封閉式固態發酵反應裝置的製作方法

2023-09-16 07:27:35 1

專利名稱：封閉式固態發酵反應裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種系統化固態發酵裝置，特別涉及一種封閉式固態發酵反應裝置。
背景技術：
近年來，由於固態發酵具有節水、節能、排放少的獨特優勢，屬於清潔生產技術、逐步得到世界各國的重視。但與液態發酵研究相比，固態發酵在傳質、傳熱等方面缺乏有效的研究，難以實現工業化大規模的生產。目前醬油制曲等仍主要採用竹匾方式，該方式機械化程度低，勞動強度大，而且不能達到無菌操作，特別是遇到黃梅天，很容易染菌。因此急需一種機械化強度高，密閉操作的設備。現在出現了一些釀造設備，但是這些設備造價昂貴，很難大規模推廣。在固態發酵中最主要的一個問題就是散熱問題，因為固態底物熱導性差，導致熱量對流和傳熱效率低，在產熱高峰，床層溫度急劇上升，出現溫度梯度，在發酵過程中必須儘量減少溫度梯度的出現。一般通過空氣對流，蒸發的方式控制溫度，但必須考慮空氣對流對水分蒸發的作用，防止水分過度損失。專利CN101496574公開了一種封閉式固態發酵反應裝置，包括進氣系統、封閉系統、控制系統。該罐通過進入氣體的溫度和流量控制發酵過程的溫度，具有攪拌裝置，可以在發酵過程中添加水分，能有效控制固態發酵參數，提高固態發酵的質量和產量。本專利在專利CN101496574的基礎上，進一步改進了翻料、傳熱方式，並添加了尾氣分析功能。

發明內容
本發明的目的在於在專利CN101496574的基礎上提供一種封閉式固態發酵反應裝置，更有效地解決固態物料的翻料、移熱、尾氣分析問題。本發明提供的封閉式固態發酵反應裝置，包括固態發酵罐、進氣系統、空氣增溼系統、控制系統等裝置。所述固態發酵罐為一封閉容器，中心設置一中心軸，其上端伸出到所述封閉容器外通過皮帶與電機連接，所述中心軸上設置攪拌槳，啟動電機帶動攪拌槳轉動對固態反應物料進行攪拌。所述攪拌槳為反向雙螺帶攪拌槳，所述反向雙螺帶攪拌槳由兩條螺旋方向相反直徑不同的螺帶構成，螺帶寬度為所述封閉容器的直徑的1/10-1/30，螺帶直徑為所述封閉容器的直徑的2/5-4/5。所述的固態發酵罐頂蓋上的發酵尾氣出口連接C02收集器，該收集器通過三通閥與罐尾氣出口以及排空管連接。所述C02收集器為一簡易的裝有氫氧化鈉溶液的容器，氫氧化鈉溶液濃度為0. 1-1M，乾燥後的發酵尾氣從底部通入，C02被吸收後的氣體由頂部排出。C02收集器可坐落在電子稱上(也可通過離線稱重)，通過重量變化描繪發酵過程中 C02的時間歷程曲線。所述的固態罐頂部安裝有溫度傳感器，檢測發酵床層出口氣象溫度，該溫度傳感器與控制器連接，通過控制器反饋控制夾套冷卻水電磁閥和增溼器旁路電磁閥。所述的封閉式固態發酵反應裝置的罐帶有夾套，夾套入口設有電磁閥，需降溫時，通過控制器反饋使電磁閥開啟，通入冷卻水。所述空氣增溼系統，設有旁路，旁路開啟由電磁閥控制，罐頂部溫度傳感器，檢測到溫度過高時，通過控制器反饋，使電磁閥切換，除菌後的冷空氣可直接進入發酵罐，協助散熱。所述固態發酵罐頂部裝有霧化水噴頭，與控制器連接，其開關與增溼系統旁路的電磁閥聯動，當冷空氣短路進入床層時噴頭啟動0-10次/小時，各次間隔0-1分鐘，每次 0. 5-5 秒。所述的封閉式固態發酵反應裝置還包括半自動控制系統，也可根據不同菌種預先設定發酵罐內的攪拌和噴水的時間和周期、以及調節增溼器內水溫。本發明在CN101496574A的基礎上公開了一種經濟型的半自動封閉式固態發酵反應裝置，採用反向雙螺帶攪拌槳，物料在反向雙螺帶作用下產生雙向運動，解決了翻動固態物料時的黏著問題，增強了混合的效果。固態發酵裝置頂端的尾氣出口分別連接排空和C02 收集器，通過重量法確定尾氣中C02含量，以C02含量的變化展示發酵的進程和發酵狀況。 固態發酵罐增設了夾套，增溼器增加了旁路，通過罐上部熱電偶反饋信息至控制系統，調節夾套冷卻水和增溼器氣體旁路的電磁閥，自動調節發酵床層溫度。增溼器的溫度以及攪拌和噴淋的周期與時間可以根據不同物料發酵的特徵預先設定，通過夾套冷卻水、通入冷空氣、噴淋霧化水、翻料等多種方式移出發酵熱，解決固態發酵中最難解決的發酵高峰期床層超溫問題。


圖1本發明的封閉式固態發酵反應裝置主體結構示意圖。圖2本發明的反向雙螺帶攪拌槳。圖3本發明的進氣系統示意圖。圖4用本發明收集器獲得的發酵過程C02呼吸強度隨進程的變化。
具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發明做進一步說明。應理解，以下實施例僅用於說明本發明而非用於限制本發明的範圍。本發明的固態發酵反應裝置包括固態發酵罐、進氣系統、增溼系統及尾氣分析系統。如圖1所示，所述固態發酵罐為一封閉容器，優選為一不鏽鋼柱形筒體。所述封閉容器中心設置一中心軸13，固定於罐頂蓋上，伸出於頂蓋的上端通過皮帶1與電機14連接， 下段與雙螺帶連接，形成攪拌槳6。如圖2所示，所述雙螺帶攪拌槳由兩條螺旋方向相反直徑不同的螺帶構成，螺帶寬度S為所述封閉容器的直徑的1/10-1/30，螺帶直徑D為所述封閉容器的直徑的2/5-4/5。電機帶動攪拌槳6轉動對固體反應物料進行攪拌，一條螺帶推動物料向上運動，另一條螺帶推動物料向下運動，使物料形成雙向運動，在軸向和徑向進行混合，避免物料附著在槳葉或罐上部。啟動電機14通過變速、電位器調節後，可以使攪拌轉速控制在0-15rpm，從而滿足絲狀菌體固態發酵低轉速的要求。所述封閉容器頂蓋上還設置有發酵尾氣出口 5、一用於向封閉容器內部噴灑水分的霧化噴頭12 (與控制器連接，可手動設置，也可通過預先設置與控制器路的電磁閥聯動)、一用於測量所述封閉容器頂部氣相溫度的溫度電極2 (與控制器連接)、一用於測量所述封閉容器頂部氣相溼度的溼度電極3以及一用於測量固態反應物料床層溫度的溫度電極4，在需要測量固態物料床層溫度時，將溫度電極4由頂蓋插入到反應物料內，攪拌時該溫度電極4需預先退出床層。所述頂蓋上的尾氣出口 5通過三通與排空管和C02收集器36連接，由閥門35控制。發酵常態下，排空常開，需分析時關閉排空閥門35，將氣體導入除溼器，然後進入內裝 NaOH溶液的C02收集器36，NaOH溶液濃度為0. 1-1M，通氣時間為2-20min。通過稱重獲得 C02增量變化，以了解發酵狀況。所述封閉容器內部在臨近底部處設置有一空氣分布板8，在所述封閉容器的下端分隔出一個氣室11，該氣室設有進氣口 10，所述進氣系統與所述進氣口 10相連，在發酵過程中向封閉容器內通入保溼氣體或冷空氣，氣體從底部進氣口 10進入氣室11，經過空氣分布板8後進入發酵床層，而後從封閉容器頂部的出氣口 5流出。該氣室11內部的氣體溫度採用一溫度計9測量。此外，所述封閉容器外壁還設有夾套32，通過控制冷卻水管路33、34的閉合，來調節罐體溫度。如圖3所示，本發明的封閉式固態發酵反應裝置的進氣系統包括空氣壓縮機15、 濾膜16、17、洩氣閥、氣體流量計18、氣動閥門20、19、儲水瓶22以及增溼器23。空氣壓縮機15連接氣體流量計18並通過氣動閥門20、19分別連接增溼器23、旁路37及儲水瓶22， 增溼器23與旁路37與所述封閉容器的氣室11相連，儲水瓶22與所述封閉容器的霧化噴頭12相連，且所述氣體流量計18兩側分別設有濾膜16、17，出於安全性考慮，在氣體流量計 18與濾膜16、17之間設有洩氣閥。在本發明的進氣系統中，氣體由空氣壓縮機15壓縮後，通過濾膜16過濾，空氣流量計18調節流速，再經過另一個濾膜17進一步過濾，然後分為兩路，由連接控制器的電磁閥控制，一路直接進入罐底部氣室11，另一路經過增溼器23加熱增溼後，進入密閉容器底部氣室11。當不需要添加水分時，增溼器一路的氣動閥門20處於常開階段。在整個發酵過程中，空壓機15 —直處於運作狀態下，當採樣時或者工藝上需要停止通氣時，這時需要打開洩氣閥門進行洩氣。所述增溼器23在進出口管路間設有旁路37，當床層超溫時，通過電磁閥控制氣路走向。增溼器23內的水由儲水瓶21通過液位高度差提供，從增溼器23進水口流進。水由加熱器加熱，增溼器中間的溫度電極用於測定水的溫度且水溫通過加熱冷卻雙向溫度控制儀穩定在設定值。當溫度超過設定值時，開啟旁路37電磁閥，氣體不通過增溼器23，而直接進入發酵罐。當發酵結束時，增溼器23內部水應及時由出水口排出。增溼器23有液位計可以觀察內部液位高度，防止水位過低，影響增溼效果。當系統超溫時，首先切換氣路，使冷空氣進入床層，此時需要向罐體適時添加水分，通向罐體的氣體閥門20短暫關閉，同時，開啟噴水裝置的氣動閥門19，氣體通向儲水瓶 22，將瓶內的無菌水壓向發酵罐，通過霧化噴頭12，噴灑水分(0-10次/小時，每次0. 5-5 秒)。與此同時開啟攪拌，使物料混合均勻。進一步的，本發明的固態發酵反應裝置還包括半自動控制系統，通過設置時間和周期控制發酵罐內的攪拌和噴水。控制通過時間繼電器實現，預先設置時間繼電器開啟的持續時間和間隔，控制電極的運轉，從而控制攪拌的開啟時間和間隔，攪拌轉速為I-IOr/ min，攪拌時間為Ι-lOmin。噴水時間和間隔也是如此。控制系統內還設置雙向控制溫控儀， 控制增溼器內水溫。使用本發明的封閉式固態發酵反應裝置時，先將固態發酵罐和物料滅菌進行滅菌，接種時借用液態發酵常用的火圈法，接入固體種子。對於增溼器和管路的滅菌採用增溼器溼熱蒸汽法滅菌。需要對物料添加水分時，採用經過濾膜過濾的無菌氣體將儲水瓶裡的無菌水壓入罐體，成霧化水噴灑在物料上，同時開啟攪拌，使水分混合均勻。實例在本發明的一優選實施中，首先將發酵固體物料置於罐內，將罐和無菌水儲水瓶置於滅菌鍋內並在121°C條件下滅菌30min。向增溼器添加無菌水至一定高度。開啟增溼器加熱開關，將無菌水加熱至沸騰並產生蒸汽，持續加熱15min，使增溼器和氣體管道達到滅菌效果。15min後，關閉加熱開關，設置增溼器溫度至發酵溫度，增溼器冷卻端與風扇連接， 增溼器冷卻開啟，同時開啟空氣壓縮機，使氣體通過增溼器，加速增溼器的冷卻。待增溼器溫度穩定在發酵溫度時，將增溼器出氣口與密閉容器進氣口連接，氣體進入固態發酵罐。打開接種口，在無菌操作條件下加入固體種子。開啟攪拌，使種子與固體物料混合均勻。15min 後，關閉攪拌，開始發酵。在微生物發酵階段，通過溫度和溼度電極顯示發酵情況。當溫度超過微生物發酵上限時，加大通氣流量，氣體短路進入床層，夾套冷卻水開啟，低速攪拌開啟，噴淋霧化水， 以降低溫度。當開啟噴水裝置時，階段性關閉通向罐的氣體氣動閥門，同時，開啟噴水裝置的氣動閥門，氣體通向儲水瓶將瓶內的無菌水壓向罐體噴頭，使水霧化後噴淋。噴淋結束， 重新開通進入罐的氣路，攪拌和噴水的時間和周期都可以通過時間繼電器手動或者自動控制。封閉容器頂部設置尾氣出口，通過三通與排空管和C02收集器連接，監測C02增量變化，了解發酵狀況，收集器獲得的發酵過程C02呼吸強度隨進程的變化如圖4所示，有效解決發酵過程中的C02分析問題。
權利要求
1.一種封閉式固態發酵反應裝置，包括固態發酵罐，其特徵在於，所述固態發酵罐為一封閉帶夾套的容器，所述容器帶霧化噴頭、空氣分布板、溫度電極、溼度電極、攪拌裝置以及 C02收集器，所述攪拌裝置為反向雙螺帶攪拌槳，所述反向雙螺帶攪拌槳由兩條螺旋方向相反、直徑不同的螺帶構成，螺帶寬度為所述封閉容器的直徑的1/10-1/30，螺帶直徑為所述封閉容器的直徑的2/5-4/5。
2.如權利要求1所述的固態發酵反應裝置，其特徵在於，所述固態發酵罐頂蓋上的發酵尾氣出口連接三通，與排空管和C02收集器連接，所述C02收集器為一簡易的裝有氫氧化鈉溶液的容器，乾燥後的發酵尾氣從底部通入，C02被吸收後的氣體由頂部排出，所述C02 收集器可坐落在電子稱上或通過離線稱重，通過C02收集器的增重描繪發酵過程中C02的時間歷程曲線。
3.如權利要求1所述的封閉式固態發酵反應裝置，其特徵在於，所述固態發酵罐外壁還設有夾套，夾套入口設有電磁閥，當發酵溫度過高時，電磁閥開啟通入冷卻水。
4.如權利要求1所述的封閉式固態發酵反應裝置，其特徵在於，所述空氣增溼系統，設有旁路，當發酵床層溫度過高時，通過電磁閥切換，除菌後的冷空氣可直接進入發酵罐。
5.如權利要求1所述的封閉式固態發酵反應裝置，其特徵在於，所述固態發酵罐的霧化噴頭與控制器連接，其開關與所述電磁閥聯動，當冷空氣短路進入床層時噴頭啟動。
6.如權利要求1所述的封閉式固態發酵反應裝置，其特徵在於，所述裝置還包括半自動控制系統，用於預先設定發酵罐內的攪拌和噴水的時間和周期、及調節增溼器內水溫。
全文摘要
本發明公開了一種封閉式固態發酵反應裝置，包括固態發酵罐、進氣系統、加溼系統和尾氣檢測收集系統。固態發酵罐為封閉容器，中心軸上裝有反向雙螺帶攪拌槳，物料在反向雙螺帶作用下產生雙向運動，解決翻動固態物料時的黏著問題，增強混合效果。頂端尾氣出口連接排空和CO2收集器，通過檢測CO2含量展示發酵進程及狀況。外部增設夾套，增溼器增加旁路，通過罐上部熱電偶反饋信息至控制系統，調節夾套冷卻水和增溼器旁路的電磁閥，自動調節發酵床層溫度。增溼器溫度以及攪拌和噴淋周期與時間可以根據物料發酵特徵預先設定，通過夾套冷卻水、通入冷空氣、噴淋霧化水、翻料等多種方式移出發酵熱，解決固態發酵中最難解決的發酵高峰期床層超溫問題。
文檔編號C12M1/02GK102199521SQ20111008698
公開日2011年9月28日 申請日期2011年4月7日 優先權日2011年4月7日
發明者餘東輝, 劉世娟, 夏月蘭, 許學書, 謝靜莉 申請人:華東理工大學