CN103911282A - 一种发酵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发酵装置，特别是涉及一种固态发酵的发酵装置。包括发酵罐和驱动装置，发酵罐内壁有圆柱形的内腔，在内腔的中心设置有螺旋推进器，该螺旋推进器的桨叶外缘贴近发酵罐内壁，桨叶面与发酵罐内壁之间形成螺旋型的物料通道；驱动装置连接到螺旋推进器，并驱动螺旋推进器沿轴心做旋转运动。该装置通过盘旋于桨叶面上的控温管道和外部温控***来实现对发酵温度的调控；通过浆轴中的通气管道和外部通气***来实现发酵仓内的气体交换。

Description

一种发酵装置
技术领域
本发明涉及一种发酵装置，特别是涉及一种固态发酵的发酵装置。 
背景技术
固态发酵是指在没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物在其上进行的任何发酵过程。固体发酵具有许多优势，如培养基简单且来源广泛；成本低、能耗少；基质含水量低，可大大减少反应器体积；不需要废水处理，环境污染少；产物浓度高，后续纯化步骤简单等。因此，固体发酵是一种很有潜在优势的发酵方式，能广泛应用于酶制剂、食品、医药、饲料、燃料、农药、生物冶金和生物修复等诸多领域。 
目前，国内固态发酵设备主要是传统的开放式反应器，较难用于规模生产，特别是无法进行连续的发酵，限制了固态发酵技术在工业生产中的应用。到目前为止，很少有公开连续发酵用的固态反应器以及配套设备，包括经济有效的机械化进出料、灭菌、培养的设备装置。另外，规模化批次生产往往对发酵基质的灭菌和固态发酵罐的体积有非常高的要求，比如批次蒸汽高温灭菌不彻底，较难测量发酵罐腔体内的温度和各种参数，也难以把发酵材料需要的氧气和水汽均匀提供给发酵材料，所以在很大程度上限制了固态发酵技术在实际生产中的推广。 
发明内容
本发明的目的是克服上述提到的问题，揭示一种结构简单实用，制造控制方便的固态发酵罐，能够满足工业生产对于发酵罐体积的要求，且可以实现连续机械化灭菌和自动进出料的固态发酵装置。 
本发明提供一种发酵装置，包括发酵罐，所述的发酵罐1内壁有圆柱形的内腔，在内腔的中心设置有螺旋推进器2，该螺旋推进器2的桨叶4外缘贴近发酵罐内壁3，桨叶4面与发酵罐内壁3之间形成螺旋型的物料通道5，还包括驱动装置，该驱动装置连接到螺旋推进器2，并驱动螺旋推进器2沿轴心做旋转运动。 
所述发酵罐1为立式或卧式，该发酵罐1内的发酵基质为有一定湿度的水不溶性固态基质，该发酵基质从进料口9进入发酵仓11，沿着螺旋推进器2桨叶4面与发酵罐内壁3之间形成螺旋型的物料通道5沿螺旋线移动，在移动过程中进 行发酵反应。 
所述的螺旋推进器2桨叶4外缘贴近发酵罐内壁3，两者间产生一个细小的狭缝，发酵仓内的气体可以通过狭缝在相邻螺距间穿行，狭缝不影响螺旋推进器的转动和发酵仓内物料的移动。 
所述驱动装置包括步进电机8，该步进电机8通过减速齿轮组7连接到螺旋推进器2，使得螺旋推进器2的转动速度符合发酵反应的需求；所述的发酵基质从进料口9进入发酵仓11，在螺旋推进器2的推进作用下往出料口10运动，至出料口10经历一个发酵周期；发酵结束的产物，经过出料仓13往外出料。 
所述的螺旋推进器2包括桨轴6和桨叶4，桨轴6内有中空连贯的通气管道30，在通气管道30壁上设有连通发酵仓11的小孔12，所述桨轴6上下端分别接有上引入接头16和下引入接头17，外部通气***18通过下引入接头17向发酵仓11输送含氧气体，再通过上引入接头16排出交换后的尾气。 
所述的桨轴6为竖直的圆柱轴，螺旋形的桨叶4固定在桨轴6上；或所述的桨轴6为螺旋形，该桨轴设置在螺旋形桨叶4中心，并沿螺旋形的桨叶4延展。 
所述的螺旋推进器2的螺旋桨叶4的至少一面上设置有温度传感器14。所述的螺旋推进器2的螺旋桨叶4的至少一面上设置有控温管道19，通过控温管道19与外部温控***15形成循环，调节发酵基质的温度。 
所述的发酵装置的物料通道5包括顺序设置的微波灭菌仓20、接种仓21、进料仓22、发酵仓11、出料仓13，进入灭菌仓20的发酵基质，顺序经过五个仓体，并从出料仓13排出是连续的不间断的过程，排出出料仓13的物料与进入灭菌仓20的固态发酵基质的量是对应的。 
所述的灭菌仓20包括固定设置的微波灭菌机构，厚度小于等于5cm的发酵基质连续通过所述微波灭菌机构照射，照射后的发酵基质进入接种仓21。所述的发酵罐1的外套26为透明或半透明的聚合材料制作。 
本发明有以下优点：发酵腔内螺旋型的发酵物料通道5既是存储空间，又是发酵空间，同时可以通过驱动螺旋推进器2使得发酵基质在发酵过程中有序的移动，使发酵成为连续的过程；可以通过通气管道30向发酵腔体内输送含氧气体，通过控温管道19控制发酵基质的温度，确保发酵基质有好的发酵环境；总之提供了工业化应用固态发酵基质发酵的可行方案。 
附图说明
图1为本发明实施例一的***图； 
图2为本发明实施例一中桨叶及其下表面温控水管横截面图； 
图3为本发明实施例二的***图； 
图4为本发明实施例二中桨叶及其表面温控水管横截面图； 
图5为本发明实施例三的***图； 
图6为本发明实施例三中桨叶及通气管道横截面图。 
其中：1为发酵罐；2为螺旋推进器；3为发酵仓内壁；4为桨叶；5为物料通道；6为浆轴；7为减速齿轮组；8为步进电机；9为进料口；10为出料口；11为发酵仓；12为小孔；13为出料仓；14为温度传感器；15为外部控温***；16为上引入接头；17为下引入接头；18为外部通气***；19为控温管道；20为灭菌仓；21为接种仓；22为进料仓；23为进料仓物料推进器；24为进料仓输送带；25为桨叶下部；26为发酵仓外套；27为空气压缩机；28为搅拌桨叶；29为喷淋器；30为通气管道；31为通孔；32为气体检测箱；33为灭菌仓传送带；34为螺旋桨叶。 
实施例1 
如图1所示为本发明所述装置的结构示意图。发酵装置包括发酵罐1，发酵罐内壁3有圆柱形的内腔，在内腔的中心设置有螺旋推进器2，该螺旋推进器2的桨叶4外缘贴近发酵仓内壁3，桨叶4面与发酵罐内壁3之间形成螺旋型的物料通道5，还包括步进电机8驱动的驱动装置，步进电机8通过减速齿轮组7连接到螺旋推进器2，并驱动螺旋推进器2沿轴心做旋转运动。当螺旋推进器做旋转运动时，从进料口9进入发酵仓中的固态发酵基质会沿着螺旋推进器桨叶4面与发酵罐内壁3之间形成螺旋型的物料通道5沿螺旋线从上向下移动，并且在整个移动过程中，进行发酵反应，产生发酵产物，并最终从出料口10排出发酵罐1。即固态培养基通过进料口9进入发酵仓11，在螺旋推进器2的推进作用下往出料口10运动，至出料口10正好经历一个发酵周期；发酵结束后的产物，经过出料仓13不断往外出料。本实施例采用固态发酵基质，该发酵基质为有一定湿度的水不溶性固态基质，发酵基质可以附着在物料通道5内，并由螺旋推进 器推进而运动。即发酵罐的发酵仓内为固态发酵。 
本实施例1中，发酵罐1为立式，发酵仓11内螺旋推进器的桨叶4外缘贴近发酵罐内壁3，桨叶4面与发酵罐内壁3之间形成螺旋型的物料通道5，螺旋推进器2的每个螺距所在的桨叶对所处的物料都有一个支撑力，这样既保证了物料在仓体内自上而下输送过程中，每一个点位上的培养基和菌种混合物都经历了一个发酵周期，又可以帮助发酵仓内相邻螺距间的气体流通。 
发酵仓11内螺旋推进器2包括设置在发酵罐1中心的桨轴6和与桨轴6固定连接的桨叶4，桨轴6的上下两端分别与轴承连接，并由设置在上部的驱动装置驱动其相对于发酵罐内壁面3进行旋转，从而对桨叶4与发酵罐内壁3之间的固态发酵基质产生旋转和向下的推动。该桨轴6设置在发酵罐体的中心，上下分别穿过发酵罐体的上下壁，桨轴6穿过各层桨叶，并与桨叶4连接固定。在桨轴6内有中空的通道，形成通气管道30，通气管道30的壁面设置有连通到发酵仓11内的小孔12，桨轴6的下端通过下接头17中的其中一个通道与外部的通气***18相连通，从外部通气***18进入浆轴6的气体通过小孔12与发酵过程中产生的废气进行气体交换，交换后的尾气从浆轴6的上端通过上接头16中的其中一个通道向外排放，排出的尾气在气体检测箱32中完成主要成分及浓度检测，检测结果再反馈给外部通气***18，这样既保证了推进器桨轴6的强度要求，又能实现气体或者其他物质的输送和调控。该输入的气体为合适氧含量的气体，对于不同的发酵阶段，不同的发酵菌采用不同氧含量的气体，或采用不同的通气量，以满足发酵物的需求。 
在发酵仓11内螺旋推进器2上设置有温度传感器14，可以在螺旋推进器桨轴6外侧、桨叶的上表面或者桨叶的下表面设置温度传感器14。本实施例中，温度传感器14设置在桨叶4的上表面，在该上表面固定的温度传感器14可以检测通过该处的固态发酵基质温度，从而反馈给外部控温***15进行水温调节。结合图2，在发酵仓内螺旋推进器2的桨叶4的表面设置有控温管道19，该控温管道19可以设置在桨叶4的上表面和/或下表面，在本实施例中，设置在下表面，外部控温***15通过向控温管道19内通入不同温度的水，达到调节固态发酵基质温度的作用。 
本实施例1中，采用的驱动装置为步进电机8，可以根据发酵周期来设置步 进电机的频率和转动角度，从而扩大了该发酵装置的应用范围、增加了发酵参数摸索时的可操作性。 
实施例2 
本实施例2与实施例1的区别主要包括：如图3所示固态发酵培养基需要依次经过连续微波灭菌仓20、接种仓21、进料仓22、发酵仓11、出料仓13等五个仓体。固态培养基在灭菌仓20完成微波灭菌后，在输送带灭菌仓传送带33的作用下进入接种仓21，在搅拌桨叶28的作用下将培养基和来自喷淋器29的菌种混合均匀；利用进料仓22的物料推进器23和输送带24，将混合好的培养基连续不断地输送到发酵仓11中；培养基通过进料口10进入发酵仓11，在螺旋推进器2的推进作用下往出料口10运动，至出料口10正好经历一个发酵周期；发酵结束后的产物，从出料口10经过出料仓13不断往外出料。整个过程为连续进行的过程，即进入灭菌仓20的物料，顺序经过五个仓体处理后，从出料仓13排出是连续的不间断的过程，排出出料仓13的物料与进入灭菌仓20的固态发酵基质的量是对应的。 
在本实施例2中，螺旋推进器2桨轴6内有中空的通道，形成通气管道30，该通气管道30的壁面设置有连通到发酵仓11内的小孔12，通过空气压缩机27把经过加湿处理的空气吹入桨轴6的通气管道30内，进而通过小孔12进入发酵仓11，改善小孔12附近的固态发酵基质，避免因微生物发酵造成的环境湿度改变，调节发酵效果。本实施例中的桨轴6设置在罐体的中心，上下分别穿过罐体的上下壁，桨轴6穿过各层桨叶，但与桨叶4间未固定连接，且与桨叶4之间存在有间隙。在螺旋推进器2的桨叶下部25等距设置有温度传感器14，在螺旋推进器桨叶4的前后两侧都设置有温控管道19(如图4)，控制温度用的水从外部控温***15通过下接头17中的其中一个通道进入控温管道19，再通过上接头16中的其中一个通道出发酵罐1，然后进入外部控温***15形成循环。可以根据适宜发酵的温度，调整当前温度达到适宜发酵的温度。 
本实施例2中，灭菌仓20采用连续微波灭菌。微波灭菌时将物料的厚度控制在≤5cm，能保证良好的固态物料灭菌效果，在灭菌仓传送带33作用下的连续微波灭菌可以很好地满足连续发酵的要求，从而解决批次蒸汽灭菌造成的灭菌不 彻底问题。 
发酵仓外套26为透明或半透明的耐腐蚀聚合材料制作，在本实施例中采用透明PP材料，可以更加直观地观察罐体内的发酵情况，减少开仓取样的次数。 
实施例3 
本实施例3与实施例1的区别在于，如图4所示发酵罐1采用水平布置，即采用卧式，由于发酵罐较长，发酵罐的长度要远大于直径，所以，采用这样的结构有利于罐体的稳定设置。也便于多个发酵罐1分布设置及管理。 
本实施例3与实施例1的另一区别在于，螺旋推进器2采用螺旋形的桨轴6，桨轴6设置在桨叶4的中心，并沿螺旋形的桨叶4延展。如图6所示，桨轴6内设置有通气管道30，可以由外部引入气体进入发酵仓11内。桨叶4中间突出部为通气管道30，其形成中空螺旋形的通道，在通气管道30上设置有连通发酵仓11的通孔31，通气管道30在上下两端通过上接头16和下接头17连通到外部通气***18，并形成循环。这样可以扩大通气管道30的路径长度，使得通孔31更靠近发酵基质，提高发酵效率。 
在桨叶4的左侧面的下部设置有温度传感器14，该温度传感器14安装在垂直于桨叶4方向上延伸的固定部上，可以测量相邻桨叶之间发酵基质的温度，从而提高控温精度。 
本实施例3中，采用的驱动装置为步进电机8，可以根据发酵周期来设置步进电机的频率和转动角度，本实施例中，采用间隔驱动的方式，从而扩大了该发酵装置的应用范围、增加了发酵参数摸索时的可操作性。 

Claims (10)

1.一种发酵装置，包括发酵罐，其特征在于：所述的发酵罐(1)内壁有圆柱形的内腔，在内腔的中心设置有螺旋推进器(2)，该螺旋推进器(2)的桨叶(4)外缘贴近发酵罐内壁(3)，桨叶(4)面与发酵罐内壁(3)之间形成螺旋型的物料通道(5)，还包括驱动装置，该驱动装置连接到螺旋推进器(2)，并驱动螺旋推进器(2)沿轴心做旋转运动。
2.根据权利要求1所述的发酵装置，其特征在于：所述发酵罐(1)为立式或卧式，该发酵罐(1)内的发酵基质为有一定湿度的水不溶性固态基质，该发酵基质从进料口(9)进入发酵仓(11)，沿着螺旋推进器(2)桨叶(4)面与发酵罐内壁(3)之间形成螺旋型的物料通道(5)沿螺旋线移动，在移动过程中进行发酵反应。
3.根据权利要求2所述的发酵装置，其特征在于：所述驱动装置包括步进电机(8)，该步进电机(8)通过减速齿轮组(7)连接到螺旋推进器(2)，使得螺旋推进器(2)的转动速度符合发酵反应的需求；所述的发酵基质从进料口(9)进入发酵仓(11)，在螺旋推进器(2)的推进作用下往出料口(10)运动，至出料口(10)经历一个发酵周期；发酵结束的产物，经过出料仓(13)往外出料。
4.根据权利要求2所述的发酵装置，其特征在于：所述的螺旋推进器(2)包括桨轴(6)和桨叶(4)，桨轴(6)内有中空连贯的通气管道(30)，在通气管道(30)壁上设有连通发酵仓(11)的小孔(12)，所述桨轴(6)上下端分别接有上引入接头(16)和下引入接头(17)，外部通气***(18)通过下引入接头(17)向发酵仓(11)输送含氧气体，再通过上引入接头(16)排出交换后的尾气。
5.根据权利要求4所述的发酵装置，其特征在于：所述的桨轴(6)为竖直的圆柱轴，螺旋形的桨叶(4)固定在桨轴(6)上；或所述的桨轴(6)为螺旋形，该桨轴设置在螺旋形桨叶(4)中心，并沿螺旋形的桨叶(4)延展。
6.根据权利要求4所述的发酵装置，其特征在于：所述的螺旋推进器(2)的螺旋桨叶(4)的至少一面上设置有温度传感器(14)。
7.根据权利要求4所述的发酵装置，其特征在于：所述的螺旋推进器(2)的螺旋桨叶(4)的至少一面上设置有控温管道(19)，通过控温管道(19)与外部温控***(15)形成循环，调节发酵基质的温度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的发酵装置，其特征在于：所述的发酵置的物料通道(5)包括顺序设置的微波灭菌仓(20)、接种仓(21)、进料仓(22)、发酵仓(11)、出料仓(13)，进入灭菌仓(20)的发酵基质，顺序经过五个仓体，并从出料仓(13)排出是连续的不间断的过程，排出出料仓(13)的物料与进入灭菌仓(20)的固态发酵基质的量是对应的。
9.根据权利要求8所述的发酵装置，其特征在于：所述的灭菌仓(20)包括固定设置的微波灭菌机构，厚度小于等于5cm的发酵基质连续通过所述微波灭菌机构照射，照射后的发酵基质进入接种仓(21)。
10.根据权利要求8所述的发酵装置，其特征在于：所述的发酵罐(1)的外套(26)为透明或半透明的耐腐蚀聚合材料制作。
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