CN201686699U - 一种旋转式固态发酵生物反应器 - Google Patents

Abstract

一种旋转式固态发酵生物反应器，包括筒体(1)、支座(2)和固定轴(3)以及传动和加热装置，其特征在于：绕固定轴(3)旋转的筒体(1)一端有开口(4)，其内壁固定有与母线形成夹角的挡板(5)，固定轴(3)为至少一端封闭的中空管并固定在支座(2)上，固定轴(3)上开有孔(6)、孔(7)并设置温度传感器(8)，孔(6)位于筒体(1)之外，或者开在轴的一端上，孔(7)和温度传感器(8)位于筒体(1)之内，并在轴的下方，温度传感器(8)通过温度仪表盘(9)与温控仪(11)连接；筒体(1)的下方有电热板(10)，电热板(10)与温控仪(11)连接。

Description

一种旋转式固态发酵生物反应器

一、技术领域

本实用新型涉及一种生物发酵设备，确切地说是一种旋转式固态发酵生物反应器。

二、背景技术

20世纪90年代以来，随着能源危机与环境问题的日益严重，人们开始关注以天然生物为原料的发酵工艺，特别是固态发酵技术以其特有的优点如无“三废”排放引起人们极大的兴趣。目前在固态发酵领域的研究及其在资源环境、蛋白质饲料中的应用取得了较大进展，主要表现在生物饲料、生物燃料、生物农药、生物转化、生物解毒及生物修复等方面的应用。

固态发酵(solid state fermentation)是指利用自然底物做碳源及能源，或利用惰性底物做固体支持物，其体系无水或接近于无水的任何发酵过程。与其他培养方式相比，固态发酵优点有：培养基简单且来源广泛，多为便宜的天然基质或工业生产的下脚料；基质含水量低，可大大减少生物反应器的体积，产物提取容易、产率较高，且不需要废水处理，低含水量的发酵残渣后处理简单；发酵过程一般不需要严格的无菌操作，供氧和温度可以采用直接空气强制通风来控制；与液体发酵相比，在产量不变的情况下，固体发酵节省能源30％，原料处理和产物提取可分别节省开支70％～80％；过程装置简单、投资少。

但是和液态发酵相比，固态发酵也有一些缺点：固态发酵是一种接近自然状态的发酵，最显著的特征就是水分活度低。其中菌体的生长、对营养物质的吸收和代谢产物的分泌在各处都是不均匀的，使得发酵参数的检测和控制都比较困难，许多液态发酵的生物传感器也无法应用于固态发酵，这样使得连续操作和自动化变得很困难。而且微生物生长及代谢时产生的热量使固体培养基的温度升高，导致水分的损耗，这也是固态发酵的一个难题。

因此，在新型反应器的设计中不仅要从三传一反(传质、传热、动量传递和生物生长与反应动力学)来考虑，而且要充分考虑到反应物的性质。故在新型生物反应器的设计时要求既不会破坏细胞的结构，又可以达到搅拌的目的，这主要体现在反应器工作时的剪切力较小，不会对细胞分子产生太大的破碎作用，最大程度的保证了细胞的完整性。

三、发明内容

本实用新型旨在提供一种用于固态发酵的生物反应器，所要解决的技术问题是既能对固体物料(主要是培养基)实现充分搅拌和生物培养，又能保证生物细胞的完整性，特别是不破坏菌丝体。

本生物反应器的技术方案包括筒体1、支座2和固定轴3以及传动和加热装置，与现有技术的区别是筒体1绕固定轴3旋转，筒体1一端有开口4，既作为进料口，又作为出料口，筒体1内壁上固定有起搅拌和出料导向作用的挡板5，为此挡板5应向着出口4方向向下倾斜，这就是挡板5与母线有一夹角；固定轴3为至少一端封闭的中空管并固定在支座2上，固定轴3上开有孔6、孔7并设置温度传感器8，孔6位于筒体1之外，或者开在轴的一端上，若干个孔7和温度传感器8位于筒体1之内，若干个孔7开在轴3的下方，若干个温度传感器8也固定在轴3的下方防止被物料堵塞，孔6、孔7的作用是正常发酵时用于排气散热，在需要的时候向筒体1内充入灭菌的空气和补充无菌水，温度传感器8通过温度仪表盘9与温控仪11连接，以控制发酵温度。

所述的传动装置由设置在筒体1上公知的齿圈齿轮传动，可驱动筒体1顺时针方向转动，需要时也可驱动筒体1反时针方向转动。

所述的加热装置由设置在筒体1下方的电热板10辐射传热。电热板10与温控仪11连接。

本反应器的搅拌是通过固定在旋转筒体上的挡板5将物料带动到一定的高度，然后抛落，从而实现固态物料及高粘度流体的流动与混合。同时，避免了剧烈搅拌对菌体的影响，并降低了能耗。

本反应器的工作流程：首先按一定的比例从加料口4投入物料，投料结束后密封，开动筒体驱动的电动机，开始转动筒体1及搅拌物料，同时通过控温仪11来控制温度。挡板5将物料带动到一定的高度，然后物料沿筒壁和挡板缓缓滑下，从而实现对物料的充分搅拌。反应过程可以通过温度传感器8将发酵设备中的温度传到控温仪11上从而确定最佳反应条件。最后物料从出料口4排出，对筒体1进行清洁为下一批做准备。

本反应器适用于低压力操作条件下的间歇反应，尤其是用在固态生物发酵的物料反应中。正是基于间歇操作，本设计采用人孔及投料口和出料口的一体三合一方式，以改善筒体旋转过程中系统的密封性。

本反应器采用筒体的旋转和挡板搅拌的形式打破了化工工业生产中反应釜的常规的轴心电动带动搅拌，不仅能提高搅拌的效果，还可以应用于高黏度的流体中，尤其是应用于发酵生产中。挡板的搅拌作用，也可以使搅拌混合的效果进一步提高。

本实用新型的进一步改进点在于：

1、培养温度的控制

本反应器的温度控制是由温度控制仪通过传感器、调压器和加热板来完成的，进一步将固态发酵过程向数字化和可控化的方向发展。

2、基质内氧气传递和含水量的控制

通风是防止基质缺氧和增加氧浓度的最常用的方法，除了可以增加氧的浓度还有利于热交换。另外，由于在发酵过程中蒸发及温度上升，导致基质水分含量的下降，所以要适度进行水分的补充。本设计采用在空心固定轴上设置通孔，并通过该结构向发酵罐内通入无菌空气和无菌水，实现氧气和水分的补充(气液管路与主轴一体化能更好的做到密封)。

3、搅拌装置的选择

本设计改变了以往轴电机带动搅拌的形式，采用了筒体旋转和挡板的双重搅拌来提高物料的混合程度，类似于水泥搅拌机的工作形式。这种方式不仅提高了搅拌的效率，而且还避免了传统搅拌对菌体生长的影响。因为过分的搅拌和翻动影响菌体和基质的接触，并可能损伤菌体丝。还有本设计采用的是一种紧贴筒壁的挡板，这种形式不仅可以防止固态物质阻塞挡板空隙，还可以使挡板充分地与固态物质接触更好地搅拌，同时设计挡板具有一定的倾斜度，使其具有很好的导向作用，方便进、出物料。当然对于挡板我们还可以采用不同形式的挡板。例如：镂空式挡板、网式挡板等。

四、附图说明

图1是本实用新型的剖面结构示意图。孔6开在轴3的一端。

图2示意轴3的下方开有六只孔7和所固定的三只温度传感器8。

五、具体实施方式

将2公斤的准备好的原料和菌种放入容积约为0.15m3的筒体1中，启动传动装置，转动筒体，使原料和菌种混合均匀，再打开加热板10和数字控温仪11，调控最佳发酵温度如35℃，废气则由通气孔7排出，数日后(具体时间根据菌种、原料、发酵工艺确定)发酵完成。发酵中由于生化反应，物料本身的温度会上升，超过最佳发酵温度时，停止加热，同时自孔6通入冷却的无菌水，从而改善发酵过程中的温度和水分含量。需氧的发酵过程可通入无菌空气从而增加摄氧量，厌氧的可使整个反应器处于密闭状态，具体的还有根据具体的工艺来确定。

Claims (2)

1.一种旋转式固态发酵生物反应器，包括筒体(1)、支座(2)和固定轴(3)以及传动和加热装置，其特征在于：绕固定轴(3)旋转的筒体(1)一端有开口(4)，其内壁固定有与母线形成夹角的挡板(5)，固定轴(3)为至少一端封闭的中空管并固定在支座(2)上，固定轴(3)上开有孔(6)、孔(7)并设置温度传感器(8)，孔(6)位于筒体(1)之外，或者开在轴的一端上，孔(7)和温度传感器(8)位于筒体(1)之内，并在轴的下方，温度传感器(8)通过温度仪表盘(9)与温控仪(11)连接；筒体(1)的下方有电热板(10)，电热板(10)与温控仪(11)连接。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：孔(6)开在固定轴(3)的一端上。

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