CN102234205B - 一种多功能固态发酵反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能固态发酵反应器，包括主罐、辅助***和控制中心；主罐上端口通过法兰将罐盖固定，罐盖的顶部固定圆筒接口；该圆筒接口上端面分别有4个接口，4个接口连接的管路分别通过阀门与气体净化模块、压力计、气体分析模块相连，第一接口的管路末端连接一四通，四通的一接口通过气体管道进入主罐，形成气体从第四接口到第五接口构成一个回路；辅助***由无菌接种、循环气体、外源气体三个部分组成。在本发明的反应器内可以实现密闭、无杂菌污染和压力脉动的固态发酵过程，同时又可应用于固态有机物的快速腐熟过程，在发酵过程中可监测到各种参数，并提供了一种反应器内原位提取所需发酵产物的方法。

Description

一种多功能固态发酵反应器

技术领域

本发明涉及一种固态发酵装置，特别涉及一种具有多功能的固态发酵反应器。

背景技术

与固态发酵相比，液体发酵在物料输送、发酵条件的控制方面具有一定的优势，青霉素成功的工业化生产几乎使得液体深层发酵技术代表了整个发酵工业。然而，20世纪90年代开始，资源能源危机与环境问题的突出，固态发酵技术以其特有的优点，又引起了人们极大的兴趣。固态发酵的优点主要有：①培养基简单且来源广泛，多为便宜的天然基质或者工农业生产的废弃物；②投资少，能耗低；③产率高，提取工艺简单；④无“三废”的排放等。

固态发酵指微生物在没有或者几乎没有游离水的固体培养基上生长、繁殖以及代谢的过程。微生物生长和代谢所需的氧大部分来自气相，也有一部分存在于与固体基质混合在一起的水中。所以固态发酵涉及气、液、固三相，其传质传热状况比在液体深层发酵中变得复杂。在固态发酵中，对于微生物反应器的设计除了氧的传递需要考虑外，还需要考虑如何控制培养基的温度和固态培养基的含水量，另外还需要考虑两个方面：菌体的形态以及剪切力对菌体的影响；如何实现固态发酵的无菌培养过程。对固态发酵反应器的设计出现过如下几种类型：填充床反应器、流化床反应器、转鼓反应器、浅盘式反应器、搅拌反应器。人们一直对这些固态发酵反应器进行研究和改进，但是这些反应器都没有从根本上同时解决氧传递、热传递和水分传递以及提供接近自然条件下菌体的生长环境，同时这些固态发酵反应器在实现无菌培养以及工业化放大的时候都遇到了困难。

理想的固态发酵反应器应该具有以下特征：(1)用于建造的材料必须坚固、耐腐蚀同时对发酵中的微生物没有负面作用；(2)能够阻止发酵过程中的污染物进入环境；(3)能够有效的调节温度、湿度、气体中氧气的浓度等参数；(4)给微生物生长提供接近自然的环境；(5)维持发酵反应器中基质床层性质的均一性；(6)产物容易收集，发酵罐容易清洗；(7)容易实现机械化操作；(8)操作中废弃物排放尽可能少，能耗尽可能低。

本研究所研究员李佐虎先生提出的压力脉动的方法为固态发酵反应器的设计提供了一种全新的思路。其原理主要是以流体静力学理论为基础，以法向作用力为动力源，强调生物反应器是一个非线性活细胞代谢与周围环境进行质量、热量、能量、信息交换的生态***。其固态发酵反应器为卧式[专利公开号：CN 1219871C]，内部结构较为复杂，接种操作需要在反应器外进行，对于纯种培养还需要一个超净工作空间，限制了其使用范围。

随着农业和畜牧业的发展，产生了大量有机废弃物如秸秆和畜禽粪便，如果不加以利用，将会造成了资源的严重浪费和环境的污染。作物秸秆和畜禽粪便以及其他固态废弃物中含有大量有机质和养分，据估算可以提供氮素470-550万吨，磷素280-310万吨，钾素560-590万吨，有机质约6亿吨，同时还包括大量的微量元素。将这些有机物料进行有效的腐熟处理，不仅可以解决环境问题，还可以为农业的发展提供充足的有机肥源。将固态有机废弃物腐熟作为有机废弃物资源化的一个重要手段，已经得到世界各国的重视，固态有机废弃物堆肥化的比率正逐年上升。然而常规的堆肥工艺通常包括高温发酵阶段(14天)，后熟化阶段(21天)，最终熟化阶段(21天)，耗时约8周。周期过长限制了固态有机废弃物的资源化利用，而采用本发明的固态发酵反应器进行腐熟，可以显著的缩短高温发酵阶段，整个腐熟周期可以缩短为2周，本发明的固态发酵反应器还可以用于食品和医药等领域，显著提高发酵效率。

发明内容

本发明的目的是为了彻底解决现有固态发酵反应器在固态发酵过程中容易染菌，传热和供氧效率低下，水分散失严重，微生物生长不均匀，产物提取复杂，难于工业放大等工程问题；从而提供一种将微生物固态发酵的操作，将培养基质灭菌、接种、培养、产物分离等功能，均能在一个固态发酵反应器中实现的多功能固态发酵反应器。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的多功能固态发酵反应器的结构，包括主罐1、辅助***和控制中心CC三个部分。

所述的主罐1为一圆筒状，所述的罐盖8固定在主罐1的上口，所述的圆筒接口10-1上有一个接口法兰7-2，通过所述的接口法兰7-2将该圆筒接口10-1固定在该罐盖8的顶口；在圆筒接口10-1的上端面分别开有第一接口、第二接口、第三接口和第四接口；所述的第一接口9-1通过管路与第一电磁阀13-1相连，第一电磁阀13-1通过管路与气体净化模块14相连，所述的第一电磁阀13-1和控压模块15电连接；所述的第二接口9-2上安装压力计12-1，所述的压力计12-1与控压模块15电连接，所述的控压模块15与第一电磁阀13-1电连接；所述的第三接口9-3通过管路与第一阀门11-1相连，第一阀门11-1后的管路与环境相通；所述第四接口9-4通过管路与第二气体分析模块21-2相连，第二气体分析模块21-2后的管路与调速气泵22相连，调速气泵22后的管路与第一换热模块25-1相连，从第一换热模块25-1出来的管路与四通17相连，四通17上面的管路连接第五接口9-5后进入主罐1，至此，气体从第四接口9-4到第五接口9-5构成一个回路；通过第三接口9-3可以进行发酵产物提取液的注入；所述的主罐1的内部设置N层在同一平面上的活动支架2，N为正整数；在每一层活动支架2上可安装一个托盘3；所述的主罐1的外壁由保温层4包裹，保温层4的外部有罐架5，罐架5支撑主罐1；所述的主罐1的下口密封固定一罐底6，一接口圆筒10-2连接接口法兰7-3，通过所述接口法兰7-3将接口圆筒10-2密封固定在所述的罐底6的下口上，接口圆筒10-2底面上分别开有第五接口9-5和第六接口9-6，第六接口9-6通过管路与疏水阀16相连，疏水阀16可以排出主罐1内的液体；

所述的辅助***由无菌接种部分、气体循环部分和外源气体部分组成；

所述的无菌接种部分主要包括种子罐18，种子罐18上口接有一个双排管19，其中一支管子比另一支管子长，双排管19接入种子罐18中；

所述的气体循环部分由第四接口9-4、气体分析模块21-2、调速气泵22、换热模块25-1、四通17、第五接口9-5经过管路连接组成，至此，气体从第四接口9-4到第五接口9-5构成一个回路；

所述的外源气体由气源和气体控制组成，其中气源的空气经由管路通过空气净化模块23到达第二三通20-2，氧气经由管路通过电磁阀13-3到达第二三通20-2，第二三通20-2连接储气罐26，储气罐26上部有第七接口9-7和第八接口9-8两个接口，第七接口9-7通过管路与气压计12-2相连，第八接口9-8通过管路与第三三通20-3相接，第三三通20-3剩下的两个接口分别与增湿模块24和电磁阀13-4通过管路相连，第四电磁阀13-4通过管路与第四三通20-4相连，增湿模块24与第六阀门11-6通过管路连接，第六阀门11-6通过管路与第四三通20-4连接，第四三通20-4后的管路通过第二换热器25-2，进入第一气体分析模块21-1，管路通过第一气体分析模块21-1后与第五阀门11-5相连，第五阀门11-5后的管路连接第一三通20-1，第一三通20-1后面的两路管路分别与第四阀门11-4和第二电磁阀13-2相连，第四阀门11-4后的管路与环境相通，第二电磁阀13-2后的管路连接四通17，经过四通17后的一支管路进入主罐1，至此，外界气源进入主罐1；

控制中心CC的运算工作由个人计算机或者工控机完成，控制中心电连控压模块15、第一气体分析模块21-1和第二气体分析模块21-2、调速气泵22、第一换热器25-1和第二换热器25-2、第三电磁阀13-3；控压模块15电连压力计12-1、第一电磁阀13-1和第二电磁阀13-2，按照控制中心CC的运算决定电磁阀的开还是关；第一气体分析模块21-1测定气体的相关参数，给控制中心CC电信号，控制中心CC决定第四电磁阀13-4开还是关。

在上述的技术方案中，所述的罐盖8和罐底6为一中间开孔的圆锥体或球冠。

在上述的技术方案中，所述的托盘为一带有砌墙的圆盘，所述圆盘砌墙的高度为10-20cm，圆盘的底部开孔，所述开孔的直径为0.2-3mm，开孔率为0.1-0.5。

在上述的技术方案中，所述的控压模块为一具有控制压力和控制时间的压力液位变送器。

在上述的技术方案中，所述的第一气体分析模块和第二气体分析模块由具有至少能够测量温度、湿度、氧气和二氧化碳中的一种，或者同时测量多种参数多种，并能够将其测定的各种气体参数传送到控制中心的探头及变送器组成。

在上述的技术方案中，所述的调速气泵为具有可以调节气体流量功能的气泵。

在上述的技术方案中，所述的第一换热器和第二换热器具有加热或者冷却功能，根据控制中心的要求在加热或者冷却的状态下工作的带有蛇管的不锈钢制气体缓冲罐。

本发明的多功能固态发酵反应器在无菌发酵过程中的应用，关闭疏水阀16和第二阀门11-2，将待发酵的固态物料置入主罐1的托盘3中，关闭罐盖8，打开第四阀门11-4、第二阀门11-2、第三阀门11-3，打开第二电磁阀13-2，关闭疏水阀16和第五阀门11-5、第一阀门11-1，关闭第一电磁阀13-1，通过第三阀门11-3向主罐1通入高压蒸汽，进行灭菌，灭菌完毕，将第四阀门11-4关闭，将第二电磁阀13-2关闭。在无菌操作的情况下(可以用火的环境来实现)，向种子罐18中注入菌悬液，然后通过第三阀门11-3向种子罐18中吹入无菌空气将菌悬液压入主罐1的底部，此时关闭第二阀门11-2，开动调速气泵22，同时启动控压模块15实现压力脉动的操作，将菌种接种到发酵罐内气体能够到达的地方。在发酵初期可以采用常规的强制通风模式进行发酵，偶尔向主罐1内补充一下新鲜空气，排出一些发酵气体，强制通风通过启动调速气泵22实现，将发酵物中的热量、水蒸气和一些挥发性的代谢产物及其代谢产物的中间体通过第二气体分析模块21-2分析，如果气体温度需要调整，将启动第一换热器25-1的加热或者冷却功能，根据气体成分，判断发酵进行的阶段，启动设定的压力脉动。

所述的压力脉动是这样实现的：启动设定好的控压模块15(预先设定控压模块15的参数：高压αMPa，高压时间T，低压βMPa，低压时间t，脉动总时间TT)，进行加压，第一电磁阀13-1闭，第二电磁阀13-2开，第五阀门11-5开，高压空气经过第五阀门11-5进入主罐1内，压力到达设定高压值αMPa，电磁阀13-2闭，维持高压，到达设定的高压维持时间T，第一电磁阀13-1开，开始泄压过程，降低到设定的低压值βMPa，维持低压，到达设定的低压维持时间t，重复加压、高压维持、泄压、低压维持四个步骤，实现压力脉动，直到经历了时间TT。

在压力脉动过程中，可以通过增湿模块24、第一气体分析模块21-1，第二换热器25-2、第三电磁阀13-3对气体的温度、湿度、含氧量进行调节。完成设定的压力脉动时间后可以通过第二气体分析模块21-2判断发酵进行的程度，选择开罐或者继续进行强制通风模式或继续进行脉动发酵，直到发酵完成。

本发明的固态发酵反应器在非无菌发酵过程中的应用：关闭疏水阀16和第二阀门11-2，将待发酵的固体物料置入主罐1的托盘3中，关闭圆锥体罐盖8，打开调速气泵22，进行常规强制通风发酵，强制通风通过启动调速气泵22实现，将发酵物中的热量、水蒸气和一些挥发性的代谢产物及其代谢产物的中间体通过第二气体分析模块21-2分析，判断发酵进行的阶段，当发酵进行到一定的阶段启动设定的压力脉动，同上述的压力脉动，完成设定的压力脉动时间后可以通过第二气体分析模块21-2判断发酵进行的程度，选择开罐或者是继续进行强制通风发酵或者脉动发酵，直到发酵完成。

本发明通过气体分析模块21-1和控制中心CC控制电磁阀13-3调节进入发酵***中氧气的浓度，确保微生物在最适生长或代谢的氧气分压下进行发酵。

本发明的多功能固态发酵反应器还提供了一种从发酵后的基质中提取发酵物质的方法。打开阀门11-1，从主罐1上的第三接口9-3向主罐1中注入提取液，经过一定的时间后，通过阀门疏水阀16将液体放出，如此经过一次或者多次提取，可以在反应器内实现对发酵产物的提取。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、微生物发酵的所有操作，包括①调配培养基；②培养设备和培养基的灭菌；③接种微生物；④固态培养；⑤产品提取和收集；⑥发酵后处理等步骤都可以在本发明的多功能固态发酵反应器中实现。还可以实现在过程中重要参数如温度、湿度、通气率的精确测控，同时还可以实现从种子罐向主罐中添加适当的化学物质和营养成分。

2.本发明的多功能固态发酵反应器可以实现严格意义上的无菌操作，为了保证无菌发酵过程的进行，本发明改变了以往直接向发酵基质加入菌种的操作方式，主罐与种子罐通过管路相连，向种子罐加入液体菌种，然后采用具有一定压力的无菌空气通过第三阀门打开将菌悬液压入到主罐当中，同时开动调速气泵和控压模块，经过一定时间后，菌悬液被分散到培养基质表面和内部，实现无菌接种。

3、该多功能固态发酵反应器旁路上配有调速气泵和控压模块，调速气泵的功率可以调节，通过气体分析模块测定的值，给控制中心CC的电讯号，控制中心经过运算后，决定调速气泵的功率，可以实现非常充分的通风和供氧，同时通过快速的压力变动，有利于基质内传质、传热，同时可以防止发酵基质的板结，有利于微生物向基质内部生长；确保在固态发酵过程中保持良好的传热和传质。

4、利用的本发明的气体分析模块、增湿模块和换热器，可以调节在固态发酵中的水活度和温度，可以在本发明提供的反应器内实现对温度、湿度、压力、氧气浓度等操作参数的测控，增加实验的可重复性，提高固态发酵的产量和质量；确保微生物在最合适的自然条件下繁殖和代谢，例如在这种发酵罐内，产品是微生物菌体的，微生物的繁殖可以在最佳的条件下，达到最大的生产率；产品是二次代谢产物的，比如说青霉素等的发酵，生长和产生产品的代谢的条件并不一定一致，那么在本发明的多功能固态发酵反应器内，就可以调整环境参数使得微生物的次级代谢在最佳状态。

5、由于采用了浅筒状的托盘，在不引起基质压实的条件下增加了每层的装料量，因此，本发明提供的固态发酵反应器的装料系数较高；

6、多种微生物固态发酵过程可以在本发明的多功能固体反应器内实现；

7、可以实现反应产物的原位提取，显著减少反应产物的提取步骤；

7、本发明的罐体结构简单，容易灭菌，有利于实现机械化操作，节约成本。

本发明提供的多功能固态发酵反应器还可以应用于固态有机废弃物的腐熟，能够显著加快腐熟进程。

附图说明

图1本发明所提供的多功能固态发酵反应器

附图标记

1主罐           2活动支架       3托盘           4保温层

5罐架           6罐底           7-1法兰         8罐盖

9接口           10-1圆筒接口    10-2接口圆筒    11-1第一阀门

11-2第二阀门    11-3第三阀门    11-4第四阀门    11-5第五阀门

11-6第六阀门    12压力计          13-1第一电磁阀  13-2第二电磁阀

13-3第三电磁阀  13-4第四电磁阀    14气体净化      15控压模块

16疏水阀        17四通            18种子罐        19双排管

20三通          21-1气体分析模块  21-2第二气体分析模块

22调速气泵      23空气净化模块    24增湿模块      25-1第一换热器

25-2第二换热器  26储气罐

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做详细地说明

实施例1：

参照图1，制作一本发明的多功能固态发酵反应器。本实施例中使用的控压模块15是市场上购买的压力液位变送器(昆仑海岸传感技术中心，输出4-20mA标准信号)，数据输送到控制中心。第一气体分析模块21-1和第二气体分析模块21-2均由智能氧气探头及气体变送器(上海盛泰克仪表有限公司)、普通温湿度探头及变送器、eSENSE-K型CO2探头及变送器组成，这是本专业技术人员可以实现的，所采集到的数据送入控制中心。调速气泵22为XGB18-130B型气泵。第一换热器25-1和第二换热器25-2均为一带有蛇管的不锈钢制气体缓冲罐，气体走蛇管外，热载体走蛇管内。增湿模块24为不锈钢储水罐，气体在液体底部分散，从上部冒出。

本实施例的主罐1为一圆筒状(φ900×高500)，其主罐1的上端口通过法兰7-1将一罐盖8(φ500×高120)固定在其上。罐盖8和罐底6大小形状一样，它们可以是圆锥体形的或是一球冠；罐盖8的锥顶设有一圆筒接口10-1，圆筒接口10-1上有一个接口法兰7-2，通过接口法兰7-2将圆筒接口10-1安装在罐盖8的锥顶上。在圆筒接口10-1的上端面分别开有第一接口9-1、第二接口9-2、第三接口9-3、第四接口9-4。第一接口9-1通过管路与第一电磁阀13-1相连，第一电磁阀13-1通过管路与气体净化模块14相连；第二接口9-2上安装压力计12-1，该压力计12-1与控压模块15与电连接，该控压模块15与第一电磁阀13-1电连接，此处压力计的信号是给控压模块15的，控压模块15参考人为设定值，决定电磁阀13-1和13-2的工作状态，是实现压力自动控制的；控压模块15具有可以设定最高压力、最高压力时间、最低压力、最低压力时间的功能。本实施例的压力的测量用的是压力液位变送器，测量的结果直接显示在工控机上，具体的工作过程是：在工控机上，跟电脑的视窗操作液面类似，就是有那么两栏，一栏填高压参数-压力和时间；一栏填低压参数-压力和时间，设定高压αMPa，高压时间T，低压βMPa，低压时间t，这个压力液位变送器的功能只是测量，进气打开第二电磁阀13-2到达了设定的高压αMPa时，关闭第二电磁阀13-2，维持时间T，然后打开电磁阀第一电磁阀13-1，放气，到达低压βMPa，关闭第一电磁阀13-1，维持时间t，打开第二电磁阀13-2进气，达到设定高压……循环下去。

第三接口9-3通过管路与第一阀门11-1相连，第一阀门11-1后的管路与环境相通；第四接口9-4通过管路顺序与第二气体分析模块21-2、调速气泵22和第一换热器25-1相连，从第一换热器25-1出来的管路与四通17相连，四通17上面的管路连接第五接口9-5后进入主罐1。主罐1的内腔设置了N组活动支架2，N为正整数，可以根据主罐的内腔大小决定，例如2、3、4组均可以，主罐1内腔设置的四组活动支架2处在同一平面上。在每一组活动支架2上安装一个托盘3，托盘为一浅筒(类似培养皿)，即为一带有砌墙的圆盘，所述圆盘砌墙的高度为20cm×直径80cm，底部开孔，其孔的直径可以为0.2-3mm，开孔率为0.1-0.5，可以根据反应器处理固体原料的要求来决定；本实施例孔的直径为3mm，开孔率为0.5。主罐1的外壁由保温层4(可以加热的水浴)包裹，保温层4的外部安装有罐架5，罐架5支撑主罐1。主罐1的底为罐底6，该圆锥底6通过第三法兰7-3与主罐1连接；圆锥底6下口安装接口圆筒10-2，接口圆筒10-2连接接口法兰7-3，接口圆筒10-2下部分别设有第五接口9-5、第六接口9-6两个接口，第六接口9-6通过管路与疏水阀16相连，疏水阀16用于排出主罐1内的液体。

主罐1与罐底6的连接方式有两种，一种主罐1底口通过法兰7-4与罐底6连接固定成一体；另一种方式：由于罐底在安装好了，就不用再打开，因次可以用焊接的方法固定在主罐1底口上，也不影响其功能。

辅助***由无菌接种部分、气体循环部分和外源气体部分三部分组成。其中，无菌接种部分主要由一个不锈钢制种子罐18，种子罐18接有一个不锈钢的双排管19，其中一支管子12cm，另一支管子长29cm，长的管子上连通一根安装有第三阀门11-3的管，排管19的两支管子都接入到种子罐18中组成。其中，双排管19中长的一支靠近种子罐的底部，短的一支刚进入种子罐中，这样在灭菌的时候，通过短的一支喷入蒸汽；在接种的时候，通过短的一支，吹入无菌空气，由于种子罐里面有液体，在液面上施加一个压力将菌液压出来到达发酵罐。四通17的第二接口通过带有第二阀门11-2的管路与管连接。

气体循环由第四接口9-4、第二气体分析模块21-2、调速气泵22、第一换热器25-1以及四通17通过管路构成一个回路。外源气体由气源和气体控制两部分组成，其中气源的空气经由管路通过空气净化模块23到达第二三通20-2，氧气经由管路通过第三电磁阀13-3到达第二三通20-2，第二三通20-2连接储气罐26，储气罐26上部有第七接口9-7、第八接口9-8两个接口，第七接口9-7连接第二气压计12-2，第八接口9-8通过管路与第三三通20-3相接，第三三通20-3的另外两个接口分别与增湿模块24和第四电磁阀13-4通过管路相连，第四电磁阀13-4通过管路与第四三通20-4相连，增湿模块24与第六阀门11-6通过管路连接，第六阀门11-6通过管路与第四三通20-4连接，第四三通20-4上的管路通过第二换热器25-2，从第二换热器出来的管路再进入第一气体分析模块21-1，管路通过第一气体分析模块21-1后与第五阀门11-5相连，第五阀门11-5上的管路连接第一三通20-1，第一三通20-1上的另外两路管路分别与第四阀门11-4和第二电磁阀13-2相连，第四阀门11-4上的管路与环境相通，第二电磁阀13-2上的管路连接四通17，经过四通17后的一支管路进入主罐1，至此，外界气源进入主罐1。

控制中心CC的运算工作由工控机完成，控制中心电连控压模块15、第一气体分析模块21-1、第二气体分析模块21-2、调速气泵22、第一换热器25-1、第二换热器25-2和第三电磁阀13-3。控压模块15电连压力计12-1、第一电磁阀13-1和第二电磁阀13-2，按照控制中心CC的运算决定电磁阀的开还是关；第一气体分析模块21-1测定气体参数，给控制中心CC电信号，控制中心CC调节调速气泵22、第一换热器25-1、第一换热器25-2、第三电磁阀13-3和第四电磁阀13-4，，这是本专业技术人员可以实施的。

所述的压力脉动是这样实现的：启动设定好的控压模块15(预先设定控压模块15的参数：高压αMPa，高压时间T，低压βMPa，低压时间t，脉动总时间TT)，进行加压，第一电磁阀13-1闭，第二电磁阀13-2开，第五阀门11-5开，高压空气经过第五阀门11-5进入主罐1内，压力到达设定高压值αMPa，电磁阀13-2闭，维持高压，到达设定的高压维持时间T，第一电磁阀13-1开，开始泄压过程，降低到设定的低压值βMPa，维持低压，到达设定的低压维持时间t，重复加压、高压维持、泄压、低压维持四个步骤，实现压力脉动，直到经历了时间TT。

在压力脉动过程中，可以通过增湿模块24、第一气体分析模块21-1，第二换热器25-2、第三电磁阀13-3对气体的温度、湿度、含氧量进行调节。完成设定的压力脉动时间后可以通过第二气体分析模块21-2判断发酵进行的程度，选择开罐或者继续进行强制通风模式或继续进行脉动发酵，直到发酵完成。

具体的应用本实施例的反应器，进行无菌接种发酵操作的工艺过程：将调配好的固态发酵基质放入托盘3中，然后将托盘3逐层放入主发酵罐1的活动支架2上，盖好罐盖8，关闭第一阀门11-5，打开第一阀门11-1、第二阀门11-2、第三阀门11-3和第四阀门11-4，打开疏水阀16，打开第一电磁阀13-1和第二电磁阀13-2，从第三阀门11-3的上游充入高压水蒸气进行灭菌，逐步关闭第一阀门11-1、第四阀门11-4，关闭疏水阀16，关闭第一电磁阀13-1、第二电磁阀13-2，待压力计12-1的压力示数达到0.1MPa后，维持时间30分钟，然后，关闭第二阀门11-2、第三阀门11-3，撤掉高压蒸汽，启动调速气泵22和第一换热器25-1，待主罐1内的压力降至接近常压以及种子罐18的温度降至室温后，关闭换热器25-1，向种子罐18中注入菌悬液，从第三阀门11-3通入无菌空气，将种子罐18中的菌悬液压入到主罐1的底部，关闭第二阀门11-2启动调速气泵22和控压模块15，经过20min，菌种将会被脉动气体接种到发酵基质表面和内部；然后关闭控压模块15，通过调速气泵22对固态物料进行常规的强制通风发酵，通过气体分析模块21-2检测循环气体的温度以及二氧化碳、水分和氧气的浓度，按照发酵要求开启控压模块15，对固态基质实行压力脉动和强制通风并存的发酵，在压力脉动过程中，根据不同的发酵阶段，设定不同的气体分析的参数，气体分析模块21-1的数据传输到控制中心CC，经控制中心CC运算后，由控制中心CC通过相应的电信号的输出决定第四电磁阀13-4和换热器25-2的工作状态，通过气体分析模块21-2可以确定发酵终点。

具体的应用本实施例的反应器，进行无需无菌操作的快速堆肥过程如下：将调配好的堆肥原料放入托盘3中，然后将托盘3依次放入主罐1的活动支架2上，盖好罐盖8。通过调速气泵22对固态物料进行常规的强制通风发酵，通过气体分析模块21-2监测循环气体的温度以及二氧化碳、水分和氧气的浓度，堆肥进行到一定的程度，开启控压模块15，对发酵物料实行压力脉动和强制通风并存的发酵，在压力脉动过程中，根据不同的发酵阶段，设定相应的气体分析的参数，通过气体分析模块21-1的数据传输到控制中心CC，经控制中心CC运算后，由控制中心CC通过相应的电信号的输出决定第四电磁阀13-4和换热器25-2的工作状态，通过气体分析模块21-2可以确定发酵终点。

具体的应用本实施例的反应器，进行产物提取：如发酵后的固态基质作为产物打开罐盖8，将发酵后的底物取出，即为发酵产品；产品需要从固态基质中提取通过阀门11-1向主罐1内注入相应的提取液，从底部的疏水阀16可以收集到含有发酵产品的提取液，即可以完成产物提取，提取液送入到相应的后续加工区。

Claims (7)

1.一种多功能固态发酵反应器，包括主罐(1)、辅助***和控制中心；其特征在于：

所述的主罐（1）为一圆筒状，其主罐（1）的上端口通过法兰（7-1）将一罐盖（8）在其上固定；所述的罐盖（8）的顶部密封固定一个圆筒接口（10-1），所述的圆筒接口（10-1）的底端带有一个接口法兰（7-2），在圆筒接口（10-1）的上端面上分别开有第一接口、第二接口、第三接口、第四接口；所述的主罐（1）的底口与罐底（6）连接而成；

所述的第一接口（9-1）通过管路与第一电磁阀（13-1）和气体净化模块（14）相连；所述的第一电磁阀（13-1）和控压模块（15）电连接；

所述的第二接口（9-2）上安装压力计（12-1），所述的压力计（12-1）与控压模块（15）电连接，所述的控压模块（15）与第一电磁阀（13-1）电连接；

所述的第三接口（9-3）通过管路与第一阀门（11-1）相连，所述的第一阀门（11-1）后的管路与环境相通；

所述的第四接口（9-4）通过管路与气体分析模块（21-2）、调速气泵（22）和换热模块（25-1）相连，所述的管路末端连接一四通（17），所述四通（17）第一接口通过气体管道连接在主罐（1）底端的第五接口（9-5）进入主罐（1），形成气体从第四接口（9-4）到第五接口（9-5）的一个回路；

所述的主罐（1）的内腔中设置N层在同一平面上的活动支架（2），在每一层活动支架（2）上安装有一个托盘（3），其中，N为正整数；

所述的主罐（1）的外壁由保温层（4）包裹，所述的保温层（4）的外部或者底部设有支撑主罐（1）的罐架（5）；

所述的罐底（6）的底口密封连接一接口圆筒（10-2），所述的接口圆筒（10-2）的底面上分别设有第五接口（9-5）和第六接口(9-6)，所述的第五接口连接四通（17）的第一接口；所述的第六接口(9-6)通过管路与疏水阀（16）相连，疏水阀（16）用于排出主罐（1）内的液体；

所述的辅助***由无菌接种部分、气体循环部分和外源气体部分组成；

其中，所述的无菌接种部分由种子罐（18），和在该种子罐（18）上口中接入的一组双排管（19）组成，该一组双排管（19）中的一支管子比另一支管子长，其中的短管子上连通一根安装有第三阀门（11-3）的管，所述的四通（17）的第二接口通过带有第二阀门（11-2）的管路与所述的安装有第三阀门（11-3）的管连接；

所述的气体循环部分由第四接口（9-4）、气体分析模块（21-2）、调速气泵（22）、换热模块（25-1）、四通（17）、第五接口（9-5）经过管路连接组成，至此，气体从第四接口（9-4）到第五接口（9-5）构成一个回路；

所述的外源气体部分由气源和气体控制组成，其中，气源的空气经由管路通过空气净化模块（23）到达三通（20-2），氧气经由管路通过第三电磁阀（13-3）到达三通（20-2），所述的三通（20-2）连接一储气罐（26），所述的储气罐（26）上部有第七接口（9-7）和第八接口（9-8）两个接口，所述的第七接口（9-7）通过管路连接一气压计（12-2）；所述的第八接口（9-8）通过管路与第三三通（20-3）相接，所述的第三三通（20-3）的两个接口分别与一增湿模块（24）和第四电磁阀（13-4）通过管路相连，第四电磁阀（13-4）通过管路与第四三通（20-4）相连，所述的增湿模块（24）与第六阀门（11-6）通过管路连接，所述的第六阀门（11-6）通过管路与第四三通（20-4）连接，所述的第四三通（20-4）上的管路与第二换热器（25-2）连接，从换热器出来的管路再进入第一气体分析模块（21-1），管路通过第一气体分析模块（21-1）与第五阀门（11-5）相连，所述的第五阀门（11-5）上的管路连接第一三通（20-1），所述的第一三通（20-1）上的两路管路分别与所述的第四阀门（11-4）和第二电磁阀（13-2）相连，第四阀门（11-4）的管路与环境相通，第二电磁阀（13-2）的管路连接四通（17），至此，外界气源通过管路进入主罐（1）；

所述的控制中心的运算工作由个人计算机或者工控机完成，控制中心电连控压模块（15）、第一气体分析模块（21-1）、第二气体分析模块（21-2）、调速气泵（22）、第一换热器（25-1）、第二换热器（25-2）和第三电磁阀（13-3）组成；所述的控压模块（15）与压力计（12-1）、第一电磁阀（13-1）和第二电磁阀（13-2）电连接，按照该控制中心的运算决定电磁阀的状态；所述的气体分析模块（21-1）将测定气体参数给控制中心电信号，控制中心决定第四电磁阀（13-4）和第三电磁阀（13-3）的状态。

2.按权利要求1所述的多功能固态发酵反应器，其特征在于，所述的罐盖（8）和罐底（6）为一中间开孔的圆锥体或球冠。

3.按权利要求1所述的多功能固态发酵反应器，其特征在于，所述的托盘为一带有砌墙的圆盘，所述圆盘砌墙的高度为10-20cm，圆盘的底部开孔，所述开孔的直径为0.2-3mm，开孔率为0.1-0.5。

4.按权利要求1所述的多功能固态发酵反应器，其特征在于，所述的控压模块（15）具有控制压力和控制时间的压力液位变送器。

5.按权利要求1所述的多功能固态发酵反应器，其特征在于，所述的第一气体分析模块（21-1）和第二气体分析模块（21-2）由具有至少能够测量温度、湿度、氧气和二氧化碳中的一种或者多种参数，并能够将其测定的各种气体参数传送到控制中心的探头及变送器组成。

6.按权利要求1所述的多功能固态发酵反应器，其特征在于，所述的调速气泵（22）为具有可以调节气体流量功能的气泵。

7.按权利要求1所述的多功能固态发酵反应器，其特征在于，所述的第一换热器（25-1）和第二换热器（25-2）具有加热或者冷却功能，根据控制中心的要求在加热或者冷却的状态下工作的带有蛇管的不锈钢制气体缓冲罐。

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