CN118207065B - 一种智能控制发酵装置及发酵方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发酵设备技术领域,公开了一种智能控制发酵装置及发酵方法。本发明通过液面传感器检测发酵罐体内部的液面高度,温度传感器检测发酵罐体内部的液体温度,糖度检测机构检测发酵罐体内部的液体糖度,控制系统能够根据检测系统传回的检测数据,对检测数据进行运算,获得当前发酵罐体内部的发酵进程,以准确对发酵罐体内部的发酵进行作准确的分割,然后控制系统根据发酵进程的变化,分别控制进料口的开闭状态、排液口的开闭状态、搅拌机构的搅拌功率和发酵罐体内部的温度进而能够精准地控制发酵罐内部的各个工艺流程的进行。

Description

一种智能控制发酵装置及发酵方法
技术领域
本发明涉及发酵设备技术领域,具体为一种智能控制发酵装置及发酵方法。
背景技术
发酵指人们借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身、或者直接代谢产物或次级代谢产物的过程。通常所说的发酵,多是指生物体对于有机物的某种分解过程。发酵是人类较早接触的一种生物化学反应,如今在食品工业、生物和化学工业中均有广泛应用。现代对于发酵的定义是:通过对微生物(或动植物细胞)进行大规模的生长培养,使之发生化学变化和生理变化,从而产生和积累大量人们发酵所需要的代谢产物的过程。
发酵是生命体所进行的化学反应和生理变化,是多种多样的生物化学反应根据生命体本身所具有的遗传信息去不断分解合成,以取得能量来维持生命活动的过程。发酵产物是指在反应过程当中或反应到达终点时所产生的能够调节代谢使之达到平衡的物质。实际上,发酵也是呼吸作用的一种,只不过通常的呼吸作用是指有氧呼吸,其最终结果是生成二氧化碳和水,而发酵过程则是一种无氧呼吸的过程,其最终结果是产生酒精、二氧化碳以及其它代谢的产物。
在发酵工业上,按照发酵的工艺流程区分有:分批发酵、连续发酵和流加发酵。分批发酵:一次性投入料液,发酵过程中除了无菌空气的通入与废气的排出外,与外界没有物料交换,一直到发酵结束放罐。连续发酵:在特定的发酵设备中进行的,一边连续不断地输入新鲜无菌料液,一边连续不断地放出发酵液,可分为罐式连续发酵和管道式连续发酵。补料分批发酵:介于分批发酵与连续发酵之间的一种发酵操作方式,是指在培养过程中,间歇或连续地向发酵罐中补加一种或多种成分的新鲜料液的培养方式,又称为半连续培养。
在实际的补料分批发酵中,发酵各个进程的判断通常由经验或者临时抽样检测进行判断,导致判断过程不准确和判断结果延后,进而导致发酵过程延长,也导致发酵过程的控制不够精确,容易导致发酵过度的问题。
针对相关技术中的问题,目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种智能控制发酵装置及发酵方法。
为解决上述的技术问题,本发明提供如下技术方案:
一种智能控制发酵装置,包括发酵罐体、密封罐盖和搅拌机构,所述发酵罐体和所述密封罐盖之间密封设置,所述密封罐盖顶端设置有进料口,所述发酵罐体底端设置有排液口,所述搅拌机构能够对所述发酵罐体内部进行搅拌,所述发酵罐体外部设置有保温夹套,所述保温夹套能够对所述发酵罐体内部进行温度交换和保温,通过调整所述保温夹套的功率能够对所述发酵罐体内部的温度进行调整;所述发酵罐体内部设置有检测系统,所述检测系统包括液面传感器、温度传感器和糖度检测机构,所述液面传感器用于检测所述发酵罐体内部的液面高度,所述温度传感器用于检测所述发酵罐体内部的液体温度,所述糖度检测机构用于检测所述发酵罐体内部的液体糖度;所述发酵罐体外侧还设置有控制系统,所述控制系统能够接收所述检测系统传回的检测数据,所述检测数据包括所述发酵罐体内部的液面高度数据、温度和液体糖度,所述控制系统能够对检测数据进行运算,获得当前所述发酵罐体内部的发酵进程;所述进料口和所述排液口外侧均设置有电磁阀,通过控制电磁阀的开闭,能够控制对应的所述进料口和所述排液口的开闭;所述控制系统能够根据发酵进程的变化,分别控制所述进料口的开闭状态、所述排液口的开闭状态、所述搅拌机构的搅拌功率和所述发酵罐体内部的温度。
优选地,所述糖度检测机构包括附属检测腔,所述附属检测腔设置在所述发酵罐体的底端一侧,并且所述附属检测腔与所述发酵罐体内部之间连通,所述附属检测腔与所述发酵罐体之间设置有固体滤板,所述发酵罐体内部的液体能够穿过所述固体滤板进入所述附属检测腔内部;所述附属检测腔内部设置有折射率检测机构,所述折射率检测机构能够检测所述附属检测腔内部的液体的折射率,根据液体的折射率能够获取所述附属检测腔内部的液体的糖度。
优选地,所述折射率检测机构包括激光发射器、激光接收器和超声消泡器;所述激光发射器和所述激光接收器之间存在有从所述发酵罐体内部进入所述附属检测腔内部的液体,所述超声消泡器能够发射超声对所述激光发射器和所述激光接收器之间的液体中的气泡进行破碎;所述激光发射器能够向所述激光接收器发射激光,所述激光接收器能够接收激光,获取所述激光发射器和所述激光接收器之间的液体的折射率,并且根据液体的折射率换算液体的糖度。
优选地,所述发酵进程包括灭菌阶段、初次投料阶段、n个循环发酵阶段和末次排料阶段;每个所述循环发酵阶段均包括发酵阶段、排料阶段和补料阶段;
所述检测系统获得的液体实时糖度为Pi,液面实时高度为Hi,液体实时温度为Ti;在初次投料阶段,进入的发酵液和菌液的混合液的糖度为P0,总量为H0,后续补料阶段,补入的发酵液的糖度为kP0
在任意一个发酵阶段,Pi由P0降低至gP0
在任意一个排料阶段,Pi保持不变,Hi降低至fH0
在任意一个补料阶段,补入糖度为kP0的发酵液,Hi回升至H0,Pi回升至P0
在末次排料阶段,将Hi降低至0,完全排空所述发酵罐体。
优选地,在一个发酵进程中的任意一个所述循环发酵阶段,n、P0、H0、g、f、k均为定值,并且n≤10,k≥1.2,0.3≥g≥0.15,0.3≥f≥0.15;g、f、k满足关系式:k(1-f)+gf=1。
优选地,在灭菌阶段,向密封的发酵罐体和密封罐盖内部通入高温蒸汽,保持发酵罐体内部温度不低于120℃,处理20-30min后,停止通入高温蒸汽,并等待发酵罐体内部温度降低至室温;
在初次投料阶段,向发酵罐体内部通入无菌的糖度为kP0发酵液,然后通入菌液,并启动搅拌机构于将75rad/min发酵液和菌液混匀,至发酵液和菌液混合液总量为H0,糖度为P0
任意一个发酵阶段均包括菌体繁殖阶段和菌体发酵阶段,在菌体繁殖阶段,保温夹套将发酵罐体内部的温度维持在16-18℃,在菌体发酵阶段,保温夹套将发酵罐体内部的温度维持在19-22℃,在菌体繁殖阶段和菌体发酵阶段,搅拌机构的搅拌速度为30rad/min;
在任意一个排料阶段,搅拌机构的搅拌速度为75rad/min;
在任意一个补料阶段,搅拌机构的搅拌速度为75rad/min;
在末次排料阶段,搅拌机构的搅拌速度为75rad/min。
优选地,所述密封罐盖顶端还设置有换气接口,所述发酵罐体内部还设置有溶解氧监测仪,所述换气接口外接有换气过滤器和换气泵,所述换气接口还外接有泄压阀,所述泄压阀用于将所述发酵罐体内部压力卸出,所述溶解氧监测仪能够检测所述发酵罐体内部的溶氧量,所述换气泵能够根据所述发酵罐体内部的溶氧量变化,将外接空气和所述发酵罐体内部气体经过所述换气过滤器进行气体交换。
优选地,所述搅拌机构包括搅拌电机、搅拌连杆和搅拌件,所述搅拌电机固定在所述密封罐盖的顶端,所述搅拌电机通过所述搅拌连杆驱动所述搅拌件转动;所述搅拌件包括搅拌外框和若干个搅拌扇叶,所述搅拌外框紧贴所述发酵罐体的内壁,所述搅拌件受驱动旋转时,所述搅拌外框能够搅动所述发酵罐体内部液体在水平方向上翻转,所述搅拌扇叶能够搅动所述发酵罐体内部液体在竖直方向上翻转。
优选地,所述发酵罐体底端还设置有排料口,所述搅拌外框沿前进方向的前端向前进方向的后端倾斜,所述搅拌外框在转动时,能够将所述发酵罐体内壁上的附着物刮下并从所述排料口排出。
一种发酵方法,使用了上述一种智能控制发酵装置。
与现有技术相比,本发明提供了一种智能控制发酵装置及发酵方法,具备以下有益效果:
1、该种智能控制发酵装置,在密封后的发酵罐体内部进行一个批次的发酵过程,在使用时,能够通过搅拌机构对发酵罐体内部进行搅拌,通过调整保温夹套的功率能够对发酵罐体内部的温度进行调整,在该种智能控制发酵装置使用的过程中,能够通过液面传感器检测发酵罐体内部的液面高度,温度传感器检测发酵罐体内部的液体温度,糖度检测机构检测发酵罐体内部的液体糖度,然后将上述的实时检测数据,发送给控制系统,控制系统能够根据检测系统传回的检测数据,检测数据包括发酵罐体内部的液面高度数据、温度和液体糖度,控制系统能够对检测数据进行运算,获得当前发酵罐体内部的发酵进程,以准确对发酵罐体内部的发酵进行作准确的分割,然后控制系统根据发酵进程的变化,分别控制进料口的开闭状态、排液口的开闭状态、搅拌机构的搅拌功率和发酵罐体内部的温度进而能够精准地控制发酵罐内部的各个工艺流程的进行,发酵效果的同时,提高发酵效率,节约整个批次的发酵时间,提高发酵生产的效益。
2、该种智能控制发酵装置,通过固体滤板的设置,使得发酵罐体内部的液体能够穿过固体滤板进入附属检测腔内部,将发酵罐体内部的菌丝和大颗粒发酵原料等固体阻拦在固体滤板外部,能够避免菌丝和大颗粒发酵原料等固体对附属检测腔内部的折射率检测机构的折射率检测造成干扰,同时通过超声消泡器发射超声对激光发射器和激光接收器之间的液体中的气泡进行破碎,防止发酵产生的气泡等对折射率的干扰,从而能够有效地保证折射率检测机构的检测精度,进而能够保证测得的糖度的准确度和有效性,能够对控制系统的发酵进程的判断作准确的数据支持,从而能够有效的控制发酵进行的变化,提高发酵的效率。
附图说明
图1为本发明一种智能控制发酵装置的立体结构示意图之一;
图2为本发明一种智能控制发酵装置的立体结构示意图之二;
图3为本发明一种智能控制发酵装置的内部结构示意图;
图4为本发明的糖度检测机构的立体结构示意图;
图5为本发明的糖度检测机构的内部结构示意图;
图6为本发明的糖度检测机构的剖面示意图;
图7为本发明的搅拌件的立体结构示意图。
图中:1、发酵罐体;11、排液口;12、排料口;2、密封罐盖;21、进料口;22、换气接口;3、搅拌机构;31、搅拌电机;32、搅拌连杆;33、搅拌件;331、搅拌外框;332、搅拌扇叶;4、保温夹套;5、检测系统;51、液面传感器;52、温度传感器;53、糖度检测机构;531、附属检测腔;532、固体滤板;533、折射率检测机构;5331、激光发射器;5332、激光接收器;5333、超声消泡器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所介绍的,现有技术中存在的不足,为了解决如上的技术问题,本申请提出了一种智能控制发酵装置及发酵方法。
实施例一:
请参考图1-图7,一种智能控制发酵装置,包括发酵罐体1、密封罐盖2和搅拌机构3,发酵罐体1和密封罐盖2之间密封设置,密封罐盖2顶端设置有进料口21,发酵罐体1底端设置有排液口11,搅拌机构3能够对发酵罐体1内部进行搅拌,发酵罐体1外部设置有保温夹套4,保温夹套4能够对发酵罐体1内部进行温度交换和保温,通过调整保温夹套4的功率能够对发酵罐体1内部的温度进行调整;发酵罐体1内部设置有检测系统5,检测系统5包括液面传感器51、温度传感器52和糖度检测机构53,液面传感器51用于检测发酵罐体1内部的液面高度,温度传感器52用于检测发酵罐体1内部的液体温度,糖度检测机构53用于检测发酵罐体1内部的液体糖度;发酵罐体1外侧还设置有控制系统,控制系统能够接收检测系统5传回的检测数据,检测数据包括发酵罐体1内部的液面高度数据、温度和液体糖度,控制系统能够对检测数据进行运算,获得当前发酵罐体1内部的发酵进程;进料口21和排液口11外侧均设置有电磁阀,通过控制电磁阀的开闭,能够控制对应的进料口21和排液口11的开闭;控制系统能够根据发酵进程的变化,分别控制进料口21的开闭状态、排液口11的开闭状态、搅拌机构3的搅拌功率和发酵罐体1内部的温度。
其中,液面传感器51为现有技术中的常见液位传感器(静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器),具体使用的液面传感器51的种类和工作原理在此不在赘述;温度传感器52为现有技术中的常见热电偶温度传感器,在此不在赘述其具体工作原理和具体结构;
在使用时,首先将发酵罐体1和密封罐盖2之间密封,然后在密封后的发酵罐体1内部进行一个批次的发酵过程(该种智能控制发酵装置使用的原料为发酵液,可以是固液混合的发酵液),在使用时,能够通过搅拌机构3对发酵罐体1内部进行搅拌,通过调整保温夹套4的功率能够对发酵罐体1内部的温度进行调整,在该种智能控制发酵装置使用的过程中,能够通过液面传感器51检测发酵罐体1内部的液面高度,温度传感器52检测发酵罐体1内部的液体温度,糖度检测机构53检测发酵罐体1内部的液体糖度,然后将上述的实时检测数据,发送给控制系统,控制系统能够根据检测系统5传回的检测数据,检测数据包括发酵罐体1内部的液面高度数据、温度和液体糖度,控制系统能够对检测数据进行运算,获得当前发酵罐体1内部的发酵进程,以准确对发酵罐体1内部的发酵进行作准确的分割,然后控制系统根据发酵进程的变化,分别控制进料口21的开闭状态、排液口11的开闭状态、搅拌机构3的搅拌功率和发酵罐体1内部的温度,进而能够精准地控制发酵罐1内部的各个工艺流程的进行,发酵效果的同时,提高发酵效率,节约整个批次的发酵时间,提高发酵生产的效益。
进一步地,请参考图1-图6,糖度检测机构53包括附属检测腔531,附属检测腔531设置在发酵罐体1的底端一侧,并且附属检测腔531与发酵罐体1内部之间连通,附属检测腔531与发酵罐体1之间设置有固体滤板532,发酵罐体1内部的液体能够穿过固体滤板532进入附属检测腔531内部;附属检测腔531内部设置有折射率检测机构533,折射率检测机构533能够检测附属检测腔531内部的液体的折射率,根据液体的折射率能够获取附属检测腔531内部的液体的糖度。
折射率检测机构533包括激光发射器5331、激光接收器5332和超声消泡器5333;激光发射器5331和激光接收器5332之间存在有从发酵罐体1内部进入附属检测腔531内部的液体,超声消泡器5333能够发射超声对激光发射器5331和激光接收器5332之间的液体中的气泡进行破碎;激光发射器5331能够向激光接收器5332发射激光,激光接收器5332能够接收激光,获取激光发射器5331和激光接收器5332之间的液体的折射率,并且根据液体的折射率换算液体的糖度。
在使用时,折射率检测机构533的激光接收器5332能够接收激光,获取激光发射器5331和激光接收器5332之间的液体的折射率,测量原理是通过光在物质中的传播速度与该物质的折射率之间的关系来确定物质的折射率,从而得出样品的折光度,在实际操作中,先用折光仪测量样品的折光度(一般称为Brix值),再通过转换公式将其转化为糖度的数值,本实施中,糖度为让分含量百分比,糖分含量百分比=136.4/(折射指数值-130)-0.1;
并在实际使用时,能够通过固体滤板532的设置,使得发酵罐体1内部的液体能够穿过固体滤板532进入附属检测腔531内部,将发酵罐体1内部的菌丝和大颗粒发酵原料等固体阻拦在固体滤板532外部,能够避免菌丝和大颗粒发酵原料等固体对附属检测腔531内部的折射率检测机构533的折射率检测造成干扰,同时通过超声消泡器5333发射超声对激光发射器5331和激光接收器5332之间的液体中的气泡进行破碎,防止发酵产生的气泡等对折射率的干扰,从而能够有效地保证折射率检测机构533的检测精度,进而能够保证测得的糖度的准确度和有效性,能够对控制系统的发酵进程的判断作准确的数据支持,从而能够有效的控制发酵进行的变化,提高发酵的效率。
进一步地,发酵进程包括灭菌阶段、初次投料阶段、n个循环发酵阶段和末次排料阶段;每个循环发酵阶段均包括发酵阶段、排料阶段和补料阶段;
检测系统5获得的液体实时糖度为Pi,液面实时高度为Hi,液体实时温度为Ti;在初次投料阶段,进入的发酵液和菌液的混合液的糖度为P0,总量为H0,后续补料阶段,补入的发酵液的糖度为kP0
在任意一个发酵阶段,Pi由P0降低至gP0
在任意一个排料阶段,Pi保持不变,Hi降低至fH0
在任意一个补料阶段,补入糖度为kP0的发酵液,Hi回升至H0,Pi回升至P0
在末次排料阶段,将Hi降低至0,完全排空发酵罐体1。
在一个发酵进程中的任意一个循环发酵阶段,n、P0、H0、g、f、k均为定值,并且n≤10,k≥1.2,0.3≥g≥0.15,0.3≥f≥0.15;g、f、k满足关系式:k(1-f)+gf=1。
在灭菌阶段,向密封的发酵罐体1和密封罐盖2内部通入高温蒸汽,保持发酵罐体1内部温度不低于120℃,处理20-30min后,停止通入高温蒸汽,并等待发酵罐体1内部温度降低至室温;
在初次投料阶段,向发酵罐体1内部通入无菌的糖度为kP0发酵液,然后通入菌液,并启动搅拌机构3于75rad/min将发酵液和菌液混匀,至发酵液和菌液混合液总量为H0,糖度为P0
任意一个发酵阶段均包括菌体繁殖阶段和菌体发酵阶段,在菌体繁殖阶段,保温夹套4将发酵罐体1内部的温度维持在16-18℃,在菌体发酵阶段,保温夹套4将发酵罐体1内部的温度维持在19-22℃,在菌体繁殖阶段和菌体发酵阶段,搅拌机构3的搅拌速度为30rad/min;
在任意一个排料阶段,搅拌机构3的搅拌速度为75rad/min;
在任意一个补料阶段,搅拌机构3的搅拌速度为75rad/min;
在末次排料阶段,搅拌机构3的搅拌速度为75rad/min。
从而在使用时,整个智能控制发酵装置的全部发酵进程包括灭菌阶段、初次投料阶段、第一次发酵阶段、第一次排料阶段、第一次补料阶段、……、第n次发酵阶段、第n次排料阶段、第n次补料阶段、第n+1次发酵阶段和末次排料阶段;
通过检测系统5获得的液体实时糖度Pi,液面实时高度Hi,液体实时温度Ti,对全部发酵进行区分和准确控制进料口21的开闭状态、排液口11的开闭状态、搅拌机构3的搅拌功率和发酵罐体1内部的温度,进而能够精准地控制发酵罐1内部的各个工艺流程的进行,发酵效果的同时,提高发酵效率,节约整个批次的发酵时间,提高发酵生产的效益。
进一步地,请参考图1-图3,密封罐盖2顶端还设置有换气接口22,发酵罐体1内部还设置有溶解氧监测仪,换气接口22外接有换气过滤器和换气泵,换气接口22还外接有泄压阀,泄压阀用于将发酵罐体1内部压力卸出,溶解氧监测仪能够检测发酵罐体1内部的溶氧量,换气泵能够根据发酵罐体1内部的溶氧量变化,将外接空气和发酵罐体1内部气体经过换气过滤器进行气体交换。
从而在使用时,能够通过泄压阀将发酵罐体1内部压力卸出,换气泵能够根据发酵罐体1内部的溶氧量变化,将外接空气和发酵罐体1内部气体经过换气过滤器进行气体交换,在实际使用时,根据实际发酵菌种的最适生活条件,维持发酵罐体1内部的溶氧量。
进一步地,请参考图1-图3、图7,搅拌机构3包括搅拌电机31、搅拌连杆32和搅拌件33,搅拌电机31固定在密封罐盖2的顶端,搅拌电机31通过搅拌连杆32驱动搅拌件33转动;搅拌件33包括搅拌外框331和若干个搅拌扇叶332,搅拌外框331紧贴发酵罐体1的内壁,搅拌件33受驱动旋转时,搅拌外框331能够搅动发酵罐体1内部液体在水平方向上翻转,搅拌扇叶332能够搅动发酵罐体1内部液体在竖直方向上翻转。
发酵罐体1底端还设置有排料口12,搅拌外框331沿前进方向的前端向前进方向的后端倾斜,搅拌外框331在转动时,能够将发酵罐体1内壁上的附着物刮下并从排料口12排出。
从而在使用过程中,通过搅拌件33的设置,搅拌外框331能够搅动发酵罐体1内部液体在水平方向上翻转,搅拌扇叶332能够搅动发酵罐体1内部液体在竖直方向上翻转,以能够充分将发酵罐体1内部的液体进行混匀;并在末次排料阶段,排料口12开放,将发酵罐体1内壁上的附着物刮下并从排料口12排出。
实施例二:
一种智能控制发酵装置使用方法,使用了如实施例一所述的一种智能控制发酵装置,所述使用方法包括如下步骤:
S1、灭菌阶段,向密封的发酵罐体1和密封罐盖2内部通入高温蒸汽,保持发酵罐体1内部温度不低于120℃,处理20-30min后,停止通入高温蒸汽,并等待发酵罐体1内部温度降低至室温;
S2、初次投料阶段,向发酵罐体1内部通入无菌的糖度为kP0发酵液,然后通入菌液,并启动搅拌机构3于75rad/min将发酵液和菌液混匀,至发酵液和菌液混合液总量为H0,糖度为P0
S3、发酵阶段,包括菌体繁殖阶段和菌体发酵阶段;
S3.1、菌体繁殖阶段,保温夹套4将发酵罐体1内部的温度维持在16-18℃,搅拌机构3的搅拌速度为30rad/min,至糖度Pi由P0降低至1.5gP0
S3.2、菌体发酵阶段,保温夹套4将发酵罐体1内部的温度维持在19-22℃,搅拌机构3的搅拌速度为30rad/min,至糖度Pi由1.5gP0降低至gP0
S4、排料阶段,搅拌机构3的搅拌速度为75rad/min,糖度Pi保持不变,液面高度Hi降低至fH0
S5、补料阶段,搅拌机构3的搅拌速度为75rad/min,补入糖度为kP0的发酵液,液面高度Hi回升至H0,糖度Pi回升至P0
S6、循环进行n次S3-S5步骤;
S7、第n+1次发酵阶段,该发酵阶段与S3的发酵阶段相同;
S8、末次排料阶段,搅拌机构3的搅拌速度为75rad/min,将Hi降低至0,完全排空发酵罐体1;
S9、完全清洗发酵罐体1;
在上述步骤中,n、P0、H0、g、f、k均为定值,并且n≤10,k≥1.2,0.3≥g≥0.15,0.3≥f≥0.15;
g、f、k满足关系式:k(1-f)+gf=1。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种智能控制发酵装置,包括发酵罐体(1)、密封罐盖(2)和搅拌机构(3),所述发酵罐体(1)和所述密封罐盖(2)之间密封设置,所述密封罐盖(2)顶端设置有进料口(21),所述发酵罐体(1)底端设置有排液口(11),所述搅拌机构(3)能够对所述发酵罐体(1)内部进行搅拌,其特征在于:所述发酵罐体(1)外部设置有保温夹套(4),所述保温夹套(4)能够对所述发酵罐体(1)内部进行温度交换和保温,通过调整所述保温夹套(4)的功率能够对所述发酵罐体(1)内部的温度进行调整;
所述发酵罐体(1)内部设置有检测系统(5),所述检测系统(5)包括液面传感器(51)、温度传感器(52)和糖度检测机构(53),所述液面传感器(51)用于检测所述发酵罐体(1)内部的液面高度,所述温度传感器(52)用于检测所述发酵罐体(1)内部的液体温度,所述糖度检测机构(53)用于检测所述发酵罐体(1)内部的液体糖度;
所述发酵罐体(1)外侧还设置有控制系统,所述控制系统能够接收所述检测系统(5)传回的检测数据,所述检测数据包括所述发酵罐体(1)内部的液面高度数据、温度和液体糖度,所述控制系统能够对检测数据进行运算,获得当前所述发酵罐体(1)内部的发酵进程;
所述进料口(21)和所述排液口(11)外侧均设置有电磁阀,通过控制电磁阀的开闭,能够控制对应的所述进料口(21)和所述排液口(11)的开闭;
所述控制系统能够根据发酵进程的变化,分别控制所述进料口(21)的开闭状态、所述排液口(11)的开闭状态、所述搅拌机构(3)的搅拌功率和所述发酵罐体(1)内部的温度;
所述发酵进程包括灭菌阶段、初次投料阶段、n个循环发酵阶段和末次排料阶段;
每个所述循环发酵阶段均包括发酵阶段、排料阶段和补料阶段;
所述检测系统(5)获得的液体实时糖度为Pi,液面实时高度为Hi,液体实时温度为Ti
在初次投料阶段,进入的发酵液和菌液的混合液的糖度为P0,总量为H0,后续补料阶段,补入的发酵液的糖度为kP0
在任意一个发酵阶段,Pi由P0降低至gP0
在任意一个排料阶段,Pi保持不变,Hi降低至fH0
在任意一个补料阶段,补入糖度为kP0的发酵液,Hi回升至H0,Pi回升至P0
在末次排料阶段,将Hi降低至0,完全排空所述发酵罐体(1);
在灭菌阶段,向密封的发酵罐体(1)和密封罐盖(2)内部通入高温蒸汽,保持发酵罐体(1)内部温度不低于120℃,处理20-30min后,停止通入高温蒸汽,并等待发酵罐体(1)内部温度降低至室温;
在初次投料阶段,向发酵罐体(1)内部通入无菌的糖度为kP0发酵液,然后通入菌液,并启动搅拌机构(3)于将75rad/min发酵液和菌液混匀,至发酵液和菌液混合液总量为H0,糖度为P0
任意一个发酵阶段均包括菌体繁殖阶段和菌体发酵阶段,在菌体繁殖阶段,保温夹套(4)将发酵罐体(1)内部的温度维持在16-18℃,在菌体发酵阶段,保温夹套(4)将发酵罐体(1)内部的温度维持在19-22℃,在菌体繁殖阶段和菌体发酵阶段,搅拌机构(3)的搅拌速度为30rad/min;
在任意一个排料阶段,搅拌机构(3)的搅拌速度为75rad/min;
在任意一个补料阶段,搅拌机构(3)的搅拌速度为75rad/min;
在末次排料阶段,搅拌机构(3)的搅拌速度为75rad/min;
所述搅拌机构(3)包括搅拌电机(31)、搅拌连杆(32)和搅拌件(33),所述搅拌电机(31)固定在所述密封罐盖(2)的顶端,所述搅拌电机(31)通过所述搅拌连杆(32)驱动所述搅拌件(33)转动;
所述搅拌件(33)包括搅拌外框(331)和若干个搅拌扇叶(332),所述搅拌外框(331)紧贴所述发酵罐体(1)的内壁,所述搅拌件(33)受驱动旋转时,所述搅拌外框(331)能够搅动所述发酵罐体(1)内部液体在水平方向上翻转,所述搅拌扇叶(332)能够搅动所述发酵罐体(1)内部液体在竖直方向上翻转。
2.根据权利要求1所述的一种智能控制发酵装置,其特征在于:所述糖度检测机构(53)包括附属检测腔(531),所述附属检测腔(531)设置在所述发酵罐体(1)的底端一侧,并且所述附属检测腔(531)与所述发酵罐体(1)内部之间连通,所述附属检测腔(531)与所述发酵罐体(1)之间设置有固体滤板(532),所述发酵罐体(1)内部的液体能够穿过所述固体滤板(532)进入所述附属检测腔(531)内部;
所述附属检测腔(531)内部设置有折射率检测机构(533),所述折射率检测机构(533)能够检测所述附属检测腔(531)内部的液体的折射率,根据液体的折射率能够获取所述附属检测腔(531)内部的液体的糖度。
3.根据权利要求2所述的一种智能控制发酵装置,其特征在于:所述折射率检测机构(533)包括激光发射器(5331)、激光接收器(5332)和超声消泡器(5333);
所述激光发射器(5331)和所述激光接收器(5332)之间存在有从所述发酵罐体(1)内部进入所述附属检测腔(531)内部的液体,所述超声消泡器(5333)能够发射超声对所述激光发射器(5331)和所述激光接收器(5332)之间的液体中的气泡进行破碎;
所述激光发射器(5331)能够向所述激光接收器(5332)发射激光,所述激光接收器(5332)能够接收激光,获取所述激光发射器(5331)和所述激光接收器(5332)之间的液体的折射率,并且根据液体的折射率换算液体的糖度。
4.根据权利要求1所述的一种智能控制发酵装置,其特征在于:在一个发酵进程中的任意一个所述循环发酵阶段,n、P0、H0、g、f、k均为定值,并且n≤10,k≥1.2,0.3≥g≥0.15,0.3≥f≥0.15;
g、f、k满足关系式:k(1-f)+gf=1。
5.根据权利要求1所述的一种智能控制发酵装置,其特征在于:所述密封罐盖(2)顶端还设置有换气接口(22),所述发酵罐体(1)内部还设置有溶解氧监测仪,所述换气接口(22)外接有换气过滤器和换气泵,所述换气接口(22)还外接有泄压阀,所述泄压阀用于将所述发酵罐体(1)内部压力卸出,所述溶解氧监测仪能够检测所述发酵罐体(1)内部的溶氧量,所述换气泵能够根据所述发酵罐体(1)内部的溶氧量变化,将外接空气和所述发酵罐体(1)内部气体经过所述换气过滤器进行气体交换。
6.根据权利要求1所述的一种智能控制发酵装置,其特征在于:所述发酵罐体(1)底端还设置有排料口(12),所述搅拌外框(331)沿前进方向的前端向前进方向的后端倾斜,所述搅拌外框(331)在转动时,能够将所述发酵罐体(1)内壁上的附着物刮下并从所述排料口(12)排出。
7.一种发酵方法,其特征在于,使用了如权利要求1-6任意一项所述的一种智能控制发酵装置。
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