絮凝酵母懸浮床連續發酵反應器的製作方法

2023-09-17 16:06:55

專利名稱：絮凝酵母懸浮床連續發酵反應器的製作方法
技術領域：
本發明屬於生物發酵工程酒精連續發酵裝置。
酒精廣泛地應用化工、醫藥、食品等各行業，有些國家將酒精作為「綠色能源」而開展系統的研究，近年來中國酒精產品亦在大幅度增長。但酒精生產過程中，一直是間歇發酵，發酵濃度低，一般7%(V)左右，時間長達65～75小時，設備利用率低，要消耗大量酒母，酵母細胞不能回收，所以成本較高。為此，國內外對酒精採用固定化酵母連續發酵開展了大量的研究，已有很多採用載體包埋或吸附等固定化技術的小試研究論文發表，例如M.J.
and J.M.Lema在Enzyme Microb.，Technol 1987.vol 9，NO vem ber雜誌上載文「Cell jmmobilizationApplication to alcohol Production」，綜合分析了這些成果。但因其大規模製造固定化酵母的技術複雜，使用壽命短，成本很高，因而遲遲沒有實現工業化生產。
本發明採用了與上述完全不同的酵母固定化技術。為了實現酒精發酵過程連續化，提出了利用某些酵母的絮凝特徵實現連續發酵的新概念，選育出了具有較強自身絮凝能力的粟酒酵母菌株，使之自身絮凝成0.5～1.5mm的顆粒，作為固定化手段。並對該菌株的生物特性進行了研究，掌握了絮凝條件及絮凝顆粒的發酵特性。
粟酒酵母(S·Pombe)是一種裂殖酵母，能利用葡萄糖、麥芽糖、蔗糖以及糊精等進行發酵，有較強的酒精發酵能力。該酵母經馴化後在25～35℃，糖濃度2～25%，PH值3～5等條件下，能絮凝成0.5～1.5mm的顆粒，有一定牢固度，而且在以後的增殖過程中不再有酵母游離出去，這就為連續發酵提供了可能性。絮凝顆粒形狀不規則，受環境的流體力學條件和發酵強度的影響很大。如果流速太慢，可能使顆粒堆積接觸而進一步凝聚形成渣餅狀大塊;如果攪動強烈，剪應力大，顆粒即被破碎。絮凝顆粒比重大於發酵液，能自然沉降，其速度為0.45～0.72cm/s。為了保持顆粒的大小，需讓它們懸浮在發酵液中緩和地運動，保持與發酵液良好的接觸。
粟酒酵母的另一特徵，是少量氧能改善它的活性和對酒精的耐受性。特別在酵母濃度很高時需要補充一定量的氧。然而傳統的間歇發酵是厭氧的，故要打破厭氧發酵的傳統，在發酵過程中通入少量空氣，既可作為保持懸浮狀態的驅動力，又提供了有限氧。
本發明開發的新的酵母固定化連續發酵的方法，可以克服間歇發酵存在的缺點，為此發明了絮凝酵母懸浮床連續發酵反應器。這種方法操作簡單，不需要任何載體和藥劑，可獲得比其它固定方法高得多的菌體濃度(40～60kg(乾重)/m3)，從而可達到較高的設備生產強度(8～12kg酒精/m3·h)，為實現工業化生產奠定了基礎。為了實現這種絮凝酵母的生長、絮凝和發酵過程，需要有一種合適的反應器，本發明即為此而設計的一種「絮凝酵母懸浮床連續發酵反應器」。在500立升容積中試驗，結果十分理想，並正在進行10m3反應器設計，產量達2000噸酒精/年的工業生產規模。
這種反應器的外殼由底部錐形封頭(2)，下筒體(3)，上部擴大段(8)和頂部橢圓封頭(7)四部分組成。內件由空氣分布器(10)，氣升管(4)，氣體分流器(5)和沉降導筒(6)四部分組成。另外，下圓筒外設有水冷卻夾套(9)。整個反應器為一圓柱形容器，在密閉條件下連續操作。(見附圖
)為了滿足絮凝酵母顆粒的懸浮，生長繁殖和增強活力的需要，反應器中要通入空氣。故在反應器內安裝了空氣進口管(1)，空氣分布器和氣升管等裝置。當壓縮空氣經過過濾滅菌後進入空氣進口管，在空氣分布器被分散成小氣泡，向上進入氣升管中。空氣進口管和氣升管安裝在反應器的中心，空氣進口管與底部錐形封頭焊結在一起。氣升管是一兩端開口的圓管。當空氣氣泡進入氣升管後，管內外產生了密度差，氣升管內發酵液與氣泡一起向上運動，管外液體向下自氣升管底部流入，形成內循環，這就使得整個反應器中的發酵液緩慢地運動起來，保持顆粒酵母呈懸浮運動狀態。其快慢可由通空氣量來控制，一般通風比為0.001～0.1m3(氣)/m3(液)·分，在氣升管中，酵母與空氣接觸，獲得所需要的氧。
空氣氣泡從氣升管出來即進入氣體分流器。氣體分流器安裝在上部擴大段的中心，為一圓管，上端焊結在頂部封頭，下端懸空，下口正對氣升管上口。由於發酵酒精同時生成CO2，純度很高，是一種產品。但空氣通入後，如不將CO2與空氣分離，則CO2濃度就會大大下降，變成廢氣排空。氣體分流器的作用就是將空氣與CO2分開。當空氣氣泡進入氣體分流器後，由頂部橢圓封頭中心空氣排出管排出。而CO2則在氣體分流器外上升從頂部橢圓封頭側部CO2氣體排出管排出。這樣就得到了純CO2作為產品。
當發酵液從氣升管上端流出，即進入上部擴大段。由於上部擴大段直徑比下筒體大1.5～3倍，發酵液流速減慢，繼續進行發酵反應，生成酒精和CO2。由於流速慢，生成的CO2氣泡很容易向上運動逸出。同時，在上部擴大段留有較大空間，(發酵液液面由出料口位置確定)，可使發酵過程產生的氣泡泡沫在此空間內破碎，不致於隨CO2或空氣跑出反應器，造成料液溢出事故。
發酵液在擴大段停留一段時間後，向下流動進入下筒體，在氣升管外以較快速度向下運動至底部錐形封頭，然後迴轉向上進入氣升管，完成一個循環。
底部錐形封頭可以不使絮凝顆粒酵母產生局部停留堆積而堵塞，故不能有局部死角。
為了保證不將顆粒酵母排出反應器，在上部擴大段安裝了沉降導筒，其形狀為一圓筒，上下開口，直徑比上部擴大段略小。於是導筒與擴大段之間形成了一環隙狀空間。在此空間液體幾乎是靜止狀態，所以，發酵液中的顆粒酵母因重力而自然沉降到下部筒體中，環隙中則形成澄清發酵液，將此清液排出反應器，顆粒酵母就被完全截留在反應器內，連續使用，並保持30～60kg(乾重)/m3的濃度。
在反應器下部安裝有糖液進口，可不斷輸入糖液進行發酵。發酵好的發酵液可連續排出，其酒精濃度可達9%～12%(v)，設備生產強度可達8～12kg酒精/m3·h，比一般間歇發酵提高8～10倍。從而實現了連續工業化生產。
發酵是放熱反應。為了保持發酵溫度，在下筒體外安裝有水冷卻夾套，通入冷卻水降溫。
反應器有如下一些特點1.在反應器內設置空氣進口管，空氣分布器和氣升管，以便能通入少量空氣，使反應器內發酵液產生緩慢環流運動，絮凝酵母始終懸浮在發酵液中進行酒精發酵。同時，在氣升管中酵母與空氣直接接觸，提高了酵母活力和酒精耐受性，並使酵母略有增值。
2.反應器上部擴大段直徑加大，使絮凝酵母在此減速緩行，加強發酵，使CO2氣泡便於上升逸出，上部空間可將氣泡破碎，防止發酵液溢出。
3.氣體分流器把空氣和CO2分開，各行其道，從而得到純CO2產品。
4.沉降導筒將絮凝酵母完全截留在反應器內，長期使用，完全不用再加酒母，也不需要生產酒母的設備、動力和原料，可降低成本10%左右。
5.反應器外設計有水冷卻夾套，可通入冷卻水，保證反應在最佳溫度條件下進行。
實施例有效容積為500立升的絮凝酵母懸浮床連續發酵反應器，其下筒體直徑400mm，長3200mm，氣升管內徑125mm，高3590mm，上部擴大段直徑為800mm，高950mm，沉降筒直徑700mm，高650mm，氣體分流器直徑為250mm，高700mm，冷卻夾套直徑為500mm，高2800mm。
將糖化好的濃度為18～22%的糖液注入反應器，按0.1kg(乾重)/m3糖液接入絮凝酵母顆粒，通氣進行培養。當絮凝酵母濃度達到30kg(幹)/m3時，進入發酵過程，通氣量為0.016m3(氣)/m3(液)·分，溫度控制在28～35℃，當發酵液中殘糖濃度降至3～4kg/m3時，開始不斷地加入糖液，並不斷地排出發酵液，進入連續操作過程。
連續操作穩定後，測得各項結果如下稀釋率 D＝0.05～0.2m3(糖液)/m3(發酵液)·h通氣比 V＝0.001～0.1m3(空氣)/m3(發酵液)·分糖化液總糖 C＝150～250kg/m3PH值 PH＝5.0～6.0發酵液中殘糖濃度 C＝3～10kg/m3總糖利用率 γ＝88.6～94.1%酒精濃度 C＝9%～12%(v)
PH值 PH＝3.0～5.0絮凝酵母濃度 C＝18.3～41.0kg(幹)m3設備生產強度 7.95～15.6kg(酒精)/m3·hCO2純度 99.7%由以上結果可以看出，本反應器連續發酵的結果優於間歇發酵，尤其是設備生產強度提高了8～10倍，也即設備容積和發酵時間都比間歇發酵縮小了8～10倍。
權利要求
1.一種圓柱形絮凝酵母懸浮床酒精連續發酵反應器，其外殼由底部錐形封頭、下筒體、上部擴大段和頂部橢圓封頭四部分組成，其特徵是底部錐形封頭裝有空氣分布器；下筒體內裝有氣升管，外有水冷卻夾套；上部擴大段裡有氣體分流器和沉降導筒，外殼與所有內件構成相互關聯的有機整體。
2.根據權利要求1所述的連續發酵反應器，其特徵在於底部錐形封頭中心焊接有空氣進口管和孔板空氣分布器，可將過濾滅菌後的空氣分散成小氣泡，並立即進入下筒體內裝有的兩端開口圓筒狀氣升管，其作用是形成氣升管內外密度差，推動發酵液作內循環運動，通風比為0.001～0.1m3(空氣)/m3(發酵液)·分，絮凝酵母顆粒即均勻懸浮在發酵液中，不致成堆結塊;酵母吸收空氣中少氧而提高活力和酒精耐受性，發酵溫度由外水冷卻夾套控制。
3.根據權利要求1～2所述的連續發酵反應器，其特徵在於上部擴大段，其為一圓筒，上與頂部橢圓形封頭法蘭相連，下與下筒體焊接，但其直徑大於下筒體，直徑比為1.5～3∶1，擴大段的作用是減緩發酵液流動速度，加快發酵過程，有利於CO2氣泡逸出，並有破碎氣泡、防止發酵液從上部排氣管隨氣泡溢出的作用。
4.根據權利要求1～3所述的連續發酵反應器，其特徵在於氣體分流器為上端焊接在橢圓形封頭，下端懸空於反應上部擴大段中心部位的圓柱筒，而且下口正對氣升管上口出口，其作用是使氣升管中排出的空氣泡經氣體分流器，從橢圓封頭中心管排出，避免與發酵生成的CO2混合，從而得到純CO2產品。
5.根據權利要求1～4所述的連續發酵反應器，其特徵在於反應器上部擴大段內還裝有一個上下開口、直徑比上部擴大段略小、呈圓筒狀的沉降導筒，固定在上部擴大段上，其作用是，在沉降導筒與上部擴大段之間形成一環隙，環隙中的發酵液基本處於靜止狀態，故使發酵液中絮凝顆粒酵母因重力而自然沉降到下部，環隙上部形成不含絮凝顆粒的澄清液，由側面排出管排出，這樣絮凝酵母就被截留在反應器中反覆利用，實現連續發酵。
全文摘要
本發明根據自行選育的粟酒絮凝酵母，並利用其生長、絮凝、發酵等生物特性，為實現酒精連續發酵而設計開發了絮凝酵母懸浮床連續發酵反應器。此反應器採用通入少量空氣的方法使絮凝酵母顆粒保持緩慢運動的懸浮狀態，既保持其顆粒形狀，又使酵母增加了活力，提高了發酵能力。在本反應器中設有氣體分流器，使產生的CO
文檔編號C12P7/06GK1086542SQ92112100
公開日1994年5月11日 申請日期1992年9月25日 優先權日1992年9月25日
發明者馮樸蓀, 白鳳武, 謝健 申請人:大連理工大學