一种多功能固定化连续香蕉制醋机的改造设计*

2022-06-16刘海涛王灵敏

南方农机 2022年12期

蒋瑜，刘海涛，王灵敏

（1.广西农业职业技术大学，广西南宁 530007；2.桂林理工大学南宁分校，广西南宁 530001）

0 引言

中国是香蕉的主产国之一，香蕉在我国低纬度的广东、广西、海南等地区均有大量种植[1]，是重要的经济作物。如果香蕉采摘期遇上极端天气，新鲜香蕉就无法及时采摘、运输和销售，香蕉将因不耐储藏而变色变质，这会给果农带来极大的损失。为避免滞销、减收带来的损失，通过对香蕉进行深加工后再进行销售，既能带来经济价值的提升，又能推动香蕉产业持续长远发展[2]。目前，主要有香蕉浆、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产品，通过对香蕉鲜果进行加工，有助于延长香蕉产业链，缓解香蕉鲜果的销售压力，增加产业附加值和经济效益[3]。

广西农业职业技术大学一直致力于香蕉深加工产品的研究和生产，目前主要产品有香蕉酒、香蕉醋，以及与香蕉有关的复合型香蕉饮料[4-6]。在研究中发现，以玉米芯等天然物质为载体，采用固定化发酵法生产香蕉醋，可以简化菌种扩大培养，缩短发酵时间，有效提高发酵速度和质量，实现菌种重复利用和香蕉醋连续化生产[7]。固定化连续发酵广泛应用于啤酒、食醋、果酒、果醋等产品的工业发酵生产[8-10]。而以玉米芯、花生壳、丝瓜络、核桃壳、甘蔗渣、红枣、秸秆等天然物质为载体[4，11]，进行连续发酵，在有效提高发酵速度和质量的同时，也可使发酵产品有一种独特的风味，也逐渐应用于风味饮料的发酵。

1 研究意义

工业上应用的固定化连续发酵的装置主要适用于海藻酸钠、聚丙烯纤维、陶瓷等人工合成的载体[10-12]，并不适用于玉米芯、花生壳、甘蔗渣等体积大、易变质的天然物质为载体的固定化连续发酵生产，而且天然物质的固定化载体需求量很大，以玉米芯作为固定化载体制醋为例，玉米芯的用量为反应器容积的2/3以上[7]，如果是6 000 L体积的发酵罐，所需玉米芯的体积在4 m3以上。由于非专用的发酵装置未设有玉米芯等固定化载体物质的投入口和取出口，在生产过程中需要将大量的玉米芯等固定化载体清洗灭菌以后由人工从高处人孔放入发酵装置，待发酵完成以后由人工从高处人孔取出。人孔直径为40 cm，尺寸较小，整个取出过程劳动强度大，且有安全隐患，严重影响工业化生产。因此，设计一款适用于玉米芯、花生壳、甘蔗渣等天然物质为微生物固定化载体的固定化连续香蕉制醋机，有助于促进香蕉醋等产品大规模连续生产，减轻工作强度，提高操作安全性，促进香蕉产业持续长远发展。

2 整体结构

本文设计的多功能固定化连续香蕉制醋机主要由发酵罐本体（100）、过滤网兜（200）、灭菌管道（300）、清洗装置（400）等四部分组成，如图1 所示。整个香蕉制醋机在原有自动化制醋设备的基础上，对发酵罐本体、过滤板、蒸汽管道等结构进行改造设计，对原有的工作原理、电气元件、控制程序未进行任何改动。改造设计以后，制醋机除可以保留原有自动化制醋的功能以外，还可以适用于玉米芯、花生壳、甘蔗渣等天然物质为微生物固定化载体的固定化连续香蕉醋生产。

图1 多功能固定化连续香蕉制醋机结构图

2.1 发酵罐本体

发酵罐本体（100）由蒸汽入口（101）、人孔（102）、入料口（103）、限压阀（104）、液位管（105）、液体出料口（106）、支撑腿（107）、固定载体出口（108）、压力表（109）、液位传感器（110）等组成，如图1 所示。为了便于玉米芯等微生物固定化载体在发酵后取出，在现有自动化制醋设备构造的基础上，在发酵罐本体（100）底部增设固定载体出口（108），待发酵完成以后，打开固定载体出口密封盖（图中未画出），固定载体在重力作用下自动排出，如有堵塞，可借助工具，人工进行疏通。

2.2 过滤网兜

过滤网兜（200）作为一个整体，安装于发酵罐本体（100）的底部。在原有圆形网孔板的基础上对其外形进行改造设计，为了便于固定化载体的排出，设计其外形如偏心漏斗状，底部出口大小与固定载体出口（108）相适应。通过漏斗倾斜汇集作用，可将玉米芯等微生物固定化载体顺利从发酵罐中排出。过滤网兜（200）底部设有较大的过滤网孔，便于发酵醪液与微生物固定化载体及较粗杂质的过滤分离。如有不同过滤需求，可通过人孔（102）或固定载体出口（108）进入罐内对过滤网兜（200）锥形底部铺设孔径合适的滤网，即可有效扩大整个制醋机的应用范围。

2.3 灭菌管道

多功能固定化连续香蕉制醋机内部结构如图2所示。灭菌管道（300）由球形灭菌喷头（301）、灭菌主管道（302）、若干灭菌支管（303）等组成，由灭菌主管道（302）与蒸汽入口（101）相连接。灭菌主管道（302）与灭菌支管（303）设置为开拆连接，根据不同需求，连接不同孔径的灭菌支管（303）或清洗喷管。灭菌管道（300）的作用是通过通入高温蒸汽，对发酵罐本体（100）、玉米芯等微生物固定化载体进行高温灭菌。由于玉米芯等固定化载体需填满发酵罐体积的2/3 以上[7]，为了更彻底地灭菌，采用多层环布设计多条灭菌支管（303），底部设置球形灭菌喷头（301），可以使灭菌蒸汽进入到玉米芯等固定化载体内部进行高温灭菌，使罐内不同位置受热均匀，灭菌效果好，减少高温蒸汽通入时间，减少能源浪费。灭菌管道（300）还可用于前期发酵罐本体（100）内部的清洗，玉米芯等固定化载体的清洗，发酵时氧气的通入以及通入高压气体进行搅拌等。

图2 多功能固定化连续香蕉制醋机内部结构图

2.4 清洗装置

清洗装置（4 0 0）由可旋转的球形清洗喷头（401）、清洗管道（402）、清洗泵（403）等组成。其作用是通过清洗泵（403）提供高压清洗液，对发酵罐本体（100）内部和玉米芯等固定化载体进行清洗，也可直接将球形清洗喷头（401）连接专用的CIP 清洗管道进行清洗，保证产品的卫生安全及生产质量。清洗时可与灭菌管道（300）共同使用，提升清洗效果。

3 工作过程

第一，在多功能固定化连续香蕉制醋机安排生产前，对发酵罐本体（100）内部及管道进行清洗，通过自带的清洗装置（400）和灭菌管道（300）的共同作用，完成整个制醋机的清洗，打开液体出料口（106），排出所有污水，关闭固定载体出口（108）密封盖，保证液体不泄露。第二，向发酵罐本体（100）中通入适量的清水，挑选足够的无异味、无霉菌、无黑芯的优质玉米芯作为固定化载体，从人孔（102）投入到发酵罐本体（100）中，直至固定化载体量达到发酵罐体积的2/3 以上，关闭人孔（102）密封盖，然后放置浸泡一段时间，再间歇性开启灭菌管道（300）、清洗装置（400），通入高压清洗液或清水对固定化载体进行翻转清洗和换水，待清洗完成以后，打开液体出料口（106），排出罐内所有水分。第三，从蒸汽入口（101）和液体出料口（106）上下两个不同管道同时通入高温蒸汽，对整个制醋机和固定化载体进行一段时间的高温灭菌，通过限压阀（104）控制灭菌压力。第四，待制醋机及固定化载体温度下降至室温以后，从入料口（103）加入一定量的香蕉醋制醋原料、辅料以及醋酸菌，进行菌种繁殖与发酵。香蕉醋发酵属于有氧发酵，需要将入料口（103）与空气滤清器相连，使制醋机内部与外部大气相连。根据不同阶段的发酵需要，间歇性地从蒸汽入口（101）通入清洁氧气和高压空气，对罐内加氧和搅拌，提高发酵速度和质量。第五，待发酵完成、制醋结束以后，通过液体出料口（106）将所有香蕉醋通入储存罐储存，然后按照第三步直接开启下一轮的香蕉醋生产。若生产任务完成，排出罐内所有香蕉醋以后，打开固定载体出口（108）密封盖，让罐内固定化载体自动排出，若有堵塞情况，用棍子等工具疏通即可。第六，待固定化载体完全排出以后，打开清洗装置（400）和灭菌管道（300），对生产以后的发酵罐及内部装置进行全面清洗，液体污水由液体出料口（106）排出，固体杂质通过过滤网兜（200）从固定载体出口（108）排出。清洗完成后，操作人员可通过固定载体出口（108）进入罐内查看清洗质量，对于卫生死角，可以通过人工重点清洗。清洗工作完成、污水杂质排出、罐内晾干以后，关闭所有密封盖和阀门，保持罐内清洁卫生。

4 特色设计

4.1 结构改造设计利于载体快速排出

通过在现有自动化制醋机发酵罐本体（100）底部增设固定载体出口（108），对现有中间圆形网孔隔板进行结构改造设计，将圆形网孔隔板改造成斜漏斗状的过滤网兜（200），解决了现有自动化制醋机需要从制醋机上部直径为40 cm 的人孔（102）取出大量固定化载体的问题。极大地提高工作效率，减轻劳动强度，降低操作风险。过滤网兜（200）上可铺设不同孔径的滤网，可适应不同类型、不同物理尺寸的固定化载体，以扩大制醋机的使用范围。

4.2 增设灭菌管道提高灭菌发酵效果

原有自动化制醋机内部未设置有专门的蒸汽灭菌管道（300），灭菌时是通过顶部的蒸汽入口（101）和底部的液体出料口（106）通入高温蒸汽进行灭菌的。原有灭菌设计对于罐体本身的灭菌可以达到要求，但加入大量固定化载体以后，依靠上下两个口通入高温蒸汽，固定化载体内部很难有高温蒸汽透入，灭菌效果大打折扣，需要延长蒸汽通入时间才能保证灭菌质量，增加能源消耗和时间成本。在增设多层环形布置的灭菌管道（300）后，使高温蒸汽能均匀延伸到固定化载体内部，灭菌效果良好。对制醋机内部和固定化载体进行清洗时，由于灭菌支管（303）分层环形布置，扩大了罐体的清洗面积，可深入到固定化载体内部对其进行更全面的清洗，避免了仅采用浸泡和顶部喷淋方式清洗不干净的问题。通过悬吊式设计，可以减少灭菌管道对固定化载体的阻碍，使其排出时更加顺畅，而且灭菌支管（303）避开人孔（102）位置，避免在投入固定化载体时将其砸坏。发酵时灭菌管道（300）还可作为加氧和搅拌装置，提高发酵速度和效果。

4.3 增设清洗装置提高载体清洗质量

原有自动化制醋机未专门设置清洗装置（400），而是外接CIP 清洗管道，专门对制醋机罐体内部进行清洗，对固定化载体清洗效果不佳。通过增设专门的清洗装置（400），可以调整清洗液体的流量和压力对固定化载体进行针对性的清洗，在蒸汽灭菌管道（300）辅助清洗下，清洗效果比单独外接CIP 管道清洗有很大提升，也可以同时兼顾罐体内部的清洗。在制醋发酵时，清洗装置（400）可以通过清洗泵（403）将发酵罐底部的液体通过顶部球形清洗喷头（401）喷出，对整个罐体内的液体进行循环搅拌，使液体成分浓度均匀，有利于产品发酵。