[发明专利]一种连续耦合的固态发酵方法及生物反应装置

说明书

技术领域

本发明属于发酵工业技术领域

背景技术

固态发酵是一种在没有或者几乎没有游离水的条件的发酵过程。人类很早就把固态发酵的技术应用于食品的生产，而且几乎所有的古代发酵产品都是使用固态发酵技术生产的。与液态发酵相比，固态发酵的优势在于能耗低，污染少，并且环境友好，因此近年来固态发酵越来越多得应用于研究和生产。

固态发酵得研究和应用有赖于不断开发和改进发酵工艺和发酵所使用的生物反应器。传统的固态发酵不是纯种培养，其发酵过程是在开放的发酵池中进行的。随着科学技术的进步，现在固态发酵反应器已经从传统的发酵池等开放容器中的发酵走向了密闭容器和纯种(或者限定菌种的混菌)发酵。同时，基于强化“热量传递”“质量传质”和“动量传递”的目的，人们也已经开发出了许多形式的反应器应用于科研和生产实践，包括静态的浅盘式，填充床式等以及动态的搅拌式，滚筒式等等。

不过，在取得技术进步的同时，操作复杂，劳动量大却依然是制约固态发酵放大和应用的重要因素，这一点在固态发酵工艺的开发和反应器的设计上还没有大的改观。造成这个问题的主要原因是：

1.发酵分批进行，操作繁多，生产不连续。固态发酵使用的是固态基质而非流体，因此装料卸料劳动强度很大。如果能够实现发酵和进出料连续进行将大大提高发酵的生产效率。Morteza Khanahmadi等建立了简单的数学模型讨论了平推流全混流两种模式连续固态发酵，但是真正能够同时实现纯种发酵和连续固态发酵的反应器还没有见到报道。

2.缺乏有效的过程集成和耦合。发酵工程不仅仅是单纯的生物反应过程，放大的实现同时依靠过程的强化和产物的分离等操作。固态发酵相比液态发酵本来就存在劳动强度相对较大的不足，分散的工序和操作因此成为固态发酵放大的障碍。特别是有一些固态发酵过程中，比如汽爆秸秆发酵生产乙醇，汽爆秸秆发酵生产氢气等等，固态基质往往需要进行酶解等处理。如果能将酶解过程与发酵过程有机结合起来，开发出酶解、发酵和提取耦合的发酵反应器就可以通过系统集成减少中间还节，避免不必要的卸料，装料，运输等等繁琐的操作。

总之，通过实现连续操作和过程集成耦合来开发新的固态发酵工艺和反应器，将会解决固态发酵操作复杂，劳动量大的问题，有利于固态发酵技术的进步，这在固态发酵的放大和生产应用上将有重要意义。

发明内容

本发明的目的是开发一种能够连续进料出料能同时实现密闭培养，并能将固体物料的酶解处理和发酵分离耦合起来的固态发酵工艺和生物反应器，减少操作的中间步骤，从而使得固态发酵操作多，劳动量大的缺点能够得到改观。适用于连续固态发酵过程。

本发明的基本思想是通过物料的连续进出和相关环节的耦合减少中间操作，提高效率。现有的固态发酵一般都是批次操作，由于固体物料本身的原因，不论是批次之间还是每批发酵的不同工序之间，装料卸料劳动量往往比较大，特别是当反应器放大到工业规模的时候，这个问题尤为严重。这与液态发酵相对简单的物料传输相比，是固态发酵的一个严重缺陷，也是制约固态发酵应用的一个重要原因。本发明涉及的反应器能够将固态发酵的不同工序整合在一个反应器中；使用螺杆作为推进装置，将静态的酶解，发酵，提取过程变为连续的动态过程；使用关风器调整进出料的速度并保证发酵反应器内外的隔绝。这些手段的使用，避免了原来不同工序之间卸料装料过程，也减少了灭菌，清洗等的麻烦。

本发明具有以下特点：

1.实现了发酵连续进行，与批次发酵相比减少了反应器接种，清洗以及灭菌的环节的操作。

2.酶解发酵以及分离的耦合，没有中间操作，节省人力物力。

3.无固体物料的翻动和搅拌装置，避免对菌丝体的破坏。