专利名称：絮凝酵母悬浮床连续发酵反应器的制作方法
技术领域：
本发明属于生物发酵工程酒精连续发酵装置。
酒精广泛地应用化工、医药、食品等各行业，有些国家将酒精作为“绿色能源”而开展系统的研究，近年来中国酒精产品亦在大幅度增长。但酒精生产过程中，一直是间歇发酵，发酵浓度低，一般7%(V)左右，时间长达65～75小时，设备利用率低，要消耗大量酒母，酵母细胞不能回收，所以成本较高。为此，国内外对酒精采用固定化酵母连续发酵开展了大量的研究，已有很多采用载体包埋或吸附等固定化技术的小试研究论文发表，例如M.J.
and J.M.Lema在Enzyme Microb.，Technol 1987.vol 9，NO vem ber杂志上载文“Cell jmmobilizationApplication to alcohol Production”，综合分析了这些成果。但因其大规模制造固定化酵母的技术复杂，使用寿命短，成本很高，因而迟迟没有实现工业化生产。
本发明采用了与上述完全不同的酵母固定化技术。为了实现酒精发酵过程连续化，提出了利用某些酵母的絮凝特征实现连续发酵的新概念，选育出了具有较强自身絮凝能力的粟酒酵母菌株，使之自身絮凝成0.5～1.5mm的颗粒，作为固定化手段。并对该菌株的生物特性进行了研究，掌握了絮凝条件及絮凝颗粒的发酵特性。
粟酒酵母(S·Pombe)是一种裂殖酵母，能利用葡萄糖、麦芽糖、蔗糖以及糊精等进行发酵，有较强的酒精发酵能力。该酵母经驯化后在25～35℃，糖浓度2～25%，PH值3～5等条件下，能絮凝成0.5～1.5mm的颗粒，有一定牢固度，而且在以后的增殖过程中不再有酵母游离出去，这就为连续发酵提供了可能性。絮凝颗粒形状不规则，受环境的流体力学条件和发酵强度的影响很大。如果流速太慢，可能使颗粒堆积接触而进一步凝聚形成渣饼状大块;如果搅动强烈，剪应力大，颗粒即被破碎。絮凝颗粒比重大于发酵液，能自然沉降，其速度为0.45～0.72cm/s。为了保持颗粒的大小，需让它们悬浮在发酵液中缓和地运动，保持与发酵液良好的接触。
粟酒酵母的另一特征，是少量氧能改善它的活性和对酒精的耐受性。特别在酵母浓度很高时需要补充一定量的氧。然而传统的间歇发酵是厌氧的，故要打破厌氧发酵的传统，在发酵过程中通入少量空气，既可作为保持悬浮状态的驱动力，又提供了有限氧。
本发明开发的新的酵母固定化连续发酵的方法，可以克服间歇发酵存在的缺点，为此发明了絮凝酵母悬浮床连续发酵反应器。这种方法操作简单，不需要任何载体和药剂，可获得比其它固定方法高得多的菌体浓度(40～60kg(干重)/m3)，从而可达到较高的设备生产强度(8～12kg酒精/m3·h)，为实现工业化生产奠定了基础。为了实现这种絮凝酵母的生长、絮凝和发酵过程，需要有一种合适的反应器，本发明即为此而设计的一种“絮凝酵母悬浮床连续发酵反应器”。在500立升容积中试验，结果十分理想，并正在进行10m3反应器设计，产量达2000吨酒精/年的工业生产规模。
这种反应器的外壳由底部锥形封头(2)，下筒体(3)，上部扩大段(8)和顶部椭圆封头(7)四部分组成。内件由空气分布器(10)，气升管(4)，气体分流器(5)和沉降导筒(6)四部分组成。另外，下圆筒外设有水冷却夹套(9)。整个反应器为一圆柱形容器，在密闭条件下连续操作。(见附图
)为了满足絮凝酵母颗粒的悬浮，生长繁殖和增强活力的需要，反应器中要通入空气。故在反应器内安装了空气进口管(1)，空气分布器和气升管等装置。当压缩空气经过过滤灭菌后进入空气进口管，在空气分布器被分散成小气泡，向上进入气升管中。空气进口管和气升管安装在反应器的中心，空气进口管与底部锥形封头焊结在一起。气升管是一两端开口的圆管。当空气气泡进入气升管后，管内外产生了密度差，气升管内发酵液与气泡一起向上运动，管外液体向下自气升管底部流入，形成内循环，这就使得整个反应器中的发酵液缓慢地运动起来，保持颗粒酵母呈悬浮运动状态。其快慢可由通空气量来控制，一般通风比为0.001～0.1m3(气)/m3(液)·分，在气升管中，酵母与空气接触，获得所需要的氧。
空气气泡从气升管出来即进入气体分流器。气体分流器安装在上部扩大段的中心，为一圆管，上端焊结在顶部封头，下端悬空，下口正对气升管上口。由于发酵酒精同时生成CO2，纯度很高，是一种产品。但空气通入后，如不将CO2与空气分离，则CO2浓度就会大大下降，变成废气排空。气体分流器的作用就是将空气与CO2分开。当空气气泡进入气体分流器后，由顶部椭圆封头中心空气排出管排出。而CO2则在气体分流器外上升从顶部椭圆封头侧部CO2气体排出管排出。这样就得到了纯CO2作为产品。
当发酵液从气升管上端流出，即进入上部扩大段。由于上部扩大段直径比下筒体大1.5～3倍，发酵液流速减慢，继续进行发酵反应，生成酒精和CO2。由于流速慢，生成的CO2气泡很容易向上运动逸出。同时，在上部扩大段留有较大空间，(发酵液液面由出料口位置确定)，可使发酵过程产生的气泡泡沫在此空间内破碎，不致于随CO2或空气跑出反应器，造成料液溢出事故。
发酵液在扩大段停留一段时间后，向下流动进入下筒体，在气升管外以较快速度向下运动至底部锥形封头，然后回转向上进入气升管，完成一个循环。
底部锥形封头可以不使絮凝颗粒酵母产生局部停留堆积而堵塞，故不能有局部死角。
为了保证不将颗粒酵母排出反应器，在上部扩大段安装了沉降导筒，其形状为一圆筒，上下开口，直径比上部扩大段略小。于是导筒与扩大段之间形成了一环隙状空间。在此空间液体几乎是静止状态，所以，发酵液中的颗粒酵母因重力而自然沉降到下部筒体中，环隙中则形成澄清发酵液，将此清液排出反应器，颗粒酵母就被完全截留在反应器内，连续使用，并保持30～60kg(干重)/m3的浓度。
在反应器下部安装有糖液进口，可不断输入糖液进行发酵。发酵好的发酵液可连续排出，其酒精浓度可达9%～12%(v)，设备生产强度可达8～12kg酒精/m3·h，比一般间歇发酵提高8～10倍。从而实现了连续工业化生产。
发酵是放热反应。为了保持发酵温度，在下筒体外安装有水冷却夹套，通入冷却水降温。
反应器有如下一些特点1.在反应器内设置空气进口管，空气分布器和气升管，以便能通入少量空气，使反应器内发酵液产生缓慢环流运动，絮凝酵母始终悬浮在发酵液中进行酒精发酵。同时，在气升管中酵母与空气直接接触，提高了酵母活力和酒精耐受性，并使酵母略有增值。
2.反应器上部扩大段直径加大，使絮凝酵母在此减速缓行，加强发酵，使CO2气泡便于上升逸出，上部空间可将气泡破碎，防止发酵液溢出。
3.气体分流器把空气和CO2分开，各行其道，从而得到纯CO2产品。
4.沉降导筒将絮凝酵母完全截留在反应器内，长期使用，完全不用再加酒母，也不需要生产酒母的设备、动力和原料，可降低成本10%左右。
5.反应器外设计有水冷却夹套，可通入冷却水，保证反应在最佳温度条件下进行。
实施例有效容积为500立升的絮凝酵母悬浮床连续发酵反应器，其下筒体直径400mm，长3200mm，气升管内径125mm，高3590mm，上部扩大段直径为800mm，高950mm，沉降筒直径700mm，高650mm，气体分流器直径为250mm，高700mm，冷却夹套直径为500mm，高2800mm。
将糖化好的浓度为18～22%的糖液注入反应器，按0.1kg(干重)/m3糖液接入絮凝酵母颗粒，通气进行培养。当絮凝酵母浓度达到30kg(干)/m3时，进入发酵过程，通气量为0.016m3(气)/m3(液)·分，温度控制在28～35℃，当发酵液中残糖浓度降至3～4kg/m3时，开始不断地加入糖液，并不断地排出发酵液，进入连续操作过程。
连续操作稳定后，测得各项结果如下稀释率 D＝0.05～0.2m3(糖液)/m3(发酵液)·h通气比 V＝0.001～0.1m3(空气)/m3(发酵液)·分糖化液总糖 C＝150～250kg/m3PH值 PH＝5.0～6.0发酵液中残糖浓度 C＝3～10kg/m3总糖利用率 γ＝88.6～94.1%酒精浓度 C＝9%～12%(v)
PH值 PH＝3.0～5.0絮凝酵母浓度 C＝18.3～41.0kg(干)m3设备生产强度 7.95～15.6kg(酒精)/m3·hCO2纯度 99.7%由以上结果可以看出，本反应器连续发酵的结果优于间歇发酵，尤其是设备生产强度提高了8～10倍，也即设备容积和发酵时间都比间歇发酵缩小了8～10倍。
权利要求
1.一种圆柱形絮凝酵母悬浮床酒精连续发酵反应器，其外壳由底部锥形封头、下筒体、上部扩大段和顶部椭圆封头四部分组成，其特征是底部锥形封头装有空气分布器；下筒体内装有气升管，外有水冷却夹套；上部扩大段里有气体分流器和沉降导筒，外壳与所有内件构成相互关联的有机整体。
2.根据权利要求1所述的连续发酵反应器，其特征在于底部锥形封头中心焊接有空气进口管和孔板空气分布器，可将过滤灭菌后的空气分散成小气泡，并立即进入下筒体内装有的两端开口圆筒状气升管，其作用是形成气升管内外密度差，推动发酵液作内循环运动，通风比为0.001～0.1m3(空气)/m3(发酵液)·分，絮凝酵母颗粒即均匀悬浮在发酵液中，不致成堆结块;酵母吸收空气中少氧而提高活力和酒精耐受性，发酵温度由外水冷却夹套控制。
3.根据权利要求1～2所述的连续发酵反应器，其特征在于上部扩大段，其为一圆筒，上与顶部椭圆形封头法兰相连，下与下筒体焊接，但其直径大于下筒体，直径比为1.5～3∶1，扩大段的作用是减缓发酵液流动速度，加快发酵过程，有利于CO2气泡逸出，并有破碎气泡、防止发酵液从上部排气管随气泡溢出的作用。
4.根据权利要求1～3所述的连续发酵反应器，其特征在于气体分流器为上端焊接在椭圆形封头，下端悬空于反应上部扩大段中心部位的圆柱筒，而且下口正对气升管上口出口，其作用是使气升管中排出的空气泡经气体分流器，从椭圆封头中心管排出，避免与发酵生成的CO2混合，从而得到纯CO2产品。
5.根据权利要求1～4所述的连续发酵反应器，其特征在于反应器上部扩大段内还装有一个上下开口、直径比上部扩大段略小、呈圆筒状的沉降导筒，固定在上部扩大段上，其作用是，在沉降导筒与上部扩大段之间形成一环隙，环隙中的发酵液基本处于静止状态，故使发酵液中絮凝颗粒酵母因重力而自然沉降到下部，环隙上部形成不含絮凝颗粒的澄清液，由侧面排出管排出，这样絮凝酵母就被截留在反应器中反复利用，实现连续发酵。
全文摘要
本发明根据自行选育的粟酒絮凝酵母，并利用其生长、絮凝、发酵等生物特性，为实现酒精连续发酵而设计开发了絮凝酵母悬浮床连续发酵反应器。此反应器采用通入少量空气的方法使絮凝酵母颗粒保持缓慢运动的悬浮状态，既保持其颗粒形状，又使酵母增加了活力，提高了发酵能力。在本反应器中设有气体分流器，使产生的CO
文档编号C12P7/06GK1086542SQ92112100
公开日1994年5月11日 申请日期1992年9月25日 优先权日1992年9月25日
发明者冯朴荪, 白凤武, 谢健 申请人:大连理工大学