专利名称：固态发酵设备及利用该固态发酵设备制备红曲的方法
技术领域：
本发明涉及固态发酵领域技术，尤其是指一种防止杂菌污染和霉菌毒素产生，并在短时间内大批量高效固态发酵生产，能够确保同批同质性和经济性的固态发酵设备及利用该固态发酵设备制备红曲的方法。
背景技术：
一般利用微生物制造食品中最具有代表性的发酵食品是发酵黄豆、辣椒等植物类生物的黄酱、辣酱等酱类食品。近来发现黄酱中含有大量抗癌成分并可预防成人病的成分之后，进行对于此种酱类的研究也日趋多元化，另一边则关注可制造此种酱类的微生物。可制造酱类的微生物与现有的乳酸菌、醋酸菌等食品中的细菌类微生物最大区别点在于，可制造酱类的微生物大部分属于真菌类的发霉性微生物，大部分真菌类的发霉性微生物分泌抗代谢物(Antimetabolite)。为了利用此种发霉性微生物发酵固态植物类生物过程中获得其抗代谢物，发酵设备必须使用固态发酵罐设备。根据此种特点，利用此种发霉性微生物在发酵固态生物中无法适用现有的液态发酵方法和设备，在研究中也存在很大的缺点。尤其是，利用真菌类红曲菌发酵大米的红曲已有用于食品和中药的几千年历史，七十年代日本远藤章(Akira Endo)教授发现，红曲菌在发酵过程中分泌莫纳克林K (Monacolin-K)，是一种降低胆固醇的抗代谢物，此抗代谢物与八十年代上市的新型调整血脂药洛伐他汀(Lovastatin)同一成分。因此，红曲大量用于食品、保健食品和药品原料，最近红曲产业越来越发展。原认为通过深层发酵等现代方式的液态发酵可大量生产红曲，但液态发酵时其莫纳克林K含量很低无法大量生产，经济性很低，其产业生产时机未到。目前一般通过曲池发酵等传统方式的固态发酵而大量生产的红曲主要用于食品原料，通过三角瓶发酵等现代方式的固态发酵而大量生产的红曲主要用于保健食品和药品原料。但，曲池发酵等传统方式的固态发酵时大量产生桔霉素(Citrinin)，是一种对肾脏有毒害作用的霉菌毒素，发生食品安全问题。三角瓶发酵等现代方式的固态发酵时无法大批量生产，不能满足国际上保健食品和药品要求的同批同质性(Homogeneity)。此两种固态发酵方式均在曲池或三角瓶内，难以同时解决投料后所有生产流程，较难高效地生产出非常安全的功能红曲。因此，需研究出一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供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，其有效防止杂菌污染和霉菌毒素产生，并能在短时间内大批量高效固态发酵生产，确保了同批同质性，且其经济性强。为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案
一种固态发酵设备，包括有发酵罐、供给管、供给泵、搅拌叶片、驱动装置、热交换器、收集桶及支架，其中，该搅拌叶片设置于供给管上，该驱动装置连接于发酵罐以旋转发酵罐；该发酵罐具有用于投入或排放物料且带开关功能的开口部、用于观察其内部状态的观察窗、用于取样的取样阀和用于排水、排气、排蒸汽的排放阀，并于该发酵罐的内侧壁上设置有多个排列盘；
该供给管穿过前述发酵罐的内部且与前述发酵罐相固接，该供给管一端连通前述供给泵，另一端连通前述收集桶；于该供给管内部设置有隔离壁以切断该供给管，于隔离壁与供给泵之间的供给管上开设有供给口，于隔离壁与收集桶之间的供给管上开设有流出口 ；
该热交换器通过冷气传输装置或热气传输装置连接前述发酵罐以对发酵罐内的发酵物进行降温或加温。作为一种优选方案，针对前述发酵罐，于该发酵罐下方设置有平衡板。作为一种优选方案，所述收集桶与供给管之间设置有收集阀。作为一种优选方案，所述隔离壁和前述供给泵之间的距离与隔离壁和收集阀之间的距离比为7 :3或9 :1。作为一种优选方案，所述驱动装置分别通过蜗轮减速器和逆变调速器连接于前述发酵罐。作为一种优选方案，所述热交换器进一步连接有空气流量计、空压机和空气过滤
ο作为一种优选方案，于前述发酵罐外部设置有用于给发酵罐外表面洒冷水或热水的洒水管。作为一种优选方案，还包括有中央电子控制板，该中央电子控制板分别连接于前述发酵罐、供给管、供给泵、收集桶、驱动装置、蜗轮减速器、逆变调速器及热交换器。一种利用该固态发酵设备制备红曲的方法，其制备步骤如下
(1)泡料通过发酵罐的开口部将大米按一定数量倒入发酵罐中储存，封闭开口部后驱动供给泵供给一定量的水至发酵罐内，用以浸泡大米；
(2)洗料打开驱动装置带动发酵罐旋转几次，洗好大米后，打开排放阀将水排出；
(3)蒸料利用蒸汽锅炉生产高温蒸汽，再将高温蒸气以一定压力供给发酵罐内用以蒸大米，蒸后，打开排放阀将蒸汽排出；
(4)冷却利用空压机及空气过滤器分离出无菌空气，再将无菌空气加入发酵罐内，对蒸后的大米进行冷却；
(5)分离打开电动机带动发酵罐旋转几次，对冷却后的大米块进行分离；
(6)接种利用微生物种子罐提前准备红曲菌种，再将红曲菌种供至发酵罐内大米中；
(7)混合启动驱动装置通过蜗轮减速器及逆变调速器将发酵罐按一定转数及一定速度进行旋转，将发酵罐内的红曲菌种和大米充分搅拌及混合；
(8)保温通过热交换器持续将无菌空气供给发酵罐内发酵中的大米以维持发酵罐内最合适的温度，并将微生物种子罐生产的无菌水持续供入发酵罐内以维持发酵罐内最合适的湿度；
(9)发酵利用驱动装置适当维持发酵罐的旋转速度，一边通过测量器观察发酵罐内的温度及湿度，一边通过观察窗检查发酵罐内大米的发酵状态；发酵罐内的排列盘和供给管上的搅拌叶片将蒸后的大米充分进行搅拌及混合，并通过取样阀采取发酵中的大米样品， 以测定发酵罐内大米的发酵程度；(10)收获前述步骤(9)中大米的发酵程度合格之后，打开开口部收集发酵好的大米， 即红曲。作为一种优选方案，当所收集的红曲内不需要含存活的微生物时，于完成前述步骤(9 )后，先将在蒸汽锅炉生产的高温蒸气输送到发酵罐内，红曲的微生物通过高压灭菌处理后，再进行前述步骤(10)以收集该红曲。本发明采用上述技术方案后，其有益效果在于，主要系通过发酵罐旋转的方式来实现对物料的搅拌及混合，使得发酵罐内一次能够进行大批量发酵生产，投料后至收获发酵物前的生产流程合并在发酵罐内部解决，该生产流程中供入发酵罐内的空气和水均为无菌的，有效防止杂菌污染和霉菌毒素产生；而且按优化的发酵条件随时可控制发酵罐的旋转速度和方向以及发酵罐中内的温度、湿度、压力、空气流量等，以及，前述发酵罐和其周边装置分别与中央电子控制板连接，该中央电子控制板实现了该固态发酵设备的自动化生产作业；藉此，应用本发明之固态发酵设备能在短时间内大批量高效、安全地进行固态发酵生产，确保了同批同质性，同时，在生产单价上，降低了运营费用及灭菌费用，提高了其经济性。为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
图1为本发明之较佳实施例中固态发酵设备的剖面结构示意图； 图2为本发明之较佳实施例中固态发酵设备的侧面示意图。附图标识说明
1、发酵罐2、供给管3、供给泵4、收集桶5、蜗轮减速器6、电动机6-1、逆变调速器7、支架8、阀门8-1、收集阀8-2、取样阀8-3、排放阀9、平衡板10、空气流量计11、开口部12、测量器13、观察窗14、排列盘15、搅拌叶片16、供给口16-1、流出口17、隔离壁18、洒水管19、热交换器20、中央电子控制板21、空压机21-1、空气过滤器22、蒸汽锅炉23、微生物种子罐。
具体实施例方式请参见图1至图2所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有发酵罐1、供给管2、供给泵3、搅拌叶片15、驱动装置(于本实施例中为电动机6)、热交换器19、 收集桶4、支架7和中央电子控制板20，该中央电子控制板20分别连接于前述发酵罐1及其周边装置，以实现该固态发酵设备的自动化生产作业。其中，该发酵罐1为上下封闭横放的圆桶，其内部空间为封闭状态，圆桶曲面的上面中央部分设置有用于投入或排放物料且带开关功能的开口部11，该发酵罐1还具有用于观察其内部状态的观察窗13、用于取样的取样阀8-2和用于排水、排气、排蒸汽的排放阀 8-3，并于该发酵罐1的内侧壁上设置有多个排列盘14，该排列盘14用于防止通过开口部 11投入发酵罐1的谷物和物料堆积，同时使发酵罐1内藏的谷物和物料以向中央部聚集及向两侧面分散的方式均勻混合及充分分离；并针对该发酵罐1，于该发酵罐1下方设置有平衡板9，于本实施例中，该平衡板9位于发酵罐1的正对下面，使得发酵罐1不偏重而易于前后旋转之操作。该供给管2用于将在发酵中所需要的物料输送到发酵罐1内部，其具体要求结构为该供给管2穿过前述发酵罐1的内部且与前述发酵罐1相固接，该供给管2—端连通前述供给泵3，另一端连通前述收集桶4，且该收集桶4与供给管2之间设置有收集阀8-1，收集阀8-1的打开和关闭用以控制收集桶4适时收集发酵过程中流出的供应物料；其中，通过前述供给泵3供给的物料流入发酵罐1内部之前，为防止混合并可定量切断而设置了数个阀门8，即，上述各阀门8设置于各供应物料的相应供给渠道上，根据此阀门8的选择性开关作用，各种水、无菌空气、高温蒸气及微生物菌种等供应物料在供给泵2的作用下，通过供给管2投入到发酵罐1中；以及，于该供给管2内部设置有隔离壁17以切断该供给管2，该隔离壁17和前述供给泵3之间的距离与隔离壁17和收集阀8-1之间的较佳距离比为7 3 或9 :1，于隔离壁17与供给泵3之间的供给管2上开设有供给口 16，于隔离壁17与收集桶 4之间的供给管2上开设有流出口 16-1 ；前述搅拌叶片15设置于该供给管2上，用于搅拌发酵罐1内的物料。前述电动机6通过涡轮减速器5连接于发酵罐1的外部，将电动机6中产生的驱动力传输到发酵罐1，而使发酵罐1按一定速度进行旋转；以及，该电动机6进一步连接有逆变调速器6-1，以控制发酵罐1的旋转方向和速度。需要指出的是，前述蜗轮减速器5可用输送带或齿轮等其他动力传输装置代替，该电动机6可用其它能够符合前述发酵罐1的旋转操作之动力要求的其他动力产生装置。
该热交换器19通过冷气传输装置或热气传输装置连接前述发酵罐1以对发酵罐1 内的发酵物进行降温或加温，于本实施例中，前述发酵罐1外部设置有用于给发酵罐1外表面洒冷水或热水的洒水管18，这样，能够辅助前述热交换器19对发酵物进行降温或加温； 以及，前述热交换器19进一步连接有空气流量计10、空压机21和空气过滤器21-1，该空气流量计10用以控制前述发酵罐1内的空气流量，而空压机21与空气过滤器21-1配合用于向前述发酵罐1内供应无菌空气。本发明的固态发酵罐设备以真菌类微生物发酵谷类(如大米、大麦、小麦、燕麦、玉米等)，其制作红曲的步骤如下
(1)泡料通过发酵罐1的开口部11将大米按一定数量倒入发酵罐1中储存，封闭开口部11后驱动供给泵3供给一定量的水，此时，供给的水通过供给管2的供给口 16流入于发酵罐1中，用以浸泡大米；
(2)洗料打开电动机6带动发酵罐1旋转几次，洗好大米后，打开排放阀8-3将水排
出；
(3)蒸料利用蒸汽锅炉22生产高温蒸汽，再将高温蒸气以一定压力供给发酵罐1内用以蒸大米，蒸后，打开排放阀8-3将蒸汽排出；(4)冷却利用空压机21及空气过滤器21-1分离出无菌空气，再将无菌空气加入发酵罐1内，对蒸后的大米进行冷却；
(5)分离打开电动机6带动发酵罐1旋转几次，对冷却后的大米块进行分离；
(6)接种利用微生物种子罐23提前准备红曲菌种，再将红曲菌种供至发酵罐1内大米中；
(7)混合启动驱动装置(如上述电动机6)通过蜗轮减速器5及逆变调速器6-1将发酵罐1按一定转数及一定速度进行旋转，将发酵罐1内的红曲菌种和大米充分搅拌及混合；
(8)保温通过热交换器19持续将无菌空气供给发酵罐1内发酵中的大米以维持发酵罐1内最合适的温度，并将微生物种子罐23生产的无菌水持续供入发酵罐1内以维持发酵罐1内最合适的湿度；
(9)发酵利用驱动装置(如上述电动机6)适当维持发酵罐1的旋转速度，一边通过测量器12观察发酵罐1内的温度及湿度，一边通过观察窗13检查发酵罐1内大米的发酵状态(前述两个观察窗13中一侧将透过光线，另一侧可用于观察内部的状态)；为了维持优化的发酵条件，利用在热交换器19生产的冷气或热气及从洒水管18撒布冷水或热水于发酵罐1外表面上以维持发酵罐1内最合适的温度；发酵罐1内的排列盘14和供给管2上的搅拌叶片15将蒸后的大米充分进行搅拌及混合；一定时间后，通过取样阀8-2采取发酵中的大米样品，以测定发酵罐1内大米的发酵程度；
(10)收获前述步骤(9)中大米的发酵程度合格之后，打开开口部11收集发酵好的大米，即红曲。需要说明的是，如果使用者仅需收获上述的红曲等谷类发酵物，而所收集的红曲内不需要含存活的微生物时，于完成前述步骤(9)后，先将在蒸汽锅炉22生产的高温蒸气输送到发酵罐1内，发酵物的微生物通过高压灭菌处理后，再进行前述步骤(10)以收集该发酵物。上述发酵物可从开口部11收集处理，将发酵罐1旋转以使得开口部朝下，打开开口部11收集发酵物即可；并且，收集发酵物后将开口部11封闭，重新旋转发酵罐1，在发酵罐1内部设置的排列盘14的作用下，未收集的发酵物又重新集中起来，再开放开口部11收集剩余的发酵物。接下来，详述应用上述制备方法获得红曲的实验数据如下
将大米1，IOOkg装入发酵罐1中再倒入1，100L水，加蒸气灭菌获得硬饭进行冷却，接入液态培养的红曲菌种110kg。之后，按Irpm的速度旋转发酵罐1，发酵15日。通过观察窗13，确认硬饭全面起红色后，注入高温蒸气高压灭菌，吹入热风干燥后，结果获得了莫纳克林K (Monacolin-K)含量5mg/g以上及桔霉素(Citrinin)限量0. 01mg/kg以下的功能红曲 1，000kg。上述结果表明，与深层发酵等现代方式的液态发酵方法相比，在功能性方面红曲的莫纳克林K (Monacolin-K)含量增加了 100倍以上，与曲池发酵等传统方式的固态发酵方法相比，在安全性方面红曲的桔霉素(Citrinin)限量减少了 100倍以上，与三角瓶发酵等现代方式的固态发酵方法相比，在同批同质性(Homogeneity)方面红曲的一批生产量增加了 2，000倍以上。上述功能红曲，在功能性及安全性方面均超过韩国食品医药品安全厅 (KFDA)制定保健食品用功能红曲的国标(Monacolin-K彡0. 5mg/g，Citrinin ( 0. 05mg/ kg)，并在同批同质性(Homogeneity)方面充分满足国际上保健食品和药品的要求。
本发明的设计重点在于，主要系通过发酵罐旋转的方式来实现对物料的搅拌及混合，使得发酵罐内一次能够进行大批量发酵生产，投料后至收获发酵物前的生产流程合并在发酵罐内部解决，该生产流程中供入发酵罐内的空气和水均为无菌的，有效防止杂菌污染和霉菌毒素产生；而且按优化的发酵条件随时可控制发酵罐的旋转速度和方向以及发酵罐中内的温度、湿度、压力、空气流量等，以及，前述发酵罐和其周边装置分别与中央电子控制板连接，该中央电子控制板实现了该固态发酵设备的自动化生产作业；藉此，应用本发明之固态发酵设备能在短时间内大批量高效、安全地进行固态发酵生产，确保了同批同质性， 同时，在生产单价上，降低了运营费用及灭菌费用，提高了其经济性。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制， 故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种固态发酵设备，其特征在于包括有发酵罐、供给管、供给泵、搅拌叶片、驱动装置、热交换器、收集桶及支架，其中，该搅拌叶片设置于供给管上，该驱动装置连接于发酵罐以旋转发酵罐；该发酵罐具有用于投入或排放物料且带开关功能的开口部、用于观察其内部状态的观察窗、用于取样的取样阀和用于排水、排气、排蒸汽的排放阀，并于该发酵罐的内侧壁上设置有多个排列盘；该供给管穿过前述发酵罐的内部且与前述发酵罐相固接，该供给管一端连通前述供给泵，另一端连通前述收集桶；于该供给管内部设置有隔离壁以切断该供给管，于隔离壁与供给泵之间的供给管上开设有供给口，于隔离壁与收集桶之间的供给管上开设有流出口 ；该热交换器通过冷气传输装置或热气传输装置连接前述发酵罐以对发酵罐内的发酵物进行降温或加温。
2.根据权利要求1所述的固态发酵设备，其特征在于针对前述发酵罐，于该发酵罐下方设置有平衡板。
3.根据权利要求1所述的固态发酵设备，其特征在于所述收集桶与供给管之间设置有收集阀。
4.根据权利要求1所述的固态发酵设备，其特征在于所述隔离壁和前述供给泵之间的距离与隔离壁和收集阀之间的距离比为7 :3或9 :1。
5.根据权利要求1所述的固态发酵设备，其特征在于所述驱动装置分别通过蜗轮减速器和逆变调速器连接于前述发酵罐。
6.根据权利要求1所述的固态发酵设备，其特征在于所述热交换器进一步连接有空气流量计、空压机和空气过滤器。
7.根据权利要求1所述的固态发酵设备，其特征在于于前述发酵罐外部设置有用于给发酵罐外表面洒冷水或热水的洒水管。
8.根据权利要求1所述的固态发酵设备，其特征在于还包括有中央电子控制板，该中央电子控制板分别连接于前述发酵罐、供给管、供给泵、收集桶、驱动装置、蜗轮减速器、逆变调速器及热交换器。
9.一种利用该固态发酵设备制备红曲的方法，其特征在于其制备步骤如下(1)泡料通过发酵罐的开口部将大米按一定数量倒入发酵罐中储存，封闭开口部后驱动供给泵供给一定量的水至发酵罐内，用以浸泡大米；(2)洗料打开驱动装置带动发酵罐旋转几次，洗好大米后，打开排放阀将水排出；(3)蒸料利用蒸汽锅炉生产高温蒸汽，再将高温蒸气以一定压力供给发酵罐内用以蒸大米，蒸后，打开排放阀将蒸汽排出；(4)冷却利用空压机及空气过滤器分离出无菌空气，再将无菌空气加入发酵罐内，对蒸后的大米进行冷却；(5)分离打开电动机带动发酵罐旋转几次，对冷却后的大米块进行分离；(6)接种利用微生物种子罐提前准备红曲菌种，再将红曲菌种供至发酵罐内大米中；(7)混合启动驱动装置通过蜗轮减速器及逆变调速器将发酵罐按一定转数及一定速度进行旋转，将发酵罐内的红曲菌种和大米充分搅拌及混合；(8)保温通过热交换器持续将无菌空气供给发酵罐内发酵中的大米以维持发酵罐内最合适的温度，并将微生物种子罐生产的无菌水持续供入发酵罐内以维持发酵罐内最合适的湿度；(9)发酵利用驱动装置适当维持发酵罐的旋转速度，一边通过测量器观察发酵罐内的温度及湿度，一边通过观察窗检查发酵罐内大米的发酵状态；发酵罐内的排列盘和供给管上的搅拌叶片将蒸后的大米充分进行搅拌及混合，并通过取样阀采取发酵中的大米样品， 以测定发酵罐内大米的发酵程度；(10)收获前述步骤(9)中大米的发酵程度合格之后，打开开口部收集发酵好的大米， 即红曲。
10.根据权利要求1所述的利用该固态发酵设备制备红曲的方法，其特征在于当所收集的红曲内不需要含存活的微生物时，于完成前述步骤(9)后，先将在蒸汽锅炉生产的高温蒸气输送到发酵罐内，红曲的微生物通过高压灭菌处理后，再进行前述步骤(10)以收集该红曲ο
全文摘要
本发明公开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，该固态发酵设备包括有发酵罐、供给管、供给泵、搅拌叶片、驱动装置、热交换器、收集桶及支架，其中，该搅拌叶片设置于供给管上，该驱动装置连接于发酵罐以旋转该发酵罐；通过将投料后至收获发酵物前的生产流程合并在发酵罐内部解决，防止了杂菌污染和霉菌毒素产生，而且按优化的发酵条件随时控制发酵罐的旋转速度和方向以及发酵罐中内的温度、湿度、压力、空气流量等，以及，设置有中央电子控制板分别连接于发酵罐和其周边装置，实现了该固态发酵设备的自动化生产作业，藉此，能在短时间内大批量高效、安全地进行固态发酵生产，确保了同批同质性，同时，提高了其经济性。
文档编号A23P1/00GK102318789SQ20111015983
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者杨晓暾, 郑好轸 申请人:东莞市天益生物发酵技术有限公司