10 m2層架循環(huán)履帶式發(fā)酵箱的制作與性能測(cè)定

肖 毅，肖兵南，蔣小文

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南民康生物技術(shù)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410131）

10 m2層架循環(huán)履帶式發(fā)酵箱的制作與性能測(cè)定

肖 毅1，肖兵南2，蔣小文2

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南民康生物技術(shù)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410131）

設(shè)計(jì)了一種10 m2層架循環(huán)履帶式發(fā)酵箱，該發(fā)酵箱分為箱體、發(fā)酵床和輔助設(shè)施3部分；其中，箱體由防火彩鋼板制作，發(fā)酵床為雙床3層不銹鋼床架結(jié)構(gòu)，輔助設(shè)備主要由凈化空氣供應(yīng)與加熱系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、噴霧調(diào)濕系統(tǒng)和消毒滅菌系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)控。經(jīng)溫度調(diào)控、濕度調(diào)節(jié)、消毒滅菌等效果測(cè)定，發(fā)酵箱整體性能穩(wěn)定可靠。經(jīng)食用菌、絲狀真菌和芽孢桿菌發(fā)酵試驗(yàn)測(cè)定，該設(shè)備能滿足不同種類菌生長(zhǎng)繁殖對(duì)環(huán)境的要求，發(fā)酵效果與小瓶通氣發(fā)酵效果相當(dāng)或略強(qiáng)。

層架循環(huán)履帶式發(fā)酵箱；制作；調(diào)控；發(fā)酵性能

我國(guó)糟粕資源十分豐富，每年產(chǎn)餅粕約6 000萬(wàn)t、糟渣1億t以上、藥渣超過(guò)3 000萬(wàn)t。隨著生物醫(yī)藥、食品與農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的發(fā)展，各類油料生產(chǎn)的副產(chǎn)品（餅粕）與食品、輕工、中成藥加工的副產(chǎn)品（糟渣）逐年增加[1]。但由于糟渣的粗纖維含量高、蛋白質(zhì)含量和有效能值低，所以利用率不高。目前，我國(guó)糟渣的飼料化利用率不到10%。因此，將糟粕進(jìn)行有效發(fā)酵是提高其飼料化利用率的前提[2]。

糟粕發(fā)酵屬于固體發(fā)酵，現(xiàn)有固體發(fā)酵設(shè)備除傳統(tǒng)的發(fā)酵桶和發(fā)酵池外，還有淺盤發(fā)酵反應(yīng)器、流化床發(fā)酵反應(yīng)器、轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵反應(yīng)器、圓盤式發(fā)酵反應(yīng)器、攪拌式發(fā)酵反應(yīng)器、壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器等[3-4]。各種固態(tài)反應(yīng)器中，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的還只有盤式、轉(zhuǎn)鼓式及攪拌式反應(yīng)器，其他固態(tài)反應(yīng)器的研制仍處于起步階段[5]。由于必須解決反應(yīng)器的過(guò)程放大、過(guò)程監(jiān)控及污染等問(wèn)題，在研制新型固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器時(shí)，需要考慮通風(fēng)、溫控、調(diào)濕、物料翻動(dòng)（發(fā)酵不宜長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)）等以滿足微生物生長(zhǎng)的適宜條件，同時(shí)還要求設(shè)備具備機(jī)械化程度高、易于操作、便于清洗消毒、投資成本低等特點(diǎn)[6-9]。到目前為止，市場(chǎng)上還沒(méi)有規(guī)模化應(yīng)用的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器產(chǎn)品。因此，研發(fā)高效規(guī)模化生產(chǎn)的固體發(fā)酵設(shè)備對(duì)糟粕資源的再利用而言十分迫切。筆者所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種10 m2層架循環(huán)履帶式發(fā)酵箱，結(jié)合輔助設(shè)備可對(duì)糟粕進(jìn)行固體發(fā)酵處理，試驗(yàn)測(cè)定了其溫濕度控制、無(wú)菌控制與發(fā)酵效果等性能，現(xiàn)將結(jié)果總結(jié)如下。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

該套設(shè)備包含箱體、發(fā)酵床和輔助設(shè)備3個(gè)部分。其中，箱體采用防火彩鋼板制作（就地加工而成）；層架式輸送帶發(fā)酵床和大傾角提升機(jī)的材質(zhì)為304不銹鋼與食品級(jí)輸送帶；輔助設(shè)備包括空氣凈化與輸送系統(tǒng)以及嗅氧發(fā)生器、微型噴霧系統(tǒng)、溫度控制器和濕度控制器等（均為標(biāo)準(zhǔn)件，購(gòu)自市場(chǎng)）。

1.2 設(shè)備制作

1.2.1箱 體由防火彩鋼板制作，長(zhǎng)3.5 m，寬2.2 m，高2.1 m。頂部正中設(shè)有無(wú)菌空氣通入口，四角設(shè)有抽氣孔與抽風(fēng)機(jī)相接，頂內(nèi)側(cè)裝有6個(gè)霧化噴頭和2支紫外燈管及1盞照明燈。兩側(cè)墻壁分別安裝6 g固定式嗅氧發(fā)生器和移動(dòng)式嗅氧發(fā)生器通入孔、玻璃觀察窗及進(jìn)料接菌種窗（于一側(cè)下端）。兩端開(kāi)有密閉式雙開(kāi)門，便于檢修。

1.2.2發(fā)酵床發(fā)酵床置箱體內(nèi)，為3層輸送帶不銹鋼床架，床內(nèi)寬50 cm，長(zhǎng)3 m，床架高1.65 m，層高40 cm。每層設(shè)2個(gè)5齒翻耙器和1個(gè)可調(diào)節(jié)高度的鋪料器。每個(gè)床架由1臺(tái)1.1 kW電機(jī)鏈條鏈接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸伸出箱外，電機(jī)安裝箱外，軸與箱壁用機(jī)器密封圈固定密封。兩個(gè)發(fā)酵床架并列排放，由2臺(tái)大坡度提升機(jī)連接架進(jìn)行連接，其中一臺(tái)提升機(jī)輸送帶（帶寬50 cm）連接第一發(fā)酵床底部與第二發(fā)酵床頂部；另一臺(tái)提升機(jī)輸送帶則連接第二發(fā)酵床底部與第一發(fā)酵床頂部，進(jìn)行物料的循環(huán)傳送。提升機(jī)由上部伸出箱外的1.1 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.2.3附屬構(gòu)件（1）空氣凈化與溫度調(diào)控系統(tǒng)：包括空氣凈化箱與輸送管道。空氣凈化箱體分鼓風(fēng)室和空氣緩沖室，兩室用L型隔板相隔。鼓風(fēng)室頂部安裝進(jìn)風(fēng)管，管口安裝纖維絨濾布，作空氣初濾；鼓風(fēng)室底部安裝1.1 kW鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)，L型隔板底部安裝過(guò)濾布袋與鼓風(fēng)機(jī)出口相接，進(jìn)行空氣二次過(guò)濾?？諝饩彌_室頂部設(shè)空氣輸送管，輸送管入口連接發(fā)酵箱頂部的凈化空氣輸入口，其基部膨大處內(nèi)安裝2支1 kW電加熱管（加熱調(diào)溫與滅菌）；出口部安裝高效過(guò)濾器（空氣三級(jí)過(guò)濾）。另在箱地板上放置2個(gè)1 kW加熱器，供輔助加溫。（2）滅菌系統(tǒng)：包括箱內(nèi)固定嗅氧發(fā)生器（6 g）和箱外輔助嗅氧發(fā)生器（6 g，產(chǎn)生的臭氧由箱壁管孔輸入）及紫外燈（30 W×2）。（3）濕度調(diào)控系統(tǒng)：包括噴淋（霧）系統(tǒng)與輔助霧化器。噴淋系統(tǒng)由高溫滅菌水瓶、微型水泵（80 W）、輸送水管、噴頭和控制器組成；輔助霧化器系8L4頭商品霧化器。（4）控制柜：發(fā)酵箱內(nèi)設(shè)置有溫度感應(yīng)與濕度感應(yīng)探頭，與控制箱的控制器鏈接，控制加熱器與壓縮水泵，實(shí)現(xiàn)控溫調(diào)濕。同時(shí)控制箱設(shè)有發(fā)酵床與提升機(jī)電機(jī)的調(diào)速與定時(shí)裝置，進(jìn)行物料發(fā)酵翻耙控制；設(shè)置抽風(fēng)控制器調(diào)控抽風(fēng)速度。

1.3 設(shè)備性能測(cè)定

1.3.1溫度測(cè)定（1）升溫與恒定性測(cè)定：在觀察窗懸掛水銀溫度計(jì)，開(kāi)機(jī)后每2 min測(cè)定一次溫度；待溫度達(dá)到設(shè)置溫度后，每10 min測(cè)定一次，連續(xù)測(cè)定3 h。（2）溫度均衡性測(cè)定：在每架發(fā)酵床每層上中下、前中后共18個(gè)點(diǎn)各放置1支體溫計(jì)，待控制溫度穩(wěn)定后0.5 h后觀測(cè)各部位的溫度。

1.3.2濕度測(cè)定在觀察窗懸掛濕度計(jì)，開(kāi)機(jī)待溫度穩(wěn)定后每30 min監(jiān)測(cè)一次濕度。

1.3.3無(wú)菌性能檢測(cè)做12個(gè)滅菌的瓊脂平板置發(fā)酵床的上、中、下3層，每層2個(gè)，打開(kāi)平板蓋，采用嗅氧（6 g）與紫外（30 w×2）同時(shí)消毒，設(shè)置15、30、60 min不同的消毒時(shí)間，開(kāi)動(dòng)空氣輸送系統(tǒng)與抽風(fēng)系統(tǒng)，按常規(guī)培養(yǎng)條件（35 ℃）培養(yǎng)24 h，觀察平板是否有菌落生長(zhǎng)。

1.3.4發(fā)酵性能檢測(cè)選擇松乳菇、米曲霉、枯草芽孢桿菌3種不同類型的微生物，配制混合糟渣培養(yǎng)基（啤酒糟10%、白酒渣20%、豆渣40%、醬渣10%、醋渣20%），高溫滅菌后置于滅菌的發(fā)酵箱床上，分別接入菌種，按不同微生物的培養(yǎng)條件設(shè)置培養(yǎng)溫度、濕度與攪拌（轉(zhuǎn)速）等進(jìn)行培養(yǎng)，定時(shí)觀測(cè)菌的生長(zhǎng)情況（食用菌和小型真菌觀察菌絲密度，芽孢菌顯微鏡下測(cè)定活菌密度）。同時(shí)，以食用菌培養(yǎng)瓶在同樣溫度條件培養(yǎng)作對(duì)照。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵箱制作

10 m2層架循環(huán)履帶式發(fā)酵箱的各組件如圖1和圖2所示進(jìn)行安裝組合，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊，配置協(xié)調(diào)。

2.2 性能檢測(cè)分析

2.2.1溫度測(cè)定由表1可知，在不啟動(dòng)輔助加溫器的情況下，用通風(fēng)加熱系統(tǒng)，升溫速度與室溫相關(guān)。當(dāng)室溫低于10 ℃時(shí)，3～5 min升高1 ℃，當(dāng)溫度升至20 ℃時(shí)很難繼續(xù)升高。當(dāng)室溫高于15 ℃時(shí)，1～2 min升高1 ℃，30 min左右可達(dá)到25 ℃的設(shè)置溫度，但若想將溫度升至30 ℃以上則需啟動(dòng)輔助加溫器。當(dāng)

表1 發(fā)酵箱升溫速度與環(huán)境溫度的關(guān)系

室溫在20 ℃以上時(shí)，只需啟動(dòng)通風(fēng)加熱系統(tǒng)，很快即可達(dá)到35～37 ℃的設(shè)定溫度。達(dá)到設(shè)置溫度后，開(kāi)啟排風(fēng)系統(tǒng)，溫度的恒定性和均衡性良好，溫度變化在±1 ℃左右，各部位的溫度差在±1 ℃以下，上層溫度略高下層溫度（見(jiàn)表2）。

2.2.2濕度測(cè)定濕度測(cè)定結(jié)果顯示，在溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，只間歇性地開(kāi)啟噴淋（霧）系統(tǒng)相對(duì)濕度呈下降趨勢(shì)。在噴淋系統(tǒng)每5 min噴霧2～3 s的同時(shí)，間歇性開(kāi)啟輔助霧化器（每5 min噴霧5～10 s），濕度相對(duì)恒定，變化小于±5%。

2.2.3無(wú)菌性能測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果顯示，消毒15、30和60 min的處理，平板均無(wú)明顯的雜菌生長(zhǎng)。

圖1 10 m2層架循環(huán)履帶式發(fā)酵箱的外部視圖

圖2 10 m2層架循環(huán)履帶式發(fā)酵箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表2 發(fā)酵箱溫度的均衡性檢測(cè) （℃）

2.3 不同菌種的發(fā)酵效果

利用10 m2層架循環(huán)履帶式發(fā)酵箱分別培養(yǎng)松乳菇、米曲霉和芽孢菌，從表3中可以看出，培養(yǎng)3～4 d后，各菌株生長(zhǎng)情況較好，說(shuō)明發(fā)酵箱性能可靠，各參數(shù)能滿足不同種類菌株的生理需求，效果與小瓶發(fā)酵效果相當(dāng)。

3 結(jié)論與討論

研究表明，現(xiàn)有固體發(fā)酵設(shè)備除傳統(tǒng)的發(fā)酵桶和發(fā)酵池外，還有淺盤發(fā)酵反應(yīng)器（傳質(zhì)傳熱速率低，同時(shí)還有高污染風(fēng)險(xiǎn)和托盤利用率低等缺點(diǎn)）、流化床發(fā)酵反應(yīng)器（反應(yīng)器容積率低）、轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵反應(yīng)器（易出現(xiàn)物料結(jié)塊和粘壁、反應(yīng)器容積率低等問(wèn)題）、圓盤式發(fā)酵反應(yīng)器（不能實(shí)現(xiàn)無(wú)菌操作）、攪拌式發(fā)酵反應(yīng)器（只適用于小規(guī)模發(fā)酵）、壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器（設(shè)備要求高、物料配制難）[10-11]。

根據(jù)發(fā)酵菌種的特性，特別是真菌菌絲生長(zhǎng)需要充足的氧、且不宜多翻攪的特點(diǎn)，該研究中固體發(fā)酵設(shè)備采取“雙列層架循環(huán)履帶式發(fā)酵箱”（亦可據(jù)此原理設(shè)計(jì)為多列）的設(shè)計(jì)，設(shè)備內(nèi)部環(huán)境采用紫外與臭氧相結(jié)合的消毒方式，發(fā)酵物料（基質(zhì)）采用室外蒸汽高溫消毒方式，使雜菌繁殖降低到最低限度，保障目的菌株的生長(zhǎng)與增殖；設(shè)備配備熱風(fēng)/冷風(fēng)供給裝置和排放裝置，同時(shí)內(nèi)設(shè)噴霧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通風(fēng)、控溫、調(diào)濕，保障固態(tài)發(fā)酵的適宜環(huán)境；履帶輸送系統(tǒng)使預(yù)處理的基料與菌種混合并鋪平，履帶自調(diào)定時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)或低速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料的翻轉(zhuǎn)與傳送，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵或批次發(fā)酵；綜合發(fā)酵試驗(yàn)結(jié)果顯示，松乳菇、米曲霉和芽孢菌等菌株在該設(shè)備中發(fā)酵充分，發(fā)酵產(chǎn)物中功能物質(zhì)含量高，品質(zhì)優(yōu)良，綜合性能好。

微生物固體發(fā)酵的影響因子除菌種與培養(yǎng)基外，主要為溫度與熱傳遞、水分與濕度、通風(fēng)與氧氣傳遞、pH值等[12-13]。性能測(cè)定分析結(jié)果顯示，該設(shè)備的溫度與濕度控制性能穩(wěn)定。當(dāng)外界氣溫為30 ℃時(shí)，可在風(fēng)機(jī)處增設(shè)降溫設(shè)備（空調(diào)等）使溫度穩(wěn)定。熱的傳遞除輻射傳遞和導(dǎo)熱傳遞外，主要是通過(guò)物料翻耙和進(jìn)出空氣的對(duì)流傳遞，該系統(tǒng)對(duì)這些環(huán)節(jié)的溫度控制有較好的解決方法。目前，設(shè)備內(nèi)的濕度是分別通過(guò)噴淋系統(tǒng)與噴霧器進(jìn)行調(diào)控的，基本能滿足菌株要求，但如果將噴淋系統(tǒng)與噴霧器進(jìn)行整合，效果將更好，操作也更簡(jiǎn)便。消毒系統(tǒng)測(cè)定結(jié)果顯示，采用臭氧+紫外線相結(jié)合的方式能有效殺滅雜菌。因此，該設(shè)備的無(wú)菌控制關(guān)鍵在于滅菌后物料進(jìn)入發(fā)酵箱的過(guò)程中，要采取適當(dāng)措施，防止雜菌污染。

自動(dòng)化控制是機(jī)械設(shè)備制造的方向與目標(biāo)。目前，該設(shè)備各系統(tǒng)為單機(jī)設(shè)備調(diào)節(jié)控制，為了更好更科學(xué)地滿足微生物生長(zhǎng)繁殖的條件，需綜合考慮生物發(fā)酵過(guò)程中的溫度、濕度、pH值和壓力值等，對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制[14-15]。因此，需要設(shè)計(jì)智能控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行多方位的數(shù)據(jù)采集，分析判斷后做出相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)生物發(fā)酵系統(tǒng)的智能化控制[16-17]。后期將增設(shè)監(jiān)測(cè)和調(diào)控空氣流量與氧氣含量的設(shè)備，并將控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成，實(shí)現(xiàn)各部分之間的集散控制，保證生物發(fā)酵過(guò)程的安全性和智能性，全面提高生物發(fā)酵的效率。

表3 不同菌種在發(fā)酵箱中的發(fā)酵效果比較

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Manufacture and Performance of 10 m2 Layered Circuit Pedrail Fermentation Box

XIAO Yi1，XIAO Bing-nan2，JIANG Xiao-wen2
（1. College of Information Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410125, PRC;2. Hunan Minkang Biotechnology Research Institute, Changsha 410131, PRC ）

In this study, a type of 10 m2layered circuit pedrail fermentation box was designed and manufactured, and its temperature,humidity, aseptic performance and fermentation effect were measured. The fermentation box is composed of three parts such as box body, fermentation bed and auxiliary facilities. The box body is made of fireproof color steel. The fermentation bed is made of stainless steel with a double-bed and three-layer structure. Auxiliary equipment is mainly composed of purified air supply and heating system, fan system, spray conditioning system, and disinfection and sterilization system. Each of the systems can achieve automatic control. After the determination of temperature control, humidity regulation, disinfection and sterilization, and other effects, it was found that the whole performance of the fermentation box was stable and reliable. Fermentation test of edible fungi, filamentous fungi and bacillus showed that the fermentation box met the environmental conditions for the growth and reproduction of the above different kinds of microorganisms,and the fermentation effect was comparable to or better than that of the small aerated bottle therein.

layered circuit pedrail fermentation box; manufacture; regulation and control; fermentation effect

TS210.3

A

1006-060X（2017）10-0066-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.010.020

2017-07-20

湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016NK2024）

肖 毅（1978-），男，湖南長(zhǎng)沙市人，講師，主要從事電子設(shè)備制造與智能控制研究。

肖兵南

（責(zé)任編輯：成 平）