專(zhuān)利名稱(chēng)：一種以蠕動(dòng)為周期刺激動(dòng)力源的好氧固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物工程反應(yīng)器領(lǐng)域，特別涉及一種以蠕動(dòng)為周期剌激動(dòng)力源的好氧
固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
固態(tài)發(fā)酵(Solid-state fermentation, SSF)是指培養(yǎng)基呈固態(tài)，雖然含水豐富， 但在沒(méi)有或幾乎沒(méi)有自由流動(dòng)水的狀態(tài)下進(jìn)行的一種或多種微生物發(fā)酵過(guò)程。自上世紀(jì)40 年代以來(lái)，液體深層發(fā)酵一直是發(fā)酵行業(yè)的主角。但隨著時(shí)代的發(fā)展，液體深層發(fā)酵技術(shù)進(jìn) 一步發(fā)展遇到了障礙，高污染和高能耗就是其面臨的最大問(wèn)題，高濃度、高粘度發(fā)酵成為液 體深層發(fā)酵的重要發(fā)展方向，然而高濃度、高粘度發(fā)酵的極限狀態(tài)就是固態(tài)發(fā)酵。從生態(tài)學(xué) 和仿生學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，自然界中的微生物絕大多數(shù)生存于含水的固態(tài)基質(zhì)中，固態(tài)發(fā)酵法 因?yàn)槟M了微生物生存的自然環(huán)境，因而更適宜于微生物的生存、繁殖和代謝。
固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器有不同的分類(lèi)方法。從培養(yǎng)基的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)分，可以分為靜態(tài)式 固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器和動(dòng)態(tài)式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的固態(tài)發(fā) 酵反應(yīng)器，現(xiàn)在使用較多的是淺盤(pán)式和填充床式兩種。淺盤(pán)式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器在放大后就 會(huì)有操作上的困難，由于操作難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，因此屬"勞動(dòng)密集型"反應(yīng)器。由于發(fā)酵基質(zhì) 是靜態(tài)的，傳質(zhì)、傳熱困難，這就限制了在托盤(pán)上的基質(zhì)的厚度，往往只有幾厘米到十幾厘 米。導(dǎo)致這種反應(yīng)器在放大之后就需要很大的面積。填充床反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)是要求簡(jiǎn)單，可 進(jìn)行較好的工藝控制，尤其是溫度和濕度。因此，相對(duì)于托盤(pán)式反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，填充床反應(yīng)器 使用更加廣泛。填充床的缺點(diǎn)是出料較困難，微生物在反應(yīng)器中的生產(chǎn)不均勻，傳熱困難， 放大也存在問(wèn)題。 相對(duì)于靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵的"靜"而言，動(dòng)態(tài)密閉式固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)基處于連續(xù)或 間歇攪拌狀態(tài)。大多數(shù)的固態(tài)發(fā)酵大規(guī)模生產(chǎn)都是在有攪拌的系統(tǒng)中完成的。攪拌可以增 加代謝熱的散逸，同時(shí)也使發(fā)酵環(huán)境的一致性增加，為提高發(fā)酵效率提供了必要的條件。固 態(tài)發(fā)酵中，良好的攪拌肯定會(huì)提高過(guò)程控制的效果，但攪拌對(duì)生產(chǎn)效率的影響卻存在爭(zhēng)議。 一些文獻(xiàn)報(bào)道由攪拌導(dǎo)致的傳質(zhì)、傳熱性能的改善所帶來(lái)的效果要優(yōu)于攪拌所帶來(lái)的不 良影響；另有研究表明，攪拌會(huì)使生產(chǎn)效率降低，攪拌對(duì)固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)提出了額外的要求。 首先，固態(tài)基質(zhì)要能夠耐剪切，并且不能存在由于攪拌而結(jié)塊的傾向；第二，攪拌會(huì)損傷菌 絲，進(jìn)而可能影響其生長(zhǎng)代謝。 吉林大學(xué)曾有學(xué)者設(shè)計(jì)過(guò)模仿動(dòng)物胃腸蠕動(dòng)而設(shè)計(jì)的蠕動(dòng)反應(yīng)器 (ZL200610017078. X)。這種反應(yīng)器通過(guò)蠕動(dòng)對(duì)物料進(jìn)行擠壓研磨混合和輸送，較好的解決 了攪拌剪切對(duì)微生物的傷害作用，并使用膜技術(shù)進(jìn)行物料內(nèi)外的物質(zhì)交換。但是，這種反應(yīng) 器沒(méi)有解決熱量傳遞的問(wèn)題，因此放大是有困難的。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的固態(tài)發(fā)酵天然具有節(jié)水節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。在環(huán)境、資源和能源問(wèn)題日益受到重視的今天，大力發(fā)展固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)工藝是減少發(fā)酵行業(yè)對(duì)環(huán)境的污染，降低能源消耗 的重要途徑。但是現(xiàn)有的固態(tài)發(fā)酵工藝不論是靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器還是動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng) 器都很難滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。發(fā)酵工業(yè)急需開(kāi)發(fā)新的反應(yīng)器。本發(fā)明正是為了解決次問(wèn) 題而提出。本發(fā)明的構(gòu)思固態(tài)發(fā)酵和液體發(fā)酵有本質(zhì)的不同。由于固態(tài)發(fā)酵體現(xiàn)中的連續(xù) 相為氣相，同時(shí)固態(tài)基質(zhì)其導(dǎo)熱系數(shù)和熱容較低，這導(dǎo)致固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)中很容易建立溫度 梯度，造成系統(tǒng)中局部溫度偏高，發(fā)酵難以進(jìn)行甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的染菌現(xiàn)象。為了使發(fā)酵體系 較為均一，靜態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器如淺盤(pán)式其物料往往很薄，裝料系數(shù)偏低，動(dòng)態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器引入 的機(jī)械攪拌所產(chǎn)生的強(qiáng)烈剪切力導(dǎo)致菌絲體斷裂，降低發(fā)酵效率，甚至微生物停止生長(zhǎng)。上 述分析顯示，固態(tài)發(fā)酵必須有較強(qiáng)的外界作用力輸入以強(qiáng)化固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的傳熱傳質(zhì)，同 時(shí)這種作用力又不能是剪切力。和剪切力相對(duì)應(yīng)的是法向力，在固態(tài)發(fā)酵發(fā)酵反應(yīng)器中輸 入較為強(qiáng)烈的法向力作為外界周期剌激的動(dòng)力源應(yīng)該是最好的方法。借鑒動(dòng)物腸胃的作用 原理，本專(zhuān)利公開(kāi)了以脈動(dòng)帶為動(dòng)力輸入裝置，以脈動(dòng)帶的蠕動(dòng)為周期剌激動(dòng)力源的好氧 固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計(jì)。本發(fā)明技術(shù)方案本發(fā)明的基本構(gòu)造如附圖1 : 反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)為罐體1，反應(yīng)器中的培養(yǎng)基16從高壓旋轉(zhuǎn)閥2進(jìn)入反應(yīng)器中進(jìn) 行好氧發(fā)酵，發(fā)酵完成后從高壓旋轉(zhuǎn)閥3排出進(jìn)入提取車(chē)間，發(fā)酵過(guò)程中貫穿罐體1上下的 液壓脈動(dòng)帶4和氣壓脈動(dòng)帶5在蠕動(dòng)泵12和高壓空氣的帶動(dòng)下周期性的進(jìn)行膨脹和壓縮 性運(yùn)動(dòng)形成對(duì)物料的周期性法向力起到對(duì)發(fā)酵的強(qiáng)化作用，脈動(dòng)帶4和5在蠕動(dòng)泵不充液， 不通氣的時(shí)候被物料壓扁，當(dāng)蠕動(dòng)泵將液槽13中的液體打入到脈動(dòng)帶中時(shí)，脈動(dòng)帶膨脹， 帶動(dòng)物料16膨脹，脈動(dòng)帶中的液體根據(jù)發(fā)酵過(guò)程的需要可以是相對(duì)培養(yǎng)基溫度低，用于降 低培養(yǎng)基的溫度，也可以是相對(duì)于培養(yǎng)基有較高的溫度用于發(fā)酵初始階段的發(fā)酵快速啟 動(dòng)，發(fā)酵過(guò)程通過(guò)無(wú)菌空氣產(chǎn)生系統(tǒng)(空氣壓縮機(jī)ll，空氣過(guò)濾器14，空氣濕度調(diào)節(jié)器15， 空氣單向閥10)向培養(yǎng)基中供應(yīng)氧氣，發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的尾氣從尾氣過(guò)濾器7排出，控制液 體單向閥8和三通閥9可以使脈動(dòng)帶中的液體處于增壓過(guò)程和泄壓過(guò)程，形成脈動(dòng)帶的周 期沖壓泄壓。 本發(fā)明具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 1.反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)部不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，增加了反應(yīng)器的可靠性；
2.增加了強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱的功能，可以有效地縮短發(fā)酵時(shí)間，降低能耗，提高了生產(chǎn) 效率，反應(yīng)器中的收縮的喉箍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使反應(yīng)器中的物料運(yùn)行速度不同，進(jìn)一步增強(qiáng)了混 合和傳質(zhì)過(guò)程； 3.用法相作用力替代了傳統(tǒng)的剪切力強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)部的傳質(zhì)過(guò)程，更有利于微生 物的生長(zhǎng)。


圖1以蠕動(dòng)為周期剌激動(dòng)力源的好氧固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖，1，罐體；2，3， 高壓旋轉(zhuǎn)閥；4，液壓脈動(dòng)帶；5，氣壓脈動(dòng)帶；6，弧形突起；7，尾氣過(guò)濾器；8，液體單向閥； 9，三通閥；10，空氣單向閥；ll，空氣壓縮機(jī)；12，蠕動(dòng)泵；13，液槽；14，空氣過(guò)濾器；15，空
氣濕度調(diào)節(jié)器；16，培養(yǎng)基。
圖2脈動(dòng)帶示意圖，1，脈動(dòng)帶上的金屬箍；2，脈動(dòng)帶中可膨脹部分；3，脈動(dòng)帶可膨 脹部分膨脹后的狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例l 用本反應(yīng)器進(jìn)行了纖維素酶的固態(tài)發(fā)酵，實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)器體積為5m3，以綠色木霉為 發(fā)酵菌種，汽爆玉米秸稈和麥麩以質(zhì)量比4 : l混合，用2.5倍質(zhì)量的無(wú)機(jī)鹽溶液(每升自 來(lái)水含有15g(NH4)2S04，6g MgS04，3g KH2P04)調(diào)節(jié)含水量后滅菌，接種綠色木霉種子液后通 過(guò)高壓旋轉(zhuǎn)閥2進(jìn)料。裝料完畢后開(kāi)始調(diào)節(jié)液槽13中的水溫(本實(shí)施例中用水作為液壓 脈動(dòng)帶中的工作介質(zhì))為3(TC，使發(fā)酵快速啟動(dòng)。發(fā)酵啟動(dòng)后在液壓脈動(dòng)帶中通入溫度為 20°C的水，控制反應(yīng)溫和進(jìn)行，反應(yīng)進(jìn)程的1-2天，調(diào)節(jié)液壓脈動(dòng)帶的脈動(dòng)周期為180min — 次，3-5天，脈動(dòng)周期為60min—次。脈動(dòng)帶的最大沖水體積為lm3。氣壓脈動(dòng)帶中無(wú)菌空 氣的通入量為lmVmin。第5天發(fā)酵結(jié)束，相對(duì)于傳統(tǒng)靜態(tài)發(fā)酵方法，時(shí)間縮短了 2_3天，濾 紙酶活提高了 20%。
實(shí)施例2 用本反應(yīng)器進(jìn)行了白僵菌的固態(tài)發(fā)酵，用于高活力白僵菌孢子粉的生產(chǎn)，所用的 的反應(yīng)器體積為10m3，安裝4條脈動(dòng)帶，氣壓脈動(dòng)帶和液壓脈動(dòng)帶各兩條。以球孢白僵菌為 發(fā)酵菌種，稻殼和麥麩以質(zhì)量比2 : l混合，用2.5倍質(zhì)量的無(wú)機(jī)鹽溶液(每升自來(lái)水含有 15g(NH4)2S04，6g MgS04，3g KH2P04)調(diào)節(jié)含水量后滅菌，接種綠色木霉種子液后通過(guò)高壓旋 轉(zhuǎn)閥2進(jìn)料。裝料完畢后開(kāi)始調(diào)節(jié)液槽13中的水溫(本實(shí)施例中用水作為液壓脈動(dòng)帶中的 工作介質(zhì))為3(TC，使發(fā)酵快速啟動(dòng)。發(fā)酵啟動(dòng)后在液壓脈動(dòng)帶中通入溫度為2(TC的水， 控制反應(yīng)溫和進(jìn)行，反應(yīng)進(jìn)程的1天，調(diào)節(jié)液壓脈動(dòng)帶的脈動(dòng)周期為100min —次，2-4天，脈 動(dòng)周期為45min—次。脈動(dòng)帶的最大沖水體積為lm3。氣壓脈動(dòng)帶中無(wú)菌空氣的通入量為 5mVmin。第4天發(fā)酵結(jié)束，相對(duì)于傳統(tǒng)靜態(tài)發(fā)酵方法，時(shí)間縮短了 2-3天，活孢子數(shù)量提高 了 25%。
權(quán)利要求
一種以蠕動(dòng)為周期刺激動(dòng)力源的好氧固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)為外形為圓柱狀，中間為一收縮的喉箍結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有兩條或多條精密鑄造硅橡膠脈動(dòng)帶，通過(guò)其周期蠕動(dòng)來(lái)強(qiáng)化發(fā)酵過(guò)程的傳熱傳質(zhì)，其中液壓脈動(dòng)帶內(nèi)部通液體，根據(jù)發(fā)酵的不同階段可以通入溫度不同的液體，附帶起到強(qiáng)化熱量傳遞作用；氣壓脈動(dòng)帶通無(wú)菌空氣，當(dāng)壓力增大時(shí)空氣可以從脈動(dòng)帶上特制的小孔噴出用于發(fā)酵過(guò)程氧氣供應(yīng)。
2. 如權(quán)利要求1所述固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于，所述的反應(yīng)器用不銹鋼或碳鋼制造，反應(yīng)器的體積和脈動(dòng)帶的最大膨脹體積之比為io : i-ioo : i。
3. 如權(quán)利要求1所述的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于，所述的液壓脈動(dòng)和氣壓脈動(dòng)帶為非均勻結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可以用蠕動(dòng)泵充液體或空氣，在充入液體時(shí)脈動(dòng)帶會(huì)發(fā)生膨脹，體積膨脹倍數(shù)為1. 5-15倍，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部的物料形成周期剌激。
4. 如權(quán)利要求1所述的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于，所述的液壓脈動(dòng)帶中的液體溫 度為4-6(TC，沖壓和泄壓的周期為10-180分鐘。
5. 如權(quán)利要求1所述的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于，所述的氣壓脈動(dòng)帶平均每分鐘 通氣量為培養(yǎng)基體積的0. 2-20倍。
6. 如權(quán)利要求1所述的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于，所述的氣壓脈動(dòng)帶通入的空氣 的相對(duì)濕度為50-100%，溫度為15-35°C。
7. 如權(quán)利要求1所述的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于，本反應(yīng)器可以用于分批發(fā)酵和 連續(xù)發(fā)酵。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種以蠕動(dòng)為周期刺激動(dòng)力源的好氧固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)為外形為圓柱狀，中間為一收縮的喉箍結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有兩條或多條精密鑄造硅橡膠脈動(dòng)帶，通過(guò)其周期蠕動(dòng)來(lái)強(qiáng)化發(fā)酵過(guò)程的傳熱傳質(zhì)，其中一類(lèi)內(nèi)部通液體，根據(jù)發(fā)酵的不同階段可以通入溫度不同的液體，附帶起到強(qiáng)化熱量傳遞作用，一類(lèi)通無(wú)菌空氣，當(dāng)壓力增大時(shí)空氣可以從脈動(dòng)帶上特制的小孔噴出用于發(fā)酵過(guò)程氧氣供應(yīng)。本發(fā)明用蠕動(dòng)為周期刺激動(dòng)力源，既可強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)部的熱量和質(zhì)量傳遞，又避免了對(duì)絲狀真菌的剪切力損傷。微生物在此作用力下適應(yīng)性更強(qiáng)，代謝速度快，產(chǎn)物比例大。本發(fā)明在傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器之外又提供了一種新的動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。
文檔編號(hào)C12M1/02GK101768544SQ20101011368
公開(kāi)日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月24日
發(fā)明者李宏強(qiáng), 陳洪章 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所