CN220099042U - 一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于生物工程装备领域，涉及一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，所述装置包括发酵罐体、超声波换能器、换能器支架和超声波发生器；在发酵罐体的上方设有发酵罐盖板，且在发酵罐体上端开口处侧壁设有支座，支座用于固定换能器支架；在换能器支架上悬挂有超声波换能器，每个换能器支架可对称悬挂多对的超声波换能器，等距纵向排布形成叉型；所述超声波换能器内置超声波振子，超声波振子通过高频连接线与超声波发生器电性连接。本实用新型的装置结构简单、操作方便，克服了因传统型式超声波发酵罐因壁厚使得声能衰减严重、以及超声作用不均匀的难题。

Description

一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置

技术领域

本实用新型属于生物工程装备领域，具体涉及一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置。

背景技术

在发酵罐中，由于发酵底物与微生物的内外物质交换效率较低，一般通过机械或气流搅拌促进物质和热的交换以提高发酵的效率。然而，在发酵罐生产黄酒、米酒和清酒过程中，发酵底物为固态或半固态的米饭，发酵过程为厌氧发酵，无法进行搅拌；在乳酸菌发酵制备菌剂过程中，培养过程为厌氧发酵，没有机械搅拌装置，也不进行通气搅拌；此外，一些真菌好氧发酵过程中为避免打断菌丝体，只进行通气培养，也不进行机械搅拌。因此，如何强化这些产品发酵或细胞培养的进程，以提高发酵效率、增加产出，是该领域面临的难题。

近年来，超声波在促进发酵和细胞培养方面表现出良好的应用前景。国内外许多报道表明，低强度超声波可促进发酵微生物和细胞增殖、提高发酵效率和产物得率。目前已报道的可适用于无搅拌发酵罐的超声波的作用方式主要有：(1)外贴式超声，在发酵罐外壁贴上多组超声振子，使超声波透过罐壁作用于物料，然而罐壁会导致超声波严重衰减，声能在没有搅拌装置的发酵罐中很难扩散传播；(2)置于罐顶或罐底的型式，如发明专利“设有超声波发生装置的发酵罐(CN103952294B)”(设于罐顶)以及实用新型专利“一种超声辅助气升式发酵装置(CN208318170U)”(设于罐底)等，但这些方法只从罐体一端进行超声处理，辐射范围很小，效果不佳。

因此，要将超声强化发酵技术应用于无搅拌的发酵罐或细胞反应器，必须要克服超声作用不均匀、传导效率低等技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，通过在发酵罐内交叉插入多架叉型超声波换能器，直接均衡作用于发酵液，克服因发酵罐壁厚及超声场分布不平衡引起的声能衰减严重、以及超声作用不均匀的难题，达到对无搅拌发酵罐过程超声强化发酵的理想效果。

为了实现以上目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，所述装置包括发酵罐体、超声波换能器、换能器支架和超声波发生器；

在所述发酵罐体的上方设有发酵罐盖板，所述发酵罐盖板与发酵罐体之间形成一个容纳空间；在发酵罐体上端开口处侧壁设有M对支座，所述支座用于固定换能器支架，其中M为正整数；在所述换能器支架上固定悬挂有超声波换能器；所述超声波换能器的长度不大于发酵罐体的长度；所述超声波换能器设有n对，n为正整数，每个换能器支架可对称悬挂n对的超声波换能器，超声波换能器等距纵向排布形成叉型；

所述1对支座对应设置，固定1个换能器支架，且相邻换能器支架所形成的夹角为180°/M；

所述超声波换能器内置超声波振子，超声波振子通过高频连接线与超声波发生器电性连接。

优选的，所述超声波换能器为不锈钢薄板制成的长方体型腔体，且超声波换能器平行于酵罐体的侧壁。

优选的，所述超声波发生器的超声波为固定频率模式(定频模式)或扫频模式，固定频率模式是指超声波工作过程中频率不变，扫频模式是指超声波工作过程中频率围绕中心频率作周期性上下波动。

所述定频模式的频率范围为15～200kHz；所述扫频模式频率范围为15±2～200±2kHz，为中心频率+扫频幅度；即中心频率范围为15～200kHz，在每一个中心频率工作时的扫频幅度范围为±2kHz。

优选的，所述超声波振子单个的功率范围为5～20W。

优选的，所述高频连接线外侧设有高频连接线总管。

其次，一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置的发酵方法，具体如下：

步骤1：根据发酵物的不同，选择空罐灭菌或实罐灭菌，灭菌后，设定相应的发酵条件进行发酵；

当对发酵罐体进行空罐灭菌，灭菌后在发酵罐体内泵入发酵物和接种菌种进行发酵；

当实罐灭菌时，向发酵罐体内泵送发酵物，再进行灭菌，待冷却至室温后接种菌种，设定相应的发酵条件进行发酵，发酵温度10～30℃、初始pH6.5～7.0，发酵时间为1-30d；

所述发酵物包括酿酒酵母酒母液及发酵底物、乳酸菌种子液及发酵底物或冬虫夏草菌种子液及发酵底物。

步骤2：在发酵开始后的0～36h后开启超声波发生器，进行超声波辐射处理，超声波作用模式为定频或扫频模式，超声波频率范围为15～200kHz或15±2kHz～200±2kHz，单个超声波换能器功率范围为5～20W，超声波处理时间为0.5～12h，处理结束关闭超声波发生器；

步骤3：发酵结束后排空罐内发酵液，进行罐体的清洗，清洗过程中开启超声波发生器，设定相应的工作频率、工作时间进行清洗，清洗完毕以备下一次发酵使用。

优选的，步骤1中所述灭菌条件为115℃、15min；接种菌种的接种量为3-8％。

优选的，步骤2中当发酵物为酿酒酵母酒母液及发酵底物时，在发酵开始第36h开启超声波发生器，超声波模式为扫频，超声波频率为15kHz±2kHz，单个超声波波振子功率为7.5W，超声波处理时间为12h；

优选的，步骤2中当发酵物为乳酸菌种子液及发酵底物时，在发酵开始0h开启超声波发生器，超声波模式为定频，超声波频率为28kHz，单个超声波振子的功率5W，超声波处理时间为0.5h；

优选的，步骤2中当发酵物为冬虫夏草菌种子液及发酵底物时，在发酵开始12h开启超声波发生器，超声波模式为扫频，超声波频率为200kHz±1kHz，单个超声波振子的功率20W，超声波处理时间为3h。

优选的，步骤3清洗过程中超声波发生器选择定频模式，频率为20kHz，工作时间为10～20min；所述单个超声波振子的功率为20W。

与传统超声波强化发酵装置相比，本实用新型具有如下特点和有益效果：

(1)一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，通过在发酵罐内交叉插入多架叉型超声波换能器，其叉型设计可直接均衡作用于应用于无搅拌的液态、半固态或固态底物，显著促进发酵进程，并且可克服因传统型式超声波发酵罐因壁厚使得声能衰减严重、以及超声作用不均匀的难题。

(2)一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，在发酵结束后对发酵罐清洗时，不需要取出超声波换能器组件，只要清洗时开启超声波，由于超声波振动就能使换能器组件清洗干净，并且可加快整个发酵罐的清洗进程。

(3)一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，超声波处理单元由多架叉型超声波换能器交叉组合、并通过管状支架悬挂于支座，在检修超声装置时每架可分别单独取出，安装拆卸方便。

(4)一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，采用低功率超声波对发酵过程进行强化，使用的能耗很低，属于绿色节能高效的物理强化发酵装置。

(5)一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，分别应用于酿酒酵母发酵熟米饭生产清酒、乳酸菌发酵生产以及冬虫夏草菌发酵生产菌丝体及多糖，与对照试验(不使用超声，其他条件相同)的发酵相比，发酵酒醪的酒精浓度、乳酸菌生物量及冬虫夏草菌丝体及多糖产量分别提高11.5％、32.9％、20.9％和22.7％。

附图说明

图1为一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置的结构示意图正视图。

图2为一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置的结构示意图俯视图。

图3为超声波换能器内部结构放大后的正视图。

图4为图2中A处的超声波换能器内部结构放大后的俯视图。

附图标记：1-发酵罐体，2-超声波换能器，3-换能器支架，4-支座，5-高频连接线，6-高频连接线总管，7-发酵罐盖板，8-超声波发生器，9-发酵液液位，10-发酵液，11-超声波振子。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。

一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，所述装置由发酵罐体1、超声波换能器2、换能器支架3、支座4、高频连接线5、高频连接线总管6、发酵罐盖板7和超声波发生器8组成；

在发酵罐体1的上方设有发酵罐盖板7，发酵罐盖板7与发酵罐体1之间形成一个容纳空间；发酵罐体1的开口为圆形，在发酵罐体1上端开口处侧壁设有M对支座4，用于固定换能器支架3，其中M为正整数；

在换能器支架3上固定悬挂有超声波换能器2，超声波换能器2纵向等距悬挂排布形成叉型；超声波换能器2的长度与发酵罐体1的长度一致，且平行于发酵罐体1的侧壁；相邻换能器支架3之间所形成的夹角为180°/M；

超声波换能器2内置超声波振子11，超声波振子11通过高频连接线5与超声波发生器8电性连接。

利用上述一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置进行发酵，在发酵罐体1内装入发酵液10，其液位如图1所示的发酵液液位9，具体方法通过以下实施例进行说明：

实施例1：

在20m³发酵罐进行清酒的超声波强化发酵。发酵罐体1开口处侧壁设有三对支座4，每一对对应设置，连线角度为180°；三对支座4固定三个换能器支架3，每个支架对称悬挂三对超声波换能器2(如图2所示)，每对超声波换能器2沿圆心对应设置，相邻换能器支架3之间夹角为60°；按照发酵罐半径从外向内方向，三对超声波换能器2内壁两侧分别贴有纵向3列、2列和1列超声波振子11；每对超声波换能器2每列共有20只超声波振子11，通过高频连接线5电性连接超声波发生器8。

具体发酵按如下步骤进行：

步骤1：

粳米预处理：选取粳米，用碾米机将其打磨至精米率70％后浸泡24h，洗涤、滤干，得到预处理后的粳米；

蒸饭：将预处理后的粳米蒸熟，冷却至室温后得到熟米饭；

拌曲：在熟米饭中接种3％(g/g)的米曲，拌匀，糖化发酵48h，得到发酵底物；

入罐：首先对发酵罐体1灭菌，灭菌条件为115℃、15min，灭菌后再向发酵罐中泵送接种日本清酒酵母酒母种子液，接种量为发酵底物质量的5％(g/g)，通过气流输送泵入发酵底物，开始发酵，发酵初始pH6.8，发酵初始温度10℃。

步骤2：在发酵开始第36h开启超声波发生器8，超声波模式为扫频，超声波频率为15kHz±2kHz，单个超声波振子11功率为7.5W，超声波处理时间为12h，处理结束关闭超声波发生器8；

步骤3：发酵28天结束，取样检测发酵酒醪中酒精浓度为18.1％；发酵结束后排空发酵罐体1内发酵液进行后续操作；按设定程序清洗罐体，清洗过程中开启超声波发生器8，超声波频率为20kHz，单个超声波振子功率20W，清洗20min后，即可进行下一罐发酵。

对比例1:

发酵条件及发酵过程与实施例1相同，区别是不使用超声处理。发酵结束取样检测发酵酒醪中酒精浓度为16.2％。

结果对比：与对比例1的发酵相比，实施例1的超声强化发酵使发酵酒醪的酒精浓度提高了11.5％。

实施例2：

在40m³发酵罐进行乳酸菌超声波强化发酵培养。发酵罐体1开口处侧壁设有四对支座4，每一对对应设置，连线角度为180°；四对支座4固定四个换能器支架3，每个支架对称悬挂四对超声波换能器2，每对超声波换能器2沿圆心对应设置，相邻换能器支架3之间夹角为45°；按照发酵罐半径从外向内方向，四对超声波换能器2内壁两侧分别贴有纵向4列、3列、2列和1列超声波振子11；每对超声波换能器2每列共有25个超声波振子11，超声波振子11通过高频连接线5电性连接超声波发生器8。

具体发酵按如下步骤进行：

步骤1：向发酵罐体1加注发酵底物，发酵底物组成成分为脱脂乳添加其质量1％的蛋白胨和1.0％的酵母粉，发酵罐装载量为80％容积。首先对发酵罐体1实罐灭菌，灭菌条件为115℃、15min，降温后向发酵罐体1内接种3％(v/v)干酪乳杆菌种子液，按照设定条件进行厌氧发酵：发酵温度30℃，初始pH6.5。

步骤2：在发酵开始0h开启超声波发生器8，超声波模式为定频，超声波频率为28kHz，单个超声波振子11功率5W，超声波处理时间为0.5h，处理结束关闭超声波发生器8；

步骤3：发酵36h，至发酵结束，取样检测发酵液中活菌数最高为1.14×10¹²CFU/mL；发酵结束后排空发酵罐体1内发酵液进行后续操作；按设定程序清洗罐体，清洗过程中开启超声波发生器8工作15min，超声波频率为20kHz，单个超声振子功率20W，清洗完成即可进行下一罐发酵。

对比例2:

发酵条件及发酵过程与实施例2相同，区别是不使用超声处理。发酵结束取样检测发酵液中活菌数最高为8.61×10¹¹CFU/mL。

结果对比：与对比例2的发酵相比，实施例2的超声强化发酵使干酪乳杆菌生物量提高了32.9％。

实施例3：

在10m³发酵罐进行冬虫夏草菌发酵生产菌丝体及多糖的超声波强化发酵，发酵罐体1开口处侧壁设有两对支座4，每一对对应设置，连线角度为180°；两对支座4固定两个换能器支架3，每个支架对称悬挂两对超声波换能器2，每对超声波换能器2沿圆心对应设置，相邻换能器支架3之间夹角为90°；

按照发酵罐半径从外向内方向，两对超声波换能器2内壁两侧分别贴有纵向2列和1列超声波振子11；每对超声波换能器2每列共有15只超声波振子11，通过高频连接线5电性连接超声波发生器8。

具体发酵按如下步骤进行：

步骤1：向发酵罐体1加注发酵底物，发酵底物组成成分中除水外，其他底物为：米糠粉3.6％、麸皮粉4.8％、KH₂PO₄ 0.27％、MgSO₄·7H₂O 0.27％、半胱氨酸盐酸盐0.05％、叶绿素铜钠盐0.01％，发酵罐装载量为75％容积。

首先对发酵罐体1实罐灭菌，灭菌条件为115℃、15min，降温后向发酵罐体1内接种8％(v/v)冬虫夏草菌种子液，按照设定条件发酵：发酵温度28℃，初始pH7.0，通气比0.6L/(L*min)；

步骤2：在发酵开始12h开启超声波发生器8，超声波模式为扫频，超声波频率为200kHz±2kHz，单个超声波振子11功率20W，超声波处理时间为1h，处理结束关闭超声波发生器8；

步骤3：发酵5d后取发酵液检测，菌丝干重52.7g/L发酵液，胞外多糖为3.08g/L发酵液；发酵结束后排空发酵罐体1内发酵液，按设定程序清洗罐体，清洗过程中开启超声波发生器8，超声波频率为20kHz，单个换能器功率范围20W；清洗时间为10min，清洗后即可进行下一罐发酵。

对比例3:

发酵条件及发酵过程与实施例3相同，区别是不使用超声处理。发酵结束取样检测发酵液中菌丝干重43.6g/L发酵液，胞外多糖为2.51g/L发酵液；

结果对比：与对比例3的发酵相比，实施例3的超声强化发酵使菌丝干重提高了20.9％，胞外多糖增加了22.7％。

说明：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，其特征在于，所述装置包括发酵罐体（1）、超声波换能器（2）、换能器支架（3）和超声波发生器（8）；

在所述发酵罐体（1）的上方设有发酵罐盖板（7），所述发酵罐盖板（7）与发酵罐体（1）之间形成一个容纳空间；

在发酵罐体（1）上端开口处侧壁设有M对支座（4），支座（4）用于固定换能器支架（3），其中M为正整数；在所述换能器支架（3）上固定悬挂有超声波换能器（2）；所述超声波换能器（2）的长度不大于发酵罐体（1）的长度；所述超声波换能器（2）设有n对，n为正整数，每个换能器支架（3）可对称悬挂n对的超声波换能器（2），超声换能器等距纵向排布形成叉型；

所述1对支座（4）对应设置，固定1个换能器支架（3），且相邻换能器支架（3）所形成的夹角为180°/M；

所述超声波换能器（2）内置超声波振子（11），超声波振子（11）通过高频连接线（5）与超声波发生器（8）电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，其特征在于，所述超声波换能器（2）为不锈钢薄板制成的长方体型腔体，且超声波换能器（2）平行于酵罐体（1）的侧壁。

3.根据权利要求1所述的一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，其特征在于，所述超声波发生器（8）的超声波为固定频率模式或扫频模式，固定频率模式是指超声波工作过程中频率不变，扫频模式是指超声波工作过程中频率围绕中心频率作周期性上下波动。

4. 根据权利要求3所述的一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，其特征在于，所述固定频率模式的频率范围为15~200 kHz；所述扫频模式频率范围为15±2~200±2 kHz，为中心频率+扫频幅度，即中心频率范围为15~200 kHz，在每一个中心频率工作时的扫频幅度范围为±2 kHz。

5. 根据权利要求1所述的一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，其特征在于，所述超声波振子（11）单个的功率范围为5~20 W。

6.根据权利要求1所述的一种适用于无搅拌发酵罐的叉型超声波强化发酵装置，其特征在于，所述高频连接线（5）外侧设有高频连接线总管（6）。