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专利名称:模块化固态发酵反应器的制作方法
技术领域:
本发明属于固态发酵反应器领域,特别涉及模块化容积可变固态发酵反应器。
背景技术:
固态发酵多用于食品的生产,已经有几百年的历史,指微生物在潮湿固体基质上生长的技术。近年来,人们开始对固态发酵生产生物活性物质的能力感兴趣。与液态发酵相比,固态发酵产量高、成本低。然而由于固态发酵设备设计水平低,其工业应用仍受到限制。
固态发酵设备可以分为静态和动态两大类。在静态体系中,整个发酵过程中固态基质保持不动,典型静态体系包括箱、盘、碟、固定床、烘箱等;动态体系则在发酵过程中有物料混合过程存在,典型混合方式为转鼓式。
不论是静态还是动态固态发酵,发酵过程中的有效热交换都是一个主要问题。多数固态发酵体系用通气法进行热交换,这种方式易使固体基质的水分蒸发,导致物料干燥。另一种避免过热的方法是物料混合,然而发酵过程中的物料混合会导致细胞破坏。这些问题在大规模工业生产中显得尤为突出。现有的大规模固态发酵反应器的另一个缺点是操作劳动强度大。理想的固态发酵设备应该能够实现发酵过程中生长环境的精确控制,以便整个发酵过程可以在特定条件下进行。至今,固态发酵仍需繁琐的多步操作,在开放式环境中进行发酵,不能实现生长条件精确控制,使产品产量、质量下降。因此需要设计一种集成的反应器,可以将固态发酵的所有操作集中在单一设备中,以密闭可控的形式在反应器中完成,实现反应器中化学物质、营养物质无污染均匀添加。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化的固态发酵反应器,并能根据需求调整反应器的大小,实现在发酵过程中微生物与外界环境隔绝,精确控制反应器内部的反应条件,且所有固态发酵的步骤可在一个单一的密闭容器中完成。
本发明的模块化固态发酵反应器,包括一个或多个能独立操作的模块3,同心轴17、混合臂20和电机18;一能独立操作的模块3,由环形基盘2,发射配流口12、采集配流口13,圆柱形外壁1和密封圈5组成;一模块3的底为一环形基盘2,在环形基盘2边缘安装有圆柱形外壁1,在环形基盘2边缘与圆柱形外壁1之间有一橡胶密封圈5;所述的圆柱形外壁1的材质可为不锈钢或聚碳酸酯,通常外壁1的高度为4~8厘米。采集配流口(12)位于模块底部边缘、发射配流口(13)位于模块顶部边缘;一环形基盘2由两个平行的金属平板6、传输通道9、非传输管道10、集液管14、采集环15、配流环16构成;在两个相互平行放置的金属平板6中间夹有多根从基盘
2的中心向外辐射的非传输通道10,非传输通道10的一端与采集环15相连通,另一端与集液管14相连通;每两个相邻的非传输管道10的外壁与上下金属平板6一起共同构成物料传输通道9,传输通道9的一端与配流环16相连通,在构成传输通道9的上下两金属平板6的面上钻有孔11,每个孔11的大小相等,孔11之间的纵向距离从内到外逐渐减小,以补偿随着直径的增大基盘面积的非线性增加;一同心轴17在环形基盘2的中间,在同心轴17与两平行板6的侧壁之间安装有采集环15,在采集环15外面安装有配流环16;一采集配流口13的里面与配流环16相通,外面与发射器21相通,采集配流口13的里面与配流环16相通,外面与采集器22相通;一个或多个混合臂20(优选两个)固定在两基盘之间的同心轴17上,混合臂上装有平叶片23,平叶片23在混合臂20上交错排列;同心轴17由内外轴组成,内外轴分别由两个独立的电机18带动,内轴带动混合臂自转,外轴带动混合臂20绕模块3中心旋转。
所述的发射配流口12、采集配流口13的管道上安装有阀门24;
所述的反应器内进一步安装有探针7;所述的模块3的上部安装有圆形顶盘8;一圆形顶盘8由两个平行的金属平板6、传输通道9和配流环16构成,在两个相互平行放置的金属平板6中间夹有物料传输通道9,传输通道9的一端与配流环
16相连通,该配流环16与发射配流口21相通,在构成传输通道9的金属平板6的面上钻有孔11,每个孔11的大小相等,孔11之间的纵向距离从内到外逐渐减小;所述的顶盘8的外部安装有弧形顶19。
所述的模块3的下部安装有弧形顶19。
所述的模块3可进一步相互堆叠形成一堆栈4。
所述的堆栈4的最上面一模块的顶盘发射配流口12的里面与配流环16相通,外面与发射器21相通,其基盘2的配流环16与采集配流口13相通,采集配流口13与采集器22相通,第二个模块基盘的配流环16与发射配流口12相连通,以此类推直至最后一个模块。
本发明的固态发酵反应器通过传导形式换热,由单个模块堆叠组成,每个模块有基座与外壁相联;固态基质与外部环境隔离,基盘有非传输通道,载有换热流体;反应器内部温度能够精确控制。
所述的模块的基盘上有第二套通道,称为传输通道,可以向模块内部添加流体以调整反应器内部湿度和气体含量;本发明传输通道能够向反应器内部提供蒸汽或其它灭菌气体(如环氧乙烷)及化学物质(如过氧化氢);操作期间补料;运送提取液用于提取有用物质。
本发明的反应器通过模块内部的一混合臂进行物料混合,该混合臂绕模块的中心轴旋转。发酵的任何阶段都可以适时启动混合装置,如接种后启动,使菌种均匀分布。
本发明的反应器对提取微生物产物尤为适用,微生物的有用代谢产物可在固态发酵反应器中提取。
本发明的反应器密闭操作接种前灭菌,去除反应器内部的所有微生物;通过无菌管道由种子容器传输种子液,避免其暴露于环境之中,通入反应器中的气体需经过过滤,以免反应器内部受到污染,反应器中的气体经过滤后排放,提取产物后,反应器原位灭菌,反应器中所有微生物均在设备打开前破坏后才允许排放。
本发明所提供的设备有很多优势如发酵过程易控制,发酵过程中化学营养物质添加及代谢产物提取方便。反应器密闭操作,最大限度防止染菌,同时使环境免受反应器内生长的病原微生物的污染。本发明所述的密闭反应器有提供灭菌、接种、控制发酵温度、湿度的能力。
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实施例请参见图1-5。三层固态发酵反应器,直径100cm,模块高度8cm,微生物红曲,原料籼米。本实施例不包括活性物质的提取。
(干重)浸泡过的籼米,之后将所有模块3安装在一起形成堆栈4,这时反应器内部与外环境隔离。灭菌流体如蒸汽或臭氧,由配流口流入配流环,进入传输通道9,通过传输通道上的孔11向模块中释放流体。同时非传输通道10中通入蒸汽加热反应器至适当的灭菌温度(蒸汽121℃,环氧乙烷50℃)。灭菌后非传输通道10中通入冷却水冷却基质,基质经集液管14进入非传输通道10,汇集至采集环后流出。调节阀门使灭菌过程中反应器内达到适宜的温度。
灭菌后,接种液通过传输通道9输入反应器的模块3中。接种后启动混合臂20,混合接种液和固体基质,菌液分布均匀后混合臂20停止运转。同心轴17带动混合臂20绕轴自转和公转的速度比可调,转速比控制在自转一周所经过的距离能够使混合臂20前的物料卷至其后。
微生物发酵阶段,通过探测器精确控制反应器内部环境。通过传输通道9向反应器提供各种调节内环境的氧气、水等流体,控制反应器内部湿度、气氛。
通常情况下本发明以传导方式散热,即在非传输通道10中通入冷却水带走热量。反应器中水过量时,通过发射器21向传输通道输送空气,从采集器22排出,实现蒸发散热。
反应器内总体湿度满足后,需要对物料进行充分混合,以防局部湿度不均匀。发酵过程中物料搅拌会造成真菌菌丝体破损,因此应在发酵前充分混合物料,而在发酵开始后,要尽量少启动混合。
发酵周期为一周,结束后再次灭菌,取出发酵产物(红曲米)清洗反应器,准备再次使用。
权利要求
,包括一个或多个能独立操作的模块(3),同心轴(17)、混合臂(20)和电机(18);其特征是一能独立操作的模块(3),由环形基盘(2),发射配流口(12)、采集配流口(13),圆柱形外壁(1)和密封圈(5)组成;一模块(3)的底为一环形基盘(2),在环形基盘(2)边缘安装有圆柱形外壁(1),在环形基盘(2)边缘与圆柱形外壁(1)之间有一橡胶密封圈(5);采集配流口(12)位于模块底部边缘、发射配流口(13)位于模块顶部边缘;一环形基盘(2)由两个平行的金属平板(6)、传输通道(9)、非传输管道(10)、集液管(14)、采集环(15)、配流环(16)构成;在两个相互平行放置的金属平板(6)中间夹有多根从基盘(2)的中心向外辐射的非传输通道(10),非传输通道(10)的一端与采集环(15)相连通,另一端与集液管
(14)相连通;每两个相邻的非传输管道(10)的外壁与上下金属平板(6)一起共同构成物料传输通道(9),传输通道(9)的一端与配流环(16)相连通,在构成传输通道(9)的上下两金属平板(6)的面上钻有孔(11);一同心轴(17)在环形基盘(2)的中间,在同心轴(17)与两平行板(6)的侧壁之间安装有采集环(15),在采集环(15)外面安装有配流环(16);一采集配流口13的里面与配流环16相通,外面与发射器21相通,采集配流口13的里面与配流环16相通,外面与采集器22相通;一个或多个混合臂(2)固定在两基盘之间的同心轴(17)上,混合臂上装有平叶片(23);同心轴(17)由内外轴组成。
,其特征是所述的混合臂上的平叶片(23)在混合臂(20)上交错排列。
,其特征是所述的同心轴(17)的内轴带动混合臂(20)自转,外轴带动混合臂(20)绕模块(3)中心旋转。
,其特征是所述的发射配流口(12)、采集配流口(13)的管道上安装有阀门(24)。
,其特征是所述的反应器内进一步安装有探针(7)。
,其特征是所述的模块(3)的上部安装有圆形顶盘(8)。
,其特征是所述的圆形顶盘(8)由两个平行的金属平板(6)、传输通道(9)和配流环(16)构成,在两个相互平行放置的金属平板(6)中间夹有物料传输通道(9),传输通道(9)的一端与配流环(16)相连通,该配流环(16)与发射配流口(21)相通,在构成传输通道(9)的金属平板(6)的面上钻有孔(11)。
,其特征是所述的构成传输通道(9)的上下两金属平板(6)的孔(11)的大小相等,孔(11)之间的纵向距离从内到外逐渐减小。
,其特征是所述的顶盘(8)的外部安装有弧形顶(19);所述的模块(3)的下部安装有弧形顶(19)。
,其特征是所述的模块(3)可进一步相互堆叠形成一堆栈(4);所述的堆栈(4)的最上面一模块的顶盘发射配流口(12)的里面与配流环(16)相通,外面与发射器(21)相通,其基盘(2)的配流环(16)与采集配流口(13)相通,采集配流口(13)与采集器(22)相通,第二个模块基盘的配流环(16)与发射配流口(12)相连通,以此类推直至最后一个模块。
全文摘要
本发明属于固态发酵反应器领域,特别涉及模块化固态发酵反应器。模块化固态发酵反应器由一个或多个可独立操作的模块
3,混合臂20及同心轴17组成;模块3由环形基盘2、圆柱形外壁1构成,基盘上有传输通道9和非传输通道10两套相互分离的管道系统,非传输管道10载有传热流体;传输通道9向模块3中运送水、营养物质、氧气、提取液等;同心轴17上安装有混合臂20,混合臂20在绕同心轴17旋转的过程中保持自转,混合物料。该反应器密闭操作,液体加料分布均匀,反应条件根据环境参数的变化精确控制,提供一种反应器内原位提取所需微生物产物的方法。