CN210215327U - 一种固定化酵母发酵制备乙醇的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种固定化酵母发酵制备乙醇的装置，包括发酵罐罐体、立式搅拌装置、固定化载体以及用于发酵罐罐体进料和出料的循环管道；发酵罐罐体的侧壁上环设有若干进料喷头，用于发酵罐罐体进料；发酵罐罐体底部设有出料口，用于发酵罐罐体出料；出料口与进料喷头之间设有循环泵，且通过循环管道连接形成循环回路，使得发酵罐罐体内的物料通过出料口进入循环管道，在循环泵的驱动下，通过进料喷头再次进入发酵罐罐体内循环发酵；循环管道上还设有进料管和排料管，进料管和排料管上分别设有单向阀；通过进料管将发酵培养基导入循环管道，并经进料喷头进入发酵罐罐体内；发酵产物经循环管道，通过排料管排出。
Description
技术领域
本实用新型属于工业生物技术领域，具体涉及一种固定化酵母发酵制备乙醇的装置。
背景技术
随着自然资源的匮乏和环境问题的日渐突出，生物发酵技术的地位也越来越重要，近些年来也取得了迅猛发展。固定化技术凭其众多优势在生物发酵中成为重要的研究热点。虽然固定化技术研究有较长的历史，但真正应用于工业化生产的寥寥可数。究其原因，主要是固定化介质机械强度低，传质效果差，不易于操作等。之前我们申请了表面固定化酵母发酵技术(如专利号ZL201210538977.X)，即将特殊处理的纤维材料附着于支撑骨架，并填充到生物反应器中，然后将酵母细胞固定于生物反应器中的纤维材料上，从而实现固定化酵母发酵的目的。该技术所用载体可长期反复利用，发酵效率明显提高，稳定性很强，但这种方法存在一定的缺陷，工业化放大安装复杂，投入成本较高，维修相对较困难。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种新型发酵装置，通过固定化酵母发酵制备乙醇，以解决现有技术存在的效果不佳等问题。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：
一种固定化酵母发酵制备乙醇的装置，包括发酵罐罐体、立式搅拌装置、固定化载体以及用于发酵罐罐体进料和出料的循环管道；
其中，所述立式搅拌装置位于发酵罐罐体内部的中心轴上，用于搅拌发酵罐罐体内的物料；
所述固定化载体填充于发酵罐罐体内；
所述发酵罐罐体的侧壁上环设有若干进料喷头，用于发酵罐罐体进料；发酵罐罐体底部设有出料口，用于发酵罐罐体出料；所述出料口与进料喷头之间设有循环泵，且通过循环管道连接形成循环回路，使得发酵罐罐体内的物料通过出料口进入循环管道，在循环泵的驱动下，通过进料喷头再次进入发酵罐罐体内循环发酵；
所述循环管道上还设有进料管和排料管，进料管和排料管上分别设有单向阀；通过进料管将发酵培养基导入循环管道，并经进料喷头进入发酵罐罐体内；发酵产物经循环管道，通过排料管排出。
进一步地，所述的进料喷头喷出液体的方向与水平面呈40-60°角，与发酵罐罐体内壁的切线方向呈30-60°角，以达到最佳的传质效果。
其中，所述的固定化载体为球型网格载体，材质为聚氯乙烯或聚乙烯，密度为 0.9～1g/cm3，直径为15～25cm，其内部设有若干平行的圆形片状吸附介质，所述吸附介质直径为12～25cm，材质为植物纤维或合成纤维。
所述发酵罐罐体内横向设有若干不同高度的格栅板，相邻两块格栅板为一组，之间通过细绳将球型网格载体延纵向串联在一起，同一串的球型网格载体之间间距为2～6cm，相邻两串之间的间距为3～8cm。
所述立式搅拌装置包括电机、平桨叶和推进式桨叶，所述电机位于发酵罐罐体顶部，用于驱动平桨叶和推进式桨叶的转动；所述平桨叶位于发酵罐罐体的近顶端；所述推进式桨叶位于相邻两组格栅板之间的空档处。
优选地，所述发酵罐罐体高径比为1.2～2:1，罐底部为圆锥式或斜低式。
有益效果：
1、本实用新型装置采用的固定化技术所用固定化载体制作简单，成本低廉，安装方便，单位空间装填片状纤维介质量大，吸附效果较好。
2、本实用新型装置采用悬挂式固定化载体，使得载体在罐内均匀分布，同时片状介质在球内与轴向平行放置，有效减轻了载体对带渣物料的拦截作用，使得排料更为彻底，一定程度上降低了染菌机率。
3、本实用新型装置采用的搅拌加循环方式，有效避免了罐内悬挂的载体球对传质传热的影响。中层和下层搅拌桨叶推进式设计有利于带渣物流在罐内中部区域形成向上的漩涡式推力，上层环形进料管道设计有利于循环进料在罐内液面上端外周形成向下的的漩涡式推力。从而使得罐内整体物料呈现流动的状态。
4、本实用新型装置采用搅拌发酵为主，比一般依靠循环传质的固定化发酵更节约电耗。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为该发酵装置的整体结构示意图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本实用新型。
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
如图1所示，该发酵装置包括发酵罐罐体1、立式搅拌装置2、固定化载体3以及用于发酵罐罐体进料和出料的循环管道。
其中，发酵罐罐体1罐底部为斜低式，底部设有排沙口8。
所述立式搅拌装置2位于发酵罐罐体1内部的中心轴上，用于搅拌发酵罐罐体1 内的物料。
所述固定化载体3填充于发酵罐罐体1内。
所述发酵罐罐体1的侧壁上、中、下分别环设有四个进料喷头4，用于发酵罐罐体 1进料，每一环进料喷头4连接在环绕发酵罐罐体外的管道上，且进料喷头4外部设有阀门41；发酵罐罐体1底部设有出料口11，用于发酵罐罐体1出料；所述出料口11 与进料喷头4之间设有循环泵5，且通过循环管道连接形成循环回路，使得发酵罐罐体 1内的物料通过出料口11进入循环管道，在循环泵5的驱动下，通过进料喷头4再次进入发酵罐罐体1内循环发酵。
所述循环管道上还设有进料管6和排料管7，进料管6和排料管7上分别设有单向阀；通过进料管6将发酵培养基导入循环管道，并经进料喷头4进入发酵罐罐体1内；发酵产物经循环管道，通过排料管7排出。
所述的固定化载体3为球型网格载体，材质为聚乙烯，密度为0.94g/cm3。将剪成直径16cm和19cm的圆形片状棉纤维布各2块(厚度0.15cm)，平行放置并固定于球型网格载体内形成吸附介质，间距约4cm，球型网格载体贯穿一个圆管，用于绳串联载体，每个球内放置纤维量约49g。
所述立式搅拌装置2包括电机21、平桨叶22和推进式桨叶23，所述电机21位于发酵罐罐体1顶部，用于驱动平桨叶22和推进式桨叶23的转动；所述平桨叶22位于发酵罐罐体1的近顶端；所述推进式桨叶23位于相邻两组格栅板之间的空档处。
实施例1
不加循环的发酵罐结构和传质模拟：
高径比1.2的2000吨发酵罐内分为两层，将串联的固定化球固定于每层上下栅板两端，上下间距4cm，水平方向间距5cm，实际装填量约10500个。底层、中层推进式桨叶23直径5.33m，与水平方向夹角30°大头宽度43cm，小头宽度10cm，3片桨叶。顶部平桨叶，旋转直径5m，圆盘直径3.5m，桨叶长1.5m，宽0.1m，与水平方向垂直，3片桨叶。在转速12r/min条件下，上层平均流速0.16m/s，下层平均流速0.14m/s，整体平均流速0.15m/s，传质效果较好，有效防止了物料沉积。
实施例2加循环的发酵罐结构和传质模拟
循环进料从罐壁伸进，以向下30度且与切线呈45度的设计喷嘴，其他方式同实施例1。在转速12r/min条件下，上层平均流速0.17m/s，下层平均流速0.16m/s，整体平均流速0.165m/s，传质效果更优。
实施例3以木薯液化醪培养基为发酵原料
将的固定化载体装填于实施例2中反应器，以循环量为900m3/h固定种子液48h(种子培养基为木薯糖化醪，如后面所述)。直至菌体吸附浓度2.5亿个/ml。然后制备木薯液化醪：料液比1:2.3，加液化酶(16U/g木薯干重)90℃液化1.5小时，冷却后排出固定化种子废液。再流加木薯液化醪(初始总糖226.0g/L，并加入糖化酶(180U/g 木薯干重)，装液量85％，进行循环发酵，其中温度为33℃，发酵液pH4.3，流速900m3/h，搅拌转速12r/min，发酵结束，排掉发酵液，料液总残留不到8％，比现有方法(申请号201810321244.8)中发酵残留量下降了15％以上，明显降低了染菌风险，提高了设备利用率。重新泵入新的发酵液。可稳定运行40批以上，平均发酵周期为36h，反应浓度达到109.2g/L，比传统游离发酵(接种量25％)缩短了8小时以上。乙醇产率达到3.03gL-1h-1，平均转化率94.5％以上。
实施例4以陈化水稻为发酵原料
同样将的固定化载体(载体球用聚丙烯)装填于实施例2中反应器，以循环量为900m3/h固定种子液48h(种子培养基为水稻糖化醪，如后面所述)。直至菌体吸附浓度3亿个/ml。制备水稻液化醪：料液比1:1.8，加液化酶(15U/g水稻干重)86℃液化 2小时，冷却后排出固定化种子废液。再流加水稻液化醪，并加入糖化酶(180U/g水稻干重)，装液量85％，进行循环发酵，其中温度为32℃，发酵液pH4.3，初始循环流速为800m3/h，中期可降低流量至400m3/h。8批平均发酵周期为32h(初始总糖216.7 g/L)，反应浓度达到104.1g/L，比游离发酵缩短了6小时。乙醇产率达到3.25gL-1h-1，平均转化率94％。发酵能耗比现有方法(ZL201210538977.X)载体装填方式的发酵能耗降低了50％左右。
实施例5以玉米为发酵原料
同样将的固定化载体(载体球用聚丙烯)装填于实施例2中反应器，以搅拌的方式固定种子液44小时(种子培养基为玉米糖化醪，如后面所述)。直至菌体吸附浓度 2.8亿个/ml。制备玉米液化醪：料液比1:2.45，加液化酶(15U/g玉米干重)86℃液化 2小时，冷却后排出固定化种子废液。再流加玉米液化醪，并加入糖化酶(180U/g玉米干重)，装液量85％，进行循环发酵，其中温度为34℃，发酵液pH4.3，搅拌发酵(转速16r/min)。发酵可稳定运行10批，平均发酵周期为28小时(初始总糖209.6g/L)，反应浓度达到101.78g/L，比游离发酵缩短了6小时。乙醇产率达到3.64gL-1h-1，平均转化率95％。比搅拌加循环方式(循环量800m3/h)残渣残留率增加了20％左右，但能耗降低了70％以上。
本实用新型提供了一种固定化酵母发酵制备乙醇的装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种固定化酵母发酵制备乙醇的装置，其特征在于，包括发酵罐罐体(1)、立式搅拌装置(2)、固定化载体(3)以及用于发酵罐罐体进料和出料的循环管道；
其中，所述立式搅拌装置(2)位于发酵罐罐体(1)内部的中心轴上，用于搅拌发酵罐罐体(1)内的物料；
所述固定化载体(3)填充于发酵罐罐体(1)内；
所述发酵罐罐体(1)的侧壁上环设有若干进料喷头(4)，用于发酵罐罐体(1)进料；发酵罐罐体(1)底部设有出料口(11)，用于发酵罐罐体(1)出料；所述出料口(11)与进料喷头(4)之间设有循环泵(5)，且通过循环管道连接形成循环回路，使得发酵罐罐体(1)内的物料通过出料口(11)进入循环管道，在循环泵(5)的驱动下，通过进料喷头(4)再次进入发酵罐罐体(1)内循环发酵；
所述循环管道上还有进料管(6)和排料管(7)，进料管(6)和排料管(7)上分别设有单向阀；通过进料管(6)将发酵培养基导入循环管道，并经进料喷头(4)进入发酵罐罐体(1)内；发酵产物经循环管道，通过排料管(7)排出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的进料喷头(4)喷出液体的方向与水平面呈40-60°角，与发酵罐罐体(1)内壁的切线方向呈30-60°角。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的固定化载体(3)为球型网格载体，材质为聚氯乙烯或聚乙烯，密度为0.9～1g/cm3，直径为15～25cm，其内部设有若干平行的圆形片状吸附介质，所述吸附介质直径为12～25cm，材质为植物纤维或合成纤维。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述发酵罐罐体(1)内横向设有若干不同高度的格栅板，相邻两块格栅板为一组，之间通过细绳将球型网格载体延纵向串联在一起，同一串的球型网格载体之间间距为2～6cm，相邻两串之间的间距为3～8cm。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述立式搅拌装置(2)包括电机(21)、平桨叶(22)和推进式桨叶(23)，所述电机(21)位于发酵罐罐体(1)顶部，用于驱动平桨叶(22)和推进式桨叶(23)的转动；所述平桨叶(22)位于发酵罐罐体(1)的近顶端；所述推进式桨叶(23)位于相邻两组格栅板之间的空档处。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发酵罐罐体(1)高径比为1.2～2:1，罐底部为圆锥式或斜低式。
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| CN110117526A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-08-13 | 南京高新工大生物技术研究院有限公司 | 一种新型发酵装置及其在固定化酵母发酵制备乙醇中的应用 |
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| CN110117526A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-08-13 | 南京高新工大生物技术研究院有限公司 | 一种新型发酵装置及其在固定化酵母发酵制备乙醇中的应用 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |