CN115386458A - 一种智能控制发酵设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种智能控制发酵设备及方法，包括罐体、控制柜、蒸汽机和空气压缩机，罐体内有夹套，夹套底部一侧设置有进水系统，进水系统与加热器连接，顶部一侧设置有排污系统，罐体表面设置有大视角侧视镜，罐体一侧管道上设置有除菌过滤器与空气压缩机连接，蒸汽过滤器与蒸汽发生机连接，底部设置有罐底阀、出料管和排料管，罐体一侧设置有酸碱电极和溶氧电极探头，罐体顶部设置有可自动升降的罐盖盖，罐盖上有火焰封口接种环、温度电极、泡沫检测电极、电机、进料口、补酸、补碱、补消泡剂口和空气过滤器，电机、酸碱电极、溶氧电极、温度探头通过电缆与控制柜连接。

Description

一种智能控制发酵设备及方法
技术领域
本发明属于液体智能化发酵控制装置技术领域，具体涉及一种智能控制发酵设备及方法。
背景技术
目前较多的发酵实验都是在摇瓶培养等小规模实验过程中进行的。实验与实际产品之间可能存在许多误差。为了确定扩大到实际生产时的标准，考虑各影响因素之间的平衡是很重要的，包括溶解氧浓度、pH值、温度、混合和原料补充都需要控制和优化。对选择的发酵反应器进行进一步优选，优化运行模式。发酵设备的特性和运行方式对发酵过程也有很大影响。
与石油和化学工业相比，过程控制在发酵工业中发挥的作用有限。而且缺乏能够实时监测过程状态的在线传感器，阻碍了发酵反应过程控制。现在由于食品制造技术的持续发展，对过程建模和控制的需求正在增加。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的技术缺失予以研究改良，提供一种液体，以实现对发酵过程的监测与控制。
为了实现以上目的，本发明的一种智能控制发酵设备，包括罐体(1)，所述罐体(1)中央设置有大视角侧视镜(2)，所述罐体(1)底部设置有出料管(3)，其上设置有电磁阀，所述出料管左侧设置有取样阀(4)，后侧设置有控温进水管(7)与控温水箱(5)和进水管(6)连接，控温进水管(7)与夹套(28)低位相连接，夹套(28)高位设置有排水管(8)，排水管(8)上方和罐体(1)连接的蒸汽管道(9)又和蒸汽发生机(10)连接，所述罐体(1)一侧设置有进气管(11)，进气管(11)和除菌过滤器(12)连接，所述罐体顶盖上设置有火焰封口接种环(13)、减压排气管道系统(14)、温度与泡沫检测系统(15)，所述罐体(1)顶盖一侧设置有加酸口(16)，加碱口(17)，补料口(18)，补消泡剂口(19)，中间设置有伺服电机(20)与其下端的搅拌杆(27)连接，所述罐盖与推杆系统(21)连接，所述罐体右侧设置有pH电极探头(22)，DO值电极探头(23)与工控机PLC(25)连接，工控机PLC上设置有显示屏(24)，所述加酸口(16)，加碱口(17)，补料口(18)，补消泡剂口(19)与各蠕动泵(26)通过软管连接，蒸汽阀管道(9)上有分支管道连接进水管(6)，伺服电机(20)与工控机PLC(25)电性连接。
进一步，所述罐体(1)材质为不锈钢与玻璃组合、内表面抛光；
所述除菌过滤器(12)采用高效空气除菌过滤器；
所述伺服电机(20)采用伺服调速、连续平稳可调；
所述搅拌杆(27)采用标准二层六弯叶搅拌桨，上端安装消泡浆。
所述发酵设备采用开放式设计、台架材质为不锈钢、管路接口为快接方式。
所述搅拌杆(27)采用标准二层六弯叶搅拌桨，上端安装消泡浆。
进一步，所述发酵设备采用开放式设计、台架材质为不锈钢、管路接口为快接方式。
进一步，所述进气管(11)与无油空气压缩机连接，在进气管(11)上安装有除水减压阀、流量计和除菌过滤器(12)，所述除水减压阀与工控机PLC(25)电连接，通过显示屏(24)打开进气阀，空气通过压缩机进入除水减压阀，流经除菌过滤器(12)和流量计进入发酵罐中；所述无油空气压缩机、除水减压阀、除菌过滤器(12)和流量计构成空气除菌过滤系统。
进一步，所述蒸汽发生机(10)产生净蒸汽通过蒸汽管道(9)、蒸汽过滤器过滤后进入空气过滤器，同时进入发酵罐和各处管道，对整个发酵系统进行灭菌，所述蒸汽管道(9)、蒸汽发生机(10)、蒸汽管道(9)上的蒸汽减压阀和蒸汽过滤器构成蒸汽灭菌系统；所述蒸汽灭菌系统具有过滤器灭菌、实消和空消功能。
进一步，所述进水管(6)与控温水箱(5)连接，由电磁阀控制开关，水经控温水箱(5)流经控温水管(7)进入夹套(28)低位，从夹套(28)高位的排水管(8)流出，所述温水箱(5)、进水管(6)、控温水管(7)、排水管(8)、夹套(28)和温度与泡沫检测系统(15)构成温度控制系统；所述温度控制系统设置有温度传感器，具有温度自动补偿功能；所述温度控制系统设置有控制方式：智能模糊控制、数据自动记录、曲线显示，可分段控制。
进一步，所述加酸口(16)，加碱口(17)通过软管经蠕动泵(26)与相应酸碱液连接；pH电极检测测出信号后由pH变送器发送至工控机PLC(25)后控制蠕动泵添加酸或碱液；所述加酸口(16)，加碱口(17)、pH电极探头(22)、工控机PLC(25)和蠕动泵(26)构成pH测量与自动控制系统；所述pH测量及控制系统控制方式：智能模糊控制、pH值异常报警、数据自动记录、曲线显示，PID控制，可调节的警报阈值，可分段控制。
进一步，所述溶氧电极(23)将检测信号通过DO变送器发送到工控机PLC(25)显示在显示屏上(24)，由电磁阀控制进气量；所述进气阀(9)、溶氧电极(23)和工控机PLC(25)组成溶解氧测量系统；所述溶解氧测量系统控制方式：与搅拌关联自动控制、数据自动记录、曲线显示。
进一步，所述推杆系统(21)与罐盖通过电焊连接，可带动罐盖开启关闭；工控机PLC(25)上设置有推杆系统(21)的开关。
本发明的一种智能控制发酵设备的发酵方法，包括以下步骤：
1)PLC控制系统根据设定的发酵温度，通过温度控制系统控制发酵温度在设定值；通过PLC控制系统控制发酵罐内物料的温度在20-70℃范围内的某一设定值；当发酵罐内物料温度低于设定值时，热水控制阀打开，控温水箱内热水流入加热夹套低处，从加热夹套高位流出，发酵罐升温；当发酵罐内物料温度高于设定值时，关闭热水控制阀，温控水罐内的热水停止流入加热夹套，打开冷水控制阀，发酵罐冷却；
2)PLC控制系统根据设定的pH，通过pH测量与自动控制系统控制发酵罐内反应物料的pH，控制范围在2-12±0.03内；当监测到当发酵罐内物料的pH低于设定范围时，PLC控制系统运转与加碱口相连接的蠕动泵，将稀碱加入发酵罐；当监测到发酵罐内物料的pH高于设定范围时，PLC控制系统则运转与加酸口相连接的蠕动泵，将稀酸加入发酵罐；利用PLC控制系统中的PID控制辅助pH自控；
3)PLC控制系统控制搅拌杆在pH测量与自动控制系统运行时自动开启搅拌，已达到均质的目的；
4)PLC控制系统运行蒸汽灭菌系统，先利用夹套通蒸汽对培养基进行预热，待培养基温度到达高值后，关闭夹套蒸汽，改为直接向罐内通入蒸汽，此时过滤器与发酵罐一起灭菌，达到灭菌温度时，控制蒸汽阀门开度，保持罐压不变，冷却水的进排阀门打开，在夹套内通水冷却，进气阀门打开，通入无菌空气，打开搅拌，加速冷却，待温度降到略高于发酵温度时，关闭冷却水进排阀门，打开冷水机，在触摸屏上将冷却、加热设定为自动状态，发酵罐开始自动控温，以上阀门都在程序控制下自动开启或关闭。
与现有的技术相比，本发明的优点如下：
1.本发明的空气除菌过滤系统可实现罐体以及各管道之间的高压蒸汽在位灭菌，减少了使用传统灭菌锅的不便，使通氧发酵时进入无菌空气，保证发酵过程不受杂菌污染。
2.本发明采用PLC系统智能控制，具有结构简单、操作方便等优点，通过工控机plc系统对发酵过程进行实时监测，并根据实时状态进行温度、DO值、pH和补料PID控制，且精度较高，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明智能控制发酵设备的结构示意图。
图2发酵设备内部结构剖面示意图
图3为本发明PLC控制系统的主界面图
附图标记，1为罐体，2为大视角侧视镜，3为出料管，4为取样阀，5为控温水箱，6为进水管，7为控温进水管，8为排水管，9为蒸汽管道，10为蒸汽发生机，11为进气管，12为除菌过滤器，13为火焰封口接种环，14为减压排气管道系统，15为温度与泡沫检测系统，16为加酸口，17为加碱口，18为补料口，19为补消泡剂口，20为伺服电机，21为推杆系统，22为pH电极探头，23为DO值电极探头，24为显示屏，25为工控机PLC，26为蠕动泵，27为搅拌杆，28为夹套。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义.
如图1-1所示，一种智能控制发酵设备，包括罐体1，所述罐体1中央设置有大视角侧视镜2；
所述罐体1底部设置有出料管3其上设置有电磁阀，所述出料管左侧设置有取样阀4，后侧设置有管道与控温水箱5和进水管6连接，控温进水管7与夹套28低位相连接，夹套28高位设置有排水管8，蒸汽管道9和蒸汽发生机10连接；
所述罐体1左侧设置有进气管11和除菌过滤器12连接，所述罐体顶盖上设置有火焰封口接种环13，减压排气管道系统14，温度与泡沫检测系统15，所述罐体1顶盖右侧设置有加酸口16，加碱口17，补料口18，补消泡剂口19，中间设置有伺服电机20与搅拌杆27连接，所述罐盖与推杆系统21连接，所述罐体右侧设置有pH电极探头22，DO值电极探头23与工控机PLC 25连接，工控机上设置有显示屏24，所述加酸口16，加碱口17，补料口18，补消泡剂口19与各蠕动泵26通过软管连接，蒸汽阀管道9上有分支管道连接进水管6，伺服电机20与工控机电性连接。
优选的，所述除菌过滤器12采用高效空气除菌过滤器、2级过滤；
所述伺服电机20采用伺服调速、转速连续平稳可；
优选的，所述搅拌杆27采用标准二层六弯叶搅拌桨，上端安装消泡浆。
所述发酵系统由发酵罐、空气除菌过滤系统、蒸汽灭菌系统、温度控制系统、pH测量及控制系统、溶解氧测量系统和电器控制柜组成；所述发酵平台采用开放式设计、台架材质为不锈钢、管路接口为快接方式。
所述空气除菌过滤系统包括无油空气压缩机、除水减压阀、除菌过滤器12和流量计。所述无油空气压缩机与进气管11连接，所述除水减压阀安装、流量计和除菌过滤器12在进气管11上，所述除水减压阀与工控机PLC 25电连接，通过显示屏24打开进气阀，空气通过压缩机进入除水减压阀，流经除菌过滤器12和流量计进入发酵罐中。
所述蒸汽灭菌系统包括蒸汽管道9、蒸汽发生机10、蒸汽减压阀和蒸汽过滤器；所述蒸汽灭菌系统具有过滤器灭菌、实消和空消功能，所述过滤器灭菌即蒸汽发生机10产生净蒸汽通过蒸汽过滤器过滤后进入空气过滤器，同时进入发酵罐和各处管道，对整个发酵系统进行灭菌。
所述温度控制系统包括控温水箱5、进水管6、控温水管7、排水管8、夹套28和温度和泡沫检测系统15；所述进水管6与控温水箱5连接，由电磁阀控制开关，水经控温水箱5流经控温水管7进入夹套28低位，从夹套28高位的排水管8流出；所述温度控制系统设置有温度传感器，具有温度自动补偿功能；所述温度控制系统设置有控制方式：智能模糊控制、数据自动记录、曲线显示，可分段控制。
所述pH测量与自动控制系统包括加酸口16，加碱口17、pH电极探头22、工控机PLC25和蠕动泵26；所述加酸口16，加碱口17通过软管经蠕动泵26与相应酸碱液连接；所述pH电极检测测出信号后由pH变送器发送至工控机PLC 25后控制蠕动泵添加酸或碱液；所述pH自动控制系统控制方式：智能模糊控制、pH值异常报警、数据自动记录、曲线显示，PID控制，可调节的警报阈值，可分段控制。
所述溶解氧测量系统包括进气阀9、溶氧电极23和工控机PLC 25；所述溶氧电极23将检测信号通过DO变送器发送到工控机PLC 25显示在显示屏24上，由电磁阀控制进气量；所述溶解氧测量系统控制方式：与搅拌关联自动控制、数据自动记录、曲线显示。
所述推杆系统21与罐盖通过电焊连接，可带动罐盖开启关闭；工控机plc25上设置有推杆系统21的开关。

Claims (10)

1.一种智能控制发酵设备，其特征在于：包括罐体(1)，所述罐体(1)中央设置有大视角侧视镜(2)，所述罐体(1)底部设置有出料管(3)，其上设置有电磁阀，所述出料管左侧设置有取样阀(4)，后侧设置有控温进水管(7)与控温水箱(5)和进水管(6)连接，控温进水管(7)与夹套(28)低位相连接，夹套(28)高位设置有排水管(8)，排水管(8)上方和罐体(1)连接的蒸汽管道(9)又和蒸汽发生机(10)连接，所述罐体(1)一侧设置有进气管(11)，进气管(11)和除菌过滤器(12)连接，所述罐体顶盖上设置有火焰封口接种环(13)、减压排气管道系统(14)、温度与泡沫检测系统(15)，所述罐体(1)顶盖一侧设置有加酸口(16)，加碱口(17)，补料口(18)，补消泡剂口(19)，中间设置有伺服电机(20)与其下端的搅拌杆(27)连接，所述罐盖与推杆系统(21)连接，所述罐体右侧设置有pH电极探头(22)，DO值电极探头(23)与工控机PLC(25)连接，工控机PLC上设置有显示屏(24)，所述加酸口(16)，加碱口(17)，补料口(18)，补消泡剂口(19)与各蠕动泵(26)通过软管连接，蒸汽阀管道(9)上有分支管道连接进水管(6)，伺服电机(20)与工控机PLC(25)电性连接。
2.根据权利要求1所述的智能控制发酵设备，其特征在于：所述罐体(1)材质为不锈钢与玻璃组合、内表面抛光；
所述除菌过滤器(12)采用高效空气除菌过滤器；
所述伺服电机(20)采用伺服调速、连续平稳可调；
所述搅拌杆(27)采用标准二层六弯叶搅拌桨，上端安装消泡浆。
3.根据权利要求1所述的智能控制发酵设备，其特征在于：所述发酵设备采用开放式设计、台架材质为不锈钢、管路接口为快接方式。
4.根据权利要求1所述的智能控制发酵设备，其特征在于：所述进气管(11)与无油空气压缩机连接，在进气管(11)上安装有除水减压阀、流量计和除菌过滤器(12)，所述除水减压阀与工控机PLC(25)电连接，通过显示屏(24)打开进气阀，空气通过压缩机进入除水减压阀，流经除菌过滤器(12)和流量计进入发酵罐中；所述无油空气压缩机、除水减压阀、除菌过滤器(12)和流量计构成空气除菌过滤系统。
5.根据权利要求1所述的智能控制发酵设备，其特征在于：所述蒸汽发生机(10)产生净蒸汽通过蒸汽管道(9)、蒸汽过滤器过滤后进入空气过滤器，同时进入发酵罐和各处管道，对整个发酵系统进行灭菌，所述蒸汽管道(9)、蒸汽发生机(10)、蒸汽管道(9)上的蒸汽减压阀和蒸汽过滤器构成蒸汽灭菌系统；所述蒸汽灭菌系统具有过滤器灭菌、实消和空消功能。
6.根据权利要求1所述的智能控制发酵设备，其特征在于：所述进水管(6)与控温水箱(5)连接，由电磁阀控制开关，水经控温水箱(5)流经控温水管(7)进入夹套(28)低位，从夹套(28)高位的排水管(8)流出，所述温水箱(5)、进水管(6)、控温水管(7)、排水管(8)、夹套(28)和温度与泡沫检测系统(15)构成温度控制系统；所述温度控制系统设置有温度传感器，具有温度自动补偿功能。
7.根据权利要求1所述的智能控制发酵设备，其特征在于：所述加酸口(16)，加碱口(17)通过软管经蠕动泵(26)与相应酸碱液连接；pH电极检测测出信号后由pH变送器发送至工控机PLC(25)后控制蠕动泵添加酸或碱液；所述加酸口(16)，加碱口(17)、pH电极探头(22)、工控机PLC(25)和蠕动泵(26)构成pH测量与自动控制系统。
8.根据权利要求1所述的智能控制发酵设备，其特征在于：所述溶氧电极(23)将检测信号通过DO变送器发送到工控机PLC(25)显示在显示屏上(24)，由电磁阀控制进气量；所述进气阀(9)、溶氧电极(23)和工控机PLC(25)组成溶解氧测量系统。
9.根据权利要求1所述的智能控制发酵设备，其特征在于：所述推杆系统(21)与罐盖通过电焊连接，可带动罐盖开启关闭；工控机PLC(25)上设置有推杆系统(21)的开关。
10.一种智能控制发酵设备的发酵方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)PLC控制系统根据设定的发酵温度，通过温度控制系统控制发酵温度在设定值；通过PLC控制系统控制发酵罐内物料的温度在20-70℃范围内的某一设定值；当发酵罐内物料温度低于设定值时，热水控制阀打开，控温水箱内热水流入加热夹套低处，从加热夹套高位流出，发酵罐升温；当发酵罐内物料温度高于设定值时，关闭热水控制阀，温控水罐内的热水停止流入加热夹套，打开冷水控制阀，发酵罐冷却；
2)PLC控制系统根据设定的pH，通过pH测量与自动控制系统控制发酵罐内反应物料的pH，控制范围在2-12±0.03内；当监测到当发酵罐内物料的pH低于设定范围时，PLC控制系统运转与加碱口相连接的蠕动泵，将稀碱加入发酵罐；当监测到发酵罐内物料的pH高于设定范围时，PLC控制系统则运转与加酸口相连接的蠕动泵，将稀酸加入发酵罐；利用PLC控制系统中的PID控制辅助pH自控；
3)PLC控制系统控制搅拌杆在pH测量与自动控制系统运行时自动开启搅拌，已达到均质的目的；
4)PLC控制系统运行蒸汽灭菌系统，先利用夹套通蒸汽对培养基进行预热，待培养基温度到达高值后，关闭夹套蒸汽，改为直接向罐内通入蒸汽，此时过滤器与发酵罐一起灭菌，达到灭菌温度时，控制蒸汽阀门开度，保持罐压不变，冷却水的进排阀门打开，在夹套内通水冷却，进气阀门打开，通入无菌空气，打开搅拌，加速冷却，待温度降到略高于发酵温度时，关闭冷却水进排阀门，打开冷水机，在触摸屏上将冷却、加热设定为自动状态，发酵罐开始自动控温，以上阀门都在程序控制下自动开启或关闭。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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