CN1473922A

CN1473922A - 保持固态发酵过程高水活度的方法及其装置

Info

Publication number: CN1473922A
Application number: CNA021260400A
Authority: CN
Inventors: 陈洪章; 李佐虎
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-02-11
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: CN1219872C

Abstract

本发明涉及一种固态发酵过程中保持高水活度的方法及装置。它包括：固态发酵罐，其罐壁上带有安装进气电磁阀的进气管和排气口，吸水材料框安装在固态发酵罐内，超声雾化器在固态发酵罐两端的中部；其喷雾头安装在固态发酵罐的底上，超声雾化器电源通过单片机湿度测量控制仪与超声雾化器电连接。在发酵过程中，根据不同微生物或不同发酵阶段对湿度要求，通过单片机湿度测量控制仪在线控制超声雾化器的开启，固态发酵中灵活控制固态发酵罐过程中水活度或湿度，避免了传统加水或加湿方法难于做到无菌操作，易染杂菌。该装置结构简单，操作方便。

Description

保持固态发酵过程高水活度的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种发酵的方法及其装置，特别涉及一种发酵在固态发酵过程中保持高水活度的方法及其装置。

背景技术

现代发酵工业是当代生物技术产业中以工业化方式生产的主体部分，其发酵技术水平是一个国家生物技术产业发展水平的重要标志之一。众所周知，微生物发酵方法有两类：液体深层发酵与固态发酵。1945年青霉素的大规模工业化生产开创了液体深层发酵技术及现代发酵工业。但许多现代生物制品固态发酵的产率比液体深层发酵高得多，另一方面，液体深层发酵产生的大量发酵废水，通气与机械搅拌的高动力能耗，又成为液体深层发酵进一步发展的障碍，迫使其向高浓度、高粘度方向发展。然而高浓度、高粘度的极限就是固态发酵。固态发酵技术是人类利用微生物造福于自己的最古老的技术之一。几千年前，我国就利用此技术酿酒和制造各种调味品。至今它仍是生产传统食品和饮料的主要方式。固态发酵可以生产酶制剂、单细胞蛋白、有机酸、酒精和生物杀虫剂等。目前固态发酵以在生物能的转化、固态废弃物的处理、代谢产物的生产等方面也得到了广泛的应用。由于固态发酵具有发酵成本低，原料价格低廉，无“三废”排放，环境污染小，工艺过程简单等特点，目前，逐步得到世界各国的重视。

但，由于固态发酵最大的特点就是无游离水，因而底物含水量的变化，必然会对微生物的生长及代谢能力产生重要影响。水活度(a_w)表示微生物对水的可及性，基质的水活度是影响微生物能否在底物上正常生长的关键因素，它与底物的含水量有关。而在固态发酵移热过程中，水分蒸发冷却约占移热的80％，随着移热速率的增加，必然会导致基质湿度的减小，改变a_w的大小。因此，固态发酵过程中如何保持较高的水活度是固态发酵广泛应用的瓶径问题。文献WO9418306A1，BO1F/30中有所介绍。目前，在固态发酵过程直接喷水或直接加湿空气的方法，存在着难于做到无菌操作，易染杂菌，对固体培养基加湿不均匀等缺点。

发明内容

本发明的目的之一是以克服传统加湿补水方法和装置在固态发酵过程中不易保持较高水活度和易染杂菌的缺点；另外对固体培养基加湿不均匀等缺点。本发明的目的之二是综合应用超声雾化加湿、发酵罐压力脉动喷雾加湿和吸水材料蒸发加湿工艺，在固态发酵罐内完成加湿过程；从而提供一种对固体培养基加湿均匀，并且根据微生物对水活度的要求不同，可灵活调节加湿方式的保持固态发酵过程高水活度的方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种保持固态发酵过程高水活度的装置，包括：一固态发酵罐，其罐壁上带有安装进气电磁阀的进气管和排气口，湿度传感器和单片机湿度控制仪；其特征在于还包括：吸水材料框、喷雾头、超声雾化器；其中均匀分为三层的吸水材料框安装在固态发酵罐内，超声雾化器在固态发酵罐两端的中部；该超声雾化器具有多个喷雾头，并安装在固态发酵罐的底上，超声雾化器电源通过单片机湿度测量控制仪与超声雾化器电连接。

所述的固态发酵罐是一密闭耐压0.3Mpa的、卧式低压容器。

所述的吸水材料框为0.45m×0.55m×0.02m的不锈钢丝框，放置汽爆秸秆或纸浆用的。

所述的超声雾化器具有3个或3个以上的喷雾头。

本发明提供的一种保持固态发酵过程高水活度的方法，是在本发明的专用装置中进行，包括如下步骤：

第一，首先在密闭的固态发酵罐内，另外装入放在吸水材料框内的吸水材料，其装入量为固态发酵培养料干重的10％---50％(w/w)，在0.1Mpa蒸汽下，空气消毒30分钟；

所述的吸水材料是指纸浆、汽爆秸秆、海绵、蛭石等，在固态发酵过程中，利用吸附材料所吸的水的不断蒸发而加湿，从而保持水分平衡，吸水材料所蒸发掉的水分由固态发酵罐内冷凝的水补充，不必补加外源的水分；这种方法简单可靠，通用于微生物固态发酵过程；

第二，在整个发酵过程中，根据发酵物的物理特性来定时开动在密闭固态发酵罐内安装的超声雾化加湿器进行加湿的间隔时间；在固态发酵过程中，根据罐内湿度变化定时加湿，这种方法通用于密闭固态发酵过程。

还包括再在固态发酵过程中配合另一压力脉动工艺进行加湿，利用压力脉动装置，从固态发酵罐的壁上的无菌空气进气管周期性向密闭固态发酵罐内通入无菌空气，提高罐压到0.1-0.2Mpa；利用这个冲压过程，使固态发酵罐内的无菌水喷雾加湿；这种方法适用于压力脉动固态发酵过程。

本发明的优点在于：

本发明保持固态发酵过程高水活度的方法，是在本发明的专用装置中进行的、是基于固态发酵过程的特点，综合应用吸水材料蒸发加湿、超声雾化加湿技术和发酵罐压力脉动喷雾加湿，扩大蒸发面积而加湿，保持水分平衡。本发明的方法可根据不同微生物或不同发酵阶段的固态发酵，应用单片机湿度控制仪灵活控制固态发酵罐过程中水活度或湿度，从而达到对固体培养基加湿均匀。另外发酵过程的加湿是在固态发酵罐内完成的，避免了传统加水或加湿方法难于做到无菌操作，易染杂菌的缺点。该方法操作简单，灵活，安全，有效。

本发明的装置具有结构简单、易于推广工业化大规模生产。

附图说明

1.本发明的保持固态发酵过程高水活度的装置结构示意图

图面说明：

1吸水材料框 2喷雾头； 3超声雾化器；

4固态发酵罐， 5湿度传感器； 6单片机湿度控制仪；

7进气电磁阀； 8无菌空气进气管； 9固体发酵物料；

具体实施方式

实施例1

按图1制作一本发明的保持固态发酵过程高水活度的装置

包括：一密闭的、耐压0.3Mpa的、卧式低压容器做为固态发酵罐4，该固态发酵罐4内安装一均匀分为三层的吸水材料框1，该吸水材料框1为0.45m×0.55m×0.02m的不锈钢丝框，放置汽爆秸秆或纸浆用的；其罐壁上安装一带有3个进气电磁阀7的进气管10，其罐壁上安装一排气口11，湿度传感器5、单片机湿度控制仪6、喷雾头2和超声雾化器3均采用市售的；超声雾化器3在固态发酵罐4两端的中部；该超声雾化器3具有8个喷雾头2，并均匀的分别安装在固态发酵罐4的底上，超声雾化器电源通过一通常的单片机湿度测量控制仪6与市售的超声雾化器3电连接。

实施例2

在实施例1制作的装置中，利用本发明的保持固态发酵过程高水活度的方法进行固态发酵，本实施例是应用汽爆秸秆或纸浆作为吸附水分材料，包括以下步骤：

(1)在固态发酵罐4内的吸水材料框1内放入是固体培养物料0.1倍的汽爆秸秆或纸浆作为吸附水分材料9，在0.1Mpa蒸汽下，空气消毒30分钟；

(2)冷却后，按常规方法在发酵架上放置接种后的固体培养物料进行培养发酵；

(3)在固态发酵过程中，维持0.1Mpa高压5分钟；0.05Mpa低压20分钟，这样，高压-低压周期循环。在由低压升高压过程中，无菌空气通过喷雾头，使罐内的冷凝水雾化加湿；

(4)在发酵过程中，根据不同微生物或不同发酵阶段对湿度要求，通过单片机湿度测量控制仪在线控制超声雾化器的开启，使整个固态发酵过程保持在90-95％的相对湿度。

实施例3

在实施例1的装置上还包括在固态发酵罐4安装通常的压力脉动装置，在发酵过程中，对固态发酵罐进行定时压力脉动，在升压过程中，无菌空气通过无菌空气进气管8从喷雾头喷出，使罐内的冷凝水雾化加湿。另外区别在于：在固态发酵罐4内的吸水材料框1内放入是固体培养物料0.5倍的汽爆秸秆或纸浆作为吸附水分材料9，在0.1Mpa蒸汽下，空气消毒30分钟；

实施例4

在实施例1制作的装置中，利用本发明的保持固态发酵过程高水活度的方法是应用海绵作为吸附水分材料进行固态发酵。

(1)在固态发酵罐4内的吸水材料框1内放入是固体培养物料0.05倍的海绵，在0.1Mpa蒸汽下，空气消毒30分钟；

(3)在固态发酵过程中，维持0.15Mpa高压5分钟，0.05Mpa低压20分钟，这样，高压-低压周期循环。在由低压升高压过程中，无菌空气通过喷雾头，使罐内的冷凝水雾化加湿；

实施例5

在实施例1制作的装置中，利用本发明的保持固态发酵过程高水活度的方法是应用蛭石作为吸附水分材料进行固态发酵。

(1)在固态发酵罐4内的吸水材料框1内放入是固体培养物料0.2倍的蛭石，在0.1Mpa蒸汽下，空气消毒30分钟；

(3)在固态发酵过程中，维持0.2Mpa高压5分钟，0.05Mpa低压20分钟，这样，高压-低压周期循环。在由低压升高压过程中，无菌空气通过喷雾头，使罐内的冷凝水雾化加湿；

本发明是基于固态发酵过程的特点，综合应用吸水材料蒸发加湿、发酵罐压力脉动喷雾加湿和超声雾化加湿技术。在一种密闭的、耐压0.3Mpa的、卧式固态发酵罐内底部、中部和上部层面上分别吸水材料汽爆秸秆、纸浆、海绵或蛭石，在0.1Mpa蒸汽下，空消30min；冷却后，在发酵架上放置接种后的培养物料，控制一定温度培养发酵；当发酵过程中，对固态发酵罐进行定时压力脉动，在生压过程中，无菌空气通过喷雾头，使罐内的冷凝水雾化加湿；在发酵过程中，根据不同微生物或不同发酵阶段对湿度要求，通过单片机湿度测量控制仪在线控制超声雾化器的开启。

Claims

1.一种保持固态发酵过程高水活度的装置，其特征在于包括：一固态发酵罐4，其罐壁上带有安装进气电磁阀7的进气管10和排气口11，湿度传感器5和单片机湿度控制仪6；其特征在于还包括：吸水材料框1、喷雾头2、超声雾化器3；其中均匀分为三层的吸水材料框1安装在固态发酵罐4内，超声雾化器3在固态发酵罐4两端的中部；该超声雾化器3的喷雾头2安装在固态发酵罐4的底上，超声雾化器电源6通过单片机湿度测量控制仪6与超声雾化器3电连接。

2.按权利要求1所述的保持固态发酵过程高水活度的装置，其特征在于：所述的固态发酵罐4是一密闭耐压0.3Mpa的、卧式低压容器。

3.按权利要求1所述的保持固态发酵过程高水活度的装置，其特征在于：所述的放置汽爆秸秆、纸浆、海绵、蛭石吸水材料9的吸水材料框1为0.45m×0.55m×0.02m的不锈钢丝框。

4.按权利要求1所述的保持固态发酵过程高水活度的装置，其特征在于：所述的超声雾化器3具有3个或3个以上喷雾头2。

5.一种应用权利要求1所述的保持固态发酵过程高水活度的装置进行固态发酵的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一，首先在密闭的固态发酵罐内，装入放在吸水材料框1内的吸水材料9，其装入量为固态发酵培养料干重的10％---50％(w/w)，在0.1Mpa蒸汽下，空气消毒30分钟；

第二，在整个发酵过程中，根据发酵物的物理特性来定时开动在密闭固态发酵罐内安装的超声雾化加湿器进行加湿。

6.按权利要求5所述的保持固态发酵过程高水活度的方法，其特征在于：再在固态发酵过程中配合压力脉动工艺补充水份，通过固态发酵罐壁上的无菌空气进气管8周期性地向密闭固态发酵罐内通入无菌空气，提高罐压到0.1-0.2Mpa；利用这个冲压过程，使固态发酵罐内的无菌水喷雾加湿。

7.按权利要求5所述的保持固态发酵过程高水活度的方法，其特征在于：所述的吸水材料包括：汽爆秸秆、纸浆、海绵或蛭石，其一般吸附水量为其本身的1-4倍。