连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备的制作方法

本发明属于生物反应器技术领域，特别是一种连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备。

背景技术：

固态发酵具有操作简便，能耗低，发酵周期短，下游处理工艺简单等优点，目前，许多有机酸，蛋白质，酒类产品均采用微生物固态发酵方法来生产，但由于其发酵过程受到的影响因素很多(基质含水量、颗粒度、pH值、发酵温度、气相组成和通气速率等)，且在线监测手段不尽完善，相关的研究还比较缓慢。就固态麸曲的工业制备来说，菌种的扩培仍然采用传统的工艺：原优化菌种——斜面菌种——茄子瓶菌种——三角瓶麸曲。这样从原种扩培到发酵罐所需的菌种量，需要制备几百个三角瓶的麸曲，菌种扩培过程劳动量大，且一个三角瓶麸曲染菌，将导致整个发酵罐菌种都不可用，即麸曲染菌几率高。本发明是一种麸曲菌种大规模制备装置，替代几百个三角瓶的扩培方法，实现菌种生产的标准化，保证产品的同批同质性。

专利ZL 03159569.3发明了一种规模化发酵用的移动式侧向通气厚层发酵设备，该发明可使多个反应器串联。且其箱底为斜面能在发酵结束后靠重力自动排放发酵产物。但大规模的生产需要串联反应器，使占地面积，操作费用增加。

专利CN 102358883 A设计了一种转轴式固态发酵罐，该发酵罐内部可实现雾化补水，水分均匀，湿度控制精度高；且设有夹套，搅拌轴，搅拌桨，即温度控制精度也高。但是该设备内部构造复杂，造价高，且清洗困难。

专利CN 102839119 A发明了一种固态发酵罐，该发酵罐的搅拌系统由壁面刮板，底面刮板和搅拌桨叶构成的框状结构，能有效解决料层厚度不均，受热不均的难题，实现自动化的批量生产。

专利CN 102318789 A发明了一种固态发酵设备及利用该固态发酵设备制备红曲的方法。该设备在采用轴向的供给管来供给物料，搅拌叶片设置在供给管上，当设备旋转时，能起到搅拌和混料的作用。且整个发酵流程在发酵罐内部解决，防止了杂菌污染和霉菌毒素产生。但采用机械搅拌方式对物料剪切力大，影响菌体的生长。

专利CN 202030749 U一种全明视微生物固态发酵罐，该罐体可以旋转，中空的轴伸入发酵罐内，轴上开有小孔，可实现罐内通气。且罐体(包括盖子)为透明的工程塑料材质，能随时的观察到罐内的发酵情况。

因此，关于发酵设备的设计应从控制床层湿度，温度上着手，使得既能够促进物料的混合，保证料层性质均一，且在优化的环境下，又不至于对菌体的生长造成较大的影响。同时也应考虑其造价与操作性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能有效解决发酵罐散热、传质、灭菌困难等问题，且保证操作过程无菌的固态菌种扩培及发酵设备。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备，其特征在于：包括转鼓发酵罐、驱动装置、热交换装置、蒸汽灭菌装置、无菌通风装置、接种装置、补水装置、在线监控装置及控制系统，转鼓发酵罐的罐体包括上、下端部锥形罐体及中部筒形罐体，中部筒形罐体的径向两侧对称固装水平支撑套，两水平支撑套分别安装于两侧的轴承支架上；一侧的第一水平支撑套外部与驱动装置连接并由其驱动，在第一水平支撑套内安装伸入至罐体内部并连接蒸汽灭菌装置、无菌通风装置的第一管路，及连接接种装置、补水装置的第二管路，第二管路连接罐体内的液体分布器；另一侧的第二水平支撑套内安装进出水套管，转鼓发酵罐的罐体外部设置有夹套，该夹套通过进出水套管连接热交换装置；在线监控装置包括罐体内的与控制系统连接的温湿度传感器，CO₂浓度检测仪与O₂浓度检测仪。

而且，所述的驱动装置包括减速箱及步进电机，减速箱的输出齿轮安装于所述的第一水平支撑套外部，步进电机通过减速箱驱动第一水平支撑套旋转，进而驱动转鼓发酵罐旋转。

而且，所述的转鼓发酵罐外部设置的夹套内设置有分隔板，形成相连通的内层夹套及外层夹套，进出水套管的进水口连通内层夹套，进出水套管的出水口连通外层夹套，进出水套管通过旋转接头连接热交换装置的出水口及回水口。

而且，在转鼓发酵罐的锥形罐体上设置有观察口、进(出)料口、取样口、尾气排出口，所述观察口在发酵罐的锥形罐体的两侧各一个。

而且，所述的接种装置由种子储罐，蠕动泵组成，种子储罐通过蠕动泵及第一管路连接所述液体分布器。

而且，所述的补水装置由无菌水储罐，蠕动泵组成，无菌水储罐通过蠕动泵及第一管路连接至所述液体分布器。

而且，所述的通风装置由空气压缩机、空气除菌器、空气加湿器、空气预热器依次连接组成并通过第二管路连接至转鼓发酵罐内部的气体分布器。

而且，所述的蒸汽灭菌装置包括蒸汽发生器，蒸汽发生器通过第二管路连接至所述气体分布器。

而且，所述的气体分布器为螺旋直径逐渐缩小的螺旋管，螺旋管上制有气体分布孔。

本发明的优点和有益效果为：

1、本连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备，发酵罐总体采用转鼓式结构，两端的锥筒形罐壁与中间的圆筒形罐壁有一定角度(30-60℃)，这样整个罐体内腔的横截面大小不同，当罐体转动时，可促进物料的混合，改善物料与物料，物料与空气的传热，传质效果，保证床层性质的均一性，这一定程度上可以替代传统发酵罐的搅拌桨，同时便于罐内清洗。有效的减少了三角瓶，培养箱等设备的使用，减少了培养过程中染菌的几率，对节约生产成本，提高菌种品质具有重要意义。

2、本连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备，驱动装置采用步进电机通过齿轮减速器与转鼓发酵罐外部的第一水平支撑套连接，步进电机可以根据脉冲信号的频率与正负自动的调节转速与转向，以此来控制转鼓发酵罐转动的转速和方向。需要说明的是，前所述的齿轮减速器可以由涡轮蜗杆减速器或传送带代替。

3、本连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备，转鼓发酵罐外设置有夹，通过进水管和出水口与水箱相连，夹套内部水的进出口开在罐体第二水平支撑套的一侧，且整个夹套空间被分隔板分隔成上下两层，从而避免水循环的短路，充分的利用换热面积，且分隔板与夹套内壁和罐体外壁焊接在一起，会随着罐体一起转动，夹套水的进出口管路采用旋转接头连接，这样能保证发酵罐旋转时，仍然能向夹套中通入用于热交换的水，从而实现发酵罐的降温或加温。需要指出的是分隔板可使用多层，或螺旋，波浪形等形式来实现导流的效果。在需要蒸汽灭菌时设置夹套水温度达到100℃，这样可以减少蒸汽灭菌时发酵罐9内腔由于冷凝水的产生而导致的物料的含水率的增加。

4、本连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备，接种装置采用蠕动泵将种子液打入发酵罐内，整个接种过程种子液都在封闭的管路中不与外部接触，避免了使用其它接种方式造成菌种污染，同时在接种过程中应保证蠕动泵的转速在10r/min以下，防止转速过高对菌种产生不良影响。

5、本连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备，第一管路B与转鼓发酵罐内腔相连通，在整个发酵过程中的不同阶段起不同的作用，接种时，开启其蠕动泵，阀a，关闭阀b，种子液可以通过第一管路B进入到发酵罐内，并经过液体分布器，均匀的喷淋在发酵基质中；在发酵过程中发酵基质湿度降低，需要补水时，开启其蠕动泵，阀b，关闭阀a，无菌水可通过第一管路进入到发酵罐中，完成补水。

6、本连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备，第二管路D与转鼓发酵罐内腔相连通，在整个发酵过程中的不同阶段起不同的作用，当物料装入发酵罐后，需要蒸汽灭菌，开启蒸汽发生器，阀c，关闭阀d，蒸汽通过第二管路D进入内腔进行灭菌，从而保证发酵条件的无杂菌影响；在发酵过程中，通过开启空气压缩机，阀d，关闭阀c，压缩空气可以通过空气过滤器，空气加湿器，空气加热器由第二管路D向发酵罐中通入发酵过程中所需要的空气。

7、本连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备，气体分布器为螺旋状，在分布器的底部开有2mm的气体分布孔，该形状分布器可以伸入到发酵基质的内部，对物料起搅拌的作用，同时可使无菌空气与物料充分接触，利于氧气的供应与热量的排出。

8、本连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备，蒸汽灭菌，接种，发酵过程全部都在发酵罐内进行，避免了操作过程中的杂菌污染，其中接种采用液体接种的方式，劳动强度小，操作过程染菌几率小。

9、本连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备，中央控制板与转鼓发酵罐、步进电机、蠕动泵、水泵、空气压缩机等连接，能实时的控制电动机，空气压缩机，蠕动泵，水泵与各类电磁阀的开关，实时控制发酵过程中发酵罐的转速，转动方向，以及发酵罐内温度，湿度，空气流量等条件，保证菌种处在最优化的环境条件下生长，从而最大程度的利用资源，提高生产效率，且实现了自动化生产。

10、本发明能在较短时间内能获得大批量，高质量的菌种或其他发酵产品，生产效率高，生产过程安全，同时，降低了接种，灭菌的费用和发酵过程中的费用，提高了其经济性。

附图说明

图1为本发明的流程结构示意图；

图2为本发明的转鼓发酵罐的剖视图；

图3为图1的E-E向剖视图；

图4为本发明的液体分布器的俯视图。

附图标记说明

1-加热器、2-水箱、3-出水管、4-电动调节阀、5-旋转接头、6-水泵、7-进水管、8-第二轴承支架、9-转鼓发酵罐、10-夹套、11-液体分布器、12-温湿度传感器、13-气体分布器、14-观察口、15-进(出)料口、16-第一轴承支架、17-减速箱、18-步进电机、19-CO₂浓度检测仪、20-O₂浓度检测仪、21-蠕动泵、22-种子储罐、23-无菌水储罐、24-空气预热器、25-空气加湿、26-空气除菌器、27-蒸汽发生器、28-空气压缩机、29-触摸屏、30-控制柜、31-第一水平支撑套、32-第二水平支撑套、33-气体分布孔。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种连续转鼓式黑曲霉菌株固态发酵法扩培及孢子生产设备，其包括转鼓发酵罐9、驱动装置、热交换装置、蒸汽灭菌装置、无菌通风装置、接种装置、补水装置、在线监控装置及控制系统。转鼓发酵罐的罐体包括上、下端部锥形罐体及中部筒形罐体，中部筒形罐体的径向两侧对称固装水平支撑套，两水平支撑套分别安装于两侧的轴承支架上。一侧的第一水平支撑套转动安装于第一轴承支架16上，一侧的第一水平支撑套31外部与驱动装置连接并由其驱动。发酵罐9总体采用转鼓式结构，两端的转鼓式结构与中间的圆柱有一定角度(30-60℃)。这样整个罐体内腔的横截面大小不同。当罐体转动时，可促进物料的混合，改善物料与物料，物料与空气的传热，传质效果，保证床层性质的均一性。这一定程度上可以替代传统发酵罐的搅拌桨，同时便于罐内清洗。在转鼓发酵罐的锥形罐体上设置有观察口14、进(出)料口15、取样口、尾气排出口，观察口在发酵罐的锥形罐体的两侧各一个。

驱动装置包括减速箱17及步进电机18，减速箱的输出齿轮安装于第一水平支撑套外部，步进电机通过减速箱驱动第一水平支撑套旋转，进而驱动转鼓发酵罐旋转。可以实现罐体任意速度的转动与任意角度的启停。步进电机可以根据脉冲信号的频率与正负自动的调节转速与转向，以此来控制发酵罐9转动的转速和方向。需要说明的是，前所述的齿轮减速器17可以由涡轮蜗杆减速器或传送带代替。

在第一水平支撑套内安装伸入至罐体内部并连接蒸汽灭菌装置、无菌通风装置的第一管路D，及连接接种装置、补水装置的第二管路B，第二管路连接罐体内的液体分布器11。

接种装置由种子储罐22，蠕动泵21组成，种子储罐通过蠕动泵及第一管路B连接液体分布器。补水装置由无菌水储罐23，蠕动泵21组成，无菌水储罐通过蠕动泵及共用的第二管路B连接至液体分布器。采用蠕动泵21将种子液打入发酵罐9内，整个接种过程种子液都在封闭的管路中不与外部接触，避免了使用其它接种方式造成菌种污染，同时在接种过程中应保证蠕动泵的转速在10r/min以下，防止转速过高对菌种产生不良影响。

第二管路B与前述发酵罐9内腔相连通，在整个发酵过程中的不同阶段起不同的作用。接种时，开启蠕动21，阀a，关闭阀b，种子液可以通过管路B进入到发酵罐内，并经过液体分布器11，均匀的喷淋在发酵基质中。在发酵过程中发酵基质湿度降低，需要补水时，开启蠕动泵21，阀b，关闭阀a，无菌水可通过管路B进入到发酵罐中，完成补水。

蒸汽灭菌装置包括蒸汽发生器27，蒸汽发生器通过共用的第二管路D连接至气体分布器13。通风装置由空气压缩机28、空气除菌器26、空气加湿器25、空气预热器24依次连接组成并通过第一管路D连接至转鼓发酵罐内部的气体分布器13。气体分布器为螺旋直径逐渐缩小的螺旋管，螺旋管上制有气体分布孔33。该形状分布器可以伸入到发酵基质的内部，对物料起搅拌的作用，同时可使无菌空气与物料充分接触，利于氧气的供应与热量的排出。

第一管路D与前述发酵罐9内腔相连通，在整个发酵过程中的不同阶段起不同的作用。当物料装入发酵罐9后，需要蒸汽灭菌，开启蒸汽发生器27，阀c，关闭阀d，蒸汽通过第一管路D进入内腔进行灭菌，从而保证发酵条件的无杂菌影响。在发酵过程中，通过开启空气压缩机28，阀d，关闭阀c，压缩空气可以通过空气过滤器26，空气加湿器25，空气加热器24由第一管路D向发酵罐9中通入发酵过程中所需要的空气。

另一侧的第二水平支撑套32转动安装于第二轴承支架8上，第二水平支撑套内安装进出水套管，转鼓发酵罐的罐体外部设置有夹套10，该夹套通过进出水套管连接热交换装置。转鼓发酵罐外部设置的夹套内设置有分隔板34，形成相连通的内层夹套及外层夹套，进出水套管的进水口连通内层夹套，进出水套管的出水口连通外层夹套，进出水套管通过旋转接头5连接热交换装置的进水管7及出水管3。发酵罐9的外部设置夹套，通过进水管7和出水管3与热交换装置的水箱2相连。出水管上设置有电动调节阀4。水箱内设置有加热器1。进水管上设置有水泵6。夹套内部水的进出口开在罐体转轴的一侧，且整个夹套空间被如图2所示分隔板10分割成内、外层，从而避免水循环的短路，充分的利用换热面积，且分隔板10与夹套内壁和罐体9外壁焊接在一起，会随着罐体一起转动。夹套水的进出水套管采用旋转接头5连接，这样能保证发酵罐9旋转时，仍然能向夹套中通入用于热交换的水，从而实现发酵罐9的降温或加温。需要指出的是前述分隔板10可使用多层，或螺旋，波浪形等形式来实现导流的效果。在需要蒸汽灭菌时设置夹套水温度达到100℃，这样可以减少蒸汽灭菌时发酵罐9内腔由于冷凝水的产生而导致的物料的含水率的增加。

在线监控装置包括罐体内的与控制系统连接的温湿度传感器12，CO2浓度检测仪19与O2浓度检测仪20。温湿度传感器信号线密封于管路C中。控制系统包括控制柜30、中央控制板29。中央控制板29与发酵罐9，步进电机18，蠕动泵21，水泵6，空气压缩机28等连接，能实时的控制电动机28，空气压缩机1，蠕动泵21，水泵6与各电磁阀的开关，保证微生物在最适的条件下生长，实现系统的自动化控制。

以柠檬酸麸曲扩培为例，其制备过程步骤如下：

(1)混料：将小麦麸皮过60目筛子后，称取适量转入发酵罐中，通过管路A补充一定量的水分，然后开启步进电机18旋转发酵罐9使麸皮与水混合均匀；

(2)蒸料：利用蒸汽发生器27产生的高温蒸汽，当蒸汽到达一定压力下，开启阀门c，使高温蒸汽以一定的压力供给发酵罐内，保证压力一段时间，打开排气口11将蒸汽排出；

(3)冷却：利用空气压缩机28和空气过滤器26分离出无菌空气，调节阀门d，将无菌空气经过空气预热器预热后通入发酵罐9内，冷却发酵罐9和物料；

(4)分离：开启步进电机18，通过调节脉冲信号转换器获得固定转速，使发酵罐9连续转动，使冷却后的麸皮进行分离，防止物料聚团；

(5)接种：将种子液在无菌的条件下放入接种罐中，打开蠕动泵，调节蠕动泵的转速，保持在10r/min以下，慢慢的种子液打入到发酵罐中，在接种的过程中保证发酵罐转动，便于发酵基质与种子液充分混合；

(6)发酵：通过空气除菌器26，空气加湿器25，空气加热器24，向发酵罐9内通入一定湿度与温度的无菌空气，并调节夹套水温度与补水量，使罐内温度处于33-38℃，物料湿度80％以上。

(7)收获：待前述麸曲的发酵程度合格后，打开进(出)料口15即得到所需要的产品。

本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。