专利名称：封闭式固体发酵反应装置的制作方法
技术领域：
本发明属于固态发酵领域，特别涉及一种系统化固态发酵反应器。
背景技术：
制曲设备在酱油制曲工艺中起着举足轻重的作用。目前酱油制曲仍主要采用竹匾方式， 该方式机械化程度低，劳动强度大，而且不能达到无菌操作，特别是遇到黄梅天，酱曲很容 易染菌。因此酱油酿造行业急需一种机械化强度高，密闭操作的设备。现在出现了一些酿造 设备，但是这些设备造价昂贵，很难大规模推广。在固体发酵中最主要的一个问题就是散热 问题，因为固体底物热导性差，导致热量对流和传热效率低，在产热高峰，床层温度急剧上 升，出现温度梯度，在发酵过程中必须尽量减少温度梯度的出现。 一般通过空气对流，蒸发 的方式控制温度，但必须考虑空气对流对水分蒸发的作用，防止水分过度损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种封闭式固体发酵反应装置，该装置完全密闭，可实现无菌操 作，保证发酵产品的安全性。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是
一种固体发酵反应装置，其包括封闭容器、进气系统，进气系统连接封闭容器，进气系 统在发酵过程中向封闭容器添加水分和通入保湿气体进行固体发酵。 进一步，其还包括控制系统，控制系统对反应装置进行时间控制。
所述的封闭容器包括搅拌装置、雾化喷头、空气分布板、温度电极、湿度电极、中心轴， 中心轴和密闭容器外部的电机通过皮带连接，中心轴上设有搅拌装置使得电机转动带动搅拌 装置转动搅拌，雾化喷头设于封闭容器顶部，封闭容器通过空气分布板在其底部分隔出一个 气室，气室设有进气口。
所述的封闭容器为不锈钢柱形筒体， 一侧还设有玻璃的视镜。
所述的封闭容器外壁还可以设保温水浴或者环形加热带。
所述的温度电极为三个，分别位于顶部测定发酵容器顶部气相温度、固体物料温度及位 于气室内测定进气温度；湿度电极则位于罐体顶部测定气相湿度。所述的搅拌装置为螺带状桨叶，由两个宽度和直径相同的圆环焊接而成，螺带宽度为筒体直径的1/10，通过支头螺丝固定在中心轴。
所述的进气系统，包括空气压縮机、滤膜、泄气阀、气体流量计、气动阀门、储水瓶以及增湿器，空气压縮机连接气体流量计并通过气动阀门分别连接增湿器及储水瓶，增湿器与封闭容器的气室相连通进气，储水瓶与封闭容器的雾化喷头相连通进水；所述滤膜为两个，第一滤膜与第二滤膜分别设于气体流量计两侧，泄气阔也为两个，设于滤膜与气体流量计之间。
所述的增湿器顶部设有盖板，增湿器内设有穿过盖板的热电偶、进气管、出气口、温度电极。进气管底部为环状，并且向下开有小孔；增湿器设有加水口及排水口，加水口连接有加水的储水瓶；增湿器还设有测定内部液位高度的液位计。
所述的增湿器为装有一定液位高度的柱形不锈钢筒体，所述液体为水，水是由储水瓶通过液位高度差提供的，其水温通过加热冷却双向温度控制仪稳定在设定值，增湿器顶部上盖板通过法兰并由环状四氟乙烯带密封。
密闭容器中，在中心轴与上盖板连接上采用机械动密封，在需要密封处都有四氟乙烯材料。在罐体和物料灭菌后，接种时借用液态发酵常用的火圈法，接入固体种子。对于增湿器和管路的灭菌采用增湿器湿热蒸汽法灭菌。需要对物料添加水分时，采用经过滤膜过滤的无菌气体将储水瓶里的无菌水压入罐体，并且喷洒在物料上，同时开启搅拌，使水分混合均匀。在整个固体物料发酵过程中，该装置能够实现无菌操作，保证发酵质量。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点本发明能很好的控制发酵过程的温度，通过进口空气控制床层温度，由于加入了固体环境中的特有的搅拌系统，可以在发酵过程中自行添加水分，防止由于强制对流通气散热导致的水分过量损失。该反应器密闭操作，能将固体发酵的温度，水分，通气很好的耦合起来，达到很好的发酵效果。
图1为固体发酵反应装置示意图。
图2为固体发酵反应器气路系统示意图。
图3为增湿器结构示意图。
具体实施例方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。该发明固体发酵反应器包括封闭容器，进气系统。
皮带1将罐体中心轴13和电机14连接起来，加上电流通过变速，电位器调节后，使搅拌转速控制在0-15rpm，满足丝状菌固体发酵低转速的要求。
密闭容器中的搅拌桨为螺带状桨叶6，其是由两个宽度和直径相同的圆环焊接而成。螺带宽度为筒体直径的1/10，通过支头螺丝固定在中心轴13上，当电机14转动时，搅拌桨叶转动，使固体物料顺着桨叶从下往上翻转，并从桨叶中间和罐壁落下，使物料能很好的混合。
密闭容器为不锈钢柱形筒体， 一侧设有玻璃的视镜7。视镜主要为了在发酵过程中观察微生物的生长情况，菌丝的生长和孢子的形成。密闭容器通过空气分布板8使底部形成一个气室ll。气体从底部进气口 lO进入在气室ll内经过空气分布板8后进入发酵罐主体部分，而后从上部的气体出口 5流出。密闭容器中安有三个温度电极，分别是用于测定发酵容器顶部气相温度的气相温度电极2，测定固体物料温度的固相温度电极4和测定进气的气室温度的气相温度电极9。 一个湿度电极3位于罐体顶部测定气相湿度。密闭容器外壁可以添加保温水浴或者环形加热带，在发酵初期，可以通过保温水浴或者环形加热带所提供的热量来促进孢子萌发。
密闭容器顶部还有一个雾化喷头12。当需要向罐体添加水分时，通向增湿器23的一路的气体的第二气动阀门20关闭，同时，开启喷水装置的第一气动阀门19，气体通向第一储水瓶22将瓶内的无菌水压向发酵罐，通过雾化喷头12，喷洒水分。与此同时开启搅拌，使物料混合均匀。
进气系统中，气体由空气压縮机15压縮后，通过第一滤膜16过滤，再经过空气流量计18调节流速，再经过第二滤膜17进一步过滤，然后经过增湿器23加热(冷却)增湿后，进入密闭容器底部气室ll。当不需要添加水分时，增湿器一路的第二气动阀门20处于常开阶段。处于安全性考虑，在气体流量计18与第一滤膜16、第二滤膜17之间各设有泄气阀，在整个发酵过程中，空压机15—直处于运作状态下，当采样时或者工艺上需要停止通气时，这时需要打开泄气阀门进行泄气。增湿器23为装有一定液位高度的柱形不锈钢筒体。增湿器23内的水温通过加热冷却双向温度控制仪稳定在设定值。增湿器23内有热电偶24加热，当温度超过设定值时，开启冷却，冷却端与一个风扇相连接。进入增湿器23的气体由进气管25进入增湿器底部，底部进气管为环状，并且向下开有小孔。气体通过增湿器一定高度的液位，由顶部的出气口26流出，增湿器23中间有一个温度电极27用于测定增湿器内部水的温度。增湿器23顶部上盖板通过法兰28并由环状四氟乙烯带密封。增湿器23内水是由第二储水瓶21通过液位高度差提供，从增湿器进水口30流进。当发酵结束时，增湿器23内部水应及时由排水口 31排出。另外增湿器23 —侧设有上下两个液位计29可以观察内部液位高度，防止水位过低，影响增湿效果。增湿器温度用双向控制温控仪可以控制，主要是为了给气体提供足够的温度和湿度，通过调节增湿器内水温，当气体流过增湿器时，和增湿器内水热交换。使空气得到加热或者冷却，从而空气的温度得以控制。另外，空气通过增湿器时，空气的水分含量得以饱和，成为保湿气体。这有利于减少发酵时空气强制对流对反应器内固体基 质的水分的蒸发，床层压降的增加和床层收縮，防止明显的空气流通缝隙的出现，影响微生 物生长。
控制系统控制搅拌的时间和周期，喷水的时间和周期。这是通过时间继电器实现的， 一般 预先设置好时间继电器开启的持续时间和间隔，控制电机的运转，从而可以控制搅拌的开启 时间和间隔。喷水时间和间隔也是如此。
本发明反应器通过进入密闭容器的气体的温度和流量控制发酵罐体温度。当罐体内微生 物生长旺盛时，会产生大量热量。通过罐壁冷却移除的热量是有限的，因此考虑通过空气的 对流和水分蒸发作为热量移除的主要方式。通过进入罐体气体的温度和流量控制温度。但是 空气流量较大时，固体物料的水分蒸发严重，通过加大固体物料的起始水分含量十分有限。 因此本发明采用途中向罐体添加水分的方法补加水分，并且加入了搅拌系统使水分分布均匀。
此装置完全密闭，装置灭菌后，不易染菌。达到密闭无菌的目的。
实例
首先将发酵固体物料置于固体反应器内，将反应器和无菌水储水瓶于灭菌锅i2rc灭菌
30min。向增湿器添加无菌水至一定高度。开启增湿器加热开关，将无菌水加热至沸腾并产生 蒸汽，持续加热15min，使增湿器和气体管道达到灭菌效果。15min后，关闭加热开关，调节 增湿器温度至发酵温度，增湿器冷却端与风扇连接，增湿器冷却开启，同时开启空气压縮机， 使气体通过增湿器，加速增湿器的冷却。待增湿器温度稳定在发酵温度时，将增湿器出气口 与密闭容器进气口连接，气体进入固体发酵反应器。打开接种口，在无菌操作条件下加入固 体种子。开启搅拌，使种子与固体物料混合均匀。15min后，关闭搅拌。开始发酵。
微生物发酵阶段，通过温度和湿度电极显示发酵情况。当温度超过微生物发酵上限时， 加大通气流量，降低增湿器温度，如果菌体自身对搅拌允许，可以开启搅拌降低温度。当湿 度降低至一定值时，开启喷水装置。关闭通向增湿器的一路的气体气动阀门，同时，开启喷 水装置的气动阀门，气体通向储水瓶将瓶内的无菌水压向罐体，通过雾化喷头，喷洒水分。 与此同时开启搅拌装置，使物料混合均匀。 搅拌和喷水的时间和周期都可以通过时间继电器手动或者自动控制。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉 本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应 用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技 术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种固体发酵反应装置，其特征在于其包括封闭容器、进气系统，进气系统连接封闭容器，进气系统在发酵过程中向封闭容器添加水分和通入保湿气体进行固体发酵。
2、 如权利要求l所述的固体发酵反应装置，其特征在于其还包括控制系统，控制系统 对反应装置进行时间控制。
3、 如权利要求1所述的固体发酵反应装置，其特征在于所述的封闭容器包括搅拌装置、 雾化喷头、空气分布板、温度电极、湿度电极、中心轴，中心轴和密闭容器外部的电机通过 皮带连接，中心轴上设有搅拌装置使得电机转动带动搅拌装置转动搅拌，雾化喷头设于封闭 容器顶部，封闭容器通过空气分布板在其底部分隔出一个气室，气室设有进气口。
4、 如权利要求2所述的固体发酵反应装置，其特征在于所述的封闭容器为不锈钢柱形 筒体， 一侧还设有玻璃的视镜。
5、 如权利要求2所述的固体发酵反应装置，其特征在于所述的封闭容器外壁还设有保 温水浴或者环形加热带。
6、 如权利要求2所述的固体发酵反应装置，其特征在于所述的温度电极为三个，分别 位于顶部测定发酵容器顶部气相温度、固体物料温度及位于气室内测定进气温度；湿度电极 则位于罐体顶部测定气相湿度。
7、 如权利要求2所述的固体发酵反应装置，其特征在于所述的搅拌装置为螺带状桨叶， 由两个宽度和直径相同的圆环焊接而成，螺带宽度为筒体直径的1/10，通过支头螺丝固定在 中心轴。
8、 如权利要求1所述的固体发酵反应装置，其特征在于所述的进气系统，包括空气压 縮机、滤膜、泄气阀、气体流量计、气动阀门、储水瓶以及增湿器，空气压縮机连接气体流 量计并通过各自的气动阀门分别连接增湿器及储水瓶，增湿器与封闭容器的气室相连通进气， 储水瓶与封闭容器的雾化喷头相连通进水；所述滤膜为两个，第一滤膜与第二滤膜分别设于 气体流量计两侧，泄气阀也为两个，设于滤膜与气体流量计之间。
9、 如权利要求8所述的固体发酵反应装置，其特征在于所述的增湿器顶部设有盖板， 增湿器内设有穿过盖板的热电偶、进气管、出气口、温度电极，进气管底部为环状，并且向 下开有小孔；增湿器设有加水口及排水口，加水口连接有加水的储水瓶；增湿器还设有测定 内部液位高度的液位计。
10、 如权利要求9所述的固体发酵反应装置，其特征在于所述的增湿器为装有液位的 柱形不锈钢筒体，所述液体为水，水是由储水瓶通过液位高度差提供的，其水温通过加热冷 却双向温度控制仪稳定在设定值，增湿器顶部上盖板通过法兰并由环状四氟乙烯带密封。
全文摘要
一种封闭式固体发酵反应装置，属于固态发酵反应器领域，其包括封闭容器、进气系统，进气系统连接封闭容器，进气系统在发酵过程中向封闭容器添加水分和通入保湿气体进行固体发酵。进气系统包括增湿器和储水瓶从而分别向封闭容器通入保湿空气及水分，且其还包括控制系统，控制系统对反应装置进行时间控制。封闭容器为圆柱形容器，底部有气室。气室和容器主体部分由空气分布板隔开；封闭容器内部装有搅拌装置，顶部有水分雾化装置。增湿器能很好的控制进入反应器气体的温度和湿度。该反应器密闭操作，通过进入的气体的温度和流量，控制发酵过程的温度。由于加入搅拌装置，可以在发酵中途添加水分，能很好的控制发酵参数，提高发酵的质量和产量。
文档编号A23L1/238GK101496574SQ200910047129
公开日2009年8月5日 申请日期2009年3月6日 优先权日2009年3月6日
发明者余东辉, 夏月兰, 晞 张, 许学书, 谢静莉 申请人:华东理工大学