一种用于氨基酸生产的发酵罐系统及其工作方法与流程

本发明涉及一种用于氨基酸生产的发酵罐系统及其工作方法，属于氨基酸生产技术领域。

背景技术

氨基酸是生命有机体的重要组成部分，是生命机体营养、生存和发展极为重要的物质，在生命体内物质代谢调控、信息传递方面扮演着重要的角色。氨基酸作为人类营养添加剂、调味剂、饲料添加剂、医药、农药等，在食品工业、农业、畜牧业及人类健康、保健等诸方面有着广泛的应用。在未来几年中，包括健康食品、人工甜味剂、膳食补充剂产品和化妆品在内的各个终端应用市场对氨基酸需求的日益增长也将推动氨基酸市场的良性发展。

随着生物技术的蓬勃发展，越来越多氨基酸产品已经由生物发酵法生产替代了化学合成法生产，生物发酵法生产的氨基酸产品在安全性、能耗及环保方面，具有化工手段不可比拟的优越性。目前，大部分氨基酸已经实现生物发酵法直接生产，市场对该类产品需求也在逐年加大，用于氨基酸工业化生产的发酵罐容积也呈现逐渐放大的趋势。但是，现有的发酵罐系统多为人工手动进行操作，随着发酵罐规模的不断增大，工人的工作量和劳动强度都在不断增加，人工成本也在不断增加；另一方面，现有的发酵罐系统操作周期较长，人工操作的不确定性使得大量工作时间被用于生产准备工作，减少了有效生产时间，使设备利用率不高；此外，在实际生产过程中，由于操作失误或不准确，造成发酵染菌、培养过程参数（温度、ph、溶氧等）波动较大，给氨基酸发酵工业化生产造成严重损失。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述缺陷和不足，提供一种用于氨基酸生产的发酵罐系统及其工作方法，能够根据氨基酸发酵工业化生产的特点设置系统内各部件及结构，从氨基酸发酵生产的准备工作至培养结束全过程实现自动控制，在发酵罐空消、进料、培养过程中，创新性地将温度、压力、ph、溶氧等参数与相关自动调节阀进行连锁自动控制，使参数控制实现实时自动控制。

本发明的技术方案，一种用于氨基酸生产的发酵罐系统，包括发酵罐，还包括发酵罐、搅拌器、搅拌电机、减速装置、空气分布器、冷却列管、进空气管道调节阀、进蒸汽管道调节阀、进冷却水管道调节阀、回冷却水管道调节阀、排冷却水管道调节阀、进底料管道调节阀、接种管道调节阀、补料管道调节阀、出料管道调节阀、液氨管道调节阀；

所述发酵罐顶端设置搅拌电机，搅拌电机与减速器连接，减速器与搅拌器连接；所述发酵罐内底部设置空气分布器，空气分布器中的一端与发酵罐外部的三根管道连通，所述管道上分别设有进空气管道调节阀、进蒸汽管道调节阀和液氨管道调节阀；所述发酵罐内部设有冷却列管，冷却列管底部连通排冷却水管道调节阀，顶部与回冷却水管道调节阀连通；

所述发酵罐顶部包括进料模块，罐底设置出料模块；所述进料模块包括与发酵罐连通的若干根管道，管道上分别设置进底料管道调节阀、接种管道调节阀和补料管道调节阀；所述出料模块包括与发酵罐底部连通的出料管道调节阀。

还包括排气模块、取样模块、监测模块和清洗模块；所述发酵罐顶部设有排气模块和清洗模块，发酵罐的侧面设有取样模块和监测模块；

所述排气模块包括压力检测传感器和排气管道调节阀；其中排气管道调节阀与发酵罐连通，压力检测传感器设置于发酵罐的排气口上；

所述清洗模块包括喷淋器和清洗管道调节阀；所述清洗管道调节阀与设置于发酵罐内部的喷淋器连接；

所述取样模块包括通过管道互相连接的取样管道调节阀、取样蒸汽管道调节阀和取样排管道调节阀；其中取样管道调节阀与发酵罐之间通过管道连通；

所述监测模块包括ph检测传感器、do检测传感器和温度检测传感器，三者均能够对发酵罐内部液体进行检测。

还包括控制系统，所述控制系统与搅拌电机、do检测传感器和进空气管道调节阀连接；通过搅拌电机控制搅拌器进行搅拌，并根据需要采用减速装置进行减速；根据do检测传感器的检测结果控制进空气管道调节阀的开闭和搅拌电机的运转速度；

所述控制系统与ph检测传感器和液氨管道调节阀连接，根据ph检测传感器的检测结果控制液氨管道调节阀的开闭；

所述控制系统与压力检测传感器、进蒸汽管道调节阀和排气管道调节阀连接；通过压力检测传感器的检测结果控制进蒸汽管道调节阀和排气管道调节阀；

所述控制系统与温度检测传感器和进冷却水管道调节阀连接，通过温度检测传感器的检测结果控制进冷却水管道调节阀；

所述控制系统与清洗管道调节阀、回冷却水管道调节阀、排冷却水管道调节阀、进底料管道调节阀、接种管道调节阀、补料管道调节阀、取样管道调节阀、取样蒸汽管道调节阀、取样排管道调节阀和出料管道调节阀连接。

所述控制系统为计算器或plc控制器。

所述用于氨基酸生产的发酵罐系统的工作方法，包括洗罐、空消、进料、接种、培养和出料步骤；所述每个步骤可以单独运行或连续运行。

所述洗罐步骤如下：控制系统检查各部件状态，并发送指令：关闭进空气管道调节阀、进蒸汽管道调节阀、进冷却水管道调节阀、回冷却水管道调节阀、进底料管道调节阀、接种管道调节阀、补料管道调节阀、取样蒸汽管道调节阀、液氨管道调节阀，打开排气管道调节阀10%~100%开度、排冷却水管道调节阀50%~100%开度、出料管道调节阀50%~100%开度、清洗管道调节阀50%~100%开度，清洗水通过清洗管道调节阀的控制和喷淋器对发酵罐进行自动清洗；清洗结束后，自动控制系统洗罐程序传输指令关闭清洗管道调节阀。

所述空消步骤如下：控制系统检查各部件状态，并发送指令：打开排气管道调节阀10%~100%开度、取样管道调节阀10%~100%开度、取样排管道调节阀10%~100%开度、出料管道调节阀10%~100%开度，进蒸汽管道调节阀与压力检测传感器连锁自动控制，程序内设置空消压力为0.10~0.16mpa；空消结束，关闭进蒸汽管道调节阀、取样管道调节阀、出料管道调节阀，打开进空气管道调节阀10%~30%开度，排气管道调节阀与压力检测传感器连锁自动控制，程序内设置压力为0.02~0.05mpa。

所述进料步骤如下：控制系统检查各部件状态，并发送指令：打开搅拌电机，进底料管道调节阀，将灭菌后的无菌培养基输送至发酵罐中，打开关闭排冷却水管道调节阀，打开回冷却水管道调节阀，进冷却水管道调节阀与温度检测传感器连锁自动控制，温度设置为发酵培养温度，液氨管道调节阀与ph检测传感器连锁自动控制，ph值设置为发酵培养最佳ph值；进料完成，关闭进底料管道调节阀，打开取样蒸汽管道调节阀10%~100%开度、取样排管道调节阀10%~20%开度。

所述接种步骤如下：控制系统检查各部件状态，并发送指令：打开接种管道调节阀，将纯种微生物菌种接入发酵罐中；接种完成，关闭接种管道调节阀。

所述培养步骤如下：控制系统检查各部件状态，并发送指令：搅拌电机、进空气管道调节阀与do检测传感器连锁自动控制，do值根据发酵不同阶段设置不同数值，打开补料管道调节阀，根据发酵不同阶段的补料需求量设置补料管道调节阀不同开度并自动执行；

培养过程中需要取样时执行取样程序：关闭取样蒸汽管道调节阀、打开取样管道调节阀10%~100%开度，进行取样，取样操作完，关闭打开取样管道调节阀，打开取样蒸汽管道调节阀10%~100%开度；培养结束，关闭补料管道调节阀、进冷却水管道调节阀、回冷却水管道调节阀、取样蒸汽管道调节阀、液氨管道调节阀、搅拌电机，打开进空气管道调节阀10%~20%开度。

所述出料步骤如下：控制系统检查各部件状态，并发送指令：打开出料管道调节阀，将发酵液用空气压至下一工序；出料完毕，关闭出料管道调节阀、进空气管道调节阀，打开排冷却水管道调节阀。

本发明的有益效果：本发明通过研究氨基酸发酵工业化生产的特点，巧妙设计了适用于氨基酸发酵生产的发酵罐系统及使用方法，该系统全程自动控制，去除了氨基酸发酵生产过程中的人为因素，节省了人工成本，有效提高了氨基酸发酵生产的效率，缩短了准备时间和发酵周期，使整个发酵过程标准化操作，减少了染菌和生产不正常的情况，使氨基酸生产更加稳定，产量得以明显提高，可以大大提高氨基酸生产企业的经济效益。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明电路连接示意图。

附图标记说明：1、发酵罐；2、搅拌系统；3、搅拌电机；4、减速装置；5、空气分布器；6、冷却列管；7、ph检测传感器；8、do检测传感器；9、温度检测传感器；10、压力检测传感器；11、进空气管道调节阀；12、进蒸汽管道调节阀；13、排气管道调节阀；14、喷淋器；15、清洗管道调节阀；16、进冷却水管道调节阀；17、回冷却水管道调节阀；18、排冷却水管道调节阀；19、进底料管道调节阀；20、接种管道调节阀；21、补料管道调节阀；22、取样管道调节阀；23、取样蒸汽管道调节阀；24、取样排管道调节阀；25、出料管道调节阀；26、液氨管道调节阀。

具体实施方式

实施例1

如图1-2所示，一种用于氨基酸生产的发酵罐系统，包括发酵罐1，还包括发酵罐1、搅拌器2、搅拌电机3、减速器4、空气分布器5、冷却列管6、进空气管道调节阀11、进蒸汽管道调节阀12、进冷却水管道调节阀16、回冷却水管道调节阀17、排冷却水管道调节阀18、进底料管道调节阀19、接种管道调节阀20、补料管道调节阀21、出料管道调节阀25、液氨管道调节阀26；

所述发酵罐1顶端设置搅拌电机3，搅拌电机3与减速器4连接，减速器4与搅拌器2连接；所述发酵罐1内底部设置空气分布器5，空气分布器5中的一端与发酵罐1外部的三根管道连通，所述管道上分别设有进空气管道调节阀11、进蒸汽管道调节阀12和液氨管道调节阀26；所述发酵罐1内部设有冷却列管6，冷却列管6底部连通排冷却水管道调节阀18，顶部与回冷却水管道调节阀17连通；

所述发酵罐1顶部包括进料模块，罐底设置出料模块；所述进料模块包括与发酵罐1连通的若干根管道，管道上分别设置进底料管道调节阀19、接种管道调节阀20和补料管道调节阀21；所述出料模块包括与发酵罐1底部连通的出料管道调节阀25。

还包括排气模块、取样模块、监测模块和清洗模块；所述发酵罐1顶部设有排气模块和清洗模块，发酵罐1的侧面设有取样模块和监测模块；

所述排气模块包括压力检测传感器10和排气管道调节阀13；其中排气管道调节阀13与发酵罐1连通，压力检测传感器10设置于发酵罐1的排气口上；

所述清洗模块包括喷淋器14和清洗管道调节阀15；所述清洗管道调节阀15与设置于发酵罐1内部的喷淋器14连接；

所述取样模块包括通过管道互相连接的取样管道调节阀22、取样蒸汽管道调节阀23和取样排管道调节阀24；其中取样管道调节阀22与发酵罐1之间通过管道连通；

所述监测模块包括ph检测传感器7、do检测传感器8和温度检测传感器9，三者均能够对发酵罐1内部液体进行检测。

还包括控制系统，所述控制系统与搅拌电机3、do检测传感器8和进空气管道调节阀11连接；通过搅拌电机3控制搅拌器2进行搅拌，并根据需要采用减速装置4进行减速；根据do检测传感器8的检测结果控制进空气管道调节阀11的开闭和搅拌电机3的运转速度；

所述控制系统与ph检测传感器7和液氨管道调节阀26连接，根据ph检测传感器7的检测结果控制液氨管道调节阀26的开闭；

所述控制系统与压力检测传感器10、进蒸汽管道调节阀12和排气管道调节阀13连接；通过压力检测传感器10的检测结果控制进蒸汽管道调节阀12和排气管道调节阀13；

所述控制系统与温度检测传感器9和进冷却水管道调节阀16连接，通过温度检测传感器9的检测结果控制进冷却水管道调节阀16；

所述控制系统与清洗管道调节阀15、回冷却水管道调节阀17、排冷却水管道调节阀18、进底料管道调节阀19、接种管道调节阀20、补料管道调节阀21、取样管道调节阀22、取样蒸汽管道调节阀23、取样排管道调节阀24和出料管道调节阀25连接。

所述搅拌电机3为变频调速电机。

所述减速器4为皮带减速器或齿轮减速器，通过皮带和齿轮对电机转动进行减速。

所述空气分布器5具体为一根分部了若干通气孔的管道。

所述冷却列管6设置于发酵罐1罐体内部，沿罐体内部环形分部，大大增加了冷却面积。

实施例2用于氨基酸生产的发酵罐系统的工作方法，具体如下：

（1）洗罐：在空罐投入使用前需要进行洗罐操作，在自动控制系统中执行预先设置的洗罐程序，自动控制系统自动检查各自动调节阀状态，并发送指令：关闭进空气管道调节阀11、进蒸汽管道调节阀12、进冷却水管道调节阀16、回冷却水管道调节阀17、进底料管道调节阀19、接种管道调节阀20、补料管道调节阀21、取样蒸汽管道调节阀23、液氨管道调节阀26，打开排气管道调节阀13开度10%~100%、排冷却水管道调节阀18开度50%~100%、出料管道调节阀25开度50%~100%、清洗管道调节阀15开度50%~100%，清洗水通过清洗管道调节阀15的控制和清洗装置14对发酵罐1进行自动清洗；清洗结束后，自动控制系统洗罐程序传输指令关闭清洗管道自动调节阀15。

（2）空消：在自动控制系统中执行空消程序，自动控制系统自动检查各自动调节阀状态，并发送指令：打开排气管道调节阀13开度10%~100%、取样管道调节阀22开度10%~100%、取样排管道调节阀24开度10%~100%、出料管道调节阀25开度10%~100%，进蒸汽管道调节阀12与压力检测传感器10连锁自动控制，程序内设置空消压力为0.10~0.16mpa；空消结束，关闭进蒸汽管道调节阀12、取样管道调节阀22、出料管道调节阀25，打开进空气管道调节阀1110%~30%开度，排气管道调节阀13与压力检测传感器10连锁自动控制，程序内设置压力为0.02~0.05mpa。

（3）进料：在自动控制系统中执行进料程序，自动控制系统自动检查各自动调节阀状态，并发送指令：打开搅拌电机3，进底料管道调节阀19，将灭菌后的无菌培养基输送至发酵罐1中，打开关闭排冷却水管道调节阀18，打开回冷却水管道自动调节阀17，进冷却水管道调节阀16与温度检测传感器9连锁自动控制，温度设置为发酵培养温度，液氨管道调节阀26与ph检测传感器7连锁自动控制，ph值设置为发酵培养最佳ph值；进料完成，关闭进底料管道调节阀19，打开取样蒸汽管道调节阀23开度10%~100%、取样排管道调节阀24开度10%~20%。

（4）接种：在自动控制系统中执行接种程序，自动控制系统自动检查各自动调节阀状态，并发送指令：打开接种管道调节阀20，将纯种微生物菌种接入发酵罐1中；接种完成，关闭接种管道调节阀20。

（5）培养：在自动控制系统中执行培养程序，自动控制系统自动检查各自动调节阀状态，并发送指令：搅拌电机3、进空气管道调节阀11与do检测传感器8连锁自动控制，溶氧值根据发酵不同阶段设置不同数值，打开补料管道调节阀21，根据发酵不同阶段的补料需求量设置补料管道调节阀21不同开度并自动执行；培养过程中需要取样时执行取样程序，关闭取样蒸汽管道调节阀23、打开取样管道调节阀22开度10%~100%，进行取样，取样操作完，关闭打开取样管道调节阀22，打开取样蒸汽管道调节阀23开度10%~100%；培养结束，关闭补料管道调节阀21、进冷却水管道调节阀16、回冷却水管道调节阀17、取样蒸汽管道调节阀23、液氨管道调节阀26、搅拌电机3，打开进空气管道调节阀11开度10%~20%。

（6）出料：在自动控制系统中执行出料程序，自动控制系统自动检查各自动调节阀状态，并发送指令：打开出料管道自动调节阀25，将发酵液用空气压至下一工序；出料完毕，关闭出料管道调节阀25、进空气管道调节阀11，打开排冷却水管道调节阀18。

上述步骤（1）~（6）为自动控制系统内的自动操作，可以分别单独自动运行，也可以设置程序连续自动运行。

本发明通过对氨基酸发酵工业化生产的特点进行深入研究，巧妙设计了适用于氨基酸发酵生产的发酵罐系统及使用方法，设计一套全程自动控制的氨基酸发酵罐系统，去除了氨基酸发酵生产过程中的人为因素的影响，不仅节省了人工成本，更有效提高了氨基酸发酵生产的效率，缩短了准备时间和发酵周期，使整个发酵过程可以实现标准化操作，大大减少了染菌几率和生产不正常的情况，使氨基酸生产更加稳定，产量得以明显提高，可以显著提高氨基酸生产企业的经济效益。