专利名称：三段式流化床固定化酵母酒精发酵生物反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种生物工程技术领域的反应器，特别是一种三段式流化床固定化酵母酒精发酵生物反应器。
背景技术：
发酵设备是发酵工业生产中的核心设备，发酵是特定品种的微生物在营养物质中，吸收物料中的营养物质，通过微生物的生长并转化营养底物代谢出产物的过程。生物法制取酒精的过程则为典型的微生物发酵获得可用的代谢产物的过程。而发酵反应器为这一生产过程的微生物提供了一个良好营养环境和生长代谢环境。液态酒精发酵，一改传统的酒精发酵方式，可以提高发酵过程的管道化、自动化和连续化水平。目前，国内在液态发酵制取酒精的生产中，发酵方式多为游离态酵母酒精发酵，游离态酵母酒精发酵存在菌种需求量大，发酵过程中还会出现底物和产物抑制发酵的问题；液态发酵反应器多为大罐机械搅拌式，这种反应器的缺点是，效率低、能耗大、原料利用率低、产生噪音污染严重、发酵罐的搅拌桨对微生物的机械剪切作用强，使微生物菌体的生命活力降低。
经对现有技术的文献检索发现，美国专利号为4337315，名称为连续发酵反应器(Continuous fermentor and reactor)，该专利自述为一种用于酒精连续发酵的反应器，这种反应器至少包括两个垂直相连的反应单元，每一个反应单元由两个开口圆锥通过一段较短的圆柱连接，圆柱的直径要稍微大于两个开口圆锥的直径；在最底端的反应单元与一个供气室和进料管相连，在最顶端的反应单元连接的是气体分离器和醪液排出管；惰性气体从反应器的底部通入，在各个单元产生向上和向下的流体动力。该专利为不可拆卸反应器，在发酵一段时间后存在清洗困难，同时在发酵液成分比较复杂的发酵过程中容易出现气体分布板被糖液胶联，而堵塞板眼，使气体分布不均匀；另外该专利的进料管直接插入发酵单元，使进入发酵单元的料液混合不均匀；在反应器的整体设计上，各个单元上没有设置检测装置口和取样口，给发酵过程的监控和检测造成了一定的困难。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种三段式流化床固定化酵母酒精发酵生物反应器，使其结合三相流化床技术和固定化酵母发酵技术，克服目前发酵系统中发酵反应器的不足，实现了在发酵过程中，反应器内固定化酵母粒子和发酵流体形成流化状态，发酵液与固定化酵母粒子之间具有较高的传质速率，酵母需求量少、发酵原料利用率高、发酵速度快，而且发酵过程易于操作和控制。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括贮气室、三段纺锤形发酵体和贮醪室三个部分，贮气室顶部和三段纺锤形发酵体的底部用法兰垂直连接，三段纺锤形发酵体的顶部与贮醪室底部垂直连接，三段纺锤形发酵体由第一纺锤形发酵单元、第二纺锤形发酵单元和第三纺锤形发酵单元组成，三者从下至上顺次垂直连接。贮醪室底部和三段纺锤形发酵体顶部可根据需要焊接、粘结或用法兰连接。
贮气室由圆柱体、圆锥体、进气口、排污口和气体分布板组成。圆柱体和圆锥体上下连接；在圆柱体的顶部设有气体分布板，侧面设有进气口；在圆锥体底部锥口处设有排污口。
第一纺锤形发酵单元由锥柱联体、开口圆锥体、取样口、传感器口、左进料管、右进料管和固定化酵母粒子进口组成。锥柱联体连接在开口圆锥体的上面，在第一纺锤体发酵单元的锥柱联体上设有一个传感器口和一个固定化酵母粒子进口(此进口同时还可以作为温度计检测插口)，同时在开口圆锥体的锥侧面上设有取样口，沿开口圆锥体侧面的切向连接左进料管和右进料；第二、三纺锤形发酵单元和第一发酵单元的构造相同，只是在其开口圆锥体的侧面不设置左进料管和右进料管。
贮醪室由内导管、外导管、真空表口、出气口、出料口、上筛板和下筛板组成。外导管顶部密封并设有真空表口和出气口，侧面下部设有出料口，内导管顶部与上筛板粘接、内导管底部与下筛板粘接，内、外导管同心布置。
在发酵开始时，先经进气口向贮气室内通入无菌空气，然后通过固定化酵母粒子进口向纺锤形发酵体内添加一定量的固定化酵母粒子，最后通过左、右进料管向纺锤形发酵体流加发酵液；在发酵过程中，停止向贮气室中通入无菌空气，改为连续通入发酵产生的二氧化碳气体，二氧化碳气体通过气体分布板均匀分布后竖直上升，带动发酵液沿轴线方向上升。调节补料的流体速度，使发酵液在反应器器壁的切向按一定速度做圆周运动。切向的流体速度和竖直方向上流体速度的矢量叠加，使发酵液呈螺旋上升的运动。与此同时，发酵生成的二氧化碳气膜包裹在固定化酵母粒子的表面，在二氧化碳气膜浮力的作用下固定化酵母粒子向上浮起，在发酵液带动下固定化酵母粒子随发酵液绕轴线螺旋上升。当固定化酵母粒子上升到第三发酵单元顶部时，由于贮醪室压力降低，包裹在固定化酵母粒子表面气膜就会破裂，粒子就会在失去气体托浮的情况下而下沉，同时受到二氧化碳气流的冲击作用，将聚集在一起的粒子分散开，此时的粒子因没有气膜的载浮被气流冲离轴线至该反应器第三纺锤形发酵单元器壁，因靠器壁处没有气流上升，在重力作用下向下移动，下移到该反应器第一纺锤形发酵单元的底部，然后在固定化酵母粒子表面的二氧化碳气膜浮力和发酵液螺旋上升的流体动力作用下向上运动，这样就使固定化酵母粒子在三段纺锤形发酵体内形成有规律的循环运动，在三段纺锤形发酵体的内部形成良好的流态化。
由于在三段纺锤形发酵体的内部形成良好的流态化，固定化酵母粒子与发酵液之间充分接触，发酵反应剧烈的进行。通过连续的流加补料，逐渐成熟的发酵液由三段纺锤形发酵体溢出，通过贮醪室的下筛板将固定化酵母粒子保留在三段纺锤形发酵体内，用于连续发酵。成熟的发酵液则沿内导管溢流至外导管内，通过出料口排出，用于酒精的蒸馏分离。二氧化碳气体经贮醪室的上筛板分离，进入外导管空间并从出气口排出，经净化灭菌后循环回贮气室。
本发明由贮气室、三段纺锤形发酵体和贮醪室组成，三者从下至上垂直连接。在发酵过程中，该反应器内由固定化酵母粒子、发酵液和二氧化碳三相组成，固定化酵母粒子在发酵液中，由于二氧化碳气体的鼓入和发酵液的流加，使固定化酵母粒子在反应器内做有规律的循环运动，使整个发酵反应器具有了三相流化床反应器的特征。
贮气室由圆锥体和圆柱体连接而成，在发酵过程中，净化灭菌后的二氧化碳气体鼓入固定化酵母流化床发酵反应器的贮气室内并保证一定的压力，为流化床床体提供流化动力和床体内的厌氧环境；三段纺锤形发酵体是固定化酵母流化床反应器的主体，每个纺锤形发酵单元锥柱联体可减少流化床流化过程中反应器器壁对固定化粒子的剪切。在三段纺锤形发酵体的每一个纺锤形单元的合适位置预留了一定数量的取样口和传感器口，为发酵过程的控制和在线检测提供了方便，在第一纺锤形发酵单元的开口圆锥体的锥面切向设置两个对称的进料管，通过两个进料管一则可以进行流加补料，另则通过补料时流体的运动产生一个沿反应器器壁作圆周运动的流体动力；贮醪室的内导管的顶端用上筛板粘结，内导管的底端用下筛板粘结，并且内、外导管同心布置，通过上、下筛板和内导管的作用使贮醪室除具有贮醪功能之外，同时还具有将二氧化碳气体，成熟的发酵液和固定化酵母粒子三相分离的功能；此外，本发明的贮气室与三段纺锤形发酵体用法兰连接，具有拆卸方便、清洗容易的优点。
综上所述，本发明结构简单，在反应器体内形成气、固、液三相流态化，反应器对固定化酵母粒子的剪切作用小，固定化酵母粒子的使用寿命长，发酵速率较快，原料的利用率高，在工业化生产中还具有效益高、能耗较低、占地面积较少等优势。
图1为本发明结构示意2为本发明贮气室结构示意3为本发明三段纺锤形发酵体结构示意4为本发明第一纺锤形发酵单元结构主视5为本发明第一纺锤形发酵单元结构左视6为本发明第二、三纺锤形发酵单元示意7为本发明贮醪室结示意图
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括贮气室1、三段纺锤形发酵体2和贮醪室3。贮气室1、三段纺锤形发酵体2、贮醪室贮3从下至上依次垂直相连；贮气室1顶部与三段纺锤形发酵体2的底部用法兰连接，贮气室1可使通入其内的气体重新分布，并为整个反应器内发酵液的流化提供气体动力。三段纺锤体发酵体2为发酵反应提供发酵空间。贮醪室3的底部和三段纺锤形发酵体2的顶部可根据需要粘结，焊接或法兰连接，贮醪室3具有贮存发酵成熟的发酵液，同时具有分离发酵液、固定化酵母粒子和二氧化碳气体的三相分离功能。
如图2所示，贮气室1由圆锥体4、圆柱体5、气体分布板6、进气口7和排污口8组成。在竖直方向上圆柱体5连接于圆锥体4上，在圆柱体5侧面中部设有进气口7，在圆锥体4底部设有排污口8。净化后的空气或者二氧化碳由进气口7鼓入贮气室1，气流经气体分布板6均匀分布后，为三段纺锤形发酵体2内发酵液的流化提供动力。发酵过程中从气体分布板6漏出的少量发酵液，聚集在贮气室1的底部并由从排污口8排出。
如图3所示，三段纺锤形发酵体2由第一纺锤形发酵单元9、第二纺锤形发酵单元10和第三纺锤形发酵单元11组成。三者由下至上垂直布置，第一纺锤形发酵单元9的顶部与第二纺锤形发酵单元10的底部连接，第二纺锤形发酵单元10的顶部与第三纺锤形发酵单元11底部连接，连接方式可以根据反应器制作的材质不同，选用粘结、焊接或法兰连接。在发酵反应过程中，三个纺锤形发酵单元9、10、11内的发酵液处于不同的发酵程度，第一纺锤形发酵单元9中的固定化酵母粒子的数量最多，发酵液多为生发酵液。第二纺锤形发酵单元10固定化酵母粒子的数量较多，发酵液多为半成熟发酵液。第三纺锤形发酵单元11中的固定化酵母粒子数量较少，发酵液多为成熟的发酵液。因而第一纺锤形发酵单元9和第二纺锤形发酵单元10是主发酵区，第三纺锤形发酵单元11为次发酵区，在发酵过程中，生发酵液通过第一纺锤形发酵单元9和第二纺锤形发酵单元10的剧烈的发酵作用转化了大部分的糖分，发酵液趋于成熟，随着流加补料，成熟的发酵液进入第三纺锤形发酵单元11，剩余的糖分可在此区域内发酵转化。
如图4和图5所示，第一纺锤形发酵单元9由开口圆锥体12、左进料管13、右进料管14、取样口15、固定化酵母粒子进口16、传感器口17和锥柱联体18组成。锥柱联体18连接在开口圆锥体12的上面，构成了第一纺锤形发酵单元9的主要外形特征；在第一纺锤形发酵单元9的锥柱联体18侧面上设有固定化酵母粒子进口16和传感器口17，在开口圆锥体12的侧面设有取样口15。传感器口17供安装传感器用，取样口15供取样使用，固定化酵母粒子进口16供发酵前向三段纺锤形发酵体2内添加固定化酵母粒子和发酵时温度计的插口之用。左进料管13和右进料管14对称分布并沿切向连接在开口圆锥体12侧面，通过发酵液的流加可使发酵液沿第一纺锤形发酵单元9的内器壁作圆周运动。
如图6所示，第二纺锤形发酵单元10和第三纺锤形发酵单元11均由传感器口19、固定化酵母粒子进口20、取样口21、锥柱联体22和开口圆锥体23组成。传感器口19、固定化酵母粒子进口20、取样口21、锥柱联体22和开口圆锥体23的分布、连接和功用均与第一纺锤形发酵单元9相同，只是在其开口圆锥体侧面不设置进料管。
图7所示，贮醪室3由出气口24、真空表口25、内导管26、下筛板27、外导管28、出料口29和上筛板30组成。内导管26连接在外导管28内部中心部位，内导管26两端用下筛板27和上筛板30粘结，出料口29连接在外导管28侧面下部。发酵成熟的醪液可以通过内导管26经下筛板27过滤把固定化酵母粒子分离，固定化酵母粒子保留在三段纺锤形发酵体2内，成熟的发酵液排入外导管28，经出料口29排出。出气口24连接在外导管28顶部圆心处，真空表口25连接在外导管28顶部非圆心部位，发酵产生的二氧化碳气体通过内导管26由上筛板30分离，经出气口24排出，经净化处理循环利用。
权利要求
1.一种三段式流化床固定化酵母酒精发酵生物反应器，包括贮气室(1)、三段纺锤形发酵体(2)、贮醪室(3)，其特征在于，贮气室(1)顶部和三段纺锤形发酵体(2)底部用法兰垂直连接，三段纺锤形发酵体(2)的顶部与贮醪室(3)底部垂直连接，三段纺锤形发酵体(2)由第一纺锤形发酵单元(9)、第二纺锤形发酵单元(10)和第三纺锤形发酵单元(11)组成，三者从下至上顺次垂直连接。
2.根据权利要求1所述的三段式流化床固定化酵母酒精发酵生物反应器，其特征是，贮气室(1)由圆锥体(4)、圆柱体(5)、气体分布板(6)、进气口(7)和排污口(8)组成，在圆柱体(5)上部连接气体分布板(6)，在竖直方向上，圆柱体(5)连接于圆锥体(4)上，在圆柱体(5)侧面中部设进气口(7)，在圆锥体(4)底部设排污口(8)。
3.根据权利要求1所述的三段式流化床固定化酵母酒精发酵生物反应器，其特征是，第一纺锤形发酵单元(9)由开口圆锥体(12)、左进料管(13)、右进料管(14)、取样口(15)、固定化酵母粒子进口(16)、传感器口(17)和锥柱联体(18)组成，锥柱联体(18)连接在开口圆锥体(12)的上面，在第一纺锤形发酵单元(9)上设有固定化酵母粒子进口(16)、传感器口(17)和取样口(15)，同时在第一纺锤形发酵单元(9)下部还设有左进料管(13)和右进料管(14)，左进料管(13)和右进料管(14)对称分布并沿切向连接在开口圆锥体(12)的侧面。
4.根据权利要求1所述的三段式流化床固定化酵母酒精发酵生物反应器，其特征是，第二纺锤形发酵单元(10)和第三纺锤形发酵单元(11)均由传感器口(19)、固定化酵母粒子进口(20)、取样口(21)、锥柱联体(22)和开口圆锥体(23)组成，其分布和连接与第一纺锤形发酵单元(9)相同，只是在其开口圆锥体侧面的下部不设有进料管。
5.根据权利要求1或者3或者4所述的三段式流化床固定化酵母酒精发酵生物反应器，其特征是，所述的纺锤形发酵单元，其固定化酵母粒子进口(16)和固定化酵母粒子进口(20)，同时作为温度计插口。
6.根据权利要求1所述的三段式流化床固定化酵母酒精发酵生物反应器，其特征是，贮醪室(3)由出气口(24)、真空表口(25)、内导管(26)、下筛板(27)、外导管(28)、出料口(29)和上筛板(30)组成。内导管(26)连接在外导管(28)内部中心部位，内导管(26)两端用下筛板(27)和上筛板(30)粘结，出料口(29)连接在外导管(28)侧面下部，出气口(24)连接在外导管(28)顶部圆心处，真空表口(25)连接在外导管(28)顶部非圆心部位。
全文摘要
一种生物工程技术领域的三段式流化床固定化酵母酒精发酵生物反应器。本发明包括贮气室、三段纺锤形发酵体、贮醪室。贮气室顶部和三段纺锤形发酵体底部垂直用法兰连接，三段纺锤形发酵体的顶部与贮醪室底部垂直连接，三段纺锤形发酵体由第一纺锤形发酵单元、第二纺锤形发酵单元和第三纺锤形发酵单元组成，三者从下至上顺次垂直连接。本发明结构简单，在反应器体内形成气、固、液三相流态化，反应器对固定化酵母粒子的剪切作用小，固定化酵母粒子的使用寿命长，发酵速率较快，原料的利用率高，在工业化生产中还具有效益高、能耗较低、占地面积较少等优势。
文档编号C12P7/14GK1840645SQ20061002344
公开日2006年10月4日 申请日期2006年1月19日 优先权日2006年1月19日
发明者刘荣厚, 沈飞 申请人:上海交通大学