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卧式固态物料发酵罐的研制与应用
李建华 余蜀宜 王传槐 余文琳
摘 要 介绍了一种新型卧式固态物料发酵罐的结构特点及工作原理,饲用复合酶生产试验应用,生产中工艺参数的确定。使用该卧式固态物料发酵罐进行多次饲用复合酶的生产试验,结果表明,本卧式固态物料发酵罐实现了在同一发酵设备内既能使固态物料灭菌,又能冷却发酵,通风良好,杜绝杂菌污染;大大减轻了劳动强度,改善了环境卫生,提高了自动化程度、产品的产量和质量。
关键词 卧式固态物料发酵罐;发酵;工艺参数
中图分类号 S817.2
固态物料的发酵技术具有悠久的历史,有简单易行、投资少等特点,广泛用于酿酒、制曲、生物饲料、生物农药、生物肥料、酶制剂等领域。但固体发酵也存在着设备占地面积大,劳动强度大,传质、传热困难,参数(如物料pH值、物料温度、物料湿度、菌体增殖量、产物生成量)难检测等问题。随着科学技术的进步,固体发酵存在的缺点也逐渐被克服,少数发达国家的固体发酵已实现机械化规模生产。近几年我国固体发酵技术也有所发展,出现了多种形式的固态物料发酵设备。到目前为止,还无法判定何种发酵设备是较理想的固态物料发酵设备,各种形式的固态物料发酵设备都有各自的优缺点,许多问题有待研究解决。
现有的固态发酵设备主要采用大池、浅盘、箱式、转盘等形式,大多将物料的灭菌与发酵过程分开操作,在发酵过程中又大都采用自然通风,往往劳动强度大、效率低,生产能力小(盘式);灭菌环境难以控制,杂菌污染率高。
本试验自行开发设计单批处理量300kg的卧式固态物料发酵罐,并进行了一系列的生产试验研究。
1 研制目的与要求
微生物需在一定温度、湿度、培养基、空气、pH值环境下繁殖,不同的微生物对氧的要求也不一样,按照它们对氧的需求可以分为好氧菌和厌氧菌两大类。多数真菌、藻类和不少细菌都是专性好氧菌,必须供给分子态氧才能正常生长。一个理想的固体物料发酵设备必须满足物料的混合、灭菌、降温、保温、保湿、提供空气,能够动态检测温度、湿度、氧气含量和二氧化碳含量并加以控制。
本研究的目的是研制一种新型可适用丝状真菌的固态物料发酵罐。
研制的要求:①物料在同一设备里完成混合、灭菌、接种、培养、出料等整个过程;②性价比要高,有推广应用价值。
2 发酵设备的结构和工作原理
2.1 主要技术指标
设备总容量为3.5m3、转速为2~3r/min、罐内温度范围为20~110℃、电机功率为7.5kW、外形尺寸为?椎1.5(m)×L2(m)、设备重量约为2 500kg。
2.2 结构特点
固态物料发酵罐结构见图1。

本固态物料发酵罐为固定卧式罐体,两端封头用法兰与罐体联接,接有温、湿度监测仪及排气孔,罐体上接有蒸汽及灭菌空气进口,搅拌叶片呈一定角度排列装于搅拌轴上,罐体上装有进料口和出料口,罐体外有夹套,夹套外有保温层。
本设备凡与物料接触部分均采用不锈钢制作,减速机选用双级型摆线针轮减速机,转速为2~3r/min。
2.3 工作原理
固态物料从进料口进入罐体内,装于搅拌轴上的搅拌叶片带动物料翻动、疏松、混合。蒸汽从蒸汽及灭菌空气进口直接通入罐体内,对物料进行灭菌,之后由夹套通入冷却水,无菌空气直接通入罐体内,对物料进行冷却降温,当物料冷却到发酵温度时,液体菌种从接种分配管喷入,随着搅拌轴的正、反转,在搅拌叶片的作用下,菌种和物料均匀混合。无菌空气直接通入罐体内喷向物料,保证微生物生长所需的足够氧源,夹套内通保温水保证微生物生长所需的温度,根据需要无菌水从接种分配管喷入。微生物生长完毕直接由排料管卸料。
3 实际生产中的应用
3.1 装料量的确定
固态物料发酵罐的装料量必须考虑两方面因素,如果装料过多、料层厚,会影响通风效果,传质、传热困难,造成料层发酵不均匀,影响产品的产量和质量;如果装料过少,影响产品的产量,设备性价比降低。在多次饲用复合酶生产试验的基础上确定了最佳装料量为300kg。
3.2 搅拌轴叶片角度及转速的确定
搅拌轴叶片角度要适当,角度过大,物料向前、向后及出料方便,由于物料前进速度过快,搅拌轴叶片容易变形弯曲而损坏设备;角度过小,物料向前、向后及出料不方便并影响物料混合效果。根据计算及试验,确定搅拌轴叶片角度5~10度,经过多次试验,达到设计要求。
搅拌轴转速过快,螺旋轴所受弯矩过大,容易造成设备的损伤,在发酵后期容易搅断菌丝;转速过慢,物料混合不均匀。经过多次试验,确定搅拌轴转速为2~3r/min。
3.3 灭菌蒸汽压及时间的确定
因固态物料传热、传质困难,所以采取夹套内通蒸汽和直接向罐内物料通蒸汽两种形式相结合,从开始通蒸汽到罐内表压达1个大气压只用10min左右,经过多次试验,确定在1个大气压下维持30min左右就可达到生产要求。
3.4 接种方式的确定
接种方式有两种:①从高位种子罐直接放液体种子;②从进料口加固体种子。经过多次试验,两种方法都可行,各有优缺点。方法①:优点是完全避免杂菌感染、菌种分布更均匀、接种量大;缺点是种子罐需提前运行。方法②:优点是种子可在实验室完成;缺点是接种时,进料口暴露在外有杂菌感染的可能。因此,我们结合实际生产确定在连续生产时采用方法①,在非连续生产时采用方法②。
3.5 其它工艺措施
3.5.1 通风
通风主要有提供无菌氧气和帮助散热两个作用。在生产过程中,通风过度不但增加能耗,还会造成物料表层湿度降低;通风过小,提供氧气量不足。通风过度或过小都不利微生物生长。
为了保证提供无菌空气,在空气进入前先经过空气过滤器进行消毒杀菌,试验证明这种方法是可行的。
3.5.2 翻拌
通过搅拌轴叶片的转动来达到物料的翻拌松散与均匀,翻拌次数依据物料的升温速度和菌丝长短及密集情况来确定。
3.5.3 喷淋
根据物料的含水量及湿度大小,通过接种分配管喷入,并伴随适当的翻拌,达到喷淋均匀。
3.5.4 温度
在饲用复合酶培养过程中,温度控制在33℃左右,因此工作温度主要在警告降温线35℃与下限温度29℃之间,由于电控系统的滞后性及微生物自发热的影响,实际温度在27~38℃之间波动,满足了微生物生长需要,达到设计的要求。
4 结论与讨论
4.1 该固态物料发酵罐为固定不动的卧式罐体,接种分配管固定在罐体的上部,搅拌轴安装在偏离罐体中心线的下方,结构紧凑,便于操作。
4.2 该固态物料发酵罐实现了在同一发酵设备内既能使固态物料灭菌,又能冷却发酵,通风良好,杜绝杂菌污染。
4.3 该固态物料发酵罐与现有设备相比,有以下优点:①物料直接在罐内灭菌、冷却,从而避免了物料的二次污染;②在灭菌和发酵的过程中,物料通过叶片的正、反转,保证物料的疏松、均匀,提高了发酵的均匀性,缩短了发酵周期,提高了生产率;③由于通入无菌空气,大大降低了杂菌污染率,提高了产品的得率和质量;④可适用于丝状菌体的工业化生产。
4.4 该固态物料发酵罐经过饲用酶制剂的批量化试生产,达到了设计的目的和要求,很好地解决了目前固体物料发酵设备难以解决的问题,降低了设备造价,从而大大提高了设备的性价比。因此,该固体物料发酵设备很有推广应用价值。
(参考文献刊略,需者可函索)
(编辑:崔成德,cuicengde@tom.com

李建华,南京林业大学机电学院,博士,210037,江苏省南京市龙蟠路159号。
余蜀宜、王传槐、余文琳,南京林业大学化工学院。
收稿日期:2006-03-15
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