一种基于微纳米气泡技术的酒类快速陈化设备

1.本实用新型属于酿酒技术领域，具体涉及一种基于微纳米气泡技术的酒类快速陈化设备。


背景技术：

2.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本实用新型的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
3.新酿造的白酒，刺激性强，入口暴辣。主要原因是新酒含有硫化氢、硫醇、硫醚等挥发性物质及少量的丙烯醛、丁烯醛、甲醇、游离氨与其它低沸点物质。因此常常需要自然存放数月、甚至数年，使酒体中低沸点物质挥发，酯化水解、氧化还原、分子间的弱相互作用、贮存容器表面活性中心的参与反应逐渐达到平衡，以消除新酒味、增加陈酒口感。这一过程称为陈化(也叫老熟或陈酿)。在常温常压、外部不提供能量和促陈的条件下实现上述平衡，尤其是某些决速步须经漫长的岁月。这必然使大量资金积压、贮存设备投资增加，同时酒损也加大，成为各大酒厂亟待解决的重大技术难题。为此科技工作者进行了大量研究，建立了各种物理(微波、超声波、红外线、紫外线、激光、x-射线、磁、热、高压、静电催陈)、化学(催化剂、臭氧化催陈)、生物及复合法等人工催陈方法，这些方法不同程度的对白酒有一定的催陈作用，但用于大规模工业化生产的白酒人工催陈方法仍为少见，尤其是使用单一的物理方法，普遍存在“回生”现象，而且酒的品质难以维持原有风格；化学方法又普遍存在添加非发酵过程中产生的物质问题，而国家对纯粮酿造酒明令禁止采取上述化学方法；而生物方法对高度酒，尤其是高度白酒实现陈化过程较为困难。目前普遍研究的方法多为复合处理方法，如：中国专利cn102766564b“一种快速白酒陈化设备”利用射流负压加氧技术，大大缩短了白酒陈化时间，提高了陈化效率，使用方便、经济效益显著。但是，该陈化设备氧气与白酒接触面积小，耗氧量巨大，陈化成本高，不利于产业化推广。山西大学和中北大学的实用新型专利cn101250474b和cn200910075686.x都采用传统加氧与超重力场传质技术缩短白酒陈化时间，陈化效果显著，但这两种方法均使用动力消耗巨大的旋转机构，陈化成本高，不利于产业化推广。中国专利zl94223774.9提出的超声-紫外-磁化为一体的复合催陈设备，虽有一定效果，但紫外线对工作人员的皮肤和眼睛有很大的伤害，酒的原有风味特征也难以保证；中国专利zl93109461.5采用磁化-矿化-电解臭氧热处理方法，催陈效果较明显，并在电解矿化处理过程中能释放出对人体有益的“微量元素”，但也可能释放出对人体有害的“微量元素”。中国专利cn00220255.7“一种白酒陈化设备”利用微波高频电磁场对进入陈化腔内的白酒进行辐射和加热，大大加快了白酒陈化过程中的物理和化学反应，缩短了陈化时间，提高了陈化效率，且占地少、使用方便、经济效益十分显著。但是，该陈化设备结构复杂，用电量较大，还存在微波泄漏的危险。


技术实现要素：

4.为此，本实用新型所要解决的技术问题在于如何快速和低能耗的实现酒的陈化。
5.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于微纳米气泡技术的酒类快速陈化设备，包括用于提供新酒的新酒系统、用于提供氧气的氧气系统、用于加快新酒陈化的陈化系统以及用于接收陈化酒的陈化酒系统，所述陈化系统包括矿化器、螺旋切割器以及陈化罐，所述矿化器接收所述新酒系统送来的新酒并对新酒进行微量元素矿化，所述螺旋切割器接收所述矿化器送来的矿化后新酒和所述氧气系统送来的氧气并对形成的氧气泡进行螺旋切割后产生微纳米气泡后获得微观混合和高效传质的超饱和高氧酒液，所述陈化罐接收自所述螺旋切割器送来的超饱和高氧酒液并存放陈化，所述陈化酒系统接收自所述陈化罐送来的陈化后酒并进行存放。
6.优化的，所述螺旋切割器包括芯轴、螺旋结构、切割管以及导水锥，所述螺旋结构包括套设于所述芯轴上并沿所述芯轴的轴向依次叠置的数千片切割片，每片所述切割片包括圆环部，所述圆环部设有一个或沿其周向均布设置的多个向其径向外侧凸出的翅片，所述数千片切割片的翅片沿所述芯轴的螺旋方向依次设置并连成一条或多条螺旋阶梯，所述切割管套设于所述螺旋阶梯的外侧并形成一条或多条螺旋阶梯通道，所述导水锥连接于所述芯轴上并设于所述螺旋阶梯通道入口处的所述切割管内。
7.优化的，所述螺旋阶梯的螺距自上而下逐渐变小，所述螺旋阶梯的螺旋面函数表达式为：
8.x＝rcosθ
9.y＝rsinθ
10.z＝125.6θm11.上式中，x、y、z为螺旋面任意点的坐标值；r螺旋切割片半径；θ为螺旋旋转角度；m为变螺距系数，取值范围0～1；数千片所述切割片按照上述函数变化规律的螺距叠加旋转而形成离散化的阶梯状螺旋曲面。
12.优化的，所述切割片的厚度为0.1-0.5mm。
13.优化的，还包括两个镂空压块、两个内螺纹轴套以及两个外螺纹轴套，所述两个镂空压块套设于所述芯轴上并夹持于所述数千片切割片的外侧，两个内螺纹轴套螺纹连接于所述芯轴上并夹持于所述两个镂空压块的外侧，所述两个外螺纹轴套螺纹连接于所述切割管的内侧并夹持于所述两个镂空压块的外侧。
14.优化的，所述矿化器内设有滤芯，所述滤芯为富硒或者富锶矿化滤芯。
15.优化的，所述螺旋切割器的入口设置有用于对新酒和氧气进行混合细化的文丘里加气装置，所述矿化器与所述文丘里加气装置的进液口连通，所述氧气系统与所述文丘里加气装置的出液口连通，所述螺旋切割器的入口与所述文丘里加气装置的出液口连通，所述螺旋切割器的出口设置有用于对超饱和高氧酒液进行雾化后喷出的螺旋喷嘴。
16.优化的，所述陈化罐包括罐体、陶瓷球以及不锈钢网，所述陈化罐的底部设有出液口，所述陈化罐的出液口与所述陈化酒系统连接，所述陶瓷球铺设于所述罐体底部并用于溶出对人体有益的微量元素，所述不锈钢网固定于所述罐体上并压住所述陶瓷球，所述陶瓷球由多种天然矿物材料配置复合烧结制成。
17.优化的，所述新酒系统包括通过管道依次串联的新酒储罐、液体流量调节阀、液体
温控器离心泵以及液体流量计，所述液体流量计的出口作为所述新酒系统的出口，所述液体温控器与所述离心泵之间设有液体温度计，所述液体流量计与所述矿化器之间设有液体压力表，所述离心泵的出口还通过回流调节阀连通所述新酒储罐，所述氧气系统包括通过管道依次串联的供氧装置、气体减压阀、气体流量调节阀、气体温控器以及气体流量计，所述气体流量计的出口作为所述氧气系统的出口，所述气体温控器与所述气体流量计之间设有气体温度计和气体压力表，所述陈化酒系统包括通过管道串联的陈化酒储罐和陈化酒控制阀，所述陈化酒储罐的入口作为所述陈化酒系统的入口。
18.优化的，所述矿化器和所述螺旋切割器设于所述陈化罐的内部。
19.由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
20.1)本实用新型基于酒体中各种成分在自然陈酿过程中的转化行为(低沸点物质挥发，酯化水解、氧化还原、分子间的弱相互作用、陶瓷球(模拟贮酒陶瓷罐)的参与等反应平衡)，模拟白酒自然陈化过程及环境，利用微纳米化螺旋切割技术高效传质技术和矿化技术对白酒进行陈化，白酒陈化的整个过程，不改变任何类型纯粮酿造白酒的风格、特征，且成本低、操作简便，适宜各种类型白酒、不同规模的工业化生产。处理后的白酒色、香、味相当于自然陈酿半年至三年时间的白酒采用微纳米化螺旋切割技术和矿化技术实现高效传质，对白酒进行陈化，为纯物理过程，处理后的酒液不增加任何非发酵过程中产生的物质；
21.2)本实用新型中，酒液在螺旋切割器中与氧气、矿物质微观混合和高效传质，加快了陈化反应的速度；
22.3)本实用新型中，通过调节温控系统，控制酒液、气体温度，在进一步促进陈化反应发生、维持原酒风味特征、尽量减少酒损的同时，使产生新酒味的低沸点物质也得到了彻底的去除；
23.4)本实用新型中，由于采用了纳米气泡技术，设备结构简单，陈化罐无搅拌机构，耗氧量低，节能减排。
附图说明
24.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
25.图1为本实用新型公开的酒类快速陈化设备的组成示意图；
26.图2为本实用新型公开的螺旋切割器的主视图；
27.图3为本实用新型公开的螺旋切割器的横截面图；。
28.其中，1、新酒系统；11、新酒储罐；12、液体流量调节阀；13、液体温控器；14、离心泵；15、液体流量计；16、液体温度计；17、液体压力表；18、回流调节阀；2、氧气系统；21、供氧装置；22、气体减压阀；23、气体流量调节阀；24、气体温控器；25、气体流量计；26、气体温度计；27、气体压力表；3、陈化系统；31、矿化器；32、螺旋切割器；321、芯轴；322、螺旋结构；323、切割管；324、导水锥；325、切割片；3251、圆环部；3252、翅片；326、螺旋阶梯通道；327、压块；328、内螺纹轴套；329、外螺纹轴套；33、陈化罐；331、罐体；332、陶瓷球；333、不锈钢网；34、文丘里加气装置；35、螺旋喷嘴；4、陈化酒系统；41、陈化酒储罐；42、陈化酒控制阀。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。
30.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供作为进一步改进说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、部件和/或它们的组合。在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
31.以下为用于说明本实用新型的一较佳实施例，但不用来限制本实用新型的范围。
32.实施例一
33.参见图1至图3，如其中的图例所示，一种基于微纳米气泡技术的酒类快速陈化设备，包括用于提供新酒的新酒系统1、用于提供氧气的氧气系统2、用于加快新酒陈化的陈化系统3以及用于接收陈化酒的陈化酒系统4，陈化系统3包括矿化器31、螺旋切割器32以及陈化罐33，矿化器31的入口连接新酒系统1的出口，矿化器31接收自矿化器送来的矿化后新酒并对新酒进行微量元素矿化，螺旋切割器32的入口连接矿化器31的出口和氧气系统2的出口，螺旋切割器32接收自矿化器31送来的矿化后新酒和氧气系统2送来的氧气并对形成的氧气泡进行螺旋切割后产生微纳米气泡后获得微观混合和高效传质的超饱和高氧酒液，陈化罐33与螺旋切割器32的出口连通，陈化罐33接收自螺旋切割器32送来的超饱和高氧酒液并进行存放陈化，陈化酒系统4与陈化罐33的出口连接，陈化酒系统4接收自陈化罐33送来的陈化后酒并进行存放。
34.上文中，陈化罐采用不锈钢板材加工成符合国家标准规定的受压容器罐形，上端封头加工三个通孔，分别安装清洗装置、排气装置以及冷凝器，下端封头加工一个排液口并焊接一段管子(陈化系统的出口)，连接陈化酒的输出管路，所述陈化罐的外侧上、下各加工一个安装液位计的通孔；在陈化罐外表面采用保温材料包裹成保温层或者增加制冷设备；在陈化罐筒体左上侧，要加工一个安装法兰的进液口，通过法兰连接新酒系统的出口；在陈化罐筒体右侧，还要加工一个安装法兰的进气口，通过法兰连接氧气系统的出口。
35.本实施例中优选的实施方式，螺旋切割器32包括芯轴321、螺旋结构322、切割管323以及导水锥324，所述螺旋结构321包括套设于芯轴321上并沿芯轴321的轴向依次叠置的数千片切割片325，每片切割片325包括圆环部3251，所述圆环部3251设有一个或沿其周向均布设置的多个向其径向外侧凸出的翅片3252，数千片切割片325的翅片沿芯轴321的螺旋方向依次设置并连成一条或多条螺旋阶梯，切割管323套设于螺旋阶梯的外侧并形成一条或多条螺旋阶梯通道326，导水锥324连接于芯轴321上并设于螺旋阶梯通道326入口处的
切割管323内。
36.上文中，切割片形成的螺旋芯子外圈直径与切割管内孔为小间隙配合。导水锥的锥尖，具有均匀布水的效果，使水流在切割通道内均匀流动并被切割。
37.本实施例中优选的实施方式，螺旋阶梯的螺距自上而下逐渐变小，螺旋阶梯的螺旋面函数表达式为：
38.x＝rcosθ
39.y＝rsinθ
40.z＝125.6θm41.上式中，x、y、z为螺旋面任意点的坐标值；r螺旋切割片半径(翅片最外端所在位置的半径)；θ为螺旋旋转角度(螺旋升角)；m为变螺距系数，取值范围0～1；数千片所述切割片按照上述函数变化规律的螺距叠加旋转而形成离散化的阶梯状螺旋曲面。
42.上文中，在进水方向上，螺距按照一定的螺旋线方程逐渐变小，液体的轴向压力随着螺距变小逐渐变大。气液在螺旋腔中旋转流动，由于离心力作用，氧气泡被液体压在螺旋切割通道的切割刃上。在水压力、离心力、切割刃切割力合力作用下，当氧气泡团簇之间的范德华力不法保持氧气泡团簇的稳定性，氧气泡团簇就会破裂成纳米量级的氧气泡。大量纳米级气泡自身加压破裂，溶于液体中，形成超饱和高氧酒液。
43.本实施例中优选的实施方式，切割片325的厚度为0.1-0.5mm。优选为0.3mm。
44.本实施例中优选的实施方式，还包括两个镂空压块327、两个内螺纹轴套328以及两个外螺纹轴套329，两个镂空压块327套设于芯轴321上并夹持于数千片切割片325的外侧，两个内螺纹轴套328螺纹连接于芯轴321上并夹持于两个镂空压块327的外侧，两个外螺纹轴套329螺纹连接于切割管323的内侧并夹持于两个镂空压块327的外侧。
45.本实施例中优选的实施方式，矿化器31内设有滤芯，滤芯为富硒或者富锶矿化滤芯。
46.上文中，矿化后的新酒中硒和锶的含量达到gb14880食品营养强化剂使用卫生标准2009，锶含量不小于0.02mg/l，硒含量0.011-0.044mg/l。
47.本实施例中优选的实施方式，螺旋切割器32的入口设置有用于对新酒和氧气进行混合细化的文丘里加气装置34，矿化器31与文丘里加气装置34的进液口连通，氧气系统2与文丘里加气装置34的进气口连通，螺旋切割器32的入口与文丘里加气装置34的出液口连通，螺旋切割器32的出口设置有用于对超饱和高氧酒液进行雾化后喷出的螺旋喷嘴35。
48.文丘里加气装置的出液口与切割管内孔的同心度小于0.2mm，优选0.1mm。切割管上端螺纹连接文丘里加气装置，切割管下端螺纹连接螺旋喷嘴。螺旋喷嘴采用双螺旋进水的雾化喷头。
49.本实施例中优选的实施方式，陈化罐33包括罐体331、陶瓷球332以及不锈钢网333，陈化罐331的底部设有出液口，陈化罐331的出液口与陈化酒系统连接，陶瓷球332铺设于罐体331底部并用于溶出对人体有益的微量元素，不锈钢网333固定于罐体331上并压住陶瓷球332，陶瓷球332由多种天然矿物材料配置复合烧结制成。
50.上文中，陶瓷球必须是食品级的，陶瓷球由电气石、珍珠粉、麦饭石、高岭土、偏硅酸材料等多种天然矿物材料配置复合，经800℃以上高温烧结制成。可以溶出钾、钠、钙、镁、硅、猛、钛、磷等人体所必需的20多种营养元素，特别是偏硅酸含量能够达到60mg/l。
51.本实施例中优选的实施方式，新酒系统1包括通过管道依次串联的新酒储罐11、液体流量调节阀12、液体温控器13、离心泵14以及液体流量计15，液体流量计15的出口作为新酒系统1的出口，液体温控器13与离心泵14之间设有液体温度计16，液体流量计15与矿化器31之间设有液体压力表17，离心泵14的出口还通过回流调节阀18连通新酒储罐11，氧气系统2包括通过管道依次串联的供氧装置21、气体减压阀22、气体流量调节阀23、气体温控器24以及气体流量计25，所述气体流量计25的出口作为氧气系统2的出口，气体温控器24与所述气体流量计25之间设有气体温度计26和气体压力表27，陈化酒系统4包括通过管道串联的陈化酒储罐41和陈化酒控制阀42，陈化酒储罐41的入口作为陈化酒系统4的入口。
52.上文中，离心泵为具有自吸功能、符合卫生要求的离心泵或者隔膜泵，扬程30-40米。各个压力表、流量计、文丘里加气装置、温度计都是常规的标准件。温控器具有加热和温度控制功能。供氧装置采用医用氧气瓶或医用制氧机，气体减压阀调节氧气压力0.2-0.5mpa，气体流量调节阀控制氧气流量20-60l/h。
53.本实施例中优选的实施方式，矿化器31和螺旋切割器32设于陈化罐33的内部。
54.下面介绍一种白酒快速陈化的方法，控制白酒温度为10℃-70℃，以1-3m3/h的流速，通过矿化器滤芯后进入螺旋切割器中，滤芯中的硒、锶、锰等有益矿物质逐步释放溶入酒中，矿化后的新酒中硒和锶的含量达到矿泉水国家最新标准，锶含量不小于0.02mg/l，硒含量0.011-0.044mg/l。同时通过文丘里加气装置通入温度为10℃-70℃的纯氧气体，流量控制在20-60l/h之间；气液混合物(溶气量为10％)在文丘里加气装置和螺旋切割器中混合、切割、细化，氧气大分子团被切割为纳米量级。由于纳米气泡的比表面积增加了几百倍乃至几千倍，气液固三相之间充分接触，相间传质速率可提高2-3个数量级；而且纳米气泡会出现自我加压现象。一旦收缩的气泡内压与表面张力失去平衡，气泡破裂，气体即完全溶解于水液中，形成超饱和溶氧；气泡破裂瞬间，气泡气压和温度上升到极限时，积蓄放出的能量非常巨大，出现高达数千度的瞬间超高温高压状态，产生强氧化分解能量的自由基，可以分解水、及周围各种化学物质，因而大大提高了氧气、微量元素和酒中有机物的化学反应速度，缩短白酒陈化时间。经过第一步陈化工艺后，白酒经过螺旋喷嘴雾化喷射到陈化罐底部的食品级陶瓷球层上，陶瓷球可以溶出钾、钠、钙、镁、硅、猛、钛、磷等人体所必需的20多种营养元素，这样就完成第二步陈化工艺。经过两步陈化的白酒进入陈酒罐，最后进入灌装线。
55.使用本实用新型白酒陈化设备催陈白酒的过程：新酒储罐中的白酒经液体流量调节阀、回流调节阀、液体流量计调整流量，液体温控器调控温度后，从进液口进入陈化罐，并逐次经过矿化器、螺旋切割器，从螺旋喷嘴喷出，再与陶瓷球层进行接触反应。同时，氧气经过气体减压阀、流量调节阀、气体流量计、气体温控器调控气体流量和温度后，从进气口进入陈化罐，在文丘里加气装置中与白酒进行一次混合细化，再经过螺旋切割器二次切割细化。这样，白酒被巨大的剪切力撕裂成微米至纳米级的液膜、液丝和液滴，氧气被切割成纳米级气泡，使气-液、气-固、液-固两相进行强有力的微观混合、高效传质和化学反应。然后，酒液经陈化罐陶瓷球层汇集到设备底部的排液口排出，多余气流则由设备上部冷凝器排气口排出。经过充分接触、高效传质和充分反应后，加速了陈化过程。然后，酒液汇集到设备底部的排液口排出，进入陈酒罐，等待灌装。剩余气流则由经冷凝器冷却回收气流夹带的酒液后经冷凝器排气口排出。
56.本实用新型基于酒体中各种成分在自然陈酿过程中的转化行为(低沸点物质挥发，酯化水解、氧化还原、分子间的弱相互作用、陶瓷球(模拟贮酒陶瓷罐)的参与等反应平衡)，模拟白酒自然陈化过程及环境，利用微纳米化螺旋切割技术高效传质技术和矿化技术对白酒进行陈化，白酒陈化的整个过程，不改变任何类型纯粮酿造白酒的风格、特征，且成本低、操作简便，适宜各种类型白酒、不同规模的工业化生产。处理后的白酒色、香、味相当于自然陈酿半年至三年时间的白酒。
57.下面举例说明，基于微纳米气泡技术的酒类快速陈化设备采用如图1所示，螺旋切割器如图2所示，切割器内径24mm，切割片厚度0.3mm。矿化器中安装富硒滤芯，流量0.7-1m3/h。酒液经液体温度调控设备，控制入口温度为45℃，流量控制在1m3/h，液体流速为1.39m/s。氧化性气体为医用氧气，氧气通过气体温度调控设备，控制入口温度为45℃之间，流量控制在6l/h；冷凝器用自来水冷却。对某厂新白酒进行陈化处理。陈化处理后的酒液，酒损在0.2％(v/v)，口感品评优于自然存储2年以上的白酒，硒含量高达0.033mg/l。
58.以上为对本实用新型实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。