專利名稱：絮凝酵母懸浮床連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物發(fā)酵工程酒精連續(xù)發(fā)酵裝置。
酒精廣泛地應(yīng)用化工、醫(yī)藥、食品等各行業(yè)，有些國家將酒精作為“綠色能源”而開展系統(tǒng)的研究，近年來中國酒精產(chǎn)品亦在大幅度增長。但酒精生產(chǎn)過程中，一直是間歇發(fā)酵，發(fā)酵濃度低，一般7%(V)左右，時間長達(dá)65～75小時，設(shè)備利用率低，要消耗大量酒母，酵母細(xì)胞不能回收，所以成本較高。為此，國內(nèi)外對酒精采用固定化酵母連續(xù)發(fā)酵開展了大量的研究，已有很多采用載體包埋或吸附等固定化技術(shù)的小試研究論文發(fā)表，例如M.J.
and J.M.Lema在Enzyme Microb.，Technol 1987.vol 9，NO vem ber雜志上載文“Cell jmmobilizationApplication to alcohol Production”，綜合分析了這些成果。但因其大規(guī)模制造固定化酵母的技術(shù)復(fù)雜，使用壽命短，成本很高，因而遲遲沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明采用了與上述完全不同的酵母固定化技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)酒精發(fā)酵過程連續(xù)化，提出了利用某些酵母的絮凝特征實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵的新概念，選育出了具有較強(qiáng)自身絮凝能力的粟酒酵母菌株，使之自身絮凝成0.5～1.5mm的顆粒，作為固定化手段。并對該菌株的生物特性進(jìn)行了研究，掌握了絮凝條件及絮凝顆粒的發(fā)酵特性。
粟酒酵母(S·Pombe)是一種裂殖酵母，能利用葡萄糖、麥芽糖、蔗糖以及糊精等進(jìn)行發(fā)酵，有較強(qiáng)的酒精發(fā)酵能力。該酵母經(jīng)馴化后在25～35℃，糖濃度2～25%，PH值3～5等條件下，能絮凝成0.5～1.5mm的顆粒，有一定牢固度，而且在以后的增殖過程中不再有酵母游離出去，這就為連續(xù)發(fā)酵提供了可能性。絮凝顆粒形狀不規(guī)則，受環(huán)境的流體力學(xué)條件和發(fā)酵強(qiáng)度的影響很大。如果流速太慢，可能使顆粒堆積接觸而進(jìn)一步凝聚形成渣餅狀大塊;如果攪動強(qiáng)烈，剪應(yīng)力大，顆粒即被破碎。絮凝顆粒比重大于發(fā)酵液，能自然沉降，其速度為0.45～0.72cm/s。為了保持顆粒的大小，需讓它們懸浮在發(fā)酵液中緩和地運(yùn)動，保持與發(fā)酵液良好的接觸。
粟酒酵母的另一特征，是少量氧能改善它的活性和對酒精的耐受性。特別在酵母濃度很高時需要補(bǔ)充一定量的氧。然而傳統(tǒng)的間歇發(fā)酵是厭氧的，故要打破厭氧發(fā)酵的傳統(tǒng)，在發(fā)酵過程中通入少量空氣，既可作為保持懸浮狀態(tài)的驅(qū)動力，又提供了有限氧。
本發(fā)明開發(fā)的新的酵母固定化連續(xù)發(fā)酵的方法，可以克服間歇發(fā)酵存在的缺點(diǎn)，為此發(fā)明了絮凝酵母懸浮床連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)器。這種方法操作簡單，不需要任何載體和藥劑，可獲得比其它固定方法高得多的菌體濃度(40～60kg(干重)/m3)，從而可達(dá)到較高的設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度(8～12kg酒精/m3·h)，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)這種絮凝酵母的生長、絮凝和發(fā)酵過程，需要有一種合適的反應(yīng)器，本發(fā)明即為此而設(shè)計的一種“絮凝酵母懸浮床連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)器”。在500立升容積中試驗(yàn)，結(jié)果十分理想，并正在進(jìn)行10m3反應(yīng)器設(shè)計，產(chǎn)量達(dá)2000噸酒精/年的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模。
這種反應(yīng)器的外殼由底部錐形封頭(2)，下筒體(3)，上部擴(kuò)大段(8)和頂部橢圓封頭(7)四部分組成。內(nèi)件由空氣分布器(10)，氣升管(4)，氣體分流器(5)和沉降導(dǎo)筒(6)四部分組成。另外，下圓筒外設(shè)有水冷卻夾套(9)。整個反應(yīng)器為一圓柱形容器，在密閉條件下連續(xù)操作。(見附圖
)為了滿足絮凝酵母顆粒的懸浮，生長繁殖和增強(qiáng)活力的需要，反應(yīng)器中要通入空氣。故在反應(yīng)器內(nèi)安裝了空氣進(jìn)口管(1)，空氣分布器和氣升管等裝置。當(dāng)壓縮空氣經(jīng)過過濾滅菌后進(jìn)入空氣進(jìn)口管，在空氣分布器被分散成小氣泡，向上進(jìn)入氣升管中?？諝膺M(jìn)口管和氣升管安裝在反應(yīng)器的中心，空氣進(jìn)口管與底部錐形封頭焊結(jié)在一起。氣升管是一兩端開口的圓管。當(dāng)空氣氣泡進(jìn)入氣升管后，管內(nèi)外產(chǎn)生了密度差，氣升管內(nèi)發(fā)酵液與氣泡一起向上運(yùn)動，管外液體向下自氣升管底部流入，形成內(nèi)循環(huán)，這就使得整個反應(yīng)器中的發(fā)酵液緩慢地運(yùn)動起來，保持顆粒酵母呈懸浮運(yùn)動狀態(tài)。其快慢可由通空氣量來控制，一般通風(fēng)比為0.001～0.1m3(氣)/m3(液)·分，在氣升管中，酵母與空氣接觸，獲得所需要的氧。
空氣氣泡從氣升管出來即進(jìn)入氣體分流器。氣體分流器安裝在上部擴(kuò)大段的中心，為一圓管，上端焊結(jié)在頂部封頭，下端懸空，下口正對氣升管上口。由于發(fā)酵酒精同時生成CO2，純度很高，是一種產(chǎn)品。但空氣通入后，如不將CO2與空氣分離，則CO2濃度就會大大下降，變成廢氣排空。氣體分流器的作用就是將空氣與CO2分開。當(dāng)空氣氣泡進(jìn)入氣體分流器后，由頂部橢圓封頭中心空氣排出管排出。而CO2則在氣體分流器外上升從頂部橢圓封頭側(cè)部CO2氣體排出管排出。這樣就得到了純CO2作為產(chǎn)品。
當(dāng)發(fā)酵液從氣升管上端流出，即進(jìn)入上部擴(kuò)大段。由于上部擴(kuò)大段直徑比下筒體大1.5～3倍，發(fā)酵液流速減慢，繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵反應(yīng)，生成酒精和CO2。由于流速慢，生成的CO2氣泡很容易向上運(yùn)動逸出。同時，在上部擴(kuò)大段留有較大空間，(發(fā)酵液液面由出料口位置確定)，可使發(fā)酵過程產(chǎn)生的氣泡泡沫在此空間內(nèi)破碎，不致于隨CO2或空氣跑出反應(yīng)器，造成料液溢出事故。
發(fā)酵液在擴(kuò)大段停留一段時間后，向下流動進(jìn)入下筒體，在氣升管外以較快速度向下運(yùn)動至底部錐形封頭，然后回轉(zhuǎn)向上進(jìn)入氣升管，完成一個循環(huán)。
底部錐形封頭可以不使絮凝顆粒酵母產(chǎn)生局部停留堆積而堵塞，故不能有局部死角。
為了保證不將顆粒酵母排出反應(yīng)器，在上部擴(kuò)大段安裝了沉降導(dǎo)筒，其形狀為一圓筒，上下開口，直徑比上部擴(kuò)大段略小。于是導(dǎo)筒與擴(kuò)大段之間形成了一環(huán)隙狀空間。在此空間液體幾乎是靜止?fàn)顟B(tài)，所以，發(fā)酵液中的顆粒酵母因重力而自然沉降到下部筒體中，環(huán)隙中則形成澄清發(fā)酵液，將此清液排出反應(yīng)器，顆粒酵母就被完全截留在反應(yīng)器內(nèi)，連續(xù)使用，并保持30～60kg(干重)/m3的濃度。
在反應(yīng)器下部安裝有糖液進(jìn)口，可不斷輸入糖液進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵好的發(fā)酵液可連續(xù)排出，其酒精濃度可達(dá)9%～12%(v)，設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度可達(dá)8～12kg酒精/m3·h，比一般間歇發(fā)酵提高8～10倍。從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)。
發(fā)酵是放熱反應(yīng)。為了保持發(fā)酵溫度，在下筒體外安裝有水冷卻夾套，通入冷卻水降溫。
反應(yīng)器有如下一些特點(diǎn)1.在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置空氣進(jìn)口管，空氣分布器和氣升管，以便能通入少量空氣，使反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵液產(chǎn)生緩慢環(huán)流運(yùn)動，絮凝酵母始終懸浮在發(fā)酵液中進(jìn)行酒精發(fā)酵。同時，在氣升管中酵母與空氣直接接觸，提高了酵母活力和酒精耐受性，并使酵母略有增值。
2.反應(yīng)器上部擴(kuò)大段直徑加大，使絮凝酵母在此減速緩行，加強(qiáng)發(fā)酵，使CO2氣泡便于上升逸出，上部空間可將氣泡破碎，防止發(fā)酵液溢出。
3.氣體分流器把空氣和CO2分開，各行其道，從而得到純CO2產(chǎn)品。
4.沉降導(dǎo)筒將絮凝酵母完全截留在反應(yīng)器內(nèi)，長期使用，完全不用再加酒母，也不需要生產(chǎn)酒母的設(shè)備、動力和原料，可降低成本10%左右。
5.反應(yīng)器外設(shè)計有水冷卻夾套，可通入冷卻水，保證反應(yīng)在最佳溫度條件下進(jìn)行。
實(shí)施例有效容積為500立升的絮凝酵母懸浮床連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)器，其下筒體直徑400mm，長3200mm，氣升管內(nèi)徑125mm，高3590mm，上部擴(kuò)大段直徑為800mm，高950mm，沉降筒直徑700mm，高650mm，氣體分流器直徑為250mm，高700mm，冷卻夾套直徑為500mm，高2800mm。
將糖化好的濃度為18～22%的糖液注入反應(yīng)器，按0.1kg(干重)/m3糖液接入絮凝酵母顆粒，通氣進(jìn)行培養(yǎng)。當(dāng)絮凝酵母濃度達(dá)到30kg(干)/m3時，進(jìn)入發(fā)酵過程，通氣量為0.016m3(氣)/m3(液)·分，溫度控制在28～35℃，當(dāng)發(fā)酵液中殘?zhí)菨舛冉抵?～4kg/m3時，開始不斷地加入糖液，并不斷地排出發(fā)酵液，進(jìn)入連續(xù)操作過程。
連續(xù)操作穩(wěn)定后，測得各項(xiàng)結(jié)果如下稀釋率 D＝0.05～0.2m3(糖液)/m3(發(fā)酵液)·h通氣比 V＝0.001～0.1m3(空氣)/m3(發(fā)酵液)·分糖化液總糖 C＝150～250kg/m3PH值 PH＝5.0～6.0發(fā)酵液中殘?zhí)菨舛?C＝3～10kg/m3總糖利用率 γ＝88.6～94.1%酒精濃度 C＝9%～12%(v)
PH值 PH＝3.0～5.0絮凝酵母濃度 C＝18.3～41.0kg(干)m3設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度 7.95～15.6kg(酒精)/m3·hCO2純度 99.7%由以上結(jié)果可以看出，本反應(yīng)器連續(xù)發(fā)酵的結(jié)果優(yōu)于間歇發(fā)酵，尤其是設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度提高了8～10倍，也即設(shè)備容積和發(fā)酵時間都比間歇發(fā)酵縮小了8～10倍。
權(quán)利要求
1.一種圓柱形絮凝酵母懸浮床酒精連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)器，其外殼由底部錐形封頭、下筒體、上部擴(kuò)大段和頂部橢圓封頭四部分組成，其特征是底部錐形封頭裝有空氣分布器；下筒體內(nèi)裝有氣升管，外有水冷卻夾套；上部擴(kuò)大段里有氣體分流器和沉降導(dǎo)筒，外殼與所有內(nèi)件構(gòu)成相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于底部錐形封頭中心焊接有空氣進(jìn)口管和孔板空氣分布器，可將過濾滅菌后的空氣分散成小氣泡，并立即進(jìn)入下筒體內(nèi)裝有的兩端開口圓筒狀氣升管，其作用是形成氣升管內(nèi)外密度差，推動發(fā)酵液作內(nèi)循環(huán)運(yùn)動，通風(fēng)比為0.001～0.1m3(空氣)/m3(發(fā)酵液)·分，絮凝酵母顆粒即均勻懸浮在發(fā)酵液中，不致成堆結(jié)塊;酵母吸收空氣中少氧而提高活力和酒精耐受性，發(fā)酵溫度由外水冷卻夾套控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1～2所述的連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于上部擴(kuò)大段，其為一圓筒，上與頂部橢圓形封頭法蘭相連，下與下筒體焊接，但其直徑大于下筒體，直徑比為1.5～3∶1，擴(kuò)大段的作用是減緩發(fā)酵液流動速度，加快發(fā)酵過程，有利于CO2氣泡逸出，并有破碎氣泡、防止發(fā)酵液從上部排氣管隨氣泡溢出的作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3所述的連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于氣體分流器為上端焊接在橢圓形封頭，下端懸空于反應(yīng)上部擴(kuò)大段中心部位的圓柱筒，而且下口正對氣升管上口出口，其作用是使氣升管中排出的空氣泡經(jīng)氣體分流器，從橢圓封頭中心管排出，避免與發(fā)酵生成的CO2混合，從而得到純CO2產(chǎn)品。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4所述的連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于反應(yīng)器上部擴(kuò)大段內(nèi)還裝有一個上下開口、直徑比上部擴(kuò)大段略小、呈圓筒狀的沉降導(dǎo)筒，固定在上部擴(kuò)大段上，其作用是，在沉降導(dǎo)筒與上部擴(kuò)大段之間形成一環(huán)隙，環(huán)隙中的發(fā)酵液基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，故使發(fā)酵液中絮凝顆粒酵母因重力而自然沉降到下部，環(huán)隙上部形成不含絮凝顆粒的澄清液，由側(cè)面排出管排出，這樣絮凝酵母就被截留在反應(yīng)器中反復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵。
全文摘要
本發(fā)明根據(jù)自行選育的粟酒絮凝酵母，并利用其生長、絮凝、發(fā)酵等生物特性，為實(shí)現(xiàn)酒精連續(xù)發(fā)酵而設(shè)計開發(fā)了絮凝酵母懸浮床連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)器。此反應(yīng)器采用通入少量空氣的方法使絮凝酵母顆粒保持緩慢運(yùn)動的懸浮狀態(tài)，既保持其顆粒形狀，又使酵母增加了活力，提高了發(fā)酵能力。在本反應(yīng)器中設(shè)有氣體分流器，使產(chǎn)生的CO
文檔編號C12P7/06GK1086542SQ92112100
公開日1994年5月11日 申請日期1992年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月25日
發(fā)明者馮樸蓀, 白鳳武, 謝健 申請人:大連理工大學(xué)