路的入口高度高于出口高度；所述循环管路的内部设置有微界面机组；
所述微界面机组包括第一微界面发生器和第二微界面发生器，所述第一微界面发生器位于所述第二微界面发生器的上方，所述第一微界面发生器与所述第二微界面发生器间设置有导流管，所述第一微界面发生器的出口通过所述导流管与所述第二微界面发生器相连；所述第一微界面发生器的一侧壁连接有空气管路，空气经所述空气管路进入所述第一微界面发生器分散破碎成微米级别的微气泡后，进入所述第二微界面发生器继续分散破碎。
2.根据权利要求1所述的微界面传质强化发酵系统，其特征在于，所述第二微界面发生器下方设置有锥形的微气泡分布器，所述微气泡分布器的表面为网状。
3.根据权利要求1所述的微界面传质强化发酵系统，其特征在于，所述循环管路靠近出口的一端设置有轴流泵，所述轴流泵沿所述循环管路内物料流动方向位于所述微界面机组的后方。
4.根据权利要求1所述的微界面传质强化发酵系统，其特征在于，所述第一微界面发生器为气动式微界面发生器、液动式微界面发生器或气液联动式微界面发生器。
5.根据权利要求1所述的微界面传质强化发酵系统，其特征在于，所述发酵罐与所述循环管路入口的连通处设置有挡板，所述挡板的高度高于所述循环管路入口的直径。
6.根据权利要求1所述的微界面传质强化发酵系统，其特征在于，所述循环管路靠近入口的一端管壁设置有多个冲洗口，多个所述冲洗口均连接有冲洗管。
7.根据权利要求1所述的微界面传质强化发酵系统，其特征在于，所述空气管路上设置有空气滤菌器。
8.根据权利要求1所述的微界面传质强化发酵系统，其特征在于，所述发酵罐内设置有搅拌杆，所述搅拌杆上由上到下依次设置有三组搅拌翼，至少两组所述搅拌翼位于所述发酵罐内液位的下方；所述搅拌杆顶部穿出所述发酵罐顶壁连接有驱动电机。
9.一种应用权利要求1-8任一项所示的微界面传质强化发酵系统的发酵方法，其特征在于，包括以下步骤：
空气经微界面分散破碎为微米级别的微气泡后，与原料和发酵物混合进行发酵。
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