专利名称：一种发酵罐的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种发酵装置，尤其是涉及一种发酵罐。
背景技术：
目前实验室和工业上发酵最常使用的是搅拌式的发酵罐，此外还有气升式发酵罐，转鼓式发酵罐，固定床式发酵罐等，避免了螺旋桨面对发酵罐中微生物的切削。近年来随着对高发酵转化率和低成本的要求，出现了将发酵与分离融为一体的耦联设备，其中以膜式微生物反应器最为突出，通过膜使反应产物得以分离，维持了反应的高效率。但也存在一些问题，如有的膜式微生物反应器还使用搅拌装置进行微生物反应的混合，在膜的界面上渗出物的浓度会增高，降低了渗出率，即出现了浓差极化现象；膜容易出现被阻塞和污染的现象而需要定期清洗和更换；对于固态基质的发酵管式膜，中空纤维膜则无法完成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种发酵罐，尤其是提供可用于固态基质的蠕动式一种发酵罐。
参阅图1至图4，为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现提供一种可用于固态基质的蠕动式一种发酵罐，其实质性特点是在支撑壁内腔有通过贴有压电片的弹簧组固定连接的内空椭球形体的柔性壁，柔性壁的外表面从长轴端开始螺旋粘贴有换热管和保温层，柔性壁上固定有采用柔性管的培养基液体入口管、进料管、膜渗出液出口管、发酵产物出口管和排渣管，各柔性管从支撑壁内伸出且与支撑壁上的各孔之间有间隙。
按照技术方案提供的蠕动式一种发酵罐，其实质性特点是所述的内空椭球形体的柔性壁采用的材料是精密铸造模具硅橡胶；在用精密铸造模具硅橡胶制成的柔性壁的内侧面粘贴上一层膜，在膜上再粘贴上一层起保护膜和增加磨擦作用的网，在柔性壁内腔加装一个起支撑和渗入渗出液体的E字形支架。
按照技术方案提供的蠕动式一种发酵罐，其实质性特点是所述的膜分为上下两部分，上半部分的膜用于培养基液体渗入一种发酵罐，膜的孔径大小是培养基液体最大分子量分子直径的1.5倍，传质推动力是压差推动；下半部分的膜分离代谢产物，孔径大小是要分离的代谢产物最大分子量分子直径的1.5倍，传质推动力是能差推动。
按照技术方案提供的蠕动式一种发酵罐，其实质性特点是所述网的空隙大小为膜孔径的30至50倍，网采用与膜同样材料的经纬直径相差1至3倍的线编制而成。
按照技术方案提供的蠕动式一种发酵罐，其实质性特点是所述的E字形支架采用柔性壁同样材料制成；E字形支架上部分的扁长方柱体称为上脊，下部分的扁长方柱体称为下脊，左边是一个支撑圆环体，中间是一个起支撑作用的大半圆环体，大半圆环体的两个端点与左边支撑圆环体固定连接，支架上下脊中装有管道，热电阻也装入E字形支架的上脊中，上管道与培养基液体入口管和上半部分膜相连通，下管道与膜渗出液出口管和下半部分膜相连通。
按照技术方案提供的蠕动式一种发酵罐，其实质性特点是所述的贴有压电片的弹簧组是由螺旋弹簧和Z型弹簧组成，压电片就贴在Z型弹簧上；螺旋弹簧一端固定在柔性壁的外表面上，其另一端固定Z型弹簧的一端，Z型弹簧的另一端固定在支撑壁内侧面上；螺旋弹簧在柔性壁外表面上的分布是从柔性壁的长轴端开始在换热管之间螺旋等距布置，弹簧组的Z型弹簧的另一端也是螺旋等距地固定在支撑壁内侧面上。
按照技术方案提供的蠕动式一种发酵罐，其实质性特点是在所述的内空椭球形体的柔性壁的内侧面粘贴上一层能渗入渗出液体的膜和在膜上再粘贴上一层起保护膜和增加磨擦作用的网，这两者可以用一种表面带有凸起的薄膜代替，这种表面带有凸起的薄膜所采用的材质和膜材质相同。
按照技术方案提供的蠕动式一种发酵罐，其实质性特点是产生振动的并将振动通过螺旋弹簧传到柔性壁并使柔性壁产生蠕动的压电片与受控驱动电源线连接。
按照技术方案提供的蠕动式一种发酵罐，其实质性特点是所述的贴有压电片的Z型弹簧和受控驱动电源可以用受控电磁驱动器代替。
按照技术方案提供的蠕动式一种发酵罐，其实质性特点是所述的换热管和保温层选取与柔性壁相同材料并与温度控制系统相连以保证发酵工艺要求的温度及温度变化率。
本发明的有益效果是柔性壁的蠕动作用可以产生挤压，研磨，混合，输送，分离发酵物的效果；合理控制压电片的振动可以很好的满足发酵工艺的要求，一部分培养基液体可以通过培养基液体入口管通过膜渗入，微生物的代谢产物也可以通过膜渗出；由于膜有渗透压自动调解功能，对于提高反应效率起到很好效果；由于蠕动减少了膜上的浓差极化和阻塞程度，发酵反应和部分分离耦联为一体也达到降低成本的效果；膜上的网起到保护膜，增加摩擦和有利于微生物定植的效果。
下面结合附图对本发明作进一步的说明图1是5升蠕动式一种发酵罐结构原理简图的主视图；图2是5升蠕动式一种发酵罐结构原理简图的俯视图；图3是5升蠕动式一种发酵罐E字形支架上下脊结构的剖面图；图4是5升蠕动式一种发酵罐换热管和管接结构示意图；图中1.Z型弹簧，2.换热管，3.支撑壁，4.柔性壁，5.螺旋弹簧，6.压电片，7.支撑架，8.支撑架底座，9.换热管入口管，10.热电阻，111.E字形支架上脊，112.E字形支架中的大半圆环体，113.E字形支架下脊，114.E字形支架支撑圆环体，12.E字形支架上下脊中装有的管道，131.上半部分膜，132.下半部分膜，14.网，15.柔性管，16.排气口管，17.换热管出口管，18.保温层，A01.培养基液体入口管，A02.进料管，B01.膜渗出液出口管，B02.排渣管，B03.发酵产物出口管。
具体实施例方式
参阅图1至图4，下面所介绍的是5升可用于固态基质的蠕动式一种发酵罐的优选实施方式，支撑外壁(3)内置的柔性壁(4)是一个内空的椭球形体，在长压下工作，它的长轴为322毫米，短轴为185毫米，容积为5.77升，留出一部分代谢气体所需空间外，可以保证发酵液体体积达到5升。
柔性壁(4)采用的材质是精密铸造模具硅橡胶，制作时分上下两部分即上半部分内空的半椭球形体和下半部分内空的半椭球形体，壁厚为3mm，单件时为节约成本可手工制作，批量生产可压铸成型，先用精密铸造模具硅橡胶制作完成的是柔性壁(4)的毛坯件。在下半部分柔性壁(4)的毛坯件内侧面上用胶粘贴上一层材质为聚砜的膜(132)，膜孔径大小是要分离的代谢产物最大分子量分子直径的1.5倍，这种膜有较强的机械强度，能够承受经常的蠕动作用和代谢产物为挥发性有机酸的腐蚀作用；然后在膜(132)上用胶粘贴上一层材质同样为聚砜的网(14)，网的空隙大小为膜孔径的30至50倍，网采用与膜同样材质的经纬直径相差1至3倍的线编制而成；接下来在下半部分柔性壁(4)上加工、固定采用柔性管(15)的膜渗出液出口管(B01)，管径为0.5厘米，排渣管(B02)，管径为3厘米，发酵产物出口管(B03)，管径为3厘米，柔性管(15)采用的材质也是精密铸造模具硅橡胶。制作完成柔性壁(4)下半部分组件后就可制作柔性壁(4)上半部分，壁厚为3mm，在上半部分柔性壁(4)的毛坯件内侧面上用胶粘贴上一层材质为聚砜的膜(131)，膜孔径大小是培养基液体最大分子量分子直径的1.5倍；然后在膜(131)上用胶粘贴上一层材质同样为聚砜的网(14)，网的空隙大小为膜孔径的30至50倍，网采用与膜同样材质的经纬直径相差1至3倍的线编制而成；接下来在上半部分柔性壁(4)上加工、固定采用柔性管(15)的培养基液体入口管(A01)，管径为0.8厘米，进料管(A02)，管径为3厘米，排气口管(16)，管径为1厘米，柔性壁(4)上半部分组件制作完成。
E字形支架的制作同样是单件时为节约成本可手工制作，批量生产可压铸成型。采用的材质也是精密铸造模具硅橡胶，通过手工或压铸成型加工出E字形支架上脊(111)，E字形支架中的大半圆环体(112)，E字形支架下脊(113)和E字形支架支撑圆环体(114)，再在E字形支架上下脊中装入管道(12)，然后用胶把装有管道(12)和热电阻(10)的E字形支架上脊(111)，E字形支架中的大半圆环体(112)，装有管道(12)的E字形支架下脊(113)和E字形支架支撑圆环体(114)固粘在一起，E字形支架制作完成。
把E字形支架放入柔性壁(4)下半部分组件内，用胶将它固粘，再将柔性壁(4)上半部分组件和柔性壁(4)下半部分组件对合，并用胶将E字形支架和柔性壁(4)上半部分组件内侧面与柔性壁(4)上半部分组件和柔性壁(4)下半部分组件固粘成一体；在成椭球形体的柔性壁(4)的外表面从长轴端开始螺旋等距地粘贴上换热管(2)和保温层(18)，再把采用柔性管的换热管入口管(9)和换热管出口管(17)固粘在换热管(2)上。
把制成的柔性壁(4)的大部件装入已制作完毕的支撑壁(3)的下部分中去，并使采用柔性管的膜渗出液出口管(B01)，排渣管(B02)，发酵产物出口管(B03)，换热管入口管(9)和换热管出口管(17)从支撑壁(3)内伸出且与支撑壁(3)上的各孔之间不产生干涉，间隙为0.5至1mm；然后按从柔性壁(4)的长轴端开始在换热管之间螺旋等距布置弹簧组的原则固接弹簧组，弹簧组是由螺旋弹簧(5)和Z型弹簧(1)组成，压电片(6)就粘贴在Z型弹簧(1)上；螺旋弹簧一端固定在柔性壁(4)的外表面上，其另一端固定Z型弹簧(1)的一端，Z型弹簧的另一端在保证螺旋弹簧(5)和Z型弹簧(1)处于正常工作状态下，即螺旋弹簧(5)和Z型弹簧(1)的工作轴线同线的状态下，固定在支撑壁(3)下部分内侧面的相应位置上；在支撑壁(3)下部分外表面固接4根支撑架(7)，在支撑架(7)的下端分别固定一个支撑架底座(8)；把支撑壁(3)的上部分和支撑壁(3)的下部分对合，让采用柔性管的培养基液体入口管(A01)，进料管(A02)和排气口管(16)从支撑壁(3)上部分内伸出且与支撑壁(3)上的各孔之间有间隙，间隙为0.5至1mm，即各管与支撑壁(3)上的各孔之间不产生相互干涉，通过支撑壁(3)上部分开有的相应的工艺口将贴有压电片(6)的弹簧组中的Z型弹簧(1)的另一端固定在支撑壁(3)上部分内侧面的相应位置上，把支撑壁(3)上下两部分固定成一体；使压电片(6)与受控驱动电源线连接；使换热管入口管(9)和换热管出口管(17)与温度控制系统相连，换热管(2)和保温层(18)选取与柔性壁相同材料，至此5升可用于固态基质的蠕动式一种发酵罐制造、装配完毕。
一种方案是在如所述的内空椭球形体的柔性壁(4)的内侧面粘贴上一层能渗入渗出液体的膜(131、132)和在膜(131、132)上再粘贴上一层起保护膜和增加磨擦作用的网(14)；还可以采用另一种方案，膜(131、132)和网(14)可以用一种表面带有凸起的薄膜代替，这种表面带有凸起的薄膜所采用的材质和膜(131、132)材质相同。
一种方案是如所述的Z型弹簧(1)上贴有的压电片(6)和受控驱动电源线连接，压电片(6)产生振动并将振动通过螺旋弹簧(5)传到柔性壁并使柔性壁产生蠕动；还可以采用另一种方案，贴有压电片(6)的Z型弹簧和受控驱动电源可以用受控电磁驱动器代替，这时结构就变成螺旋弹簧(5)、电磁驱动器和受控驱动电源的三者组合，螺旋弹簧(5)的一端固定在柔性壁(4)的外表面上，另一端固定电磁驱动器的一端，电磁驱动器的另一端固定在支撑壁(3)内侧面的相应位置上，电磁驱动器和受控驱动电源线连接。启动受控驱动电源使电磁驱动器产生振动并将振动通过螺旋弹簧(5)传到柔性壁并使柔性壁产生蠕动。
制造安装5升可用于固态基质的蠕动式一种发酵罐所用的材料如精密铸造模具硅橡胶、胶、聚砜的膜(131、132)、聚砜的网(14)、换热管(2)、表面带有凸起的薄膜、柔性管(15)和热电阻(10)等市场上都可以买得到。
5升一种发酵罐的工作原理经过装有三毫米孔径筛网粉碎机粉碎的玉米秸秆与九倍重量的培养基液体混合，再与种子罐传送来的微生物混合，用蠕动泵通过进料管(A02)注入一种发酵罐内。预先注入的二氧化碳从排气口管(16)排出。
以组态软件和PLC(可编程逻辑控制器)组成的控制系统驱动受控电源使压电振动组件<对5升可用于固态基质的蠕动式一种发酵罐来说就是螺旋弹簧(5)和贴有压电片(6)的Z型弹簧(1)>沿一种发酵罐长轴方向产生有规律振动，其过程为靠近进料管的螺旋圆周排布的压电振动组件同时振动30次，压电振动的幅值控制在最大幅值的一半，间隔两秒相邻的下一圈压电振动组件振动，进而柔性壁产生蠕动效果，一种发酵罐柔性壁(4)的内表面附近物料向远离进料管方向运动，中间的物料随即补充，从而达到物料混合效果。当物料遇到支持架后，由于支架的阻挡而产生较大程度的物料混合。经过一定时间后，由于比重不同，大颗粒物料会集中在发酵物的上部，柔性壁(4)反向蠕动，压电振动幅值达到最高，开启进料管阀门，蠕动泵翻转，将大颗粒从进料管排出。设计的发酵周期是48小时，秸秆被降解40％，发酵产物从发酵产物出口管(B03)排出，石子等残渣通过排渣管(B02)排出。
在蠕动发酵过程中，微生物降解秸秆产生挥发性有机酸，使PH值下降，通过柔性壁(4)上半部分膜(131)向罐内添加碱性培养基液体部分，调整PH值在5.5至6.5之间，PH值测量采取罐外间接测试方法。柔性壁(4)下半部分膜(132)渗出代谢产物为挥发性有机酸，又由于受到蠕动作用，所以膜(131、132)选择较高机械强度和耐腐蚀的聚砜膜。一种发酵罐内的温度由热电阻(10)随时监控，通过调整温度控制系统以保证发酵工艺要求的37至39度的温度及温度变化率。一种发酵罐内除E字形支架为凸出部分外，没有其它阻碍物料混合和输送的部件。
对一种发酵罐进行的结构与理论分析5升可用于固态基质的蠕动式一种发酵罐的柔性壁(4)在工作时能够蠕动是其实质性特点之一，之所以能够实现蠕动是因采用了合理结构和成熟的理论作基础。柔性壁(4)采用材质是精密铸造模具硅橡胶，用其将柔性壁(4)作成壁厚为3毫米柔软(如果是钢质的就不具备周身运动的条件)的内空椭球形体，使柔性壁(4)周身都可以受控按一定规律(蠕动)运动；另一方面，由螺旋弹簧(5)和贴有压电片(6)的Z型弹簧(1)组成的弹簧组件是在柔性壁(4)外表面螺旋等距排布，这为柔性壁(4)的蠕动提供了周身的等距的振幅可调的动力源，而且和压电片(6)线连接的驱动受控电源，所采用组态软件和PLC(可编程逻辑控制器)组成的控制系统无论是理论还是技术都是成熟的，保证了柔性壁(4)能够实现蠕动。还有温控系统无论是从理论还是从技术上也都是成熟的，通过调整温度控制系统以保证发酵工艺要求的温度及温度变化率。
制造安装5升可用于固态基质的蠕动式一种发酵罐所用的材料如精密铸造模具硅橡胶、粘贴用的胶、聚砜膜(131、132)等市场上都可以买得到，而且质量是可以保证的。比如在用精密铸造模具硅橡胶制成的柔性壁(4)的毛坯件内侧面要粘贴上一层聚砜膜，在其上有很多很多纳米级的通道，在聚砜膜(131)和E字形支架上脊(111)内嵌的有侧壁开孔的管道(12)的接触处，管道(12)的侧壁孔和聚砜膜(131)上很多很多纳米级的通道连通，这样从培养基液体入口管(A01)注入培养基液体先到达E字形支架上脊(111)中的管道(12)，培养基液体从E字形支架上脊(111)中的管道(12)壁上的孔经过聚砜膜(131)内的通道进入聚砜膜(131)，再经过膜上的孔渗入一种发酵罐中，为一种发酵罐随时提供发酵所需营养；随着柔性壁(4)有规律的蠕动，发酵过程的进行，复杂的有机化合物在微生物的作用下分解成比较简单的物质。分解后的物质(有机酸)先经过聚砜膜(132)上的很多很多纳米级的孔，进入聚砜膜(132)内的通道，由于聚砜膜(132)内通道与E字形支架下脊(113)内嵌的侧壁开孔的管道(12)相通，最后，分解后的可溶物质(有机酸)通过膜渗出液出口管(B01)排出。
还有聚砜网(14)的采用，不仅对聚砜膜(131、132)起保护作用，而且起磨擦，起翻转发酵物的作用，再加上柔性壁(4)有规律的蠕动，起到挤压，研磨，混合，输送，分离发酵物的效果，发酵反应和分离耦合为一体效果。
当然，膜(131、132)所采用的材料不只是聚砜，还可以根据分离物的大小采用其它的纳米膜，超滤膜和微滤膜材料。
柔性壁(4)所采用的材料也不只是精密铸造模具硅橡胶，还可以采用其它的具有较好机械强度的橡胶制品，为增加强度还可以在柔性壁(4)外侧粘贴纤维材料。这些都在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种发酵罐，由内壁、外壁、受控驱动电源和温度控制系统组成，其特征在于支撑壁(3)内腔有通过贴有压电片(6)的弹簧组固定连接的内空椭球形体的柔性壁(4)，柔性壁(4)的外表面从长轴端开始螺旋粘贴有换热管(2)和保温层(18)，柔性壁(4)上固定有采用柔性管(15)的培养基液体入口管(A01)、进料管(A02)、膜渗出液出口管(B01)、发酵产物出口管(B03)和排渣管(B02)，各柔性管(15)从支撑壁(3)内伸出且与支撑壁(3)上的各孔之间有间隙。
2.按照权利要求1所述的一种发酵罐，其特征在于所述的内空椭球形体的柔性壁(4)采用的材料是精密铸造模具硅橡胶；在用精密铸造模具硅橡胶制成的柔性壁(4)的内侧面粘贴上一层膜(131、132)，在膜(131、132)上再粘贴上一层起保护膜和增加磨擦作用的网(14)，在柔性壁(4)内腔加装一个起支撑和渗入渗出液体的E字形支架。
3.按照权利要求2所述的一种发酵罐，其特征在于所述的膜分为上下两部分，上半部分膜(131)用于培养基液体渗入一种发酵罐内，膜(131)的孔径大小是培养基液体最大分子量分子直径的1.5倍，下半部分膜(132)分离代谢产物，孔径大小是要分离的代谢产物最大分子量分子直径的1.5倍。
4.按照权利要求2所述的一种发酵罐，其特征在于所述的网(14)的空隙大小为膜(131、132)孔径的30至50倍，网(14)采用与膜同样材料的经纬直径相差为1至3倍的线编制而成。
5.按照权利要求2所述的一种发酵罐，其特征在于所述的E字形支架采用柔性壁(4)同样材料制成；E字形支架上部分的扁长方柱体称为上脊(111)，中间是一个起支撑作用的大半圆环体(112)，下部分的扁长方柱体称为下脊(113)，左边是一个支撑圆环体(114)，大半圆环体(112)的两个端点与左边支撑圆环体(114)固定连接，E字形支架上下脊中装有管道(12)，热电阻(10)装入E字形支架的上脊(111)中，上管道(12)与培养基液体入口管(A01)和上半部分膜(131)相连通，下管道(12)与膜渗出液出口管(B01)和下半部分膜(132)相连通。
6.按照权利要求1所述的一种发酵罐，其特征在于所述的贴有压电片(6)的弹簧组是由螺旋弹簧(5)和Z型弹簧(1)组成，压电片(6)就贴在Z型弹簧(1)上；螺旋弹簧(5)一端固定在柔性壁(4)的外表面上，其另一端固定Z型弹簧(1)的一端，Z型弹簧(1)的另一端固定在支撑壁(3)内侧面上；螺旋弹簧(5)一端在柔性壁(4)外表面上的分布是从柔性壁(4)的长轴端开始在换热管(2)之间螺旋等距布置，弹簧组的Z型弹簧(1)的另一端也是螺旋等距地固定在支撑壁(3)内侧面上。
7.按照权利要求2所述的一种发酵罐，其特征在于在所述的内空椭球形体的柔性壁(4)的内侧面贴上一层能渗入渗出液体的膜(131、132)和在膜上再贴上一层起保护膜和增加磨擦作用的网(14)，这两者可以用一种表面带有凸起的薄膜代替，这种表面带有凸起的薄膜所采用的材质和膜(131、132)材质相同。
8.按照权利要求1或6所述的一种发酵罐，其特征在于产生振动的并将振动通过弹簧(5)传到柔性壁(4)使柔性壁(4)产生蠕动的压电片(6)与受控驱动电源线连接。
9.按照权利要求1或6所述的一种发酵罐，其特征在于所述的贴有压电片(6)的Z型弹簧(1)和与压电片(6)线连接的受控驱动电源可以用受控电磁驱动器代替。
10.按照权利要求1所述的一种发酵罐，其特征在于所述的换热管(2)和保温层(18)选取与柔性壁(4)相同材料并与温度控制系统相联以保证发酵工艺要求的温度及温度变化率。
全文摘要
本发明公开了一种发酵罐，尤其是公开了用于固态基质的蠕动式一种发酵罐。其技术方案是在支撑壁(3)内有通过贴有压电片(6)的弹簧组固定连接的柔性壁(4)，柔性壁外表面螺旋粘贴有换热管(2)，并固定有培养基液体入口管(A01)、进料管(A02)、膜渗出液出口管(B01)、发酵产物出口管(B03)和排渣管(B02)，各柔性管从支撑壁内伸出；柔性壁(4)的材质是精密铸造模具硅橡胶；在柔性壁(4)的内侧面贴上一层膜，膜上贴上一层网(14)，再在柔性壁(4)内装个E字形支架。柔性壁的蠕动作用可产生挤压，研磨，混合，输送，分离发酵物的效果；减少了膜上的浓差极化和阻塞程度，发酵反应和部分分离耦联为一体。
文档编号C12M1/00GK1904031SQ200610017078
公开日2007年1月31日 申请日期2006年8月8日 优先权日2006年8月8日
发明者佟金, 侯哲生 申请人:吉林大学