一种无菌发酵系统的制作方法

本实用新型涉及一种发酵设备，特别是涉及一种无菌发酵系统。

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。发酵有时也写作酦酵，其定义由使用场合的不同而不同。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。其也是生物工程的基本过程，即发酵工程。

有氧发酵指的是微生物需要有氧气才能进行下去的发酵。机械搅拌通风式的发酵罐是常用的发酵罐之一。如申请号为201620102955.2的实用新型专利公开了一种生产柠檬酸的发酵通风搅拌系统，包括发酵罐，该发酵罐内部设有搅拌轴，所述搅拌轴上具有从上到下依次设置的三级搅拌叶片，其中：第一级搅拌叶片和第三级搅拌叶片为三叶浆型，第二级搅拌叶片为六叶浆型，所述第一级搅拌叶片和第二级搅拌叶片在所述搅拌轴上的间距为1200mm，所述第二级搅拌叶片和第三级搅拌叶片在所述搅拌轴上的间距为1000mm；所述发酵罐还连接有一布气管道，并且位于所述发酵罐内部的布气管道截段的两端均设有若干圆形布气口，所述圆形布气口相对于所述布气管道所在的水平面呈倾斜设置。

该发酵罐采用布气管道进行通气，通气直接来源于环境中的空气。环境中的空气通常会携带细小灰尘颗粒、细菌等杂物，如果这种不清洁的空气进入到发酵罐内，发酵液可能会受到灰尘颗粒、细菌等影响，发酵质量较差。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种无菌发酵系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种无菌发酵系统，包括发酵罐，还包括一空气压缩机，所述空气压缩机的进气口处安装粗过滤器，所述空气压缩机的出气口通过管道连接空气暂贮罐，所述空气暂贮罐通过管道连接一级空气冷却器的进气口，所述一级空气冷却器的出气口依次管道连接油水分离器、二级空气冷却器、除尘器、空气加热器、一级空气过滤器、微孔过滤器、二级空气过滤器，所述二级空气过滤器的出气口通过管道与所述发酵罐的内部连通，以为发酵罐内的发酵液提供氧气。

作为优选的技术方案，所述粗过滤器包括过滤器壳体，所述过滤器壳体内底端设有油箱，一加油斗通过管道连接所述油箱，以往所述油箱内添油在油箱内形成油层，所述过滤器壳体一端设置有空气入口，空气通过空气入口进入到所述过滤器壳体内并通过所述油层，所述过滤器壳体中心设置有中心管，所述过滤器壳体内部在其中上端安装有滤板。

作为优选的技术方案，所述除尘器包括除尘器壳体，所述除尘器壳体左侧下端开设空气进口，除尘器壳体顶端设有空气出口，其中空气进口通过管道连接二级空气冷却器，空气出口通过管道连接空气加热器，所述除尘器壳体内上端安装有滤网，所述滤网下端设置有往下喷水雾的水雾喷头，所述水雾喷头通过高压水管连接水源，所述高压水管固定安装于所述除尘器壳体侧壁并穿出除尘器壳体，所述高压水管上安装高压水泵，所述除尘器壳体底部设有水流出口。

作为优选的技术方案，所述发酵罐包括罐体，所述罐体外侧设置有加热夹层，所述罐体上端开口且对应所述开口匹配设有用于封闭开口的罐盖，所述罐盖上设有用于投料的进料口、用于观察罐体内部的窥镜、用于密封安装压力表的压力表接口，所述罐体下端设置有出料口，对应所述进料口设有用于封闭进料口的进料盖，对应所述出料口设有用于封闭出料口的出料盖；

所述加热夹层上设有冷水进口和冷水出口，所述加热夹层上安装若干个热电偶接口，所述热电偶接口电接热电偶用于为加热夹层内部提供热量；

所述罐体一侧密封连接一进气管，所述进气管与所述二级空气过滤器的出气口相连通，所述罐盖上密封安装出气管，所述出气管上安装单向阀；

所述罐体内中部设有一搅拌轴，所述搅拌轴的一端穿出所述罐体上端由一轴封同轴固定，搅拌轴穿出的一端通过传动件连接电机；

所述搅拌轴同轴连接搅拌器，所述搅拌器包括三叶旋转搅拌器以及六叶前抛物线涡轮搅拌器；

所述轴封包括填料箱体、填料压盖，所述填料压盖通过压紧螺栓连接所述填料箱体且与所述填料箱体同轴心，所述填料箱体同轴心连接铜环，所述铜环同轴心连接所述搅拌轴，所述搅拌轴与所述填料箱体之间留有空隙，所述空隙内充实填料。

作为优选的技术方案，所述罐体内部侧壁安装一层档板。

作为优选的技术方案，所述搅拌轴未穿出罐体的一端可旋转地固定在一底部轴承上，所述底部轴承固定于所述罐体内部下端。

作为优选的技术方案，所述传动件包括联轴节、三角皮带传动轴，所述搅拌轴同轴连接所述联轴节，所述联轴节连接所述三角皮带传动轴的一端，三角皮带传动轴的另一端连接所述电机的输出端。

作为优选的技术方案，所述罐体一侧密封安装有取样管。

作为优选的技术方案，所述罐盖上设有补料口，对应所述补料口设有补料盖。

作为优选的技术方案，所述三叶旋转搅拌器设为三个，所述六叶前抛物线涡轮搅拌器为一个且安装于三个三叶旋转搅拌器的下端。

作为优选的技术方案，所述搅拌轴上端同轴安装消泡器，所述消泡器高度高于所述搅拌器。

作为优选的技术方案，所述消泡器安装在搅拌轴上高出液面部分。

作为优选的技术方案，所述消泡器包括安装轴、消泡浆，所述消泡浆同轴安装于所述安装轴上，所述安装轴同轴连接所述搅拌轴，所述消泡浆下端为锯齿状或梳状或孔板状。

有益效果在于：

本实用新型的一种无菌发酵系统，进入到发酵罐内的气体，经过初步过滤、冷却、加热、二次过滤等作用后再进入到发酵罐内，能够有效除去空气中的灰尘颗粒以及绝大部分细菌，使得进入到发酵罐内的空气清洁，维持发酵罐内部环境不受外部细菌干扰，提高发酵质量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实用新型一种无菌发酵系统的整体结构示意图；

图2为一种无菌发酵系统的粗过滤器的结构图；

图3为一种无菌发酵系统的除尘器的结构图；

图4为本实用新型一种无菌发酵系统的发酵罐的结构示意图；

图5为本实用新型一种无菌发酵系统的发酵罐的俯视图；

图6为本实用新型一种无菌发酵系统的发酵罐的轴封的剖视图；

图7为本实用新型一种无菌发酵系统的发酵罐的挡板效果示意图；

图8为本实用新型一种无菌发酵系统的发酵罐的消泡器的结构示意图。

图中，1为发酵罐，1-1为罐体，1-2为加热夹层，1-3为罐盖，1-4为进料口，1-5为窥镜，1-6为压力表接口，1-7为出料口，1-8为冷水进口，1-9为冷水出口，1-10为热电偶接口，1-11为进气管，1-13为出气管，1-14为单向阀，1-15为搅拌轴，1-16为轴封，1-16-1为填料箱体，1-16-2为填料压盖，1-16-3为压紧螺栓，1-16-4为铜环，1-16-5为填料，1-17为电机，1-18为三叶旋转搅拌器，1-19为六叶前抛物线涡轮搅拌器，1-20为档板，1-21为底部轴承，1-22为联轴节，1-23为三角皮带传动轴，1-24为取样管，1-25为补料口，1-26为消泡器，1-26-1为安装轴，1-26-2为消泡浆；2为空气压缩机，3为粗过滤器，3-1为过滤器壳体，3-2为油箱，3-3为加油斗，3-4为空气入口，3-5为中心管，3-6为滤板，4为空气暂贮罐，5为一级空气冷却器，6为油水分离器，7为二级空气冷却器，8为除尘器，8-1为除尘器壳体，8-2为空气进口，8-3为空气出口，8-4为滤网，8-5为水雾喷头，8-6为高压水管，8-7为高压水泵，8-8为水流出口，9为空气加热器，10为一级空气过滤器，11为微孔过滤器，12为二级空气过滤器。

具体实施方式

现在结合说明书附图对本实用新型做进一步的说明。

本实用新型实施例，如图1所示的，图1中的箭头表示空气的流动方向，一种无菌发酵系统，包括发酵罐1，还包括一空气压缩机2，所述空气压缩机2的进气口处安装粗过滤器3，所述空气压缩机2的出气口通过管道连接空气暂贮罐4，所述空气暂贮罐4通过管道连接一级空气冷却器5的进气口，所述一级空气冷却器5的出气口依次管道连接油水分离器6、二级空气冷却器7、除尘器8、空气加热器9、一级空气过滤器10、微孔过滤器11、二级空气过滤器12，所述二级空气过滤器12的出气口通过管道与所述发酵罐1的内部连通，以为发酵罐1内的发酵液提供氧气。

本实用新型实施例，空气压缩机2是主要动力来源，空气压缩机2的进气口高度应当设置高一些，根据实际情况，进气口应当高于地面，并且高度在不高于70m时，越高越好，因为越高，吸入的空气中细菌及灰尘的含量会越低。被空气压缩机2吸入的空气首先是经过粗过滤器2进行的初步过滤。

空气粗过滤器一般是作为空气压缩机的附件，安排在空气压缩机的空气进口，有的则单独设置。本实用新型实施例中的粗过滤器2是单独设置的过滤器。经过粗过滤器可把空气中的杂质，特别是硬度比较大的灰尘过滤除掉，主要起到去除杂质防止这些杂质进入到空气压缩机使得空气压缩机的气缸磨损。常用的粗过滤器有布袋过滤、填料过滤、油层洗涤、水雾除尘等。

在本实施例中，提供粗过滤器3的具体结构，参考图2所示的，所述粗过滤器3包括过滤器壳体3-1，所述过滤器壳体3-1内底端设有油箱3-2，一加油斗3-3通过管道连接所述油箱3-2，以往所述油箱3-2内添油在油箱3-2内形成油层，所述过滤器壳体3-1一端设置有空气入口3-4，空气通过空气入口3-4进入到所述过滤器壳体3-1内并通过所述油层，所述过滤器壳体3-1中心设置有中心管3-5，所述过滤器壳体3-1内部在其中上端安装有滤板3-6。

图2中的箭头表示空气的流动方向，空气进入到过滤器壳体3-1后要通过油箱3-2中的油层洗涤，空气中的微粒被油黏附沉降于油箱3-2底部而被除去，经过油浴的空气因带有油雾，需要经过滤波3-6去除，用于分离油雾，由中心管吸入空气压缩机2。该粗过滤器3分离效果好，即便存在部分分离不净的油雾进入到空气压缩机2也无影响，对空气压缩机2影响较小，后续的过滤还能对空气进行进一步过滤除去油雾。

从空气压缩机2出来的高压空气首先是通过空气暂贮罐4，空气暂贮罐4的作用主要是消除空气压缩机2排出空气的脉冲，维持整个发酵系统稳定的正压力，同时也可以利用重力沉降分离部分空气中携带的油雾，空气暂贮罐4的容积不易过小。其容积可按下面的公式进行换算。

v＝0.1～0.2vc

式中，v——贮罐体积，m³；

vc——空气压缩机的排气量，m³/min。

空气暂贮罐4的结构简单，就是一个能够储存气体的空罐子。一般其结构是一个装有安全阀、压力表的空罐壳体。

经过空气暂贮罐4出来的高压空气需要经过冷却。空气进入到空气压缩机2被压缩时，一部分动能转化成热能使空气温度升高，一般可达到144℃左右，而发酵生产所需要的温度为30～34℃左右，故需将空气冷却。常用的空气冷却器有：立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器等等。本实施例中，一级空气冷却器5选择为沉浸式热交换器，二级空气冷却器7选择为立式列管式热交换器。在两个空气冷却器之间还设置有油水分离器6，用于将空气中被冷凝成的水雾和油雾粒子除去的设备。常见的有旋风分离器。在本系统中起到的作用主要是将从一级冷却器5中出来的空气中的水雾和油雾粒子去除。

从二级空气冷却器7中出来的空气，需要进一步除尘，因此，需要经过除尘器8进行除雾。本实施例中，设计出一种除尘器，参考图3所示，所述除尘器8包括除尘器壳体8-1，所述除尘器壳体8-1左侧下端开设空气进口8-2，除尘器壳体8-1顶端设有空气出口8-3，其中空气进口8-2通过管道连接二级空气冷却器7，空气出口8-3通过管道连接空气加热器9，所述除尘器壳体8-1内上端安装有滤网8-4，所述滤网8-4下端设置有往下喷水雾的水雾喷头8-5，所述水雾喷头8-5通过高压水管8-6连接水源，所述高压水管8-6固定安装于所述除尘器壳体8-1侧壁并穿出除尘器壳体8-1，所述高压水管8-6上安装高压水泵8-7，，所述除尘器壳体8-1底部设有水流出口8-8。

图3中的箭头表示空气及水流的流动方向。空气从除尘器壳体8-1的底部进入，经过上部喷下的水雾洗涤，将空气中的灰尘、微生物微粒黏附沉降，从除尘器壳体8-1的底端排出，带有微细小雾的洁净空气经上部滤网8-4进入到空气加热器9进行加热。该除尘器8是对冷却后的空气进行二次除尘的装置。据实验验证，一般对0.5um粒子的过滤效率能够达到50％～70％，对5um粒子的过滤效率能够达到90％～99.9％。高压水管8-6所连接的水源最好是蒸馏水，避免水中会携带杂质跟随空气进入到发酵罐1内影响发酵质量。

经过除尘器8后的高压气体进入到空气加热器9进行加热，对冷却后的空气进行一定升温，去除部分空气中所携带的水分，起到一定干燥作用。最终出来的空气需要经过最后一道过滤工序，先是经过一级空气过滤器10，再经过微孔过滤器11，最后通过二级空气过滤器12，完成最后的过滤。一级空气过滤器10和二级空气过滤器12选择同款的空气过滤器，比如现有的高效有隔板过滤器，采用超细玻璃纤维滤纸。微孔过滤器11选择的是金属微孔过滤器11。高压空气最终经过这最后一道过滤工序后出来的空气基本上是无菌清洁的空气，对发酵液影响度十分小，有效地提高了发酵质量。

本实施例中，对于发酵罐1，作了进一步的设计，参考图4和图5所示，其包括罐体1-1，所述罐体1-1外侧设置有加热夹层1-2，所述罐体1-1上端开口且对应所述开口匹配设有用于封闭开口的罐盖1-3，所述罐盖1-3上设有用于投料的进料口1-4、用于观察罐体内部的窥镜1-5、用于密封安装压力表的压力表接口1-6，所述罐体1-1下端设置有出料口1-7，对应所述进料口1-4设有用于封闭进料口1-4的进料盖(图中未示出)，对应所述出料口1-7设有用于封闭出料口1-7的出料盖(图中未示出)，

所述加热夹层1-2上设有冷水进口1-8和冷水出口1-9，所述加热夹层1-2上安装若干个热电偶接口1-10，所述热电偶接口1-10电接热电偶用于为加热夹层1-2内部提供热量；

所述罐体1-1一侧密封连接一进气管1-11，所述罐盖1-3上密封安装出气管1-13，所述出气管1-13上安装单向阀1-14；

所述罐体1-1内中部设有一搅拌轴1-15，所述搅拌轴1-15的一端穿出所述罐体1-1上端由一轴封1-16同轴固定，搅拌轴1-15穿出的一端通过传动件连接电机1-17；

所述搅拌轴1-15同轴连接搅拌器，所述搅拌器包括三叶旋转搅拌器1-18以及六叶前抛物线涡轮搅拌器1-19；

如图6所示，所述轴封1-16包括填料箱体1-16-1、填料压盖1-16-2，所述填料压盖1-16-2通过压紧螺栓1-16-3连接所述填料箱体1-16-1且与所述填料箱体1-16-1同轴心，所述填料箱体1-16-1同轴心连接铜环1-16-4，所述铜环1-16-4同轴心连接所述搅拌轴1-15，所述搅拌轴1-15与所述填料箱体1-16-1之间留有空隙，所述空隙内充实填料1-16-5。填料1-16-5可以是纤维织物、橡胶、工程塑料、金属、组合材料中的一种或多种组合。

具体实施时，通过罐盖1-3上的进料口1-4进料，进料一般是微生物待发酵液，由冷水进口1-8往加热夹层1-2中补充水，热电偶接口1-10电接热电偶加热加热夹层1-2中的水分用于为罐体1-1内部提供热量。发酵过程中，搅拌轴1-15由电机带动旋转，从而带动搅拌器对发酵液进行搅拌，进气管1-11进风，出气管1-13出风，因为出气管1-13设置的单向阀1-14，保证出气管1-13只出不进，因而形成一条单向式的通风路线，满足微生物的需氧需求且可避免出气管1-13中进风使得罐体1-1内产生涡流影响发酵。本实用新型实施例中的搅拌器1-15由轴封1-16固定，通过填料1-16-5、铜环1-16-4以及填料压盖1-16-2的限位作用，使得搅拌器1-15的旋转不易偏出，从而使得带动的搅拌器旋转轨迹稳定，提高搅拌效果，减少涡流的产生，使得发酵更加趋于平稳。

进一步，所述罐体1-1内部侧壁安装一层档板1-20。如图7所示的，挡板1-20的作用主要在于可以改变液流方向，消除液面中心旋涡，提高混合搅拌效果，提高湍流强度。

进一步，所述搅拌轴1-15未穿出罐体的一端可旋转地固定在一底部轴承1-21上，所述底部轴承1-21固定于所述罐体1-1内部下端。通常的搅拌轴1-15只固定一端，而本实用新型实施例两端均固定，从而避免了旋转轴1-15旋转过程中的偏差，提高混合搅拌效果，提升发酵的平稳性。

进一步，提供一种电机的传动方式。具体的，如图4所示，所述传动件包括联轴节1-22、三角皮带传动轴1-23，所述搅拌轴1-15同轴连接所述联轴节1-22，所述联轴节1-22连接所述三角皮带传动轴1-23的一端，三角皮带传动轴1-23的另一端连接所述电机1-17的输出端。该传动原理为：由电机带动三角皮带传动轴1-23运动，进而通过联轴节1-22带动旋转轴1-15旋转。当然，还可以采用其他的传动方式，如使用丝杆或者联轴器直接连接电机的输出轴等。

进一步，所述罐体1-1一侧密封安装有取样管1-24用于发酵过程中的取样测试。

进一步，所述罐盖上设有补料口1-25，对应所述补料口1-25设有补料盖(图中未示出)。

进一步，如图5所示，所述三叶旋转搅拌器1-18设为三个，所述六叶前抛物线涡轮搅拌器1-19为一个且安装于三个三叶旋转搅拌器1-18的下端。

六叶前抛物线涡轮搅拌器为轴向的搅拌器，三叶旋转搅拌器为径向的搅拌器，轴向流的搅拌器因为液面不好控制，设置在罐体的下端，主要起到混合的作用；径向的搅拌器设置在轴向搅拌器的上端，利用径向流的剪切作用强的特点，可增加溶氧效果且有效打碎气泡，减少气泡的产生，减少原料的损失。

进一步，如图4所示，所述搅拌轴上端同轴安装消泡器1-26，所述消泡器1-26高度高于所述搅拌器。所述消泡器1-26安装在搅拌轴1-15上高出液面部分。

进一步，如图8所示，所述消泡器1-26包括安装轴1-26-1、消泡浆1-26-2，所述消泡浆1-26-2同轴安装于所述安装轴1-26-1上，所述安装轴1-26-1同轴连接所述搅拌轴1-15，所述消泡浆1-26-2下端为锯齿状或梳状或孔板状。消泡器1-26会随着搅拌轴1-15的旋转而旋转，可以将上升出液面的泡沫打碎，具体是通过消泡浆1-26-2下端的锯齿状或梳状或孔板状将泡沫打碎。

以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。