CN103333787B

CN103333787B - 一种填料塔式连续表面发酵装置及其发酵方法

Info

Publication number: CN103333787B
Application number: CN201310301612.XA
Authority: CN
Inventors: 傅亮; 陈宇哲
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2033-07-17
Also published as: CN103333787A

Abstract

本发明公开了一种填料塔式连续表面发酵装置，包括填料塔、填充材料、若干隔板、入风口、出风口、风机、第一循环泵、第二循环泵、进料阀门、出料阀门、出口阀门、入口阀门、在线酸度检测仪及收集罐。本发明克服了现有表面发酵技术中细菌纤维膜完整性难以保护、占地面积大、发酵时间长、劳动强度大、不能进行良好的发酵参数控制及连续自动化生等问题，具有结构简单、操作容易、生产周期短、产品质量好、原料补给方便、细菌纤维膜保持完整及发酵液能与细菌纤维膜有效接触等特点。

Description

一种填料塔式连续表面发酵装置及其发酵方法

技术领域

本发明涉及食品发酵设备及工艺技术，具体来说是一种填料塔式连续表面发酵装置及其发酵方法。

背景技术

现有文献表明表面发酵生产米醋中，木醋杆菌能大量固定于自产的细菌纤维膜上，细菌纤维膜完整性对发酵产酸及发酵的正常进行有重要作用，细菌纤维膜完整性一旦被破坏，则会导致产酸能力急剧降低。醋的液态酿造工艺一般可分为深层液态发酵和表面静置发酵，深层液态不能以木醋杆菌生产米醋，发酵动力消耗大，且设备构成复杂，不适用于表面发酵菌种的发酵；传统的米醋表面发酵都以发酵缸或发酵池生产，生产过程中取料、搅拌等操作极易使细菌纤维膜破碎或沉降，并且不能支持补料操作，造成酸度偏低，且占地面积大，发酵时间长，劳动强度大，不能进行良好的发酵参数控制及连续自动化生产。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术存在的不足，提供了一种在维持细菌纤维膜完整的条件下，增加细菌纤维膜比表面积(表面积/体积)，使细菌纤维膜(木醋杆菌)与发酵液有效接触，方便进行酒精补料操作，缩短发酵周期，提高发酵产酸，采用循环回流的反应系统增加了原料的利用率，结合酒精分批补料或连续补料操作，在短时间内提高醋酸总酸度，并保持醋的生产连续进行并可对各发酵参数的填料塔式连续表面发酵装置。

本发明另一目的在于提供一种使用上述填料塔式连续表面发酵装置的发酵方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种填料塔式连续表面发酵装置，包括填料塔、填充材料、若干隔板、入风口、出风口、风机、第一循环泵、第二循环泵、进料阀门、出料阀门、出口阀门、入口阀门、在线酸度检测仪及收集罐；其中，填料塔的顶部与收集罐通过循环管连接，由第一循环泵提供动力，循环管上设有进料阀门，发酵液通过填料塔顶部进入填料塔中，若干隔板将填料塔分隔成若干个发酵区，若干个发酵区内设置填充材料，发酵液流经附着在填充材料上的细菌纤维膜并在此发酵，填料塔上部侧边安装有出风口，填料塔下部侧边安装有入风口，出风口处配有送风装置，入风口处设有风机，填料塔底部通过管道与第二循环泵连接，第二循环泵与出料阀门连接，出料阀门通过管道与收集罐底部连接，收集罐底部还与出口阀门连接，收集罐顶部连接入口管，入口管上设有入口阀门，收集罐上设有在线酸度检测仪。

所述循环管端部连接分洒喷头，分洒喷头设于收集罐内部顶端。

所述填料塔为圆柱形结构，高径比为10:1～30:1，填料塔中间为中空，塔身为耐酸不锈钢，填料塔体积为5m³～50m³。适当填料塔的高度有利于发酵液受重力自上而下流经塔内接触更多的细菌纤维膜，使发酵液利用更加充分，减少占地面积。但是填料塔过高需要更高功率的循环泵，故采用上述比例为最佳。

所述填料塔内部每隔10～50cm设有一块刚性耐酸的不锈钢金属网状挡板。，用于支撑填充材料，并使填充材料在粘附细菌纤维膜后不被压缩变形。

所述填充材料为网状或多孔结构，并不与发酵液产生任何化学反应，发酵过程生成细菌纤维膜则粘附于填充材料中。

所述填充材料为聚酯纤维或多孔陶瓷或聚乙烯。填充材料应当具有非亲水性和较好的持水能力。同时本发明应用于表面发酵，故填充材料的空隙率越高越有利于增加比表面积提高发酵效率。填充材料有助于减缓发酵液下落的速度，增加发酵液在细菌纤维膜上停留时间，使发酵更加充分。

当所述填充材料为絮状聚酯纤维，絮状聚酯纤维的空隙率为70％，絮状聚酯纤维的容重为19～27kg/m³。当材料为聚乙烯时，空隙率为66％，容重为40kg/m³；当材料为多孔陶瓷时，空隙率为50％，容重为800kg/m³。

所述填料塔数量为若干个，各填料塔之间采用串联或并联。

一种使用上述填料塔式连续表面发酵装置的发酵方法，包括以下步骤：

(1)、将填充材料设于填料塔内的若干隔板上，使填充材料均匀布满填料塔，然后将接种后的发酵液经入口管及入口阀门加入到收集罐；

(2)、将收集罐内的发酵液经循环管及第一循环泵到填料塔顶部，发酵液受重力沿填充材料均匀下落，风机从填料塔底部的入风口送入无菌氧气，无菌氧气从填料塔上部侧边的出风口排出，温度保持在25～40℃；

(3)、发酵液在下落过程中部分残留于填充材料上，由于发酵作用产生细菌纤维膜，细菌纤维膜逐渐在填充材料上自然生长并固定，由于有空隙率及对应的容重，能维持细菌纤维膜的完整性，并能与发酵液和氧气有效接触；

(4)、发酵液在细菌纤维膜上有效的进行发酵，当发酵液下落到填料塔底部时，通过第二循环泵将发酵液泵入收集罐，然后经第一循环泵重新回流至填充材料上继续发酵；

(5)、循环发酵1～2周，当在线酸度检测仪检测到发酵液总酸度达到设定值后，从收集罐中放出发酵液进行灭菌，灌装。

所述步骤(1)中的接种量为发酵液的5～10％(V/V)，填充材料为絮状聚酯纤维，絮状聚酯纤维的空隙率为70％，絮状聚酯纤维的容重为19～27kg/m³，所述步骤(5)循环发酵时，在收集罐内分批次补入2～3％(V/V)的酒精，间隔周期为1～2天，补加次数为3～5次，补入酒精通过第一循环泵进入填料塔内，然后经发酵为醋酸，未利用的酒精被再次流进填料塔内重新发酵；所述步骤(5)中发酵液总酸度设定值为7.0g/100mL。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

1、本发明包括填料塔、填充材料、若干隔板、出风口、风机、第一循环泵、第二循环泵、进料阀门、出料阀门、出口阀门、入口阀门、在线酸度检测仪及收集罐，具有结构简单、操作容易、生产周期短、产品质量好、原料补给方便、细菌纤维膜保持完整及发酵液能与细菌纤维膜有效接触等特点。

2、本发明中的填充材料为网状或多孔结构，并不与发酵液产生任何化学反应，发酵过程生成细菌纤维膜则粘附于填充材料中，可以保证在整个发酵过程中完整性得以保护，使发酵产酸稳定进行，疏松状态的填充材料一方面是有利于细菌纤维膜生成空间，另一方面有利于细菌纤维膜、发酵液及氧气的接触。

3、本发明设置了第一循环泵、第二循环泵、进料阀门、出料阀门、出口阀门、入口阀门、在线酸度检测仪及收集罐，可以实现分次补入一定量的酒精，可以使发酵最终酸度提高，不会影响到细菌纤维膜的完整性。

4、本发明设有分洒喷头，可以使发酵液更均匀的发酵，提高单位体积发酵液的溶氧，实际使用效果好。

5、本发明设有入风口、出风口及风机，无菌氧气从下而上运动，使发酵液在塔内与细菌纤维膜接触时间变长，有利于发酵液更多的溶氧，提高发酵的效率。

6、本发明采用循环回流设计，有助于发酵液与细菌纤维膜有效接触，并提高原料的利用率。

7、本发明采用填料塔的高径比，有利于发酵液受重力自上而下流经塔内接触更多的细菌纤维膜，使发酵液利用更加充分。但是填料塔过高需要更高功率的循环泵，故采用上述比例为最佳。

8、本发明中填充材料的特性有利于细菌纤维膜的生成与附着，并保持完整性在发酵过程中不被破坏。高空隙率有利于提高细菌纤维膜比表面积，减缓发酵液下落的速度，增加发酵液在细菌纤维膜上停留时间，提高发酵效率。

附图说明

图1为一种填料塔式连续表面发酵装置整体结构示意图。

图中标号与名称如下：

1	填料塔	2	填充材料
				3	隔板	4	入风口
5	出风口	6	风机
				7	第一循环泵	8	第二循环泵
9	进料阀门	10	出料阀门

11	出口阀门	12	入口阀门
				13	在线酸度检测仪	14	收集罐
15	分洒喷头	16	循环管

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1所示，一种填料塔式连续表面发酵装置，包括填料塔1、填充材料2、若干隔板3、入风口4、出风口5、风机6、第一循环泵7、第二循环泵8、进料阀门9、出料阀门10、出口阀门11、入口阀门12、在线酸度检测仪13及收集罐14；其中，填料塔1的顶部与收集罐14通过循环管16连接，由第一循环泵7提供动力，循环管16上设有进料阀门9，发酵液通过填料塔1顶部进入填料塔1中，若干隔板3将填料塔1分隔成若干个发酵区，若干个发酵区内设置填充材料2，发酵液流经附着在填充材料2上的细菌纤维膜并在此发酵，填料塔1上部侧边安装有出风口5，填料塔1下部侧边安装有入风口4，出风口5处配有送风装置，入风口4处设有风机6，填料塔1底部通过管道与第二循环泵8连接，第二循环泵8与出料阀门10连接，出料阀门10通过管道与收集罐14底部连接，收集罐14底部还与出口阀门11连接，收集罐14顶部连接入口管，入口管上设有入口阀门12，收集罐14上设有在线酸度检测仪13。出风口5和入风口4处均设有无菌滤网，保证进入的气体无菌，第一循环泵7、第二循环泵8的功率要与收集罐14容量大小匹配，且在循环管16出现淤塞时，可以通过提高流速来管道进行疏通。

本实施例的循环管16端部连接分洒喷头15，分洒喷头15设于收集罐14内部顶端，填料塔1为圆柱形结构，高径比为10:1～30:1，本实施例高径比采用20:1，填料塔1中间为中空，塔身为耐酸不锈钢，填料塔1体积为5m³～50m³，本实施例填料塔1体积为25m³。

填料塔1内部每隔10～50cm设有一块刚性耐酸的不锈钢金属网状挡板，的不锈钢金属网状挡板用于支撑填充材料，并使填充材料在粘附细菌纤维膜后不被压缩变形，本实施例中每隔10cm设有一块刚性耐酸的不锈钢金属网状挡板，不锈钢金属网状挡板具体为316L型不锈钢网孔。

填充材料2为网状或多孔结构，并不与发酵液产生任何化学反应，发酵过程生成细菌纤维膜则粘附于填充材料2中，填充材料2为聚酯纤维或多孔陶瓷或不锈钢丝。本实施例中的填充材料2为絮状聚酯纤维，絮状聚酯纤维的空隙率为70％，絮状聚酯纤维的容重为19～27kg/m³，本实施例采用容重为23kg/m³。

为了提高产量，填料塔1数量为若干个，各填料塔1之间采用串联或并联，本实施例为单个填料塔的情况。

(1)、将填充材料2设于填料塔1内的若干隔板3上，使填充材料2均匀布满填料塔1，然后将接种后的发酵液经入口管及入口阀门12加入到收集罐14；

(2)、将收集罐14内的发酵液经循环管16及第一循环泵7到填料塔1顶部，发酵液受重力沿填充材料2均匀下落，风机6从填料塔1底部的入风口4送入无菌氧气，无菌氧气从填料塔1上部侧边的出风口5排出，温度保持在25～40℃；

(3)、发酵液在下落过程中部分残留于填充材料2上，由于发酵作用产生细菌纤维膜，细菌纤维膜逐渐在填充材料2上自然生长并固定，由于有空隙率及对应的容重，能维持细菌纤维膜的完整性，并能与发酵液和氧气有效接触；

(4)、发酵液在细菌纤维膜上有效的进行发酵，当发酵液下落到填料塔1底部时，通过第二循环泵8将发酵液泵入收集罐14，然后经第一循环泵7重新回流至填充材料2上继续发酵；

(5)、循环发酵1～2周，当在线酸度检测仪13检测到发酵液总酸度达到设定值后，从收集罐14中放出发酵液进行灭菌，灌装。

所述步骤(1)中的接种量为发酵液的5～10％，填充材料2为絮状聚酯纤维，絮状聚酯纤维的空隙率为70％，絮状聚酯纤维的容重为19～27kg/m³，本实施例采用容重为23kg/m³，所述步骤(5)循环发酵时，在收集罐14内分批次补入2～3％(V/V)的酒精，间隔周期为1～2天，补加次数为3～5次，补入酒精通过第一循环泵7进入填料塔1内，然后经发酵为醋酸，未利用的酒精被再次流进填料塔1内重新发酵；所述步骤(5)中发酵液总酸度设定值为7.0g/100mL。

本实施例中选用木醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)RF4菌株为发酵菌种，该菌种为广式米醋生产中的主要菌种，代谢过程中产生乙酸与细菌纤维素，发酵液：10mg/mL葡萄糖、10mg/mL酵母粉，121℃灭菌20min冷却至70℃左右加入5％乙醇(V/V)，冷却至室温后接种菌种液5％(V/V)，发酵温度维持在30℃，发酵液流速控制在320mL/min，并通过风机6对流，维持一定的无菌空气流量为300mL/min。在这个阶段，发酵主要进行产膜，发酵液酸度在3.7g/100mL，细菌纤维膜的生长及固定需要持续7天时间。当固定膜操作完成后，总酸度趋于上升时，即可进行分批补料操作，每次补加酒精2％(V/V)，间隔期为2天，补加次数在4次，补料期间各参数条件保持不变。分批补料操作后发酵液总酸度可以达到7g/100mL以上。当酸度检测仪显示酸度达到设定值(7g/100mL)后即可取出发酵产品，进行灭菌、灌装，可得成品，同时补入新发酵液继续醋的生产。

当发酵循环流速超过600mL/min时，其余操作遵照上述进行，形成的细菌纤维膜由于过快的冲刷力无法与聚酯纤维有效附着，导致细菌纤维膜的完整性破坏。此时发酵液酸度在1.5～2.0g/100mL之间，按上述方法补料后，酸度也只能达到3.0g/100mL。相较之前细菌纤维膜保持完整时，产酸效率急剧降低。故生产过程中不能采用过高的循环流速，注意保护细菌纤维膜的完整性。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：本实施例中的填充材料2为多孔陶瓷，空隙率为50％，容重为800kg/m³，本实施例把浓缩苹果汁调糖度至12Brix，灭菌冷却后同时接入0.3％活化好的果酒酵母和10％左右的木醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)RF4菌种液，将苹果汁发酵液从导入收集罐14中，关闭入口阀门12，然后打开进料阀门9，并启动第一循环泵7，发酵液经循环管16被泵入填料塔1，发酵液中木醋杆菌产生的细菌纤维膜会附着在填充材料2上。在线监测酸度，待在线酸度检测仪13检测的酸度不变时，发酵基本结束。每批发酵结束后，打开出口阀门11，将大约4/5醋液经导出管导出，剩余液作为下批发酵的醋酸菌种与接有酵母的苹果汁发酵液混合，继续发酵，醋母可以循环使用。将导出的醋液进行过滤，经高温瞬时灭菌处理，即可得到澄清透明的苹果醋原液。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种填料塔式连续表面发酵装置，其特征在于：包括填料塔、填充材料、若干隔板、入风口、出风口、风机、第一循环泵、第二循环泵、进料阀门、出料阀门、出口阀门、入口阀门、在线酸度检测仪及收集罐；其中，填料塔的顶部与收集罐通过循环管连接，由第一循环泵提供动力，循环管上设有进料阀门，发酵液通过填料塔顶部进入填料塔中，若干隔板将填料塔分隔成若干个发酵区，若干个发酵区内设置填充材料，填充材料不与发酵液产生任何化学反应，发酵液流经附着在填充材料上的细菌纤维膜并在此发酵，填料塔上部侧边安装有出风口，填料塔下部侧边安装有入风口，出风口处配有送风装置，入风口处设有风机，填料塔底部通过管道与第二循环泵连接，第二循环泵与出料阀门连接，出料阀门通过管道与收集罐底部连接，收集罐底部还与出口阀门连接，收集罐顶部连接入口管，入口管上设有入口阀门，收集罐上设有在线酸度检测仪。

2.根据权利要求1所述的填料塔式连续表面发酵装置，其特征在于：所述循环管端部连接分洒喷头，分洒喷头设于填料塔内部顶端。

3.根据权利要求1所述的填料塔式连续表面发酵装置，其特征在于：所述填料塔为圆柱形结构，高径比为10:1～30:1，填料塔中间为中空，塔身为耐酸不锈钢，填料塔体积为5m³～50m³。

4.根据权利要求3所述的填料塔式连续表面发酵装置，其特征在于：所述填料塔内部每隔10～50cm设有一块刚性耐酸的不锈钢金属网状挡板。

5.根据权利要求1所述的填料塔式连续表面发酵装置，其特征在于：所述填充材料为网状或多孔结构，发酵过程生成细菌纤维膜则粘附于填充材料中。

6.根据权利要求5所述的填料塔式连续表面发酵装置，其特征在于：所述填充材料为聚酯纤维、聚乙烯或多孔陶瓷。

7.根据权利要求5所述的填料塔式连续表面发酵装置，其特征在于：所述填充材料为絮状聚酯纤维，絮状聚酯纤维的空隙率为70％，絮状聚酯纤维的容重为19-27kg/m³。

8.根据权利要求1所述的填料塔式连续表面发酵装置，其特征在于：所述填料塔数量为若干个，各填料塔之间采用串联或并联。

9.一种使用权利要求1-8任一所述填料塔式连续表面发酵装置的发酵方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)、将收集罐内的发酵液经循环管及第一循环泵泵到填料塔顶部，发酵液受重力沿填充材料均匀下落，风机从填料塔底部的入风口送入无菌氧气，无菌氧气从填料塔上部侧边的出风口排出，温度保持在25～40℃；

10.根据权利要求9所述的发酵方法，其特征在于：所述步骤(1)中的接种量为发酵液体积比的5～10％，填充材料为絮状聚酯纤维，絮状聚酯纤维的空隙率为70％，絮状聚酯纤维的容重为19～27kg/m³，所述步骤(5)循环发酵时，在收集罐内分批次补入体积比2～3％的酒精，间隔周期为1～2天，补加次数为3～5次，补入酒精通过第一循环泵进入填料塔内，然后经发酵为醋酸，未利用的酒精被再次流进填料塔内重新发酵；所述步骤(5)中发酵液总酸度设定值为7.0g/100mL。