專利名稱：一種旋轉式固態發酵生物反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種生物發酵設備，確切地說是一種旋轉式固態發酵生物反應
O
二背景技術：
20世紀90年代以來，隨著能源危機與環境問題的日益嚴重，人們開始關注以天然 生物為原料的發酵工藝，特別是固態發酵技術以其特有的優點如無“三廢”排放引起人們極 大的興趣。目前在固態發酵領域的研究及其在資源環境、蛋白質飼料中的應用取得了較大 進展，主要表現在生物飼料、生物燃料、生物農藥、生物轉化、生物解毒及生物修復等方面的 應用。固態發酵(solid state fermentation)是指利用自然底物做碳源及能源，或利用 惰性底物做固體支持物，其體系無水或接近于無水的任何發酵過程。與其他培養方式相比， 固態發酵優點有培養基簡單且來源廣泛，多為便宜的天然基質或工業生產的下腳料；基 質含水量低，可大大減少生物反應器的體積，產物提取容易、產率較高，且不需要廢水處理， 低含水量的發酵殘渣后處理簡單；發酵過程一般不需要嚴格的無菌操作，供氧和溫度可以 采用直接空氣強制通風來控制；與液體發酵相比，在產量不變的情況下，固體發酵節省能源 30%，原料處理和產物提取可分別節省開支70% 80% ；過程裝置簡單、投資少。但是和液態發酵相比，固態發酵也有一些缺點固態發酵是一種接近自然狀態的 發酵，最顯著的特征就是水分活度低。其中菌體的生長、對營養物質的吸收和代謝產物的分 泌在各處都是不均勻的，使得發酵參數的檢測和控制都比較困難，許多液態發酵的生物傳 感器也無法應用于固態發酵，這樣使得連續操作和自動化變得很困難。而且微生物生長及 代謝時產生的熱量使固體培養基的溫度升高，導致水分的損耗，這也是固態發酵的一個難 題。因此，在新型反應器的設計中不僅要從三傳一反(傳質、傳熱、動量傳遞和生物生 長與反應動力學)來考慮，而且要充分考慮到反應物的性質。故在新型生物反應器的設計 時要求既不會破壞細胞的結構，又可以達到攪拌的目的，這主要體現在反應器工作時的剪 切力較小，不會對細胞分子產生太大的破碎作用，最大程度的保證了細胞的完整性。
三、發明內容本實用新型旨在提供一種用于固態發酵的生物反應器，所要解決的技術問題是既 能對固體物料(主要是培養基)實現充分攪拌和生物培養，又能保證生物細胞的完整性，特 別是不破壞菌絲體。本生物反應器的技術方案包括筒體1、支座2和固定軸3以及傳動和加熱裝置，與 現有技術的區別是筒體1繞固定軸3旋轉，筒體1 一端有開口 4，既作為進料口，又作為出料 口，筒體1內壁上固定有起攪拌和出料導向作用的擋板5，為此擋板5應向著出口 4方向向 下傾斜，這就是擋板5與母線有一夾角；固定軸3為至少一端封閉的中空管并固定在支座2上，固定軸3上開有孔6、孔7并設置溫度傳感器8，孔6位于筒體1之外，或者開在軸的一 端上，若干個孔7和溫度傳感器8位于筒體1之內，若干個孔7開在軸3的下方，若干個溫 度傳感器8也固定在軸3的下方防止被物料堵塞，孔6、孔7的作用是正常發酵時用于排氣 散熱，在需要的時候向筒體1內充入滅菌的空氣和補充無菌水，溫度傳感器8通過溫度儀表 盤9與溫控儀11連接，以控制發酵溫度。所述的傳動裝置由設置在筒體1上公知的齒圈齒輪傳動，可驅動筒體1順時針方 向轉動，需要時也可驅動筒體1反時針方向轉動。所述的加熱裝置由設置在筒體1下方的電熱板10輻射傳熱。電熱板10與溫控儀 11連接。本反應器的攪拌是通過固定在旋轉筒體上的擋板5將物料帶動到一定的高度，然 后拋落，從而實現固態物料及高粘度流體的流動與混合。同時，避免了劇烈攪拌對菌體的影 響，并降低了能耗。本反應器的工作流程首先按一定的比例從加料口 4投入物料，投料結束后密封， 開動筒體驅動的電動機，開始轉動筒體1及攪拌物料，同時通過控溫儀11來控制溫度。擋 板5將物料帶動到一定的高度，然后物料沿筒壁和擋板緩緩滑下，從而實現對物料的充分 攪拌。反應過程可以通過溫度傳感器8將發酵設備中的溫度傳到控溫儀11上從而確定最 佳反應條件。最后物料從出料口 4排出，對筒體1進行清潔為下一批做準備。本反應器適用于低壓力操作條件下的間歇反應，尤其是用在固態生物發酵的物料 反應中。正是基于間歇操作，本設計采用人孔及投料口和出料口的一體三合一方式，以改善 筒體旋轉過程中系統的密封性。本反應器采用筒體的旋轉和擋板攪拌的形式打破了化工工業生產中反應釜的常 規的軸心電動帶動攪拌，不僅能提高攪拌的效果，還可以應用于高黏度的流體中，尤其是應 用于發酵生產中。擋板的攪拌作用，也可以使攪拌混合的效果進一步提高。本實用新型的進一步改進點在于1、培養溫度的控制本反應器的溫度控制是由溫度控制儀通過傳感器、調壓器和加熱板來完成的，進 一步將固態發酵過程向數字化和可控化的方向發展。2、基質內氧氣傳遞和含水量的控制通風是防止基質缺氧和增加氧濃度的最常用的方法，除了可以增加氧的濃度還有 利于熱交換。另外，由于在發酵過程中蒸發及溫度上升，導致基質水分含量的下降，所以要 適度進行水分的補充。本設計采用在空心固定軸上設置通孔，并通過該結構向發酵罐內通 入無菌空氣和無菌水，實現氧氣和水分的補充(氣液管路與主軸一體化能更好的做到密 封)。3、攪拌裝置的選擇本設計改變了以往軸電機帶動攪拌的形式，采用了筒體旋轉和擋板的雙重攪拌來 提高物料的混合程度，類似于水泥攪拌機的工作形式。這種方式不僅提高了攪拌的效率，而 且還避免了傳統攪拌對菌體生長的影響。因為過分的攪拌和翻動影響菌體和基質的接觸， 并可能損傷菌體絲。還有本設計采用的是一種緊貼筒壁的擋板，這種形式不僅可以防止固 態物質阻塞擋板空隙，還可以使擋板充分地與固態物質接觸更好地攪拌，同時設計擋板具有一定的傾斜度，使其具有很好的導向作用，方便進、出物料。當然對于擋板我們還可以采 用不同形式的擋板。例如鏤空式擋板、網式擋板等。
四
圖1是本實用新型的剖面結構示意圖。孔6開在軸3的一端。圖2示意軸3的下方開有六只孔7和所固定的三只溫度傳感器8。
五具體實施方式
將2公斤的準備好的原料和菌種放入容積約為0. 15m3的筒體1中，啟動傳動裝 置，轉動筒體，使原料和菌種混合均勻，再打開加熱板10和數字控溫儀11，調控最佳發酵溫 度如35°C，廢氣則由通氣孔7排出，數日后(具體時間根據菌種、原料、發酵工藝確定)發酵 完成。發酵中由于生化反應，物料本身的溫度會上升，超過最佳發酵溫度時，停止加熱，同時 自孔6通入冷卻的無菌水，從而改善發酵過程中的溫度和水分含量。需氧的發酵過程可通 入無菌空氣從而增加攝氧量，厭氧的可使整個反應器處于密閉狀態，具體的還有根據具體 的工藝來確定。
權利要求一種旋轉式固態發酵生物反應器，包括筒體(1)、支座(2)和固定軸(3)以及傳動和加熱裝置，其特征在于繞固定軸(3)旋轉的筒體(1)一端有開口(4)，其內壁固定有與母線形成夾角的擋板(5)，固定軸(3)為至少一端封閉的中空管并固定在支座(2)上，固定軸(3)上開有孔(6)、孔(7)并設置溫度傳感器(8)，孔(6)位于筒體(1)之外，或者開在軸的一端上，孔(7)和溫度傳感器(8)位于筒體(1)之內，并在軸的下方，溫度傳感器(8)通過溫度儀表盤(9)與溫控儀(11)連接；筒體(1)的下方有電熱板(10)，電熱板(10)與溫控儀(11)連接。
2.根據權利要求1所述的反應器，其特征在于孔(6)開在固定軸(3)的一端上。
專利摘要一種旋轉式固態發酵生物反應器，包括筒體(1)、支座(2)和固定軸(3)以及傳動和加熱裝置，其特征在于繞固定軸(3)旋轉的筒體(1)一端有開口(4)，其內壁固定有與母線形成夾角的擋板(5)，固定軸(3)為至少一端封閉的中空管并固定在支座(2)上，固定軸(3)上開有孔(6)、孔(7)并設置溫度傳感器(8)，孔(6)位于筒體(1)之外，或者開在軸的一端上，孔(7)和溫度傳感器(8)位于筒體(1)之內，并在軸的下方，溫度傳感器(8)通過溫度儀表盤(9)與溫控儀(11)連接；筒體(1)的下方有電熱板(10)，電熱板(10)與溫控儀(11)連接。
文檔編號C12M1/00GK201686699SQ20102022229
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月3日 優先權日2010年6月3日
發明者姚日生, 張遙, 李鳳和, 李曼曼, 楊世明, 胡華佳, 鄧勝松 申請人:安徽安生生物化工科技有限責任公司;合肥工業大學