TWI862341B

TWI862341B - 固態發酵系統

Info

Publication number: TWI862341B
Application number: TW112149372A
Authority: TW
Inventors: 向亮林; 林育蔚; 蔡耀中
Original assignee: 新加坡商益世科艾斯特私人有限公司
Priority date: 2023-12-18
Filing date: 2023-12-18
Publication date: 2024-11-11
Also published as: TW202525990A

Abstract

一種固態發酵系統，包括一臥式發酵槽和一攪拌組件可分別旋轉。臥式發酵槽包括一槽體和一端蓋，槽體和端蓋共同定義出一發酵空間，槽體的一內壁上設有間隔地分布的複數個第一檔板，第一檔板突出至發酵空間中。攪拌組件包括容置於發酵空間中的一軸心管件、複數個攪拌葉片和複數個第二檔板。每一攪拌葉片的一第一端連接至軸心管件，以及一第二端設有任一第二檔板且第二檔板朝向內壁突伸。當槽體和攪拌組件旋轉時，任一第二檔板停留或穿過相鄰的任二第一檔板之間。

Description

固態發酵系統

本發明涉及一種固態發酵系統領域，特別是涉及一種臥式攪拌式發酵槽的固態發酵系統。

固態發酵(Solid-State Fermentation，SSF)，其培養基基本上為粉料、塊料等含水量較低的形式，以手捏揉仍可擠出幾滴水或液滴。目前應用領域以飼料業界等粉狀產品市場為主。

人類無法直接食用大多數果皮和樹皮等含纖維較高的天然物質，若以上述為原料，在固態發酵槽中透過加熱和攪拌，天然酵素/微生物進行代謝/水解/轉化，可形成人類可食用的真菌蛋白。

一般固態發酵的槽體(vessel)可為直立或臥式，隨著加熱攪拌過程，會有攪拌不均沾黏槽壁現象，且維素水解中培養基和原料會由固態逐漸轉變為糊狀黏著導致發酵不均，水解過程中產熱而自行悶死。

為解決上述問題，本發明提供一種固態發酵系統，適用於不同型態的混合物，在發酵過程中利用攪拌葉片和固定在臥式發酵槽內壁的擋板的吻合或咬合，產生攪拌、破碎、乾燥或粉碎或上述不同作用的混合。

為解決上述問題，本發明提供一種固態發酵系統，適用於不同型態的混合物，在發酵過程中利用臥式發酵槽和攪拌組件的轉速和方向的調配，可產生攪拌、破碎、乾燥或粉碎或上述不同作用的混合。

依據上述，本發明提供一種固態發酵系統，包括一臥式發酵槽、一攪拌組件、一第一旋轉組件和一第二旋轉組件。臥式發酵槽包括一槽體和一端蓋，該槽體和該端蓋共同定義出臥式發酵槽內的一發酵空間，其中該槽體的一內壁上設有間隔地分布的複數個第一檔板，該些第一檔板突出至該發酵空間中。攪拌組件包括一軸心管件、複數個攪拌葉片和複數個第二檔板，該軸心管件、複數個攪拌葉片和複數個第二檔板容置於該發酵空間中。每一該攪拌葉片的一第一端連接至該軸心管件，每一該攪拌葉片的一第二端設有任一該第二檔板且該第二檔板朝向該內壁突伸；以及該軸心管件的一第一端容置於該槽體上，該軸心管件的一第二端穿經該端蓋至該臥式發酵槽外。第一旋轉組件連接至該槽體，該第一旋轉組件用以旋轉該槽體。第二旋轉組件連接至該攪拌組件，該第二旋轉組件用以旋轉該軸心管件，其中當該槽體和該攪拌組件二者至少任一旋轉時，任一該第二檔板停留或穿過相鄰的任二該些第一檔板之間。

於一實施例中，該些第一檔板以平行或歪斜該軸心管件的方式間隔地固定在該內壁上。

於一實施例中，該軸心管件的一管壁上設有一或多個第一穿孔。

於一實施例中，該軸心管件是中空的，並且一附加組件容置於該軸心管件中。

圖1為本發明的固態發酵系統的第一實施例的立體透視示意圖，圖2和圖3分別為本發明的固態發酵系統的第一實施例的部分組件於第一情形的側面和剖面透視示意圖。請參考圖1至圖3，固態發酵系統1的主要組件包括一臥式發酵槽2和一攪拌組件3。一槽體20和一端蓋11密合形成臥式發酵槽2的外觀形狀。槽體20可由一和多層材料所組成，例如包括一保溫層13(保溫層)和一夾套15(夾套)，而夾套15和端蓋11則共同定義出臥式發酵槽2內的一發酵空間14，感測器(圖上未繪)可安裝於端蓋11上以偵測發酵空間14內的環境、反應物或產物的情形。於第一實施例中，槽體20的外型類似鐘狀，其頂部具有一凸狀的第一連接部17以連接臥式發酵槽2外的第一旋轉組件等其他部件或結構。舉例來說，例如透過一第一旋轉軸18(旋轉軸)以穿經一固定件4以及連接至一第一迴轉接頭19(rotary joint)，其中第一旋轉軸18、固定件4、第一迴轉接頭19可構成此處的第一旋轉組件。其次，端蓋11外型則為平板狀並和保溫層13與夾套15密合，其可具有一開口部以供攪拌組件3穿經其中。再者，夾套15貼附在保溫層13上並作為槽體20的內壁，內壁上設有間隔地分布的複數個第一檔板12，夾套15於對應第一連接部17處尚包括一容置部以連接軸心管件33的一末端(第一端)。攪拌組件3包括軸心管件33、設置於發酵空間14中的複數個攪拌葉片34和複數個第二檔板32。其次，軸心管件33的一第二端穿經該端蓋11後外接至一第二旋轉軸38並穿經另一固定件4以及連接至一第二迴轉接頭39，其中第二旋轉軸38、另一固定件4和第二迴轉接頭39可構成此處的第二旋轉組件，二固定件4用以懸空臥式發酵槽2。於第一實施例中，軸心管件33可以為一長條管狀並且是中空結構，其一端容置於夾套15的容置部，另一端則由端蓋11的開口向臥式發酵槽2的外部延伸，且管壁上可設有一或多個第一穿孔35。其次，附加組件31容置於軸心管件33的管狀空間中，舉例但不限地，其包括供氣輸氣管路、供水輸水管路等等，其中附加組件31所供應的氣體或液體可藉由第一穿孔35進入發酵空間14中。攪拌葉片34的第一端連接至軸心管件33並自軸心管件33處大致地向垂直軸心管件33的方向延伸於發酵空間14中，並且到達接近夾套15的位置。攪拌葉片34的第二端設有第二檔板32並往夾套15(內壁)突伸，第二檔板32的位置和大小可和夾套15的第一檔板12匹配。再者，附加組件31可更包括連接至第二迴轉接頭39的導線、電路板和供電元件等。可以理解的，為清晰說明本發明特徵，圖2中的臥式發酵槽2和一攪拌組件3簡略或未繪之，而並非限制本發明的固態發酵系統1。

續參考圖1、圖2和圖3，臥式發酵槽2和攪拌組件3可分別由不同的驅動機制/組件驅動。於第一實施例中，第一馬達22透過第一傳動組件25連接至第一旋轉軸18，進而與臥式發酵槽2連接，其中第一傳動組件25可以包括皮帶和皮帶輪。作動時，第一馬達22驅動第一傳動組件25以轉動第一旋轉軸18並進而帶動端蓋11、槽體20和第一檔板12一起旋轉(以箭號A表示)。其次，第二馬達24透過第二傳動組件23連接至攪拌組件3。作動時，第二馬達24驅動第二傳動組件23以轉動第二旋轉軸38並進而帶動軸心管件33、攪拌葉片34和第二檔板32一起旋轉(以箭號B表示)。於第一情形時，臥式發酵槽2和攪拌組件3可分別被帶動同一方向旋轉，例如以圖面來看A、B皆為順時針方向旋轉。當臥式發酵槽2和攪拌組件3同速旋轉時，第一檔板12可以和第二檔板32匹配嵌合而在形成槽體20的發酵空間長度”L”上形成一連續結構並持續於整個同速同向旋轉期間。如此一來，發酵空間14的反應物或產物(圖上未繪)或任何物料將不易停滯在槽體20的夾套15面上。可以理解的，當臥式發酵槽2和攪拌組件3不同速旋轉時，則是在特定的時間點時第一檔板12和第二檔板32匹配嵌合而在形成槽體20的發酵空間長度”L”上形成連續結構。如此一來，當臥式發酵槽2和攪拌組件3不同速旋轉期間，隨著第一檔板12和第二檔板32的相互接近、匹配嵌合後在相互遠離的變化，將有連續結構和無連續結構的情形交替出現於臥式發酵槽2內。其次，隨著第一檔板12和第二檔板32的相互接近、匹配嵌合後在相互遠離的變化，對於發酵空間14中的物料施加不同的作用力，進而可產生攪拌、破碎、乾燥或粉碎或上述不同作用的混合效果。

圖4和圖5分別為本發明的固態發酵系統的第二實施例的部分組件於第二情形的側面和剖面透視示意圖。請同時參考圖1、圖2、圖3、圖4和圖5，相較於圖2所示為第一檔板12和第二檔板32匹配嵌合的情形，圖4所示則是第一檔板12和第二檔板32未匹配嵌合的情形。可同時參考如圖5所示，第二情形為臥式發酵槽2和攪拌組件3可分別被帶動不同方向旋轉，例如以圖面來看A為順時針方向旋轉，B為逆時針方向旋轉，在特定時間點時。第一檔板12和第二檔板32呈現90度的位置關係。可以理解地，在第二種旋轉作動時，在特定時間點也可以發生發酵空間14內形成第一檔板12和第二檔板32的相互接近、匹配嵌合後在相互遠離的變化，因此同樣會有連續結構和無連續結構的情形交替出現於臥式發酵槽2內，進而對於發酵空間14中的物料施加不同的作用力，產生攪拌、破碎、乾燥或粉碎或上述不同作用的混合效果。可以理解的，本發明的臥式發酵槽2和攪拌組件3也可以設定為一者靜止搭配另一者旋轉，例如臥式發酵槽2為靜止，攪拌組件3以逆時針或順時針方向旋轉，如此的設定下，在特定時間點仍有上述的變化情形。根據上述，當攪拌組件3單獨旋轉或和臥式發酵槽2同向但不同速旋轉時，特定時間點時攪拌葉片34和夾套15的第一檔板12可相互吻合或咬合。當攪拌組件3和臥式發酵槽2同向同速旋轉時，攪拌葉片34和夾套15的第一檔板12也可相互吻合或咬合。上述運作方式可對混合物(原料、培養基)進行甩翻以充分均勻混合。當攪拌組件3和臥式發酵槽2不同向旋轉時，則可起粉碎作用。因此，本發明固態發酵系統1可以將投入臥式發酵槽2內的原料、發酵中間產物和最終產物混合均勻，可適用於不同型態的混合物，例如粉固、漿料、麵團料等不同型態。因此，即使發酵過程中任一時間時混合物的型態可能有所不同，本發明也可透過旋轉速度的調整和旋轉方向來產生攪拌、破碎、乾燥或粉碎或上述不同作用的混合。

圖6為固態發酵系統的第一實施例中的部分組件的展開示意圖。請參考圖1至圖6，若將槽體20展開成平面來看，”R”表示槽體和攪拌組件旋轉的旋轉軸，在第一實施例中，複數個第一檔板12間隔地排列成平行於旋轉軸R的單一條直虛擬線，即以平行該軸心管件的方式間隔地固定。當槽體20和攪拌組件3二者之一旋轉時，在至少一特定時間或是持續的時間中，該些第二檔板32停留於該些第一檔板12之間，並且該些第二檔板32和該些第一檔板12形成單一條直線狀，即該些第二檔板32和該些第一檔板12組成一連續結構。要說明的是，在結構上，該些第二檔板32和該些第一檔板12是相互匹配的，舉例來說，在圖6所示中，該些第一檔板12的形狀為矩形，該些第二檔板32亦可以為矩形或是具有一矩形底面的立體結構，且任一第二檔板32停留於二相鄰第一檔板12間時為相互緊鄰無空隙或空隙極小。圖7為固態發酵系統的第一實施例中的部分組件的展開示意圖。相較於圖6，圖7的第一檔板12為梯形，底面較大的部分固定在槽體內壁，底面較小的部分突出於發酵空間中。因此，和第一檔板12形狀匹配的第二檔板32亦為梯形，底面較大的部分(大底)較鄰近槽體內壁，底面較小的部分則是和攪拌葉片(圖未繪)相連，其中第二檔板32的大底投影面積和二相鄰第一檔板12間的空隙相等或相當。

圖8為固態發酵系統的另一實施例中的部分組件的展開示意圖。和圖6相較，複數個第一檔板12間隔地固定在內壁上，而連接該些第一檔板12所構成的單一虛擬線並沒有平行旋轉軸”R”，而是像歪斜線的關係。在圖8的例子中，可透過複數個攪拌葉片相對於軸心管件為螺旋狀的設置，使得旋轉過程中，某一特定時間或持續時間時，出現圖8所示的情形，即該些第二檔板32和該些第一檔板12在投影上形成單一條直線狀(其中此直線和旋轉軸為歪斜關係，此處的直線在槽體為鐘狀圓柱體時是一弧線)。是以，本發明的第一檔板12以平行或歪斜軸心管件的方式間隔地固定在內壁上，本發明的第一檔板12可以以適當的方式固定於槽體20的內壁上，例如以燒焊的方式固定在內壁上。第一檔板12在內壁的分布也不限於圖式所示，其排列方式、數量、形狀皆可因需求進行調整，第二檔板32的位置、形狀和數量和第一檔板12 匹配即可。

本發明的固態發酵(SSF)系統適用的混料，包括澱粉質底物、含有蛋白質的底物、纖維素或木質纖維素底物、含有可溶性糖的底物或是成分確定的培養基和惰性載體或上述至少二種的混合。用於固態發酵的澱粉質底物，舉例但不限地，包括大米、大麥、燕麥、木薯、麥麩、木薯粉、玉米粉、豆渣、紅薯渣或香蕉皮或上述至少二種的混合，其一般是富含碳水化合物，可被水解產生易於被微生物消耗的單醣。其次，一般而言，食品和農產品工業的副產品，例如油餅，是蛋白質營養素的理想來源，它們作為固體基質的用途在固態發酵中受到高度青睞。油餅富含的蛋白質是許多微生物發酵中的重要氮源，並得到碳水化合物和礦物質等其他營養素的支持，為固態發酵中的各種酶（例如蛋白酶、脂肪酶等）的生產提供了多種替代底物、廣泛的次生代謝物、生物質、有機酸和生物料等用途。油餅類的農副產品，包括南瓜油餅（63.52%）、大豆油餅（51.8%）、芝麻油餅（48.2%）、花生油餅（45.6%）、紅花油餅（44.0%）、菜籽油餅（42.8%）、棉籽油餅（41.0%）、芥末油餅（38.5%）、葵花籽油餅（34.1%）和菜籽油餅（33.9%）、亞麻子油餅（32-36%）、43椰子油餅（25.2%）、椰乾油餅（23.11%）、棕櫚仁油餅（20.4%）和橄欖油餅（4.77%）等等。

再者，農業殘留物所含的纖維素或木質纖維素底物也可本發明的混料，搭配纖維素分解真菌如木黴屬、綠色木黴、黑麴霉、解纖維素梭菌、根黴屬、鏈黴菌屬和木質素分解真菌如白腐真菌等等，能夠降解複合纖維素和木質纖維素以產生單醣。而纖維素或木質纖維素底物則例如甘蔗渣、大豆皮、麥麩、稻殼、稻草、玉米芯、大麥殼、甜菜漿、麥稈、大麥稈和木材。

又，含有大量可溶性糖的固體底物可以從水果加工中獲得作為本發明系統的混料，例如糖蜜、葡萄渣、蘋果渣、獼猴桃渣、檸檬皮、檸檬果肉、桃渣、菠蘿廢料、甜高粱、飼料和甜菜、甜菜渣、角豆莢和咖啡果肉。又，有多種惰性載體可用於模擬典型固態發酵的條件。這些包括蛭石、珍珠岩、粘土顆粒、火山灰顆粒（火山材料）、大麻、琥珀岩、聚氨酯泡沫（PUF）和聚苯乙烯。惰性載體充滿化學成分確定的液體介質。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1:固態發酵系統(solid-state fermentation system) 2:臥式發酵槽(horizontal fermentation vessel) 3:攪拌組件(mixing assembly) 4:固定件(mounting member) 11:端蓋(bottom cover) 12:第一檔板(first baffle) 13:保溫層(insulation wall) 14:發酵空間(fermentation space) 15:夾套(sleeve) 17:第一連接部(first coupling part) 18:第一旋轉軸(first longitudinal rotating shaft) 19:第一迴轉接頭(first rotary joint) 20:槽體(vessel body) 22:第一馬達(first motor) 23:第二傳動組件(second transmission assembly) 24:第二馬達(second motor) 25:第一傳動組件(first transmission assembly) 31:附加組件(supporting assembly) 32:第二檔板(second baffle) 33:軸心管件(longitudinal tubular member) 34:攪拌葉片(mixing blade) 35:第一穿孔(first perforation) 38:第二旋轉軸(second longitudinal rotating shaft) 39:第二迴轉接頭(second rotary joint) A、B:旋轉方向 L:發酵空間長度(longitudinal length) R:旋轉軸(rotating axis)

圖1為本發明的固態發酵系統的第一實施例的立體透視示意圖。

圖2為本發明的固態發酵系統的第一實施例的部分組件於第一情形的側面透視示意圖。

圖3為本發明的固態發酵系統的第一實施例的部分組件於第一情形的剖面透視示意圖。

圖4為本發明的固態發酵系統的第一實施例的部分組件於第二情形的側面透視示意圖。

圖5為本發明的固態發酵系統的第一實施例的部分組件於第二情形的剖面透視示意圖。

圖6為固態發酵系統的第一實施例中的部分組件的展開示意圖。

圖7為固態發酵系統的第一實施例中的部分組件的展開示意圖。

圖8為固態發酵系統的另一實施例中的部分組件的展開示意圖。

11:端蓋

12:第一檔板

13:保溫層

14:發酵空間

15:夾套

17:第一連接部

18:第一旋轉軸

19:第一迴轉接頭

20:槽體

22:第一馬達

23:第二傳動組件

24:第二馬達

25:第一傳動組件

31:附加組件

32:第二檔板

33:軸心管件

34:攪拌葉片

35:第一穿孔

38:第二旋轉軸

39:第二迴轉接頭

L:發酵空間長度

Claims

一種固態發酵系統，包括: 一臥式發酵槽包括一槽體和一端蓋，該槽體和該端蓋共同定義出臥式發酵槽內的一發酵空間，其中該槽體的一內壁上設有間隔地分布的複數個第一檔板，該些第一檔板突出至該發酵空間中；一攪拌組件包括一軸心管件、複數個攪拌葉片和複數個第二檔板，該軸心管件、複數個攪拌葉片和複數個第二檔板容置於該發酵空間中，其中每一該攪拌葉片的一第一端連接至該軸心管件，每一該攪拌葉片的一第二端設有任一該第二檔板且該第二檔板朝向該內壁突伸；以及該軸心管件的一第一端容置於該槽體上，該軸心管件的一第二端穿經該端蓋至該臥式發酵槽外；一第一旋轉組件連接至該槽體，該第一旋轉組件用以旋轉該槽體；以及一第二旋轉組件連接至該攪拌組件，該第二旋轉組件用以旋轉該軸心管件，其中當該槽體和該攪拌組件二者至少任一旋轉時，任一該第二檔板停留或穿過相鄰的任二該些第一檔板之間。
如請求項1所述的固態發酵系統，其中該些第一檔板以平行或歪斜該軸心管件的方式間隔地固定在該內壁上。
如請求項1所述的固態發酵系統，其中該軸心管件的一管壁上設有一或多個第一穿孔。
如請求項1所述的固態發酵系統，其中該軸心管件是中空的，並且一附加組件容置於該軸心管件中。
如請求項1、2、3或4所述的固態發酵系統，其中該第一旋轉組件包括連接該槽體的一第一旋轉軸，以及一第一迴轉接頭連接該第一旋轉軸。
如請求項5所述的固態發酵系統，更包括一第一傳動組件連接該第一旋轉軸，以及一第一馬達透過該第一傳動組件轉動該槽體。
如請求項1、2、3或4所述的固態發酵系統，其中該第二旋轉組件包括連接該軸心管件的一第二旋轉軸，以及一第二迴轉接頭連接該第二旋轉軸。
如請求項7所述的固態發酵系統，更包括一第二傳動組件連接該第二旋轉軸，以及一第二馬達透過該第二傳動組件轉動該軸心管件。
如請求項1、2、3或4所述的固態發酵系統，更包括二固定件分別與該第一旋轉組件和該第二旋轉組件連接，該二固定件用以懸空該臥式發酵槽。