CN117264736B - 一种恒温式生物发酵装置及其热传导方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒温式生物发酵装置及其热传导方法，涉及生物发酵技术领域，包括合罐主体、搅拌组件、粘性度测试组件、温控组件以及发酵控制系统，其中所述搅拌组件设置在混合罐主体内部，所述粘性度测试组件设置在搅拌组件上，所述温控组件设置在混合罐主体内，所述发酵控制系统与搅拌组件、粘性度测试组件以及温控组件信号连接，适于控制发酵过程；所述粘性度测试组件包括导杆、拉力感应模块、弹簧以及拉板，其中所述拉力感应模块设置在导杆一端，所述弹簧套设在导杆上且两端分别连接拉力感应模块和拉板，所述拉板滑动穿设在导杆上。本发明可以分析发酵状态并进行调整控制，提高了发酵质量。

Description

一种恒温式生物发酵装置及其热传导方法

技术领域

本发明涉及生物发酵技术领域，具体为一种恒温式生物发酵装置及其热传导方法。

背景技术

任何微生物的生长温度均在一定范用内，可用最高温度、最适温度和最低生长温度进行描述，温度影响微生物生长的机理。不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类:嗜冷菌适应于0~26℃生长，嗜温菌适应于15~43℃生长，热菌适应于37~65℃生长，高温菌适应于65℃以上生长。

发酵罐，指工业上用来进行微生物发酵的装置，其主体一般为用不锈钢板制成的主式圆筒。现有的控制最适宜的发酵温度的方法一般为通过给罐体升温和降温来控制最适宜的温度，即温度低，通过往罐体夹套内通蒸汽或给罐内蛇形排管通热水来进行发酵液的升温，反之，通冷水进行降温。通过通风，发酵物料的翻动次数等方法进行降温处理。

生物发酵需要维持在一个较为恒定的温度状态，一般发酵罐会根据内部发酵菌类的发酵温度，将罐体温度保持在最适发酵温度直至发酵结束。而生物发酵过程中同样会产生热量（发酵热、搅拌热），也会有部分热量散失（蒸发热、辐射热），若发酵过程中菌体产热、散热过于剧烈，不及时进行外部温度调控，同样也会影响到最终的发酵质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种恒温式生物发酵装置及其热传导方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种恒温式生物发酵装置及其热传导方法，包括混合罐主体、搅拌组件、粘性度测试组件、温控组件以及发酵控制系统，其中所述搅拌组件设置在混合罐主体内部，所述粘性度测试组件设置在搅拌组件上，所述温控组件设置在混合罐主体内，所述发酵控制系统与搅拌组件、粘性度测试组件以及温控组件信号连接，适于控制发酵过程。

进一步的，所述粘性度测试组件包括导杆、拉力感应模块、弹簧以及拉板，其中所述拉力感应模块设置在导杆一端，所述弹簧套设在导杆上且两端分别连接拉力感应模块和拉板，所述拉板滑动穿设在导杆上。

进一步的，随着搅拌组件的搅拌运动，发酵物料会阻碍拉板移动，此时与拉板连接的弹簧会受到拉扯力，拉力感应模块会接收到拉力信号，以此信号为基础判断发酵程度是否正常，例如随着发酵时间，发酵液的粘度会不断变大，若拉力感应模块始终感应不到明显的拉力信号差异则说明发酵菌体代谢缓慢，发酵处于异常状态。

进一步的，所述搅拌组件包括旋转电机、转轴和数个搅拌桨叶，其中所述转轴连接在旋转电机的驱动端，所述搅拌桨叶间隔设置在转轴上。

进一步的，所述温控组件包括换热壳体、热电偶以及换热系统，其中所述换热壳体围设在混合罐主体外部且内部设置有空腔，所述热电偶穿设在混合罐主体上用于测量发酵液本体的温度，所述空腔内流通有换热介质，所述换热系统用于控制换热介质在换热壳体内的流通循环并对换热介质的温度进行控制和测量。

进一步的，所述换热壳体上设置有进口和出口。

进一步的，所述换热系统包括锅炉、输水泵以及温度测试模块，其中所述锅炉适于将换热介质加热到合适的温度，所述输水泵为换热介质的流动提供动力，所述温度测试模块适于监测换热介质在进口和出口处的温度以进行热量计算。

进一步的，所述混合罐主体底部配合实际发酵需要设置有氧气输送装置，在无氧发酵时为关闭状态，在有氧发酵时根据需求往发酵液输送定量氧气，混合罐主体上还设置有入料口和出料口。

进一步的，所述发酵控制系统包括数据采集模块、信号分析模块以及处理模块，其中所述数据采集模块包括温度采集模块和拉力采集模块，所述信号分析模块包括热量分析模块和发酵状态分析模块，所述处理模块包括换热控制模块和入料控制模块。

进一步的，所述温度采集模块适于采集发酵液本身的温度以及温控组件内部换热介质的温度，前者用于监控发酵是否处于正常状态即发酵液有无温度变化异常，后者用于测量换热介质从进入到离开混合罐主体两处温度作为计算发酵热的基础；热量分析模块适于分析混合罐主体内所产生的热量是处于高热量、正常热量还是低热量的状态，发酵状态用于对发酵液粘稠度状态进行分析以判断发酵过程是否正常进行；换热控制模块用于根据混合罐主体内的热量状态对温控组件以及搅拌组件进行调整，入料控制模块适于鉴别异常热量是否是发酵液一次投入过多或者过少导致的，用于对下一次投料量进行调整。

进一步的，具体方法如下：

S1、预热：温控组件先将换热介质加热至发酵所需温度后输送至换热壳体，检测出口处换热介质的温度来判断混合罐主体罐体温度是否到位并保持换热循环不变；

S2、入料：混合罐主体预热完毕后，发酵控制系统向混合罐主体输送定量发酵液，封闭入料口；

S3、发酵监控：发酵控制系统从发酵过程的热量变化、粘稠度变化对发酵状态进行分析处理；

S31、粘稠度分析：拉力采集模块收集不同时间段的拉力信号，通过发酵状态分析模块进行分析比较，判断发酵菌体是否处于正常代谢状态；

S32、热量分析：温度采集模块收集进口和出口处的温度计算发酵热量，结合热电偶所测量的发酵液温度，热量分析模块判断目前的换热模式是否满足发酵液的供热/冷却需求；

S4、后处理：处理模块根据分析结果对搅拌组件的搅拌功率以及温控组件的换热温度进行调控；

S5、出料：发酵完毕后，发酵液由出料口出料；

S6、调整：处理模块根据监控结果对换热过程以及下一次发酵液入料量进行调整。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：通过设置有粘性度测试组件和发酵控制系统，可对发酵过程进行监控，从发酵热量、发酵液粘度两个方面分析发酵状态是否处于理想状态，并根据不同的异常状态进行调整，保证了发酵温度始终处于最适合温度以及确定了一次所能投料的最大值，提高了发酵质量和效率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体剖视图；

图2是本发明的整体示意图；

图3是本发明的粘性度测试组件示意图；

图中：1、混合罐主体；11、入料口；12、出料口；2、搅拌组件；21、旋转电机；22、转轴；23、搅拌桨叶；3、粘性度测试组件；31、导杆；32、拉力感应模块；33、弹簧；34、拉板；4、换热壳体；41、空腔；42、进口；43、出口；5、热电偶；6、氧气输送装置。

具体实施方式

以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。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。

请参阅图1-3，本发明提供技术方案：一种恒温式生物发酵装置及其热传导方法，包括混合罐主体1、搅拌组件2、粘性度测试组件3、温控组件以及发酵控制系统，其中搅拌组件2设置在混合罐主体1内部，粘性度测试组件3设置在搅拌组件2上，温控组件设置在混合罐主体1内，发酵控制系统与搅拌组件2、粘性度测试组件3以及温控组件信号连接，适于控制发酵过程；

粘性度测试组件3包括导杆31、拉力感应模块32、弹簧33以及拉板34，其中拉力感应模块32设置在导杆31一端，弹簧33套设在导杆31上且两端分别连接拉力感应模块32和拉板34，拉板34滑动穿设在导杆31上。

在实际操作中，随着搅拌组件2的搅拌运动，发酵物料会阻碍拉板34移动，此时与拉板34连接的弹簧33会受到拉扯力，拉力感应模块32会接收到拉力信号，以此信号为基础判断发酵程度是否正常，例如随着发酵时间，发酵液的粘度会不断变大，若拉力感应模块32始终感应不到明显的拉力信号差异则说明发酵菌体代谢缓慢，发酵处于异常状态。

搅拌组件2包括旋转电机21、转轴22和数个搅拌桨叶23，其中转轴22连接在旋转电机21的驱动端，搅拌桨叶23间隔设置在转轴22上。

温控组件包括换热壳体4、热电偶5以及换热系统，其中换热壳体4围设在混合罐主体1外部且内部设置有空腔41，热电偶5穿设在混合罐主体1上用于测量发酵液本体的温度，空腔41内流通有换热介质，换热系统用于控制换热介质在换热壳体4内的流通循环并对换热介质的温度进行控制和测量。

换热壳体4上设置有进口42和出口43。

需要补充说明的是：换热系统包括锅炉、输水泵以及温度测试模块，其中锅炉适于将换热介质加热到合适的温度，输水泵为换热介质的流动提供动力，温度测试模块适于监测换热介质在进口42和出口43处的温度以进行热量计算。

混合罐主体1底部配合实际发酵需要设置有氧气输送装置6，在无氧发酵时为关闭状态，在有氧发酵时根据需求往发酵液输送定量氧气，混合罐主体1上还设置有入料口11和出料口12。

发酵控制系统包括数据采集模块、信号分析模块以及处理模块，其中数据采集模块包括温度采集模块和拉力采集模块，信号分析模块包括热量分析模块和发酵状态分析模块，处理模块包括换热控制模块和入料控制模块。

具体的，温度采集模块适于采集发酵液本身的温度以及温控组件内部换热介质的温度，前者用于监控发酵是否处于正常状态即发酵液有无温度变化异常，后者用于测量换热介质从进入到离开混合罐主体1两处温度作为计算发酵热的基础；热量分析模块适于分析混合罐主体1内所产生的热量是处于高热量、正常热量还是低热量的状态，发酵状态用于对发酵液粘稠度状态进行分析以判断发酵过程是否正常进行；换热控制模块用于根据混合罐主体1内的热量状态对温控组件以及搅拌组件2进行调整，入料控制模块适于鉴别异常热量是否是发酵液一次投入过多或者过少导致的，用于对下一次投料量进行调整。

具体实施方法如下：

S1、预热：温控组件先将换热介质加热至发酵所需温度后输送至换热壳体4，检测出口43处换热介质的温度来判断混合罐主体1罐体温度是否到位并保持换热循环不变；

S2、入料：混合罐主体1预热完毕后，发酵控制系统向混合罐主体1输送定量发酵液，封闭入料口11；

S3、发酵监控：发酵控制系统从发酵过程的热量变化、粘稠度变化对发酵状态进行分析处理；

S31、粘稠度分析：拉力采集模块收集不同时间段的拉力信号，通过发酵状态分析模块进行分析比较，判断发酵菌体是否处于正常代谢状态；

S32、热量分析：温度采集模块收集进口42和出口43处的温度计算发酵热量，结合热电偶5所测量的发酵液温度，热量分析模块判断目前的换热模式是否满足发酵液的供热/冷却需求；

S4、后处理：处理模块根据分析结果对搅拌组件2的搅拌功率以及温控组件的换热温度进行调控；

S5、出料：发酵完毕后，发酵液由出料口12出料；

S6、调整：处理模块根据监控结果对换热过程以及下一次发酵液入料量进行调整。

具体的，S1中判断混合罐主体1预热完毕方式如下：设定换热介质进入换热壳体4时的温度为，离开换热壳体4时的温度为/>，混合罐主体1罐体的初始温度为/>，为发酵最适合温度，若/>>/>，则换热介质吸取混合罐主体1罐体的多余热量，/>吸热增大；若/></>，则换热介质向混合罐主体1罐体提供热量，/>散热减小，当/>=时判定混合罐主体1罐体已达到最适合发酵温度。

S31中发酵状态分析方法如下：假设换热系统正常工作即混合罐主体1罐体始终为最适合发酵温度的前提下，设定拉力感应模块32所检测到的初始拉力为，以一小时为单位测量发酵过程中的拉力集合/>，n为正整数，将每一时段的拉力值与相匹配的理想拉力值/>相比较，若/>始终在0.8/>~1.2/>范围内，则可判定发酵过程正常进行；

S32中发酵热量计算方法如下：（/>-/>）/V，其中/>为水的比热，/>为换热介质流量，换热介质流量可通过设置水表得到每小时换热介质流量，以每小时为单位计算发酵热量，并与理想发酵热量Q进行比对，若/><0.7Q，则发酵热量偏少，此时再通过拉力感应模块32分析发酵状态是否为正常状态，若发酵状态正常则入料量偏少，若发酵状态不正常则发酵反应过慢，发酵菌体代谢缓慢或者发酵液；若/>>1.3Q，则发酵热量偏多，此时再通过拉力感应模块32分析发酵状态是否为正常状态，若发酵状态正常则入料量偏多，若发酵状态不正常则发酵反应剧烈，发酵菌体代谢过快；若0.7Q≤≤1.3Q，则发酵热量处于正常范围内，发酵过程正常进行。

S4中调整方式如下：若发酵液处于缓慢发酵状态，可通过升高换热介质温度以及提高搅拌组件2的搅拌功率来促进发酵过程，若发酵液入料量偏少则在下一次投料时提高投量；同理若发酵液处于剧烈发酵状态，可通过降低换热介质温度以及搅拌组件2的搅拌功率来避免混合罐主体1内温度过高而导致发酵菌体死亡。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“右”、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，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。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种恒温式生物发酵装置，其特征在于：包括：

混合罐主体（1）、搅拌组件（2）、粘性度测试组件（3）、温控组件以及发酵控制系统，其中所述搅拌组件（2）设置在混合罐主体（1）内部，所述粘性度测试组件（3）设置在搅拌组件（2）上，所述温控组件设置在混合罐主体（1）内，所述发酵控制系统与搅拌组件（2）、粘性度测试组件（3）以及温控组件信号连接，适于控制发酵过程；

所述粘性度测试组件（3）包括导杆（31）、拉力感应模块（32）、弹簧（33）以及拉板（34），其中所述拉力感应模块（32）设置在导杆（31）一端，所述弹簧（33）套设在导杆（31）上且两端分别连接拉力感应模块（32）和拉板（34），所述拉板（34）滑动穿设在导杆（31）上；

所述温控组件包括换热壳体（4）、热电偶（5）以及换热系统，其中所述换热壳体（4）围设在混合罐主体（1）外部且内部设置有空腔（41），所述热电偶（5）穿设在混合罐主体（1）上用于测量发酵液本体的温度，所述空腔（41）内流通有换热介质，所述换热系统用于控制换热介质在换热壳体（4）内的流通循环并对换热介质的温度进行控制和测量；

所述发酵控制系统包括数据采集模块、信号分析模块以及处理模块，其中数据采集模块包括温度采集模块和拉力采集模块，信号分析模块包括热量分析模块和发酵状态分析模块，处理模块包括换热控制模块和入料控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种恒温式生物发酵装置，其特征在于：

所述换热壳体（4）上设置有进口（42）和出口（43）。

3.根据权利要求2所述的一种恒温式生物发酵装置，其特征在于：

所述搅拌组件（2）包括旋转电机（21）、转轴（22）和数个搅拌桨叶（23），其中所述转轴（22）连接在旋转电机（21）的驱动端，所述搅拌桨叶（23）间隔设置在转轴（22）上。

4.根据权利要求3所述的一种恒温式生物发酵装置，其特征在于：

所述混合罐主体（1）底部配合实际发酵需要设置有氧气输送装置（6），在无氧发酵时为关闭状态，在有氧发酵时根据需求往发酵液输送定量氧气；

所述混合罐主体（1）上还设置有入料口（11）和出料口（12）。

5.根据权利要求4所述的一种恒温式生物发酵装置的工作方法，其特征在于：

具体方法为：

S1、预热：温控组件先将换热介质加热至发酵所需温度后输送至换热壳体（4），检测出口（43）处换热介质的温度来判断混合罐主体（1）罐体温度是否到位并保持换热循环不变；

S2、入料：混合罐主体（1）预热完毕后，发酵控制系统向混合罐主体（1）输送定量发酵液，封闭入料口（11）；

S3、发酵监控：发酵控制系统从发酵过程的热量变化、粘稠度变化对发酵状态进行分析处理；

S31、粘稠度分析：拉力采集模块收集不同时间段的拉力信号，通过发酵状态分析模块进行分析比较，判断发酵菌体是否处于正常代谢状态；

S32、热量分析：温度采集模块收集进口（42）和出口（43）处的温度计算发酵热量，结合热电偶（5）所测量的发酵液温度，热量分析模块判断目前的换热模式是否满足发酵液的供热/冷却需求；

S4、后处理：处理模块根据分析结果对搅拌组件（2）的搅拌功率以及温控组件的换热温度进行调控；

S5、出料：发酵完毕后，发酵液由出料口（12）出料；

S6、调整：处理模块根据监控结果对换热过程以及下一次发酵液入料量进行调整。

6.根据权利要求5所述的一种恒温式生物发酵装置的工作方法，其特征在于：

S1中判断混合罐主体（1）预热完毕方式如下：设定换热介质进入换热壳体（4）时的温度为，离开换热壳体（4）时的温度为/>，混合罐主体（1）罐体的初始温度为/>，/>为发酵最适合温度，若/>>/>，则换热介质吸取混合罐主体（1）罐体的多余热量，/>吸热增大；若/></>，则换热介质向混合罐主体（1）罐体提供热量，/>散热减小，当/>=/>时判定混合罐主体（1）罐体已达到最适合发酵温度。

7.根据权利要求6所述的一种恒温式生物发酵装置的工作方法，其特征在于：

S31中发酵状态分析方法如下：假设换热系统正常工作即混合罐主体（1）罐体始终为最适合发酵温度的前提下，设定拉力感应模块（32）所检测到的初始拉力为，以一小时为单位测量发酵过程中的拉力集合/>，n为正整数，将每一时段的拉力值与相匹配的理想拉力值/>相比较，若/>始终在0.8/>~1.2/>范围内，则可判定发酵过程正常进行。

8.根据权利要求7所述的一种恒温式生物发酵装置的工作方法，其特征在于：

S32中发酵热量计算方法如下：（/>-/>）/V，其中/>为水的比热，为换热介质流量，换热介质流量通过设置水表得到每小时换热介质流量，以每小时为单位计算发酵热量，并与理想发酵热量Q进行比对，若/><0.7Q，则发酵热量偏少，此时再通过拉力感应模块（32）分析发酵状态是否为正常状态，若发酵状态正常则入料量偏少，若发酵状态不正常则发酵反应过慢，发酵菌体代谢缓慢或者发酵液量少；若/>>1.3Q，则发酵热量偏多，此时再通过拉力感应模块（32）分析发酵状态是否为正常状态，若发酵状态正常则入料量偏多，若发酵状态不正常则发酵反应剧烈，发酵菌体代谢过快；若0.7Q≤≤1.3Q，则发酵热量处于正常范围内，发酵过程正常进行。