专利名称：一种果醋发酵罐的制作方法
技术领域：
本发明属于生物工程设备领域，涉及一种液态深层好氧发酵生物反应器，特别涉及一种新型果醋发酵罐。
背景技术：
生物技术的发展源泉是生物技术科学原理的新发现，它对应用领域具有指导作用。原理要指导生产实践，用于生产，必须借助生物反应器这一重要的桥梁。所谓生物反应器(Bioreactor)在微生物发酵中亦称发酵罐，是指能提供可控环境，以满足细胞正常生长和生物合成的装置。它在各种生物加工过程中占据中心位置。尽管生物反应器涉及到以动物体或植物体生产某些生物产品的过程，但最常见的生物反应器是使生物反应得以实现的装置，也就是生物技术专用设备——发酵罐。
由于生物技术广泛深入的研究和生物产业的不断发展，至今已有多种生物反应器应用于生产，其中较主要的生物技术专用反应器有机械搅拌式发酵罐、鼓泡式发酵罐、气升式发酵罐、膜生物反应器、自吸式发酵罐、固态物料发酵罐等几种。应用于果醋生产的醋酸发酵罐主要有鼓泡式发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐和自动喷淋式发酵罐。鼓泡式发酵罐的工作原理是利用通入培养基中的气泡在上升时带动液体而产生混合，并将气泡中的氧供培养基中的菌体使用，其结构简单，易于操作，运行成本低，混合和传质传热性能较好，且反应器内无传动部件，容易密封，对保持无菌条件有利。气升式发酵罐是在鼓泡式发酵罐的基础上发展起来的，它是利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应液循环流动，来实现液体的搅拌、混合和传递氧，反应器中宏观混合效果好；结构简单，无运动部件，易清洗，不易染菌；传热传质效率高，能较好地解决高密度、高黏度、高糖度等发酵体系的传质混合问题；流态化效果好，可使固体颗粒完全保持悬浮状态；能量耗散均匀，对剪切力敏感物料具有特别意义。自吸式发酵罐的主要部件为三棱形空心涡轮搅拌器，它在容器中旋转时，促使液流激烈湍动，使搅拌器叶轮周围的动能增加而势能减少，形成一定程度的真空，通过与搅拌器空心涡轮联接的导管吸入外界气体，实现气液接触和混合传质。自动喷淋式发酵罐是目前食醋生产上最常用的发酵罐，它是利用离心泵使发酵液循环喷淋用玉米芯、芦苇杆等填充料制成的发酵菌床而进行醋酸发酵的发酵罐，其结构简单，生产效率高，产品质量好，但是菌床处理工序繁琐且易污染杂菌，尤其是常因醋膜的大量产生而使生产被迫中断。
果醋及其发酵饮料含有丰富的有机酸、氨基酸、维生素等，具有消除疲劳、提神、生精止渴、增进食欲、减肥、降血脂等功效，是很好的调味品和保健食品，在国内、国际市场都很畅销。如苹果醋、葡萄醋、桑椹醋、柿子醋、杏醋等，色美味佳，倍受欧美人的钟爱，国内的需求也呈急速上升趋势。随着现代医学和食品科学的发展，人们越来越重视饮食的营养保健作用，果醋就是为满足人们的这种需要而发展起来的一种新型食醋。它采用水果、瓜果为主要原料，经过醋酸发酵酿造而成。水果中含有较多的天然芳香物质和不挥发性有机酸，这样，与通常使用的食醋相比，由水果酿制的食醋保持了水果特有的果香，酸味更柔合，并富含维生素、微量元素等营养成份，许多品种都具有一定的保健功能，从而提高了它的食用价值及经济价值。另外，经不同加工处理的果醋，被稀释调配后可作为饮料直接饮用。由于果醋的这些优点，所以果醋一经问世就受到了广大消费者的热烈欢迎，已经成为宾馆、饭店、食堂、千家万户，人人都喝、家家都用的日常生活消费品，具有巨大的市场潜力和广阔的发展前景。果醋产业的发展壮大必须以其关键生产设备——醋酸发酵罐的研发为前提，果醋生产急需要具有设备投资低、操作简便、效率高、能耗低、污染小、能适应不同生产规模需要的醋酸发酵罐问世。
一个良好的生物反应器应满足下列要求①结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；②有良好的气-液-固接触和混合性能和高效的热量、质量、动量传递性能；③在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；④有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度；⑤有可行的管路比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。
如果能综合鼓泡式、气升式和自吸式发酵罐的优点，并有效地克服了自动喷淋式发酵罐菌床处理繁琐、易产生醋膜等弊端，研发出更为结构简单、易于灭菌清洗、溶氧量大、产酸效率高、易于操作、适用范围广、成本低的、满足上述要求的、具有自主知识产权的醋酸发酵罐，对促进我国食醋(尤其是果醋)和生物工程领域其他好氧发酵工业的发展，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种新型的果醋发酵罐。该果醋发酵罐利用流体力学原理，采用新型的进气系统，能够达到通气量大、溶氧快、气液混合均匀，适于灭菌操作和自动化控制，而且结构更为简单、易于操作、效率高、能耗低、安全性能好、适用范围广、价格低廉。
实现上述发明目的的技术方案是一种果醋发酵罐，包括罐体，其特征在于，所述的罐体为夹层，内设蛇形管，罐体底部设有排污口，罐体的侧下方安装有离心泵，离心泵连接有喷射系统、进气系统和出料口/取样口，该进气系统包括进气管、空气过滤器和空气流量调节器；罐体上方设有进料口、排气口和观察窗。
罐体和夹层内还设置有温控探头，该温控探头与控制面板连通。上述罐体上方还有机械消泡器，机械消泡器与排气口连通，排气口内装有与机械消泡器连通的泡沫探头。罐体的侧面装有液位计和控制面板。
本发明的果醋发酵罐以离心泵为动力，靠进气系统的独特设计和喷射系统的变换，形成气液固混合物的总体有序循环，具有结构简单、易于灭菌清洗、溶氧量大、产酸效率高、易于操作、适用范围广、运行成本低、价格低廉等特点。应用该发酵罐能节省空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气储罐、总过滤器等设备，还可减少厂房占地面积，总体估算大约可减少设备投资30-50％。该发酵罐除运用于液态醋酸发酵外，还可以广泛应用于生物工程领域好氧发酵的诸多方面，具有广阔的应用前景。
图1是本发明的总体平面结构示意图；图2是本发明进气系统和导气管基本构造图；图3是几种增大通气量的进气系统结构设计图。
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
参见图1，图1是本发明的一个具体实施例，其结构特征包括罐体1，该罐体1为夹层，罐体1底部设有排污口10，罐体1的侧下方安装有离心泵2，离心泵2连接有喷射系统4、进气系统3和排料口(或称为取样口)9，该进气系统3包括进气管、空气过滤器和空气流量调节器；罐体1上方设有进料口7、排气口8、观察窗12和机械消泡器6；机械消泡器6与排气口8连通，排气口8内装有与机械消泡器6连通的泡沫探头13，罐体1的侧面还装有液位计11和控制面板5。
罐体1为不锈钢或特种塑料夹层设计，内设蛇形管和温控探头，通过温控探头监控发酵罐内的温度变化并在控制面板5上显示，当罐内温度超过设定范围时会发出报警声，以提醒工作人员开启蒸汽阀门或冷水阀调整温度；离心泵2的功率和扬程、进气系统3与喷射系统4的组合结构可以根据发酵罐的生产能力选配；进气系统3的进气管与数显空气流量器连接，并通过控制面板5显示和调节空气流量；机械消泡器6与排气口8连接，排气口8内安装有和机械消泡器6连通的泡沫监控探头13，当因泡沫量较大浸没泡沫监控探头13时，机械消泡器6即开始工作，当排风夹带着泡沫从气液进口进入高速旋转的转鼓或转子中(1000r/min-1450r/min)，泡沫迅速被打碎，并借离心力的作用，使液体和空气分离，净风从排风管排出，发酵液经回流管返回罐内。
进气系统的导气管结构参见附图2，发明人研究发现根据流体力学原理，在离心泵与罐体连接的出水管上，即在距喷液口102的10cm～20cm处垂直插入导气管101，导气管101插入端为30°斜口，斜口面朝水流方向，出水管与导气管101的管径比不超过1∶0.5为宜。
增大通气量的进气系统3的结构参见附图3，其中图(a)的喷液口102为单管式结构，图(b)的喷液口102为T形管结构，图(c)的喷液口102为T形管上面有多个液口，图(d)的喷液口102为单管，上面有多个液口，图(e)的喷液口102为单管，上面有多个长短不同的液口。发明人经过研究发现在离心泵功率和扬程一定条件下，通过变换进气系统3和喷射系统4的组合结构以及喷射系统与罐体1连接的方位(如改变喷射管口与罐内壁的夹角、减小喷射管管径、调整喷射管管口所在罐体的位置等)，可以增大通气量，以满足不同生产能力的发酵罐对通气量的要求。
喷射系统4的作用是通过调整喷头在罐内的喷射方向实现发酵液的激烈湍动，从而获得最大的容积氧传递系数。
喷射系统4是一路进气多路喷头，或多路进气多路喷头，其最佳喷射方向为喷头与罐体1的内壁呈切线方向，小型罐可采用一路进气多路喷头与罐体1内壁呈垂直方向。
在上述实施例的果醋发酵罐基础上，去掉罐体夹层中的温控探头和控制面板5、机械消泡器6和泡沫监控探头13以及液位计11等附加设施后，在罐体1上再附加简易冷却和保温设施，能够制成简易的果醋发酵罐，可以直接满足小型生产规模的需要。发明人给出的一个具体实施例是，采用塑料圆形罐体、去掉控温系统和控制面板5、消机械泡器6和泡沫监控探头13以及液位计11等附加设施，设计一个300升简易发酵罐，该简易发酵罐采用离心泵的功率为450W，扬程为8M，经过两次在陕西省铜川市印台区九九红醋业有限公司进行柿子醋醋酸发酵试验，结果表明在接种酸度5.4g/100ml的种醋150L，补加食用酒精4.5L和酒精度6％(v/v)的新鲜柿子酒醪150L，保持通气量260L/min的情况下，24小时可使发酵液酸度达到5.0g/100ml以上。
本发明的新型果醋发酵罐，通过进气系统结构的改进，使本发明和现有技术相比，带来以下明显的技术效果1.进气系统3在离心泵2的作用下，使液体强制快速循环，在出水管与导气管垂直连接处形成一定的真空，使外界气体由导气管吸入并随液流喷射入罐内，使液流循环吸入空气并在罐内发生激烈湍动，实现气液接触和混合传质，罐体内无任何传动装置，即不用机械搅拌，完全依靠离心泵使液体循环流动，并通过进气系统与喷射系统的巧妙组合实现气液混合和氧的传递。
2.实现最大通气量的结构设计通过调整出水口与罐体的连接方法、变换进气喷射系统的管径大小或结构形式，可以适应不同容量发酵罐的通气量要求。
3.罐体整体成型设计通过温度调节控制系统、通气量调节控制系统、空气净化系统等的配置，实现半自动或全自动控制发酵。
权利要求
1.一种果醋发酵罐，包括罐体(1)，其特征在于，所述的罐体(1)为夹层，夹层内设有蛇形管，罐体(1)底部设有排污口(10)，罐体(1)的侧下方安装有离心泵(2)，离心泵(2)连接有喷射系统(4)、进气系统(3)和出料口/取样口(9)，该进气系统(3)包括进气管、空气过滤器和空气流量调节器；罐体(1)上方设有进料口(7)、排气口(8)和观察窗(12)。
2.如权利要求1所述的果醋发酵罐，其特征在于，所述的罐体(1)和夹层内还设置有温控探头，罐体(1)上方还有机械消泡器(6)，机械消泡器(6)与排气口(8)连通，排气口(8)内装有与机械消泡器(6)连通的泡沫探头(13)，罐体(1)的侧面装有液位计(11)和控制面板(5)，控制面板(5)与所述的温控探头、空气流量调节器连通。
3.如权利要求1或2所述的果醋发酵罐，其特征在于，所述的进气系统(3)设置在离心泵(2)与罐体(1)连接的出水管上，即在距喷液口(102)的10cm～20cm处垂直插入进气系统(3)上的导气管(101)，导气管(101)插入端为30°斜口，斜口面朝水流方向，出水管与导气管(101)的管径比不超过1∶0.5。
4.如权利要求1或2所述的果醋发酵罐，其特征在于，所述的喷射系统(4)是一路进气多路喷头，或多路进气多路喷头，喷射方向为喷头与罐体(1)的内壁呈切线方向。
5.如权利要求5所述的果醋发酵罐，其特征在于，所述的一路进气多路喷头与罐体(1)内壁呈垂直方向连接。
6.如权利要求1所述的果醋发酵罐，其特征在于，所述的进气系统(3)的进气管还连接有数显空气流量调节器。
全文摘要
本发明公开了一种果醋发酵罐，它包括罐体，罐体为夹层，内设蛇形管和温控探头，罐体底部设有排污口，罐体的侧下方安装有离心泵，离心泵连接有喷射系统、进气系统和出料口/取样口，该进气系统包括进气管、空气过滤器和空气流量调节器；罐体上方设有进料口、排气口和观察窗。本发明的果醋发酵罐的罐体内无任何传动装置，完全依靠离心泵使液体循环流动并通过进气系统与喷射系统的巧妙组合实现气液混合和氧的传递。具有结构简单、无需菌床、不产生菌膜、易于灭菌清洗、溶氧量大、产酸效率高、易于操作、适用范围广、运行成本低、价格低廉等特点，除运用于液态醋酸发酵外，还可广泛用于生物工程领域好氧发酵的诸多方面。
文档编号C12J1/10GK101020887SQ20061010516
公开日2007年8月22日 申请日期2006年12月14日 优先权日2006年12月14日
发明者李志西, 刘耀玺, 张莉 申请人:西北农林科技大学, 河南省林业学校