專利名稱：多功能固態發酵反應器的制作方法
技術領域：
本發明屬于固態發酵反應器領域，特別涉及多功能固態發酵反應器。
背景技術：
固態發酵在中國有悠久的歷史，多用于食品生產。固態發酵是微生物如真菌、霉菌、酵母和細菌在潮濕的固體基質上的生長技術。與常規的液態發酵過程相比，固態發酵單位體積底物在反應器中所占的體積小，產量高，成本低。因此近年來，人們又開始對固態發酵及其生產酶及微生物代謝產物的能力產生濃厚的興趣。然而，盡管有這些優越性，由于固態發酵反應器的設計水平相對落后，我國固態發酵工藝還多為傳統的生產形式。
固態發酵反應器可以分為靜態和動態兩大類。在靜態體系中，整個發酵過程中固態基質保持不動，動態發酵體系則能夠在發酵過程中提供物料的混合方式。目前國內工業固態發酵普遍采用淺盤或培養池進行發酵，物料通常為靜態，因此很難實現發酵過程的有效熱交換。很多固態發酵工藝采用通氣法帶走熱量，這種方式不僅帶走了熱量，還使固體基質的水份蒸發，導致物料表面干燥，同時還會造成物料溫度分布的不均一性，使得微生物的生長活性不均一(Murthy，et al.，BiochemicalEngineering Aspects of Solid-State Fermentation.Advances in AppliedMicrobiology，3899-147)。因此影響發酵產品的質量。

發明內容
本發明的目的是提供一種多功能固態發酵反應器，以克服現有固態發酵反應器在物料發酵過程的有效熱交換率低，微生物的生長活性不均一等缺陷，使微生物發酵的所有操作，包括滅菌、接種、培養、產物分離以及分離后處理，均可以在本發明所述的反應器中完成，同時提高發酵產品的質量。
固態發酵一般包括如下步驟1)培養設備和培養基的滅菌；2)接種；3)微生物固態發酵；4)微生物產品的提取；5)廢料和培養設備的后處理。本發明提供的多功能固態發酵反應器能夠將上述固態發酵步驟在一個單一的密閉反應器中完成，并且能夠實現在培養過程中微生物的生長環境精確控制，使反應器內溫度、水份均勻，縮短或消除微生物生長的延遲期，可以大大加快固態發酵過程，還可以實現反應器中的化學物質、營養成分無污染均勻添加。另外，本發明還可以適用于微生物產物的提取，可實現物料的自動進出。本發明的多功能固態發酵反應器適用于多種微生物的發酵過程。
本發明的多功能固態發酵反應器的結構包括主發酵罐、轉動支架、物料輸入輸出裝置、傳動裝置和控制裝置。
所述的圓柱形主發酵罐1的一端有一固定中心軸32，所述的固定中心軸32被一環形法蘭18固定在主發酵罐1上；主發酵罐1的另一端為一透明圓臺形的圓臺視窗33(可為聚碳酸酯材料)，圓臺視窗33的一端與主發酵罐1連接，其連接處有一密封圈19，圓臺視窗33的另一端為物料進出口6；所述的固定中心軸32上安裝有換熱器流體輸入管13、換熱器流體輸出管16、發酵罐流體輸入管21、浸取液輸出管34、傳感器及開有出氣口25；所述的換熱器流體輸入管13和換熱器流體輸出管16分別與主發酵罐1內的換熱器12連接，換熱器流體輸入管13與主發酵罐1外的載熱流體輸入閥門14連接，載熱流體輸入閥門14上連接有溫度控制裝置A；所述的換熱器12內的換熱蛇管15的兩端分別與換熱器流體輸入管13和換熱器流體輸出管16連接。
所述的發酵罐流體輸入管21一端與主發酵罐1內部為一帶有流體出口的流體輸入分布管22連接，流體輸入分布管22為剛性，長度略短于罐體，內有流體導向隔柵23的管體；另一端連接滅菌氣體輸入閥門17、接種液閥門20、進氣閥門27、補料閥門28、浸取液閥門29，滅菌氣體輸入閥門17與滅菌氣體壓力控制裝置連接，進氣閥門27與壓力輸入控制裝置連接；所述的出氣口25一端安裝于固定中心軸32上，主發酵罐1外的一端連接有出氣閥門26，其上連接壓力輸出控制裝置C；所述的物料輸入輸出裝置是在主發酵罐1內部的物料進出口6的一端安裝固定螺旋葉片11；所述的浸取液輸出管34在主發酵罐1內部的一端裝有濾膜30，另一端連接有液泵31；所述的傳動裝置是在發酵罐外側安裝有環形齒輪10，環形齒輪10與驅動電機8的主動輪9嚙合；主發酵罐1在驅動電機8的帶動下能夠順時針或逆時針轉動，配合物料進出口6的固定螺旋葉片的方向，可以實現物料的自動裝載、出料及混勻。
所述的控制裝置是在固定中心軸32上安裝有溫度控制傳感器A、滅菌氣體壓力控制傳感器B、壓力輸出控制傳感器C和壓力輸入控制傳感器D。
所述的流體輸入分布管22上有流體出口24，使輸入的流體能夠在發酵罐中沿軸向均勻分布于罐體中。輸入的流體可以為氣態或液態。流體輸入管道可以向反應器中運送蒸汽、臭氧或其他化學物質，用于發酵前后主反應器及其中物料的滅菌，還可以在發酵反應的任何階段，向其中添加水、氧氣或其他發酵所需物質。
為提高換熱效率，本發明改變了通常的鼓風換熱形式，在反應器內部安裝有換熱器，可載有冷或熱流體，以傳導方式加熱或冷卻物料，實現反應器內部溫度精確控制，以達到不同微生物發酵的要求。反應器旋轉帶動物料動態混合，換熱器在實現熱交換的同時，還有助于物料混合均勻。
另外，該反應器還能夠提供從微生物中提取有用物質的方式。從流體輸入管道向發酵罐中運送提取液，可以在主反應器中實現微生物產物的提取。
所述的物料輸入輸出裝置進一步有一進料斗3與物料進出口6對接，進料斗3的一端與一軌道4滑動連接，以便于控制進料斗的運行，進料斗3的另一端料斗下進料口5與物料進出口6對接。
所述的進料斗3的料斗下進料口5的管道內安裝有料斗擋板7。
所述的主發酵罐1的罐身為圓柱形，安放方式為臥式安放。
由于發酵罐1的一端為透明圓臺形，所以可以觀察反應器內部的情況，內部有固定螺旋葉片，為物料輸入、輸出裝置。
所述的主發酵罐1可被進一步安放在轉動支架2上。
本發明中的多功能固態發酵反應器的優點在于微生物發酵的所有操作，包括滅菌、接種、培養、產物分離以及分離后處理，均可以在本發明所述的反應器中完成；該反應器的主發酵罐設有固定中心軸32，流體輸入輸出及各種控制系統均可以安裝在固定中心軸上，另一端為圓臺形視窗33，可以觀察發酵全過程；該反應器采用全密封操作，避免反應器內部及其中的物料與外環境接觸，減少了染菌的可能性；利用本發明進行固態發酵可縮短微生物的生長延遲期，大大縮短了發酵周期；該反應器中的固態發酵物料動態混合，不易板結，通過進氣、排氣周期交替進行，實現氣體傳質，以傳導方式實現溫度控制，傳質、傳熱均勻；并且在發酵周期中的任何階段，都可以向反應器中補加液態料液；反應器內溫度、濕度、壓力等操作參數能夠精確控制，大大提高固態發酵的產量和質量。
該反應器空間利用率高，生產成本低，可以用于多種微生物的固態發酵過程及微生物代謝產物的提取。


圖1.本發明的多功能固態發酵反應器側視圖；圖2.本發明的多功能固態發酵反應器主視示意3.本發明的多功能固態發酵反應器的進料斗示意圖；圖4.本發明的多功能固態發酵反應器的換熱器結構示意圖；圖5.本發明的多功能固態發酵反應器的流體輸入分布管縱截面示意圖；圖6.本發明的多功能固態發酵反應器的流體輸入分布管橫截面示意圖。
附圖標記1.主發酵罐2.轉動支架3.進料斗4.軌道
5.料斗下進料口 6.物料進出口7.料斗擋板 8.電機9.主動輪 10.齒輪 11.螺旋葉片 12.換熱器1 3.換熱器流體輸入管 14.載熱流體輸入閥門15.換熱蛇管16.換熱器流體輸出管17.滅菌氣體入口閥門18.法蘭 19.密封圈20.接種液閥門 21.發酵罐流體輸入管22.流體輸入分布管 23.流體分布隔柵24.分布管流體出口 25.出氣口26.出氣閥門27.進氣閥門28.補料閥門 29.浸取液閥門30.濾膜31.液泵 32.固定中心軸33.圓臺視窗34.浸取液輸出管A溫度控制裝置B滅菌氣體壓力控制裝置C壓力輸出控制裝置D壓力輸入控制裝置具體實施方式
下面結合附圖1～6詳細說明本發明的多功能固態發酵反應器的工作原理一金屬多功能反應器的主發酵罐1安放于金屬轉動支架2上，該反應器的主發酵罐1設有固定中心軸32，流體輸入輸出及各種控制系統均安裝在固定中心軸32上。經過預處理的發酵物料裝載入進料斗3，通過進料斗軌道4移動，使下進料口5與主發酵罐1的物料進出口6配合，料斗擋板7打開，在電機8的驅動下，主動輪9帶動發酵罐外齒輪10，使發酵罐順時針轉動，螺旋葉片11將固態物料導入發酵罐中。發酵物料在靜摩擦力的帶動下，動態混勻，沿發酵罐軸向均勻分布。這時，換熱器12的流體輸入管13的閥門14打開，熱流體進入換熱器蛇管15，由流體輸出管16流出，以傳導方式加熱發酵罐及其中的物料，待溫度升至預定溫度，溫度控制裝置A作用閥門14，保持發酵罐中的溫度，滅菌氣體(蒸汽、臭氧或其他滅菌氣體)閥門17開啟，壓力逐漸升高，壓力控制裝置B作用使發酵罐內達到預設壓力，法蘭18、密封圈19使發酵罐密閉，壓力維持，滅菌氣體對發酵罐內部及其中的物料進行滅菌。滅菌后通過換熱器中冷熱流體控制，使發酵罐內環境達到適宜溫度，新鮮種子菌液經由閥門20發酵罐流體輸入管21及流體分布管22，在隔柵23的導向作用下，沿軸向均勻分布，通過流體出口24，流入主發酵罐內，實現接種。
發酵過程中，發酵罐內的溫度通過換熱器中的冷、熱流體帶走或帶入熱量，對發酵罐及其內部物料進行冷卻或加熱，同時發酵物料為動態，避免局部過熱，以保持發酵罐內的溫度在發酵各個階段均能夠精確控制在所需溫度。
本發明所述的固態發酵反應器的固態物料的傳質通過轉鼓方式實現。在電機8的驅動下，主動輪帶動從動輪，使發酵罐轉動，從而使物料分散混勻，防止物料聚集結塊。氣體傳質則通過壓力周期變化來實現。在進氣周期，壓力輸出控制裝置C作用使出氣口25的閥門26關閉，進氣閥27在壓力輸入控制裝置D作用下開啟，經過濾后的新鮮無菌氣體進入發酵罐。當表壓到達預定值后，進氣閥關閉，保持壓力。然后出氣閥門26開啟，進入排氣周期，反應器中的氣體經過濾后排入空氣中。通過壓力及進氣、排氣周期性的變化，固態發酵反應器中的氣體完成置換更新。
利用本發明的反應器，在發酵的任何階段，均可以向反應器中補加液態物質。補料時閥門28開啟，滅菌后的料液(水、化學物質、營養物質等)經由流體分布管沿軸向向發酵罐中均勻添加。
發酵過程結束后，利用本發明的反應器還可以進行生物活性物質的提取。浸取劑經由閥門29進入發酵罐，發酵罐轉動使浸取劑與發酵結束后的物料充分混合，浸取液經過濾膜30由液泵31將其吸出。可通過聚碳酸酯材料做的圓臺形視窗33，觀察發酵全過程。
發酵結束后，殘渣滅菌。發酵罐逆時針旋轉，將殘渣導出發酵罐物料進出口6，整個發酵周期結束。
權利要求
1.一種多功能固態發酵反應器，包括主發酵罐、轉動支架、物料輸入輸出裝置、傳動裝置和控制裝置，其特征是所述的主發酵罐(1)的一端有一固定中心軸(32)，所述的固定中心軸(32)被一環形法蘭(18)固定在主發酵罐(1)上；主發酵罐(1)的另一端為一透明圓臺形的圓臺視窗(33)，圓臺視窗(33)的一端與主發酵罐(1)連接，圓臺視窗(33)的另一端為物料進出口(6)；所述的固定中心軸(32)上安裝有換熱器流體輸入管(13)、換熱器流體輸出管(16)、發酵罐流體輸入管(21)、浸取液輸出管(34)、傳感器及開有出氣口(25)；所述的物料輸入輸出裝置是在主發酵罐(1)內部的物料進出口(6)的一端安裝固定螺旋葉片(11)；所述的傳動裝置是在發酵罐外側安裝有環形齒輪(10)，環形齒輪(10)與驅動電機(8)的主動輪(9)嚙合；所述的控制裝置是在固定中心軸(32)上安裝有溫度控制傳感器A、滅菌氣體壓力控制傳感器B、壓力輸出控制傳感器C和壓力輸入控制傳感器D。
2.如權利要求1所述的反應器，其特征是所述的換熱器流體輸入管(13)和換熱器流體輸出管(16)分別與主發酵罐(1)內的換熱器(12)連接，換熱器流體輸入管(13)與主發酵罐(1)外的載熱流體輸入閥門(14)連接。
3.如權利要求2所述的反應器，其特征是所述的換熱器(12)內的換熱蛇管(15)的兩端分別與換熱器流體輸入管(13)和換熱器流體輸出管(16)連接。
4.如權利要求1所述的反應器，其特征是所述的發酵罐流體輸入管(21)一端與主發酵罐(1)內部為一帶有流體出口的流體輸入分布管(22)連接，流體輸入分布管(22)內有流體導向隔柵(23)；另一端連接滅菌氣體輸入閥門(17)、接種液閥門(20)、進氣閥門(27)、補料閥門(28)和浸取液閥門(29)。
5.如權利要求1所述的反應器，其特征是所述的物料輸入輸出裝置進一步有一進料斗(3)與物料進出口(6)對接，進料斗(3)的一端與一軌道(4)滑動連接，進料斗(3)的另一端料斗下進料口(5)與物料進出口(6)對接。
6.如權利要求5所述的反應器，其特征是所述的進料斗(3)的料斗下進料口(5)的管道內安裝有料斗擋板(7)。
7.如權利要求1所述的反應器，其特征是所述的浸取液輸出管(34)在主發酵罐(1)內部的一端裝有濾膜(30)，另一端連接有液泵(31)。
8.如權利要求1所述的反應器，其特征是所述的溫度控制傳感器A與載熱流體輸入閥門(14)連接、滅菌氣體壓力控制傳感器B與滅菌氣體輸入閥門(17)連接、壓力輸出控制傳感器C與出氣閥門(26)連接，壓力輸入控制傳感器D與進氣閥門(27)連接。
9.如權利要求1所述的反應器，其特征是所述的圓臺視窗(33)與主發酵罐(1)的連接處有一密封圈(19)。
10.如權利要求1、2、4、7或9所述的反應器，其特征是所述的主發酵罐(1)被進一步安放在轉動支架(2)上。
全文摘要
本發明屬于固態發酵反應器領域，特別涉及多功能固態發酵反應器。多功能固態發酵反應器的結構包括主發酵罐、轉動支架、物料輸入輸出裝置、傳動裝置和控制裝置。圓柱形主發酵罐1的一端有一固定中心軸32，所述的固定中心軸32被一環形法蘭18固定在主發酵罐1上；主發酵罐1的另一端為一透明圓臺形的圓臺視窗33，圓臺視窗33的一端與主發酵罐1連接，圓臺視窗33的另一端為物料進出口6；固定中心軸32上安裝有流體輸入輸出、各種控制系統及開有出氣口；在該反應器中，可以完成微生物的發酵的所有操作。該反應器中的物料動態混合，不易板結，物料自動輸入輸出，反應器內的操作參數可以精確控制，并提高固態發酵的產量和質量。
文檔編號C12M1/00GK1519308SQ03100890
公開日2004年8月11日 申請日期2003年1月24日 優先權日2003年1月24日
發明者杜竹瑋, 李浩然 申請人:中國科學院過程工程研究所