专利名称：一种以蠕动为周期刺激动力源的好氧固态发酵反应器的制作方法
技术领域：
本发明属于生物工程反应器领域，特别涉及一种以蠕动为周期剌激动力源的好氧
固态发酵反应器。
背景技术：
固态发酵(Solid-state fermentation, SSF)是指培养基呈固态，虽然含水丰富， 但在没有或几乎没有自由流动水的状态下进行的一种或多种微生物发酵过程。自上世纪40 年代以来，液体深层发酵一直是发酵行业的主角。但随着时代的发展，液体深层发酵技术进 一步发展遇到了障碍，高污染和高能耗就是其面临的最大问题，高浓度、高粘度发酵成为液 体深层发酵的重要发展方向，然而高浓度、高粘度发酵的极限状态就是固态发酵。从生态学 和仿生学的观点来看，自然界中的微生物绝大多数生存于含水的固态基质中，固态发酵法 因为模拟了微生物生存的自然环境，因而更适宜于微生物的生存、繁殖和代谢。
固态发酵反应器有不同的分类方法。从培养基的运动状态来分，可以分为静态式 固态发酵反应器和动态式固态发酵反应器。静态固态发酵反应器是结构比较简单的固态发 酵反应器，现在使用较多的是浅盘式和填充床式两种。浅盘式固态发酵反应器在放大后就 会有操作上的困难，由于操作难以实现机械化，因此属"劳动密集型"反应器。由于发酵基质 是静态的，传质、传热困难，这就限制了在托盘上的基质的厚度，往往只有几厘米到十几厘 米。导致这种反应器在放大之后就需要很大的面积。填充床反应器的优势是要求简单，可 进行较好的工艺控制，尤其是温度和湿度。因此，相对于托盘式反应器来说，填充床反应器 使用更加广泛。填充床的缺点是出料较困难，微生物在反应器中的生产不均匀，传热困难， 放大也存在问题。 相对于静态固态发酵的"静"而言，动态密闭式固态发酵过程中培养基处于连续或 间歇搅拌状态。大多数的固态发酵大规模生产都是在有搅拌的系统中完成的。搅拌可以增 加代谢热的散逸，同时也使发酵环境的一致性增加，为提高发酵效率提供了必要的条件。固 态发酵中，良好的搅拌肯定会提高过程控制的效果，但搅拌对生产效率的影响却存在争议。 一些文献报道由搅拌导致的传质、传热性能的改善所带来的效果要优于搅拌所带来的不 良影响；另有研究表明，搅拌会使生产效率降低，搅拌对固态发酵系统提出了额外的要求。 首先，固态基质要能够耐剪切，并且不能存在由于搅拌而结块的倾向；第二，搅拌会损伤菌 丝，进而可能影响其生长代谢。 吉林大学曾有学者设计过模仿动物胃肠蠕动而设计的蠕动反应器 (ZL200610017078. X)。这种反应器通过蠕动对物料进行挤压研磨混合和输送，较好的解决 了搅拌剪切对微生物的伤害作用，并使用膜技术进行物料内外的物质交换。但是，这种反应 器没有解决热量传递的问题，因此放大是有困难的。
发明内容
发明目的固态发酵天然具有节水节能的优势。在环境、资源和能源问题日益受到重视的今天，大力发展固态发酵生产工艺是减少发酵行业对环境的污染，降低能源消耗 的重要途径。但是现有的固态发酵工艺不论是静态固态发酵反应器还是动态固态发酵反应 器都很难满足工业生产的需求。发酵工业急需开发新的反应器。本发明正是为了解决次问 题而提出。本发明的构思固态发酵和液体发酵有本质的不同。由于固态发酵体现中的连续 相为气相，同时固态基质其导热系数和热容较低，这导致固态发酵系统中很容易建立温度 梯度，造成系统中局部温度偏高，发酵难以进行甚至出现严重的染菌现象。为了使发酵体系 较为均一，静态发酵反应器如浅盘式其物料往往很薄，装料系数偏低，动态发酵反应器引入 的机械搅拌所产生的强烈剪切力导致菌丝体断裂，降低发酵效率，甚至微生物停止生长。上 述分析显示，固态发酵必须有较强的外界作用力输入以强化固态发酵过程的传热传质，同 时这种作用力又不能是剪切力。和剪切力相对应的是法向力，在固态发酵发酵反应器中输 入较为强烈的法向力作为外界周期剌激的动力源应该是最好的方法。借鉴动物肠胃的作用 原理，本专利公开了以脉动带为动力输入装置，以脉动带的蠕动为周期剌激动力源的好氧 固态发酵反应器设计。本发明技术方案本发明的基本构造如附图1 : 反应器主体结构为罐体1，反应器中的培养基16从高压旋转阀2进入反应器中进 行好氧发酵，发酵完成后从高压旋转阀3排出进入提取车间，发酵过程中贯穿罐体1上下的 液压脉动带4和气压脉动带5在蠕动泵12和高压空气的带动下周期性的进行膨胀和压縮 性运动形成对物料的周期性法向力起到对发酵的强化作用，脉动带4和5在蠕动泵不充液， 不通气的时候被物料压扁，当蠕动泵将液槽13中的液体打入到脉动带中时，脉动带膨胀， 带动物料16膨胀，脉动带中的液体根据发酵过程的需要可以是相对培养基温度低，用于降 低培养基的温度，也可以是相对于培养基有较高的温度用于发酵初始阶段的发酵快速启 动，发酵过程通过无菌空气产生系统(空气压縮机ll，空气过滤器14，空气湿度调节器15， 空气单向阀10)向培养基中供应氧气，发酵过程中产生的尾气从尾气过滤器7排出，控制液 体单向阀8和三通阀9可以使脉动带中的液体处于增压过程和泄压过程，形成脉动带的周 期冲压泄压。 本发明具有以下特点和优势 1.反应器结构简单，内部不存在机械运动部件，增加了反应器的可靠性；
2.增加了强化传质传热的功能，可以有效地縮短发酵时间，降低能耗，提高了生产 效率，反应器中的收縮的喉箍结构设计使反应器中的物料运行速度不同，进一步增强了混 合和传质过程； 3.用法相作用力替代了传统的剪切力强化反应器内部的传质过程，更有利于微生 物的生长。
图1以蠕动为周期剌激动力源的好氧固态发酵反应器结构示意图，1，罐体；2，3， 高压旋转阀；4，液压脉动带；5，气压脉动带；6，弧形突起；7，尾气过滤器；8，液体单向阀； 9，三通阀；10，空气单向阀；ll，空气压縮机；12，蠕动泵；13，液槽；14，空气过滤器；15，空
气湿度调节器；16，培养基。
图2脉动带示意图，1，脉动带上的金属箍；2，脉动带中可膨胀部分；3，脉动带可膨 胀部分膨胀后的状态。
具体实施例方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例l 用本反应器进行了纤维素酶的固态发酵，实验的反应器体积为5m3，以绿色木霉为 发酵菌种，汽爆玉米秸秆和麦麸以质量比4 : l混合，用2.5倍质量的无机盐溶液(每升自 来水含有15g(NH4)2S04，6g MgS04，3g KH2P04)调节含水量后灭菌，接种绿色木霉种子液后通 过高压旋转阀2进料。装料完毕后开始调节液槽13中的水温(本实施例中用水作为液压 脉动带中的工作介质)为3(TC，使发酵快速启动。发酵启动后在液压脉动带中通入温度为 20°C的水，控制反应温和进行，反应进程的1-2天，调节液压脉动带的脉动周期为180min — 次，3-5天，脉动周期为60min—次。脉动带的最大冲水体积为lm3。气压脉动带中无菌空 气的通入量为lmVmin。第5天发酵结束，相对于传统静态发酵方法，时间縮短了 2_3天，滤 纸酶活提高了 20%。
实施例2 用本反应器进行了白僵菌的固态发酵，用于高活力白僵菌孢子粉的生产，所用的 的反应器体积为10m3，安装4条脉动带，气压脉动带和液压脉动带各两条。以球孢白僵菌为 发酵菌种，稻壳和麦麸以质量比2 : l混合，用2.5倍质量的无机盐溶液(每升自来水含有 15g(NH4)2S04，6g MgS04，3g KH2P04)调节含水量后灭菌，接种绿色木霉种子液后通过高压旋 转阀2进料。装料完毕后开始调节液槽13中的水温(本实施例中用水作为液压脉动带中的 工作介质)为3(TC，使发酵快速启动。发酵启动后在液压脉动带中通入温度为2(TC的水， 控制反应温和进行，反应进程的1天，调节液压脉动带的脉动周期为100min —次，2-4天，脉 动周期为45min—次。脉动带的最大冲水体积为lm3。气压脉动带中无菌空气的通入量为 5mVmin。第4天发酵结束，相对于传统静态发酵方法，时间縮短了 2-3天，活孢子数量提高 了 25%。
权利要求
一种以蠕动为周期刺激动力源的好氧固态发酵反应器，其结构为外形为圆柱状，中间为一收缩的喉箍结构，内部有两条或多条精密铸造硅橡胶脉动带，通过其周期蠕动来强化发酵过程的传热传质，其中液压脉动带内部通液体，根据发酵的不同阶段可以通入温度不同的液体，附带起到强化热量传递作用；气压脉动带通无菌空气，当压力增大时空气可以从脉动带上特制的小孔喷出用于发酵过程氧气供应。
2. 如权利要求1所述固态发酵反应器，其特征在于，所述的反应器用不锈钢或碳钢制造，反应器的体积和脉动带的最大膨胀体积之比为io : i-ioo : i。
3. 如权利要求1所述的固态发酵反应器，其特征在于，所述的液压脉动和气压脉动带为非均匀结构，内部可以用蠕动泵充液体或空气，在充入液体时脉动带会发生膨胀，体积膨胀倍数为1. 5-15倍，对反应器内部的物料形成周期剌激。
4. 如权利要求1所述的固态发酵反应器，其特征在于，所述的液压脉动带中的液体温 度为4-6(TC，冲压和泄压的周期为10-180分钟。
5. 如权利要求1所述的固态发酵反应器，其特征在于，所述的气压脉动带平均每分钟 通气量为培养基体积的0. 2-20倍。
6. 如权利要求1所述的固态发酵反应器，其特征在于，所述的气压脉动带通入的空气 的相对湿度为50-100%，温度为15-35°C。
7. 如权利要求1所述的固态发酵反应器，其特征在于，本反应器可以用于分批发酵和 连续发酵。
全文摘要
本发明公开了一种以蠕动为周期刺激动力源的好氧固态发酵反应器，其结构为外形为圆柱状，中间为一收缩的喉箍结构，内部有两条或多条精密铸造硅橡胶脉动带，通过其周期蠕动来强化发酵过程的传热传质，其中一类内部通液体，根据发酵的不同阶段可以通入温度不同的液体，附带起到强化热量传递作用，一类通无菌空气，当压力增大时空气可以从脉动带上特制的小孔喷出用于发酵过程氧气供应。本发明用蠕动为周期刺激动力源，既可强化反应器内部的热量和质量传递，又避免了对丝状真菌的剪切力损伤。微生物在此作用力下适应性更强，代谢速度快，产物比例大。本发明在传统的固态发酵反应器之外又提供了一种新的动态固态发酵反应器。
文档编号C12M1/02GK101768544SQ20101011368
公开日2010年7月7日 申请日期2010年2月24日 优先权日2010年2月24日
发明者李宏强, 陈洪章 申请人:中国科学院过程工程研究所