[发明专利]一种浅盘式固体发酵设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种浅盘式固体发酵设备，属于发酵设备技术领域。

背景技术

迄今为止，已有许多类型的固态发酵反应器问世。B．Lonsane 曾经归纳出了9种不同形式的工业规模的固态发酵反应器：转鼓式、木盒式、加盖盘式、垂直培养盒式、倾斜接种盒式、浅盘式、传送带式、圆柱式和混合式等。K．E．Aidou也提出了10种不同形式的固态发酵反应器，但以基质的运动情况则可以分为两类：①静态固态发酵反应器，包括浅盘式和塔柱式反应器；②动态固态发酵反应器，包括机械搅拌的简、栓式和转鼓式反应器等。真正用于大规模工业化生产的设备很少有定型产品（蒋勤,，2011）。

固态发酵不同于深层液态发酵，反应基质以固态形式存在，反应体系内的传递过程极其复杂，包括气-固、气-液、液-固等形式，气相是其最主要的流动介质，因此固态发酵生物反应器与液体发酵反应器有着显著的区别；多数固态发酵控制手段通常采用提供宏观最佳的温度、含水量、通气量及适宜pH值来实现发酵控制，反应器的设计也基本上只考虑这几个方面的调控。在传统化工中，一碰到固体反应物料的传质、传热问题就是机械翻动，即气相不动，固相动，连续稳定操作。其翻动的目的就是使颗粒混合，加速反应颗粒之间或与气相分子间的接触频率，并使料层间的气体由分子扩散变为对流扩散。但对发酵过程中的微生物反应而言，过多的翻动对生长是不利的，使菌丝体断裂，翻动引起的剪切力对菌体往往会有伤害。

传统发酵设备中的厚层通风发酵往往通风不均匀，放大困难，最后也要伴以机械搅拌。翻动固体物料除设备机械密封困难，能耗高，结构复杂，易引起杂菌污染等问题外，最为严重的还是培养基易结团，不可能象干硬颗粒物料那样，机械搅拌达到单颗粒混合尺度。即团块内部的大量颗粒不受机械翻动的影响，因此变分子扩散为对流扩散的有效性是十分有限的。对菌体而言，实际达不到温度、湿度、供氧均匀的目的。这就是我们彻底放弃通常意义上的所谓固体培养基连续或间断运动的动态发酵反应器的根本原因。动态固态发酵反应器内微生物生长较快并且均一，放大过程中所遇到的困难是由于物料运动导致在生长过程中菌丝被伤害，这个问题的严重性随着发酵器容积的增大而增加。此外，在放大过程中还会存在：发酵体系湿度控制，保持不染菌，发酵基质聚集成球状而影响传质传热等诸多方面的问题。例如，转鼓式动态固态发酵反应器，菌丝体和培养基颗粒(特别是淀粉和粘性原料)会结成块。在这些情况下，除了转鼓的阻力影响外，要分离这些聚合体非常困难。当鼓的转动速率增大时，剪切力的作用会影响菌丝体的生长。流化床式反应器操作的难易主要取决于颗粒的大小和粒径分布。一般来说，粒径分布越窄的细小颗粒越容易保持流化状态。相反，易聚合成团的颗粒由于撞击、碰撞难以维持流化状态。填充床反应器在设计上必须要使床层的干燥最小化，因为床层的干燥会导致床层的湿度变化，进而影响微生物的生长，另外，床层底部到顶部的温度梯度是不可避免的。压力脉动固态发酵反应器设计主要是以流体静力学理论为基础(固相培养基静态)，以法向作用力为动力源(气相动态周期作用力)，强调生物反应器是一个非线性活细胞代谢与周围环境进行质量、热量、能量、信息交换的生态系统，是由生命系统和环境系统组成的特定空间，而不是单一的装置。用无菌空气对密闭低压容器的气相压力施以周期性脉动。罐体气相压力通过无菌空气进行充压与泄压。压力脉动对固体培养基是静态，但对气相则是动态。压力脉动固态发酵反应器的设备机械结构简单、易密封，不易染菌，循环风机动力小，无菌空气用量小，发酵总能耗低，但是会影响菌丝体的生成。

浅盘式反应器，浅盘式生物反应器(Tray Bioreactor) 这种类型生物反应器非常古老，是最简单的，特别适合酒曲的加工。以前家庭作坊常用这种类型发酵各种各样混合在一起的农业原材料。这种技术用于规模化生产比较容易，这是由于只要增加托盘的数目就可以了。尽管这种技术已经广泛用于工业上(主要是亚洲国家)，这种反应器属于静态反应器，操作相对简单，但装料量少，要实现大规模生产，可增加浅盘数目。浅盘室内的温度和湿度容易控制，特别适用于制曲。但这种反应器由于存在对流空气，散热效果较差，对浅盘物料的厚度有所限制，并且占地面积较大，固需要耗费一定的人力，但对于中小型的厂家较为合适。