CN212770633U - 发酵装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是提供一种发酵装置，其内部包括具有顶面以及底面的温控空间，温控空间中设置有多个发酵槽、以及设置在顶面上的几何中心的风扇。通过风扇产生气体的流场，使空气在温控空间内均匀的流动，以控制发酵槽周围的环境温度，提供发酵过程适当的温度条件，以产生质量稳定且较低成本的产品。
Description
技术领域
本实用新型是有关于一种发酵装置，特别是有关于一种使用风扇控制环境温度的发酵装置。
背景技术
酒精发酵是在无氧条件下，由微生物(例如，酵母菌)分解葡萄糖等有机物，进而产生酒精、二氧化碳等产物，同时释放出少量能量的过程。在发酵过程中需要维持微生物的正常生长，以合成反应产物。其中，温度是保证各种转换酶活性的重要条件，微生物的生长和产物合成均需在不同的特定温度下进行。
温度的变化对发酵过程的影响归纳在两个方面：一方面为透过调整微生物的生长、繁殖以及代谢产物的合成而影响发酵过程；另一方面则是透过调整发酵液的物理性质(例如，黏度、基质以及氧气在发酵液中的溶解度或传递速率等)，进而影响发酵的动力学特性以及产物的生物合成状况。
根据转换酶的反应动力学分析，当温度升高，反应速率加快，使得微生物的生长代谢加快，则产物提前完成，进而缩短发酵周期。但是，转换酶是很容易因热而失去活性的生物体，相对也会影响代谢产物的生成，尤其是次级代谢产物的生成状况，进而影响最终产物的产量。
工业生产上，所用的大发酵槽在发酵过程中一般不需要加热，因发酵反应会释放大量的发酵热，需要冷却的情况较多。为了使发酵液温度控制在一定的范围内，生产上常在发酵设备上安装热交换设备，以此进行温度调节。现有技术中，若反应温度过高，常利用将冷却水通入发酵槽的夹层或蛇型管中，透过热交换装置来降温，保持恒温发酵。也可进一步采用冷冻盐水取代冷却水，以加速循环式降温。若反应温度过低，则需通过发酵槽上的加热器加热，维持发酵槽内部的反应温度，让微生物得以顺利进行发酵作用。
综上所述，现有技术中的温度控制仅适用于单体的发酵槽，无法达到大规模的生产，且冷却水以热传导的方式进行热交换，难以稳定且精确地控制温度。
实用新型内容
鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一套具产业量产功能的发酵装置，以此有效加速完成制程反应时间，并维持整体发酵质量。
根据本实用新型的目的，提供一种发酵装置，其包括具有顶面以及底面的温控空间。顶面上的几何中心设置有风扇，且风扇的出风方向直接朝向底面。在底面上设置有多个发酵槽。
进一步地，其中温控空间可进一步包括加热器，加热器设置于底面上。
进一步地，其中多个发酵槽中的四个可围绕一个加热器。
进一步地，其中多个发酵槽与加热器的数量比可为8：3。
进一步地，其中多个发酵槽可两两相对排成两行，且加热器可设置于两行之间。
进一步地，其中风扇可为内循环旋转式风扇。
进一步地，其中多个发酵槽中的每一个包括搅拌棒装置、投料口、添加口、排出口、排气口以及出料口。其中，搅拌棒装置设置在发酵槽的顶面的几何中心或偏离几何中心的位置，投料口、添加口、排出口以及排气口设置在发酵槽的顶面，出料口设置在发酵槽的底面。排出口、添加口以及投料口以顶面的几何中心为圆心，依序地排列成圆弧状。
进一步地，发酵槽进一步包括设置在排出口与添加口之间的液位计、设置在添加口与投料口之间的酸碱度检测器以及温度感测装置。温度感测装置与酸碱度检测器之间设置有投料口。
进一步地，其中多个发酵槽可为单层槽体。
本实用新型具有下述优点：
(1)本实用新型是利用空气循环以控制整个温控空间的温度，当温控空间温度过高时通过风扇将高温的气体进行适度排风，使设置在温控空间的发酵槽能够快速达到均温的效果。
(2)本实用新型的发酵槽、加热器与风扇具有特定数量比与特定的设置位置，搭配仿真分析计算出适当的风量体积流率，达到优化的温度控制。
(3)本实用新型的发酵装置可设置多个发酵槽，并对于发酵槽进行精细的温度控制，能够有效地模块化复制进行量产，且维持均一的质量。
附图说明
图1为本实用新型的发酵装置的第一实施例的结构示意图。
图2为本实用新型的发酵装置的第二实施例的结构示意图。
图3为本实用新型的发酵装置的第三实施例的发酵槽结构示意图。
附图标记说明：
1、1’...发酵装置
100...温控空间
101...顶面
102...底面
200...风扇
300、301、302、303...加热器
400、401、402、403、404、405、406、407、408...发酵槽
501...搅拌棒装置
502...投料口
503...添加口
504...排出口
505...排气口
601...液位计
602...酸碱度检测器
603...温度感测装置
604...观景窗口
具体实施方式
为利了解本实用新型的技术特征、内容与优点及其所能达成的功效，兹将本实用新型配合上述仿真流程以及图式，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的图式，其主旨仅为示意及辅助说明书的用，未必为本实用新型实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的图式的比例与配置关系解读、局限本实用新型于实际实施上的权利要求，合先叙明。且为使便于理解，下述实施例中的相同组件系以相同的符号标示来说明。
图1为根据本实用新型的发酵装置的第一实施例的示意图。
如图所示，本实施例的发酵装置1的内部具有温控空间100，温控空间100 可为一矩形的空间，举例而言，长宽高的比可为2：1：1(例如，长宽高分别为 12公尺、6公尺以及6公尺)。较佳的高度是能够容许发酵槽400的加料作业、清洗作业、发酵的二氧化碳回收管线配置等需求。
温控空间100定义有顶面101以及底面102，且在顶面101上的几何中心设置有风扇200，更具体地，本实用新型所使用的风扇200为内循环旋转式风扇。通过旋转式风扇朝向底面102排风，对温室内的空气产生搅拌作用，因此温控空间100的温度以及湿度可维持较佳的均匀性。采用旋转式风扇，也能改善空间不对称所造成的不均匀气场。
在温控空间100的底面102上，设置有多个发酵槽400。多个发酵槽400 可以两两排列，然而，本实施例不限于此，多个发酵槽400也可以绕着底面102 的几何中心围绕成圆形。应当注意的是，为使风扇200排出的气流能够均匀的扰动整个空间，在风扇200的排风方向所正对的底面102的位置上不设置发酵槽400。通过本实施例中所提到的风扇200，可使在温控空间100中的气体均匀的流动，减少整个温控空间100中的局部温差。
图2为根据本实用新型的发酵装置的第二实施例的示意图。
如图所示，本实施例的发酵装置1’的内部具有温控空间100，温控空间100中进一步包括加热器300。加热器300设置于底面102上。在本实施例中，发酵槽400与加热器300的数量比为8：3，亦即，发酵槽400包括发酵槽401～408，且加热器300包括加热器301～303。发酵槽401～404之间设置有加热器301，发酵槽403～406之间设置有加热器302，且发酵槽405～408之间设置有加热器 303。
如上所述，多个发酵槽400中的四个围绕一个加热器300。然而，本实施例不限于上述的数量比，举例而言，发酵槽400与加热器300的数量比可为6：2或是4：1，此数量比可同样地使多个发酵槽400中的四个围绕一个加热器300。但本实施例也不限于上述的排列方式。在另一实施例中，发酵槽不以两两相对方式排成两排，可为仅有一排的多个发酵槽，且相邻的发酵槽之间设置有加热器。
图3为根据本实用新型的发酵装置的第三实施例的发酵槽示意图。
如图所示，多个发酵槽400中的每一个包括设置在发酵槽400的顶面的靠近几何中心的搅拌棒装置501；以顶面的几何中心作为圆心，设置在发酵槽400 的顶面且依序地排列成圆弧状的温度感测装置603、投料口502、酸碱度检测器 602、添加口503、液位计601以及排出口504；设置在发酵槽400的顶面的排气口505；设置在发酵槽400的底面的出料口701。
进一步而言，搅拌棒装置501可根据发酵槽400大小，选择性地设置在顶面的几何中心位置或是接近几何中心的位置。举例而言，当发酵槽400较大时，搅拌棒装置501可设置在偏离几何中心的位置，其目的为能够有效地达到均匀搅拌。在另一实施例中，若发酵槽400体积相较于本实施例较小，则搅拌棒装置501可设置于顶面的几何中心上以达到相同的目的。
搅拌棒装置501用于搅拌发酵槽400中的反应物与生成物。投料口502用于将反应物投入发酵槽400。添加口503则是具有基于反应所需的酸碱值以添加酸碱度调节液的功能。排出口504用于将反应过程中产生的二氧化碳排出。排气口505则是用作卸压阀装置的排气。
液位计601、酸碱度检测器602以及温度感测装置603分别用于测量发酵槽400内部的状态。且温度感测装置603可进一步耦合到风扇200与加热器300 的控制系统，以自动地调整风扇200的体积流量或是加热器300的热量供给。
进一步而言，发酵槽400可设置一观景窗口604，以此由外部查看内部发酵反应状况，或是在槽体清洗时，方便清洁工具操作。
具体而言，本实施例中的发酵槽400可容纳5吨的发酵液进行发酵反应。且所使用的槽壁为单层槽体，而不必使用能够与外界尽量隔绝热源的双层槽体。乃是因为本实用新型的发酵装置1，是通过整个温控空间100控制温度，而非现有的发酵装置仅以单一发酵槽进行温度控制，即不需要对发酵槽设置隔热的双层壁，使得单一发酵槽的制作费用低于传统的双层槽体。
本实用新型的一实施例是通过使用第一实施例中所述的相同发酵装置1搭配工程流体力学与热流分析软件(Solid Works Flow Simulation)进行仿真。
本实用新型通过工程流体力学与热流分析软件进行发酵装置的室内循环旋转式风扇流场分析。使用法夫尔平均-纳维尔-斯托克斯方程式(Favre-averaged Navier-Stokes equations)对紊流进行预测。以获得优化的空间流场分布模型，搭配升降温系统、发酵槽及相关感测装置，建构一组大规模的发酵装置，以提供优化酵母菌的反应条件，有效提升反应效率。
计算流体力学主要针对纳维尔－斯托克斯方程式的数学模型求解，并利用有限体积法计算每个网格元素物理量的平均值，探讨流场与温度分布变化的情形。守恒定律方程式包括：
动量方程式(Momentum equation)
能量守恒方程式(Energy equation)
其中，
u：流速；p：压力；t：时间；ρ：流体密度；
QH：单位体积的热源；
τij：黏滞剪应力张量；
qi：热通量；
h：焓；
ε：紊流耗散率。
工程上实际遭遇的流体流动型态大多是紊流，而工程流体力学与热流分析软件主要是为仿真及研究紊流而发展的，其使用法夫尔平均-纳维尔-斯托克斯方程式对紊流进行预测。流场模式使用的运动方程式为k-ε模型(Kinetic Energy and Dissipation rate)，并利用层流/紊流边界层模型来描述靠近壁面区域的流动。
此模型是基于称作修正壁面方程式(Modified WallFunctions)的数值近似方法。工程流体力学与热流分析软件使用有限体积方法(Finite Volume,FV)求解方程式，网格的计算主要是以平行四面体的网格型态为主，网格产生具有智慧化、全自动以及自适性网格的建构程序。
网格产生的步骤首先将运算范围(Computational Domain)切成一块块矩形的基本网格(Basic mesh)。然后这些基本网格依据模型的几何及适当的解析程度，再细切成更细的初始网格(Initial mesh)。初始网格产生的后通过分析软件进行求解运算。初始网格在运算过程中，也可设定依据分析结果，利用自适性网格(Solution-Adaptive Meshing)功能，在运算过程中依据结果的变化程度，自动将整个运算范围中需要调整的网格再做适度细切。
工程流体力学与热流分析软件的仿真过程如下所示：
模型准备：在SolidWorks完成模型设计。
定义分析项目(Project)：
设定单位系统(System of Units)。
设定分析类型(Analysis Type)-内部流场(Internal)或外部流场(External)。
设定流体类型(Fluid Type)-气体(gas)、液体(liquid)、非牛顿流体 (Non-Newtonian liquid)、可压缩液体(compressible liquid)、水蒸气(Stream)等。本实用新型以气体为流场内的流体类型。
定义边界条件(Boundary Condition)：
边界条件必须设定在实体和流体交接的表面上，若无法设定则有可能是流体范围没有被完成判断，此时可以使用Check Geometry指令检查，若体积不为零，表示具有流体空间。
4.定义工程分析目标(Engineering Goals)：
Flow Simulation是使用迭代运算的数值运算方式，每个迭代运算的时间增量和运算停止控制，运算系统可由收敛值的变化来判断。除了内建的收敛值外， Goals的收敛值分析目标包括：
整体运算目标(Global Goals)，所设定的参数针对整个运算范围。
表面运算目标(Surface Goals)，所设定的参数针对用户指定的某个实体表面。
实体运算目标(Volume Goals)，所设定的参数针对运算范围中某个指定的本体范围(实体或流体均可)。
表达式运算目标(Equation Goals)，为以上三种的目标加上表达式产生的新参数。
5.运算求解(Solve)。
6.检视结果及报告(Result&Report)。
因此，本实施例的分析条件如下：
流体:空气(Air)
风扇出风口体积流动-分析例
风扇吸入口环境压力
使用工程流体力学与热流分析软件自动产生运算网格，运算过程中自动将整个运算范围的中需要调整的网格再做适度细切。分析结果从流线轨迹可发现，从风扇200排出的气流大致维持沿中心轴线方向向下流动，但在抵达底面102 后，部分气流向下卷动将主要气流向上抬升，流速逐渐减小，至发酵槽400上方之后的相对流速减慢且呈均匀分布状态。而在远程侧墙部分区域形成无流动区域，可明显看出两端侧墙下方的滞流现象。流速分布俯视图及流场分布点视图同样地显示出温室内呈现对称的流场，且整体流场的变化呈现均匀性。
本实施例通过使用发酵装置1搭配工程流体力学与热流分析软件仿真出在温控空间100中流场的分布情形，可明显地发现通过本实用新型的发酵装置1 中所设置的风扇200能够使发酵槽400周边的流场达到均匀的分布，以精确地控制发酵温度。
综上所述，本实用新型可利用发酵槽400内的温度感测装置603，快速收集及分析发酵槽400的温度状况及温控空间100的环境温度变化。以信息系统建构的PID温度预测及控制模块，以温控空间100的加热器300提供温度升温的需求，并利用内循环的风扇200热对流方式的调整，使温控空间100快速达到均温的效果。相反的，在酵母菌快速反应期会产生大量的热量，过高的温度会抑制酵母菌的反应及代谢。故当温控空间100中温度过高，则可利用内循环对流的风扇200进行适度排风的作用，使温控空间100的温度得以调节。接着，通过快速对流使发酵槽400表面的热量移除，使槽内发酵液的热量往槽体表面传递，达到降温的目的。
尽管已经参考例示性实施例描述了本实用新型概念，但对于所属技术领域的具有通常知识者显而易见的是，可以在不脱离本实用新型概念的精神以及范围的情况下对例示性实施例进行各种改变以及修改。于是，应当理解的是，以上的实施例不是限制性而是说明性的。因此，本实用新型概念的范围是通过所附的权利要求以及其等同物的最广泛的允许解释来判断，且不应由前面的描述来限制或限定。
Claims (9)
1.一种发酵装置，其特征在于，其内部具有一温控空间，所述温控空间包括底面及相对所述底面的顶面，所述温控空间当中包括：
风扇，设置在所述顶面的几何中心，且所述风扇的出风方向直接朝向所述底面；以及
多个发酵槽，设置于所述底面上。
2.如权利要求1所述的发酵装置，其特征在于，所述温控空间还包括加热器，所述加热器设置于所述底面上。
3.如权利要求2所述的发酵装置，其特征在于，所述多个发酵槽中的四个围绕一个所述加热器。
4.如权利要求2所述的发酵装置，其特征在于，所述多个发酵槽与所述加热器的数量比为8：3。
5.如权利要求2所述的发酵装置，其特征在于，所述多个发酵槽两两相对排成两行，且所述加热器设置于两行之间。
6.如权利要求1所述的发酵装置，其特征在于，所述风扇为内循环旋转式风扇。
7.如权利要求1所述的发酵装置，其特征在于，所述多个发酵槽中的每一个包括：
搅拌棒装置，设置在所述发酵槽的顶面的几何中心或偏离几何中心的位置；
投料口，设置在所述发酵槽的所述顶面；
添加口，设置在所述发酵槽的所述顶面；
排出口，设置在所述发酵槽的所述顶面；
排气口，设置在所述发酵槽的所述顶面；以及
出料口，设置在所述发酵槽的底面，
其中，所述排出口、所述添加口以及所述投料口以所述顶面的几何中心为圆心，依序地排列成圆弧状。
8.如权利要求7所述的发酵装置，其特征在于，各所述发酵槽还包括：
液位计，设置在所述排出口与所述添加口之间；
酸碱度检测器，设置在所述添加口与所述投料口之间；
温度感测装置，所述温度感测装置与所述酸碱度检测器之间设置有所述投料口。
9.如权利要求1所述的发酵装置，其特征在于，所述多个发酵槽为单层槽体。
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2020
- 2020-03-26 CN CN202020411332.XU patent/CN212770633U/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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| TWM591101U (zh) | 2020-02-21 |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |