一種多功能固定化連續(xù)香蕉制醋機(jī)的改造設(shè)計(jì)*

蔣 瑜 ， 劉海濤 ， 王靈敏

（1.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣西 南寧 530007；2.桂林理工大學(xué)南寧分校，廣西 南寧 530001）

0 引言

中國(guó)是香蕉的主產(chǎn)國(guó)之一，香蕉在我國(guó)低緯度的廣東、廣西、海南等地區(qū)均有大量種植[1]，是重要的經(jīng)濟(jì)作物。如果香蕉采摘期遇上極端天氣，新鮮香蕉就無(wú)法及時(shí)采摘、運(yùn)輸和銷售，香蕉將因不耐儲(chǔ)藏而變色變質(zhì)，這會(huì)給果農(nóng)帶來(lái)極大的損失。為避免滯銷、減收帶來(lái)的損失，通過(guò)對(duì)香蕉進(jìn)行深加工后再進(jìn)行銷售，既能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的提升，又能推動(dòng)香蕉產(chǎn)業(yè)持續(xù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[2]。目前，主要有香蕉漿、香蕉淀粉、香蕉汁、香蕉牛奶、香蕉果醋、香蕉酒和香蕉片等香蕉加工產(chǎn)品，通過(guò)對(duì)香蕉鮮果進(jìn)行加工，有助于延長(zhǎng)香蕉產(chǎn)業(yè)鏈，緩解香蕉鮮果的銷售壓力，增加產(chǎn)業(yè)附加值和經(jīng)濟(jì)效益[3]。

廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)一直致力于香蕉深加工產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)，目前主要產(chǎn)品有香蕉酒、香蕉醋，以及與香蕉有關(guān)的復(fù)合型香蕉飲料[4-6]。在研究中發(fā)現(xiàn)，以玉米芯等天然物質(zhì)為載體，采用固定化發(fā)酵法生產(chǎn)香蕉醋，可以簡(jiǎn)化菌種擴(kuò)大培養(yǎng)，縮短發(fā)酵時(shí)間，有效提高發(fā)酵速度和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)菌種重復(fù)利用和香蕉醋連續(xù)化生產(chǎn)[7]。固定化連續(xù)發(fā)酵廣泛應(yīng)用于啤酒、食醋、果酒、果醋等產(chǎn)品的工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)[8-10]。而以玉米芯、花生殼、絲瓜絡(luò)、核桃殼、甘蔗渣、紅棗、秸稈等天然物質(zhì)為載體[4，11]，進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵，在有效提高發(fā)酵速度和質(zhì)量的同時(shí)，也可使發(fā)酵產(chǎn)品有一種獨(dú)特的風(fēng)味，也逐漸應(yīng)用于風(fēng)味飲料的發(fā)酵。

1 研究意義

工業(yè)上應(yīng)用的固定化連續(xù)發(fā)酵的裝置主要適用于海藻酸鈉、聚丙烯纖維、陶瓷等人工合成的載體[10-12]，并不適用于玉米芯、花生殼、甘蔗渣等體積大、易變質(zhì)的天然物質(zhì)為載體的固定化連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)，而且天然物質(zhì)的固定化載體需求量很大，以玉米芯作為固定化載體制醋為例，玉米芯的用量為反應(yīng)器容積的2/3以上[7]，如果是6 000 L體積的發(fā)酵罐，所需玉米芯的體積在4 m3以上。由于非專用的發(fā)酵裝置未設(shè)有玉米芯等固定化載體物質(zhì)的投入口和取出口，在生產(chǎn)過(guò)程中需要將大量的玉米芯等固定化載體清洗滅菌以后由人工從高處人孔放入發(fā)酵裝置，待發(fā)酵完成以后由人工從高處人孔取出。人孔直徑為40 cm，尺寸較小，整個(gè)取出過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度大，且有安全隱患，嚴(yán)重影響工業(yè)化生產(chǎn)。因此，設(shè)計(jì)一款適用于玉米芯、花生殼、甘蔗渣等天然物質(zhì)為微生物固定化載體的固定化連續(xù)香蕉制醋機(jī)，有助于促進(jìn)香蕉醋等產(chǎn)品大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，減輕工作強(qiáng)度，提高操作安全性，促進(jìn)香蕉產(chǎn)業(yè)持續(xù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

2 整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的多功能固定化連續(xù)香蕉制醋機(jī)主要由發(fā)酵罐本體（100）、過(guò)濾網(wǎng)兜（200）、滅菌管道（300）、清洗裝置（400）等四部分組成，如圖1 所示。整個(gè)香蕉制醋機(jī)在原有自動(dòng)化制醋設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)酵罐本體、過(guò)濾板、蒸汽管道等結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，對(duì)原有的工作原理、電氣元件、控制程序未進(jìn)行任何改動(dòng)。改造設(shè)計(jì)以后，制醋機(jī)除可以保留原有自動(dòng)化制醋的功能以外，還可以適用于玉米芯、花生殼、甘蔗渣等天然物質(zhì)為微生物固定化載體的固定化連續(xù)香蕉醋生產(chǎn)。

圖1 多功能固定化連續(xù)香蕉制醋機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.1 發(fā)酵罐本體

發(fā)酵罐本體（100）由蒸汽入口（101）、人孔（102）、入料口（103）、限壓閥（104）、液位管（105）、液體出料口（106）、支撐腿（107）、固定載體出口（108）、壓力表（109）、液位傳感器（110）等組成，如圖1 所示。為了便于玉米芯等微生物固定化載體在發(fā)酵后取出，在現(xiàn)有自動(dòng)化制醋設(shè)備構(gòu)造的基礎(chǔ)上，在發(fā)酵罐本體（100）底部增設(shè)固定載體出口（108），待發(fā)酵完成以后，打開固定載體出口密封蓋（圖中未畫出），固定載體在重力作用下自動(dòng)排出，如有堵塞，可借助工具，人工進(jìn)行疏通。

2.2 過(guò)濾網(wǎng)兜

過(guò)濾網(wǎng)兜（200）作為一個(gè)整體，安裝于發(fā)酵罐本體（100）的底部。在原有圓形網(wǎng)孔板的基礎(chǔ)上對(duì)其外形進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，為了便于固定化載體的排出，設(shè)計(jì)其外形如偏心漏斗狀，底部出口大小與固定載體出口（108）相適應(yīng)。通過(guò)漏斗傾斜匯集作用，可將玉米芯等微生物固定化載體順利從發(fā)酵罐中排出。過(guò)濾網(wǎng)兜（200）底部設(shè)有較大的過(guò)濾網(wǎng)孔，便于發(fā)酵醪液與微生物固定化載體及較粗雜質(zhì)的過(guò)濾分離。如有不同過(guò)濾需求，可通過(guò)人孔（102）或固定載體出口（108）進(jìn)入罐內(nèi)對(duì)過(guò)濾網(wǎng)兜（200）錐形底部鋪設(shè)孔徑合適的濾網(wǎng)，即可有效擴(kuò)大整個(gè)制醋機(jī)的應(yīng)用范圍。

2.3 滅菌管道

多功能固定化連續(xù)香蕉制醋機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。滅菌管道（300）由球形滅菌噴頭（301）、滅菌主管道（302）、若干滅菌支管（303）等組成，由滅菌主管道（302）與蒸汽入口（101）相連接。滅菌主管道（302）與滅菌支管（303）設(shè)置為開拆連接，根據(jù)不同需求，連接不同孔徑的滅菌支管（303）或清洗噴管。滅菌管道（300）的作用是通過(guò)通入高溫蒸汽，對(duì)發(fā)酵罐本體（100）、玉米芯等微生物固定化載體進(jìn)行高溫滅菌。由于玉米芯等固定化載體需填滿發(fā)酵罐體積的2/3 以上[7]，為了更徹底地滅菌，采用多層環(huán)布設(shè)計(jì)多條滅菌支管（303），底部設(shè)置球形滅菌噴頭（301），可以使滅菌蒸汽進(jìn)入到玉米芯等固定化載體內(nèi)部進(jìn)行高溫滅菌，使罐內(nèi)不同位置受熱均勻，滅菌效果好，減少高溫蒸汽通入時(shí)間，減少能源浪費(fèi)。滅菌管道（300）還可用于前期發(fā)酵罐本體（100）內(nèi)部的清洗，玉米芯等固定化載體的清洗，發(fā)酵時(shí)氧氣的通入以及通入高壓氣體進(jìn)行攪拌等。

圖2 多功能固定化連續(xù)香蕉制醋機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.4 清洗裝置

清洗裝置（4 0 0）由可旋轉(zhuǎn)的球形清洗噴頭（401）、清洗管道（402）、清洗泵（403）等組成。其作用是通過(guò)清洗泵（403）提供高壓清洗液，對(duì)發(fā)酵罐本體（100）內(nèi)部和玉米芯等固定化載體進(jìn)行清洗，也可直接將球形清洗噴頭（401）連接專用的CIP 清洗管道進(jìn)行清洗，保證產(chǎn)品的衛(wèi)生安全及生產(chǎn)質(zhì)量。清洗時(shí)可與滅菌管道（300）共同使用，提升清洗效果。

3 工作過(guò)程

第一，在多功能固定化連續(xù)香蕉制醋機(jī)安排生產(chǎn)前，對(duì)發(fā)酵罐本體（100）內(nèi)部及管道進(jìn)行清洗，通過(guò)自帶的清洗裝置（400）和滅菌管道（300）的共同作用，完成整個(gè)制醋機(jī)的清洗，打開液體出料口（106），排出所有污水，關(guān)閉固定載體出口（108）密封蓋，保證液體不泄露。第二，向發(fā)酵罐本體（100）中通入適量的清水，挑選足夠的無(wú)異味、無(wú)霉菌、無(wú)黑芯的優(yōu)質(zhì)玉米芯作為固定化載體，從人孔（102）投入到發(fā)酵罐本體（100）中，直至固定化載體量達(dá)到發(fā)酵罐體積的2/3 以上，關(guān)閉人孔（102）密封蓋，然后放置浸泡一段時(shí)間，再間歇性開啟滅菌管道（300）、清洗裝置（400），通入高壓清洗液或清水對(duì)固定化載體進(jìn)行翻轉(zhuǎn)清洗和換水，待清洗完成以后，打開液體出料口（106），排出罐內(nèi)所有水分。第三，從蒸汽入口（101）和液體出料口（106）上下兩個(gè)不同管道同時(shí)通入高溫蒸汽，對(duì)整個(gè)制醋機(jī)和固定化載體進(jìn)行一段時(shí)間的高溫滅菌，通過(guò)限壓閥（104）控制滅菌壓力。第四，待制醋機(jī)及固定化載體溫度下降至室溫以后，從入料口（103）加入一定量的香蕉醋制醋原料、輔料以及醋酸菌，進(jìn)行菌種繁殖與發(fā)酵。香蕉醋發(fā)酵屬于有氧發(fā)酵，需要將入料口（103）與空氣濾清器相連，使制醋機(jī)內(nèi)部與外部大氣相連。根據(jù)不同階段的發(fā)酵需要，間歇性地從蒸汽入口（101）通入清潔氧氣和高壓空氣，對(duì)罐內(nèi)加氧和攪拌，提高發(fā)酵速度和質(zhì)量。第五，待發(fā)酵完成、制醋結(jié)束以后，通過(guò)液體出料口（106）將所有香蕉醋通入儲(chǔ)存罐儲(chǔ)存，然后按照第三步直接開啟下一輪的香蕉醋生產(chǎn)。若生產(chǎn)任務(wù)完成，排出罐內(nèi)所有香蕉醋以后，打開固定載體出口（108）密封蓋，讓罐內(nèi)固定化載體自動(dòng)排出，若有堵塞情況，用棍子等工具疏通即可。第六，待固定化載體完全排出以后，打開清洗裝置（400）和滅菌管道（300），對(duì)生產(chǎn)以后的發(fā)酵罐及內(nèi)部裝置進(jìn)行全面清洗，液體污水由液體出料口（106）排出，固體雜質(zhì)通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)兜（200）從固定載體出口（108）排出。清洗完成后，操作人員可通過(guò)固定載體出口（108）進(jìn)入罐內(nèi)查看清洗質(zhì)量，對(duì)于衛(wèi)生死角，可以通過(guò)人工重點(diǎn)清洗。清洗工作完成、污水雜質(zhì)排出、罐內(nèi)晾干以后，關(guān)閉所有密封蓋和閥門，保持罐內(nèi)清潔衛(wèi)生。

4 特色設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)利于載體快速排出

通過(guò)在現(xiàn)有自動(dòng)化制醋機(jī)發(fā)酵罐本體（100）底部增設(shè)固定載體出口（108），對(duì)現(xiàn)有中間圓形網(wǎng)孔隔板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)，將圓形網(wǎng)孔隔板改造成斜漏斗狀的過(guò)濾網(wǎng)兜（200），解決了現(xiàn)有自動(dòng)化制醋機(jī)需要從制醋機(jī)上部直徑為40 cm 的人孔（102）取出大量固定化載體的問(wèn)題。極大地提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低操作風(fēng)險(xiǎn)。過(guò)濾網(wǎng)兜（200）上可鋪設(shè)不同孔徑的濾網(wǎng)，可適應(yīng)不同類型、不同物理尺寸的固定化載體，以擴(kuò)大制醋機(jī)的使用范圍。

4.2 增設(shè)滅菌管道提高滅菌發(fā)酵效果

原有自動(dòng)化制醋機(jī)內(nèi)部未設(shè)置有專門的蒸汽滅菌管道（300），滅菌時(shí)是通過(guò)頂部的蒸汽入口（101）和底部的液體出料口（106）通入高溫蒸汽進(jìn)行滅菌的。原有滅菌設(shè)計(jì)對(duì)于罐體本身的滅菌可以達(dá)到要求，但加入大量固定化載體以后，依靠上下兩個(gè)口通入高溫蒸汽，固定化載體內(nèi)部很難有高溫蒸汽透入，滅菌效果大打折扣，需要延長(zhǎng)蒸汽通入時(shí)間才能保證滅菌質(zhì)量，增加能源消耗和時(shí)間成本。在增設(shè)多層環(huán)形布置的滅菌管道（300）后，使高溫蒸汽能均勻延伸到固定化載體內(nèi)部，滅菌效果良好。對(duì)制醋機(jī)內(nèi)部和固定化載體進(jìn)行清洗時(shí)，由于滅菌支管（303）分層環(huán)形布置，擴(kuò)大了罐體的清洗面積，可深入到固定化載體內(nèi)部對(duì)其進(jìn)行更全面的清洗，避免了僅采用浸泡和頂部噴淋方式清洗不干凈的問(wèn)題。通過(guò)懸吊式設(shè)計(jì)，可以減少滅菌管道對(duì)固定化載體的阻礙，使其排出時(shí)更加順暢，而且滅菌支管（303）避開人孔（102）位置，避免在投入固定化載體時(shí)將其砸壞。發(fā)酵時(shí)滅菌管道（300）還可作為加氧和攪拌裝置，提高發(fā)酵速度和效果。

4.3 增設(shè)清洗裝置提高載體清洗質(zhì)量

原有自動(dòng)化制醋機(jī)未專門設(shè)置清洗裝置（400），而是外接CIP 清洗管道，專門對(duì)制醋機(jī)罐體內(nèi)部進(jìn)行清洗，對(duì)固定化載體清洗效果不佳。通過(guò)增設(shè)專門的清洗裝置（400），可以調(diào)整清洗液體的流量和壓力對(duì)固定化載體進(jìn)行針對(duì)性的清洗，在蒸汽滅菌管道（300）輔助清洗下，清洗效果比單獨(dú)外接CIP 管道清洗有很大提升，也可以同時(shí)兼顧罐體內(nèi)部的清洗。在制醋發(fā)酵時(shí)，清洗裝置（400）可以通過(guò)清洗泵（403）將發(fā)酵罐底部的液體通過(guò)頂部球形清洗噴頭（401）噴出，對(duì)整個(gè)罐體內(nèi)的液體進(jìn)行循環(huán)攪拌，使液體成分濃度均勻，有利于產(chǎn)品發(fā)酵。

5 總結(jié)

基于現(xiàn)有自動(dòng)化制醋設(shè)備的結(jié)構(gòu)，針對(duì)其中存在的問(wèn)題，課題組改造設(shè)計(jì)了一種多功能固定化連續(xù)香蕉制醋機(jī)。該制醋機(jī)可實(shí)現(xiàn)固定化載體的簡(jiǎn)單快速排出，拓寬設(shè)備的使用范圍，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低操作風(fēng)險(xiǎn)，有效提高清洗、滅菌的速度和質(zhì)量，優(yōu)化發(fā)酵效果，節(jié)約能源消耗和時(shí)間成本，為固定化連續(xù)發(fā)酵設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。