專利名稱：一種果醋發酵罐的制作方法
技術領域：
本發明屬于生物工程設備領域，涉及一種液態深層好氧發酵生物反應器，特別涉及一種新型果醋發酵罐。
背景技術：
生物技術的發展源泉是生物技術科學原理的新發現，它對應用領域具有指導作用。原理要指導生產實踐，用于生產，必須借助生物反應器這一重要的橋梁。所謂生物反應器(Bioreactor)在微生物發酵中亦稱發酵罐，是指能提供可控環境，以滿足細胞正常生長和生物合成的裝置。它在各種生物加工過程中占據中心位置。盡管生物反應器涉及到以動物體或植物體生產某些生物產品的過程，但最常見的生物反應器是使生物反應得以實現的裝置，也就是生物技術專用設備——發酵罐。
由于生物技術廣泛深入的研究和生物產業的不斷發展，至今已有多種生物反應器應用于生產，其中較主要的生物技術專用反應器有機械攪拌式發酵罐、鼓泡式發酵罐、氣升式發酵罐、膜生物反應器、自吸式發酵罐、固態物料發酵罐等幾種。應用于果醋生產的醋酸發酵罐主要有鼓泡式發酵罐、氣升式發酵罐、自吸式發酵罐和自動噴淋式發酵罐。鼓泡式發酵罐的工作原理是利用通入培養基中的氣泡在上升時帶動液體而產生混合，并將氣泡中的氧供培養基中的菌體使用，其結構簡單，易于操作，運行成本低，混合和傳質傳熱性能較好，且反應器內無傳動部件，容易密封，對保持無菌條件有利。氣升式發酵罐是在鼓泡式發酵罐的基礎上發展起來的，它是利用空氣的噴射功能和流體重度差造成反應液循環流動，來實現液體的攪拌、混合和傳遞氧，反應器中宏觀混合效果好；結構簡單，無運動部件，易清洗，不易染菌；傳熱傳質效率高，能較好地解決高密度、高黏度、高糖度等發酵體系的傳質混合問題；流態化效果好，可使固體顆粒完全保持懸浮狀態；能量耗散均勻，對剪切力敏感物料具有特別意義。自吸式發酵罐的主要部件為三棱形空心渦輪攪拌器，它在容器中旋轉時，促使液流激烈湍動，使攪拌器葉輪周圍的動能增加而勢能減少，形成一定程度的真空，通過與攪拌器空心渦輪聯接的導管吸入外界氣體，實現氣液接觸和混合傳質。自動噴淋式發酵罐是目前食醋生產上最常用的發酵罐，它是利用離心泵使發酵液循環噴淋用玉米芯、蘆葦桿等填充料制成的發酵菌床而進行醋酸發酵的發酵罐，其結構簡單，生產效率高，產品質量好，但是菌床處理工序繁瑣且易污染雜菌，尤其是常因醋膜的大量產生而使生產被迫中斷。
果醋及其發酵飲料含有豐富的有機酸、氨基酸、維生素等，具有消除疲勞、提神、生精止渴、增進食欲、減肥、降血脂等功效，是很好的調味品和保健食品，在國內、國際市場都很暢銷。如蘋果醋、葡萄醋、桑椹醋、柿子醋、杏醋等，色美味佳，倍受歐美人的鐘愛，國內的需求也呈急速上升趨勢。隨著現代醫學和食品科學的發展，人們越來越重視飲食的營養保健作用，果醋就是為滿足人們的這種需要而發展起來的一種新型食醋。它采用水果、瓜果為主要原料，經過醋酸發酵釀造而成。水果中含有較多的天然芳香物質和不揮發性有機酸，這樣，與通常使用的食醋相比，由水果釀制的食醋保持了水果特有的果香，酸味更柔合，并富含維生素、微量元素等營養成份，許多品種都具有一定的保健功能，從而提高了它的食用價值及經濟價值。另外，經不同加工處理的果醋，被稀釋調配后可作為飲料直接飲用。由于果醋的這些優點，所以果醋一經問世就受到了廣大消費者的熱烈歡迎，已經成為賓館、飯店、食堂、千家萬戶，人人都喝、家家都用的日常生活消費品，具有巨大的市場潛力和廣闊的發展前景。果醋產業的發展壯大必須以其關鍵生產設備——醋酸發酵罐的研發為前提，果醋生產急需要具有設備投資低、操作簡便、效率高、能耗低、污染小、能適應不同生產規模需要的醋酸發酵罐問世。
一個良好的生物反應器應滿足下列要求①結構嚴密，經得起蒸汽的反復滅菌，內壁光滑，耐腐蝕性能好，以利于滅菌徹底和減小金屬離子對生物反應的影響；②有良好的氣-液-固接觸和混合性能和高效的熱量、質量、動量傳遞性能；③在保持生物反應要求的前提下，降低能耗；④有良好的熱量交換性能，以維持生物反應最適溫度；⑤有可行的管路比例和儀表控制，適用于滅菌操作和自動化控制。
如果能綜合鼓泡式、氣升式和自吸式發酵罐的優點，并有效地克服了自動噴淋式發酵罐菌床處理繁瑣、易產生醋膜等弊端，研發出更為結構簡單、易于滅菌清洗、溶氧量大、產酸效率高、易于操作、適用范圍廣、成本低的、滿足上述要求的、具有自主知識產權的醋酸發酵罐，對促進我國食醋(尤其是果醋)和生物工程領域其他好氧發酵工業的發展，具有重要的意義。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種新型的果醋發酵罐。該果醋發酵罐利用流體力學原理，采用新型的進氣系統，能夠達到通氣量大、溶氧快、氣液混合均勻，適于滅菌操作和自動化控制，而且結構更為簡單、易于操作、效率高、能耗低、安全性能好、適用范圍廣、價格低廉。
實現上述發明目的的技術方案是一種果醋發酵罐，包括罐體，其特征在于，所述的罐體為夾層，內設蛇形管，罐體底部設有排污口，罐體的側下方安裝有離心泵，離心泵連接有噴射系統、進氣系統和出料口/取樣口，該進氣系統包括進氣管、空氣過濾器和空氣流量調節器；罐體上方設有進料口、排氣口和觀察窗。
罐體和夾層內還設置有溫控探頭，該溫控探頭與控制面板連通。上述罐體上方還有機械消泡器，機械消泡器與排氣口連通，排氣口內裝有與機械消泡器連通的泡沫探頭。罐體的側面裝有液位計和控制面板。
本發明的果醋發酵罐以離心泵為動力，靠進氣系統的獨特設計和噴射系統的變換，形成氣液固混合物的總體有序循環，具有結構簡單、易于滅菌清洗、溶氧量大、產酸效率高、易于操作、適用范圍廣、運行成本低、價格低廉等特點。應用該發酵罐能節省空氣凈化系統中的空氣壓縮機、冷卻器、油水分離器、空氣儲罐、總過濾器等設備，還可減少廠房占地面積，總體估算大約可減少設備投資30-50％。該發酵罐除運用于液態醋酸發酵外，還可以廣泛應用于生物工程領域好氧發酵的諸多方面，具有廣闊的應用前景。
圖1是本發明的總體平面結構示意圖；圖2是本發明進氣系統和導氣管基本構造圖；圖3是幾種增大通氣量的進氣系統結構設計圖。
以下結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
參見圖1，圖1是本發明的一個具體實施例，其結構特征包括罐體1，該罐體1為夾層，罐體1底部設有排污口10，罐體1的側下方安裝有離心泵2，離心泵2連接有噴射系統4、進氣系統3和排料口(或稱為取樣口)9，該進氣系統3包括進氣管、空氣過濾器和空氣流量調節器；罐體1上方設有進料口7、排氣口8、觀察窗12和機械消泡器6；機械消泡器6與排氣口8連通，排氣口8內裝有與機械消泡器6連通的泡沫探頭13，罐體1的側面還裝有液位計11和控制面板5。
罐體1為不銹鋼或特種塑料夾層設計，內設蛇形管和溫控探頭，通過溫控探頭監控發酵罐內的溫度變化并在控制面板5上顯示，當罐內溫度超過設定范圍時會發出報警聲，以提醒工作人員開啟蒸汽閥門或冷水閥調整溫度；離心泵2的功率和揚程、進氣系統3與噴射系統4的組合結構可以根據發酵罐的生產能力選配；進氣系統3的進氣管與數顯空氣流量器連接，并通過控制面板5顯示和調節空氣流量；機械消泡器6與排氣口8連接，排氣口8內安裝有和機械消泡器6連通的泡沫監控探頭13，當因泡沫量較大浸沒泡沫監控探頭13時，機械消泡器6即開始工作，當排風夾帶著泡沫從氣液進口進入高速旋轉的轉鼓或轉子中(1000r/min-1450r/min)，泡沫迅速被打碎，并借離心力的作用，使液體和空氣分離，凈風從排風管排出，發酵液經回流管返回罐內。
進氣系統的導氣管結構參見附圖2，發明人研究發現根據流體力學原理，在離心泵與罐體連接的出水管上，即在距噴液口102的10cm～20cm處垂直插入導氣管101，導氣管101插入端為30°斜口，斜口面朝水流方向，出水管與導氣管101的管徑比不超過1∶0.5為宜。
增大通氣量的進氣系統3的結構參見附圖3，其中圖(a)的噴液口102為單管式結構，圖(b)的噴液口102為T形管結構，圖(c)的噴液口102為T形管上面有多個液口，圖(d)的噴液口102為單管，上面有多個液口，圖(e)的噴液口102為單管，上面有多個長短不同的液口。發明人經過研究發現在離心泵功率和揚程一定條件下，通過變換進氣系統3和噴射系統4的組合結構以及噴射系統與罐體1連接的方位(如改變噴射管口與罐內壁的夾角、減小噴射管管徑、調整噴射管管口所在罐體的位置等)，可以增大通氣量，以滿足不同生產能力的發酵罐對通氣量的要求。
噴射系統4的作用是通過調整噴頭在罐內的噴射方向實現發酵液的激烈湍動，從而獲得最大的容積氧傳遞系數。
噴射系統4是一路進氣多路噴頭，或多路進氣多路噴頭，其最佳噴射方向為噴頭與罐體1的內壁呈切線方向，小型罐可采用一路進氣多路噴頭與罐體1內壁呈垂直方向。
在上述實施例的果醋發酵罐基礎上，去掉罐體夾層中的溫控探頭和控制面板5、機械消泡器6和泡沫監控探頭13以及液位計11等附加設施后，在罐體1上再附加簡易冷卻和保溫設施，能夠制成簡易的果醋發酵罐，可以直接滿足小型生產規模的需要。發明人給出的一個具體實施例是，采用塑料圓形罐體、去掉控溫系統和控制面板5、消機械泡器6和泡沫監控探頭13以及液位計11等附加設施，設計一個300升簡易發酵罐，該簡易發酵罐采用離心泵的功率為450W，揚程為8M，經過兩次在陜西省銅川市印臺區九九紅醋業有限公司進行柿子醋醋酸發酵試驗，結果表明在接種酸度5.4g/100ml的種醋150L，補加食用酒精4.5L和酒精度6％(v/v)的新鮮柿子酒醪150L，保持通氣量260L/min的情況下，24小時可使發酵液酸度達到5.0g/100ml以上。
本發明的新型果醋發酵罐，通過進氣系統結構的改進，使本發明和現有技術相比，帶來以下明顯的技術效果1.進氣系統3在離心泵2的作用下，使液體強制快速循環，在出水管與導氣管垂直連接處形成一定的真空，使外界氣體由導氣管吸入并隨液流噴射入罐內，使液流循環吸入空氣并在罐內發生激烈湍動，實現氣液接觸和混合傳質，罐體內無任何傳動裝置，即不用機械攪拌，完全依靠離心泵使液體循環流動，并通過進氣系統與噴射系統的巧妙組合實現氣液混合和氧的傳遞。
2.實現最大通氣量的結構設計通過調整出水口與罐體的連接方法、變換進氣噴射系統的管徑大小或結構形式，可以適應不同容量發酵罐的通氣量要求。
3.罐體整體成型設計通過溫度調節控制系統、通氣量調節控制系統、空氣凈化系統等的配置，實現半自動或全自動控制發酵。
權利要求
1.一種果醋發酵罐，包括罐體(1)，其特征在于，所述的罐體(1)為夾層，夾層內設有蛇形管，罐體(1)底部設有排污口(10)，罐體(1)的側下方安裝有離心泵(2)，離心泵(2)連接有噴射系統(4)、進氣系統(3)和出料口/取樣口(9)，該進氣系統(3)包括進氣管、空氣過濾器和空氣流量調節器；罐體(1)上方設有進料口(7)、排氣口(8)和觀察窗(12)。
2.如權利要求1所述的果醋發酵罐，其特征在于，所述的罐體(1)和夾層內還設置有溫控探頭，罐體(1)上方還有機械消泡器(6)，機械消泡器(6)與排氣口(8)連通，排氣口(8)內裝有與機械消泡器(6)連通的泡沫探頭(13)，罐體(1)的側面裝有液位計(11)和控制面板(5)，控制面板(5)與所述的溫控探頭、空氣流量調節器連通。
3.如權利要求1或2所述的果醋發酵罐，其特征在于，所述的進氣系統(3)設置在離心泵(2)與罐體(1)連接的出水管上，即在距噴液口(102)的10cm～20cm處垂直插入進氣系統(3)上的導氣管(101)，導氣管(101)插入端為30°斜口，斜口面朝水流方向，出水管與導氣管(101)的管徑比不超過1∶0.5。
4.如權利要求1或2所述的果醋發酵罐，其特征在于，所述的噴射系統(4)是一路進氣多路噴頭，或多路進氣多路噴頭，噴射方向為噴頭與罐體(1)的內壁呈切線方向。
5.如權利要求5所述的果醋發酵罐，其特征在于，所述的一路進氣多路噴頭與罐體(1)內壁呈垂直方向連接。
6.如權利要求1所述的果醋發酵罐，其特征在于，所述的進氣系統(3)的進氣管還連接有數顯空氣流量調節器。
全文摘要
本發明公開了一種果醋發酵罐，它包括罐體，罐體為夾層，內設蛇形管和溫控探頭，罐體底部設有排污口，罐體的側下方安裝有離心泵，離心泵連接有噴射系統、進氣系統和出料口/取樣口，該進氣系統包括進氣管、空氣過濾器和空氣流量調節器；罐體上方設有進料口、排氣口和觀察窗。本發明的果醋發酵罐的罐體內無任何傳動裝置，完全依靠離心泵使液體循環流動并通過進氣系統與噴射系統的巧妙組合實現氣液混合和氧的傳遞。具有結構簡單、無需菌床、不產生菌膜、易于滅菌清洗、溶氧量大、產酸效率高、易于操作、適用范圍廣、運行成本低、價格低廉等特點，除運用于液態醋酸發酵外，還可廣泛用于生物工程領域好氧發酵的諸多方面。
文檔編號C12J1/10GK101020887SQ20061010516
公開日2007年8月22日 申請日期2006年12月14日 優先權日2006年12月14日
發明者李志西, 劉耀璽, 張莉 申請人:西北農林科技大學, 河南省林業學校