专利名称：一种强化固态发酵的装置与方法
技术领域：
本发明属于发酵领域，特别涉及一种强化固态发酵的装置和方法。
背景技术：
固态发酵作为一种古老的发酵方式已经有了几千年的历史，在公元前2600年，人 们就开始采用固态发酵的方式来生产面包，就是在近几个世纪，固态发酵在豆豉、腐乳、酱 醋等的生产以及青贮和堆肥等方面还有着广泛的应用，可是近年来由于大规模深层液态发 酵技术的广泛应用和巨大成功，固态发酵几乎被完全忽视了。在最近的15 20年里。由于 固态发酵自身的特点以及液体深层发酵所不具有的优势而重新受到人们的重视，在工农业 废弃物处理、酶的生产、沼气、乙醇、丁醇、有机酸生产以及真菌代谢物或真菌孢子的生产中 得到越来越多的应用。固态发酵与液态发酵相比，具有很多的优势和特点1)成本低廉，发 酵底物来源广泛；2)有些发酵产品只有在固态发酵时产生，或者在固态和液态条件下都产 生，但在固态发酵条件更有利于发酵生成产品；3)通过固态发酵处理农业废弃物和城市生 活垃圾，有利于保护环境，减少有机固体的排放，同时可以生产生物能源和生物基化学品， 如乙醇、沼气、丁二酸、2，3_ 丁二醇、有机肥等；4)无“三废”排放；5)能耗低，投资少。但是固态发酵也有它的天然缺陷固态物料不利于传质、传热，且发酵过程搅拌困 难或不宜搅拌，造成发酵过程难以控制、发酵效率低、周期长、产品不稳定。人们试图开发各 种固态发酵反应器来强化传质、传热，取得了一定的效果，有的甚至已应用于产业化，如我 们开发了气相双动态固态发酵方法及其发酵装置(专利号=02100176. 6)，将物料置入压力 脉动及循环流动空气的双动态环境中进行固态发酵，这种气相双动态技术和装置引起三重 效应(1)加速微生物新陈代谢，(2)加速营养物与代谢产物在细胞内外的传递，(3)固态 培养基堆积层内颗粒间空隙中气相与反应器内气相主体间的传质与传热方式将由分子扩 散转变为对流扩散，该反应装置已经100立方米的工业规模，应用于生物农药和纤维素酶 固态发酵，取得了很好的经济效益。但该气相双动态以过滤的无菌空气为流动相，对于厌氧 固态发酵并不适应。吉林大学佟金、侯哲生也开发了一种发酵罐(专利号200610017078. X)通过贴有压电片的弹簧组固定连接的柔性壁蠕动来实现强化传热、传质，这种发酵罐虽 然可以使其中的物料产生位移，但难以放大，反应产生的热量无法及时散出，很难应用于工 业化。本发明的特点分析本发明一方面利用固态发酵罐内壁底部和侧面的气囊周期鼓动，使罐内固态物料 产生蠕动，不产生剪切力的条件下，达到搅拌效果，气囊内可以冲水以控制发酵温度；另一 方面气体在储气罐与发酵罐中通过空压机形成闭路循环，强化反应的传热传质，循环气体 可以是无菌二氧化碳、氮气、沼气等应用于厌氧固态发酵，生产乙醇、丁醇、沼气、丁二酸、2， 3_ 丁二醇等厌氧发酵产品，循环气体也可以是无菌空气应用于好氧固态发酵生产微生物油 月旨、酶制剂、生物农药等。
发明内容
本发明的目的本发明的目的是针对固态发酵传热、传质困难，搅拌能耗高以及强搅拌影响微生 物生长的难题，提供一种采用气囊鼓动与气体循环流动强化固态发酵传热、传质，强化固态 发酵的方法。技术方案本发明的技术方案如下一种强化固态发酵的装置和方法，装置由发酵罐(1)、一级储气罐(10)、二级储气 罐(101)、空压机(11)组成，发酵罐(1)是本装置的核心部件，由罐体、侧壁气囊(2)、底部 气囊(3)、侧壁气囊进气阀(8)、侧壁气囊排气阀(81)、侧壁气囊进水阀(82)、侧壁气囊排水 阀(83)、底部气囊进气阀(4)、底部气囊排气阀(41)、底部气囊进水阀(42)、底部气 囊排水 阀(43)、罐体进气阀(9)、排气阀(6)、进料口(5)、出料口(7)和温控系统组成。本发明装置和方法的特征在于发酵罐的内壁底部和测面都分布有可向发酵罐内 部鼓起的气囊，底部气囊与侧壁气囊可通过充气或充水形成周期性的鼓动，一方面使发酵 罐内固态物料缓慢搅拌，加强传质传热，另一方面，水或气在气囊里循环可控制发酵温度； 发酵罐底部有罐体进气阀(9)、顶部有罐体排气阀(6)，一级储气罐中(10)的气体通过空压 机从底部进入发酵罐(1)与发酵物料充分接触，形成0.01-0. 5MPa的压力后，保持2-60s再 从排气阀(6)排出，回到储气罐(10)，形成闭合的气体周期循环，加速微生物新陈代谢，固 态培养基颗粒间空隙气相的传质与传热方式将由分子扩散转变为对流扩散，强化了传质、 传热。发酵罐底部气囊与发酵罐底部为同心圆，其半径大小为发酵罐半径的1/4-1/2，完全 鼓起时为半球形，其体积为发酵罐体积的1/20-1/5，内侧壁上均勻分布4-10个罐体侧壁平 行的气囊。气囊周期性@鼓起与收缩，对发酵物料进行挤压松弛。循环气体可以是氮气、二 氧化碳、沼气和空气。本发明的装置和方法对厌氧固态发酵和好氧固态发酵都适应。
图1为本专利装置图。其中1发酵罐、2侧壁气囊、3底部气囊、4底部气囊进气阀、41底部气囊排气阀、 42底部气囊进水阀、43底部气囊排水阀、5进料口、6罐体排气阀、7出料口、8侧壁气囊进气 阀、81侧壁气囊排气阀、82侧壁气囊进水阀、83侧壁气囊排水阀、9罐体进气阀、10 —级储气 罐、101 二级储气罐、11空压机
具体实施例方式实施例1用本发明的装置和方法来固态发酵汽爆秸秆生产沼气如图1所示本发明的装置包括发酵罐(1)、一级储气罐(10)、二级储气罐(101)、 空压机(11)组成，发酵罐(1)是本装置的核心部件，由罐体、侧壁气囊(2)、底部气囊(3)、 侧壁气囊进气阀(8)、侧壁气囊排气阀(81)、侧壁气囊进水阀(82)、侧壁气囊排水阀(83)、 底部气囊进气阀(4)、底部气囊排气阀(41)、底部气囊进水阀(42)、底部气囊排水阀(43)、 罐体进气阀(9)、排气阀(6)、进料口(5)、出料口(7)。反应器特征在于发酵罐的内壁底部和测面都分布有可向发酵罐内部鼓起的气囊，底部气囊与侧壁气囊可周期性的鼓动；发酵 罐底部有罐体进气阀、顶部有罐体排气阀(6)，气体通过空压机在发酵罐(1)、一级储气罐 (10)中循环；底部气囊与发酵罐底部为同心圆，其半径大小为发酵罐半径的1/2，完全鼓起 时为半球形，其体积为发酵罐体积的1/5，内侧壁上均勻分布6个罐体侧壁平行的气囊。用本装置按如下方法进行汽爆秸秆固态发酵沼气将汽爆秸秆与NH4HCO3混合调 节C N至20-40 1，接入30% (W/W)的活性污泥，加水调整固液(W/W)比为1 3，ρΗ7·0， 将调配好的物料加入到发酵罐中，启动空压机对底部气囊与侧壁气囊充空气，形成周期性 的鼓动，鼓动周期为10-30分钟；一级储气罐中(10)开始时充入二氧化碳，二氧化碳气体 通过空压机从底部进入发酵罐(1)与发酵物料充分接触，形成0.01-0. 5MPa的压力后，保持 2-60s再从排气阀(6)排出，回到储气罐(10)，气体循环周期为10-60分钟。通过周期性的 气囊鼓动和气体循环强化传质、传热，控制发酵温度为30-55°C，3-5天开始产沼气，固态发 酵产沼气后，除部分用来维持气体循环，其余的可以从二级储气罐(101)中释放利用。沼气的传统原料是禽畜粪便，但由于现在养殖业也都采取规模化养殖的方式，粮 食涨价等各种原因导致农户散养畜禽的积极性受到影响。因原料不足影响了沼气的产量， 有的因无发酵原料，沼气池常年不产气，甚至出现弃池现象。因此，人们把目光投向了廉价 富的秸秆原料，然而秸秆发酵沼气目前并不成
功，在工程实践上遭受了严重的挫折，主要存在以下几个问题1、秸秆纤维素、半纤维素和 木质素的结合紧密，难以被微生物降解，造成产气周期长，效率低下；2、原料易于漂浮在料 液上面，不能与微生物充分接触，减缓反应速度，同时，漂浮原料的结壳阻止沼气及时逸出； 3、大多采用传统的地窖池发酵，无法控制发酵温度和产气速率，造成夏天产气多，冬天产气 少或不产气的尴尬局面。通过使用本发明的装置与方法，加快了传质传热，控制了反应温度，沼气产量可达 500ml/g干物料，发酵周期为10-15天，纤维素的降解率为75-85 %，而用三角瓶做实验对 照，沼气产量为234. 2ml/g干物料，发酵周期为30-35天，物料转化率为50-60 %。利用本装 置和方法大大提高了秸秆发酵沼气的效率和稳定性。实施例2用本发明的装置和方法来固态发酵汽爆秸秆生产2，3_ 丁二醇发明装置如实施例1所述，其方法为将汽爆秸秆与麸皮以重量比为4 1混合，力口 水调整固液(W/W)比为1 3，混合后在121°C灭菌1小时，接入3% (W/W)的产2，3_ 丁二 醇菌种的种子液，后加入到发酵罐中，启动空压机对底部气囊与侧壁气囊充空气，形成周期 性的鼓动，鼓动周期为20-40分钟；一级储气罐中(10)开始时充入二氧化碳，二氧化碳气体 通过空压机从底部进入发酵罐(1)与发酵物料充分接触，形成0.01-0. 3MPa的压力后，保持 2-60s再从排气阀(6)排出，回到一级储气罐(10)，气体循环周期为10-60分钟。通过周期 性的气囊鼓动和气体循环强化传质、传热，控制发酵温度为30-35°C。通过使用本发明的装置与方法，加快了传质传热，控制了反应温度，2，3_ 丁二醇产 量可达140g/g干物料，发酵周期为96小时，纤维素的降解率为70-85%，而用三角瓶做实验 对照，2，3_ 丁二醇产量为10g/g干物料，发酵周期为112小时，物料转化率为60-70%。利 用本装置和方法大大提高了汽爆秸秆发酵2，3- 丁二醇的效率和稳定性。
权利要求
一种强化固态发酵的装置，装置由发酵罐(1)、一级储气罐(10)、二级储气罐(101)、空压机(11)组成，发酵罐(1)是本装置的核心部件，由罐体、侧壁气囊(2)、底部气囊(3)、侧壁气囊进气阀(8)、侧壁气囊排气阀(81)、侧壁气囊进水阀(82)、侧壁气囊排水阀(83)、底部气囊进气阀(4)、底部气囊排气阀(41)、底部气囊进水阀(42)、底部气囊排水阀(43)、罐体进气阀(9)、排气阀(6)、进料口(5)、出料口(7)和温控系统组成。
2.按权利要求1所述的发酵罐特征在于发酵罐的内壁底部和侧面都分布有可向发酵 罐内部鼓起的气囊，底部气囊与侧壁气囊可周期性的鼓动；发酵罐底部有罐体进气阀、顶部 有罐体排气阀(6)，气体通过空压机在发酵罐(1)、一级储气罐(10)中循环。
3.按权利要求1所述的底部气囊与发酵罐底部为同心圆，其半径大小为发酵罐半径的 1/4-1/2，完全鼓起时为半球形，其体积为发酵罐体积的1/20-1/5，内侧壁上均勻分布4-10 个罐体侧壁平行的气囊。
4. 一种强化固态发酵的方法，其特征在于，发酵罐(1)内装好发酵物料后，关闭进料口 (5)和出料口(7)，气体通过空压机(11)从底部进入发酵罐(1)与发酵物料充分接触，形成 0. 01-0. 5MPa的压力后，保持2_60s再从罐体排气阀(6)排出，回到一级储气罐(10)，气体 通过空压机(11)在发酵罐(1)、一级储气罐(10)中循环；同时侧壁气囊(2)、底部气囊(3) 通过充气或充水形成周期性的鼓动和收缩强化传质、传热。
5.在发酵罐(1)、一级储气罐(10)中循环的气体可以是氮气、二氧化碳、沼气和空气。
6.本发明的装置和方法对厌氧固态发酵和好氧固态发酵都适应。
全文摘要
本发明公开了一种强化固态发酵的装置与方法，其主要特点是在发酵罐底部和内壁设置气囊并周期性鼓动，在不产生剪切力的条件下，使发酵罐内固态物料搅拌均匀，同时利用空压机、储气罐与发酵罐形成闭路循环，可产生周期性的气体流动，加快固态物料的传质和传热。此装置及方法解决了固态发酵传质传热困难而导致反应不均一、发酵效率低的问题，可用于固态发酵生产沼气、乙醇、丁醇等大宗发酵产品，缩短发酵周期，提高发酵强度和原料转化率。
文档编号C12M1/04GK101798562SQ20101011357
公开日2010年8月11日 申请日期2010年2月24日 优先权日2010年2月24日
发明者彭小伟, 陈洪章 申请人:中国科学院过程工程研究所