CN111684988A - 食用菌生产用灭菌冷却一体装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种食用菌生产用灭菌冷却一体装置及方法，其包括与外部蒸汽相连的第一灭菌室、与外部蒸汽相连且与第一灭菌室相分离的第二灭菌室、与第一、第二灭菌室输出相连的蒸汽压缩机、与蒸汽压缩机输出相连的冷却器、与冷却器输出相连的汽水分离器、以及与汽水分离器气路相连的真空泵。本发明利用一台设备可同时实现加热灭菌与冷却，操作简单，性能可靠，拆卸维修方便，兼有成本低、效率高、占地小、能耗省、耗时少的优点。
Description
技术领域
本发明属于食品生产领域，具体涉及一种食用菌生产用灭菌冷却一体装置及方法。
背景技术
随着食用菌工厂化，其生产过程包括培养基原料灭菌、接种和培养等环节，同时生产中需要严防杂菌污染，保证菌种优良纯正,使食用菌顺利生长发育，以获得较好的经济效益。培养基原料灭菌是排除杂菌干扰，为食用菌创造洁净生长环境的重要保证，也是食用菌生产中的一项基本技术。食用菌的培养基原料主要为木屑等植物纤维原料。含有水份的原料配比、粉碎、搅拌后装袋或装瓶，包装连同培养基原料一起进行灭菌。灭菌后培养基无法立即进行接种，需要降温度后接种。培养基原料在冷却车间冷却至室温，在无菌环境车间接种食用菌菌种，再进入培养车间生长食用菌。
常见的蒸汽湿热灭菌法灭菌，高温灭菌加热时需要大量能源消耗；冷却环节采用大功率空调、冷却水等方式进行快速降温处理，或采用静置降温方式，时间长效率低还容易产生细菌二次污染；工厂化生产工艺流程中，灭菌和冷却培养基原料需要占据2个或多个生产车间，投资巨大；物料在生产周转运输过程中，操作流程复杂，影响生产效率；
实现食用菌培养基原料灭菌和冷却工艺合并和节能的关键因素有三个：一是灭菌加热和冷却是工厂化生产流水线的一个工艺模块，物料在两个工艺过程不需要物料流转；二是灭菌柜内培养基原料由室温加热至120℃以上高温，并维持30分钟以上，灭菌完成后，高温的培养基原料在无菌环境快速冷却至室温，再转入接种工艺单元。三是加热和冷却过程可进行能量回收利用。为了满足工艺流程简化和节能，专利“CN110959461A”采用合理的物流流转流程和洁净室环境保障物料的高效流转和工艺要求。退炉室采用无空调全新风全排风方式排除蒸汽来冷却原料，预冷室采用无空调全新风全排风方式冷却原料，强冷室采用空调初效，中效高效万级净化循环的空调洁净房冷却原料至室温；专利“CN107114121B”采用了隧道灭菌烘箱的灭菌模式。对原料利用外部蒸汽进行短时高温灭菌，在隧道灭菌烘箱的冷却段利用冷冻水间接换热冷却，在末端配套喷雾装置，喷洒食用菌的高密度菌悬液，从而实现了食用菌种植生产过程中灭菌-接种的一体化；专利“CN111226696A”提供了一种把食用菌原料的搅拌、灭菌、冷却、接种合为一体的机械设备。专利“CN110959461A”、“CN107114121B”的技术手段可在一定程度上解决灭菌、冷却等工艺单元物料的快速流转和工艺要求保障。“CN111226696A”把食用菌原料的搅拌、灭菌、冷却、接种合为一体机械设备。
但上述技术手段均无法解决以下问题：
(1)常温培养基原料进入蒸汽灭菌锅后，采用外部蒸汽能源加热和维持高温灭菌工况；灭菌工艺完成后，高温培养基还需要利用空调环境或冷却水***冷却，这就消耗大量的能源，加热、冷却过程未做能源回收。
(2)高温灭菌锅单独占用生产车间面积，冷却过程需要单独占用无菌空调车间。原料从灭菌锅加热后，必须从灭菌锅内取出后再转运至无菌冷却车间。多个工艺设备和流程即增加了购置成本占用生产车间面积，又增加了原料搬运时间和人工。
(3)“CN111226696A”多工艺一体化设备未做能源回收和利用，处理能力小不适用于工厂化大体量物料生产。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种操作简单、性能可靠、制造成本低、拆卸维修方便的食用菌生产用灭菌冷却一体装置及方法。
根据本发明的目的，本发明提供第一技术方案：一种食用菌生产用灭菌冷却一体装置，其包括与外部蒸汽相连的第一灭菌室、与外部蒸汽相连且与第一灭菌室相分离的第二灭菌室、与第一、第二灭菌室输出相连的蒸汽压缩机、与蒸汽压缩机输出相连的冷却器、与冷却器输出相连的汽水分离器、以及与汽水分离器气路相连的真空泵，其中所述第一、第二灭菌室均具有至少两种可切换的工作模式：“加热灭菌模式”和“冷却模式”且“加热灭菌模式”下的温度和压力均大于“冷却模式”下的温度和压力，当第一灭菌室的工作模式为“加热灭菌模式”时，第二灭菌室的工作模式则为“冷却模式”，且第一灭菌室和第二灭菌室处于蒸汽连通状态；当第一灭菌室的工作模式为“冷却模式”时，第二灭菌室的工作模式则为“加热灭菌模式”，且第一灭菌室和第二灭菌室两者存在蒸汽相互连通情形。
在第一技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：
优选地，所述的“加热灭菌模式”是对培养基原料进行加热，而所述的“冷却模式”是对培养基原料进行冷却，且这两模式均与温度和压力相关，其中加热温度大于冷却温度，加热压力大于冷却压力。
优选地，所述的第一、第二灭菌室为通过式设计结构，其中灭菌室的入口门和出口门位于物流方向的灭菌室两侧。
优选地，所述第一灭菌室还包括控制外部蒸汽进入的第一加热蒸汽开关阀、与汽水分离器相连通的第一补水阀、以及输出与蒸汽压缩机相连通的第一蒸汽排出开关阀；所述第二灭菌室还包括控制外部蒸汽进入的第二加热蒸汽开关阀、与汽水分离器相连通的第二补水阀、以及输出与蒸汽压缩机相连通的第二蒸汽排出开关阀，其中所述第一蒸汽排出开关阀与第二蒸汽排出开关阀相连通。
优选地，所述第一灭菌室还包括带远传功能的第一压力传感器、带远传功能的第一温度传感器、和第一安全泄压阀，所述第二灭菌室还包括带远传功能的第二压力传感器、带远传功能的第二温度传感器、和第二安全泄压阀。
优选地，所述汽水分离器包括带远传功能的第三压力传感器、和一排水阀，而所述蒸汽压缩机包括单向截止阀。
优选地，所述蒸汽压缩机为多个，且为并联或串联相连。
根据本发明的目的，本发明提供第二技术方案：一种食用菌生产用灭菌冷却一体方法，其包括：
向至少两灭菌室移入培养基原料，并关闭灭菌室门，抽真空，维持负压状态；
第一灭菌室启动“加热灭菌模式”：外部蒸汽进入室内，加热培养基原料，通过压力、温度、时间至少三参数设置，完成灭菌；
然后第一灭菌室启动“冷却模式”，而另一灭菌室则启动“加热灭菌模式”，其中两灭菌室相互连通，第一灭菌室内的水蒸汽流入第二灭菌室，进行热量交换，直至两灭菌室的压力或温度平衡，再关闭两灭菌室的连通；
接着开启蒸汽压缩机，第一灭菌室内水蒸汽被抽吸，直至培养基原料冷却后达到的室内常温，完成第一灭菌室的“冷却模式”，并关闭两灭菌室的连通；
继续加热第二灭菌室内的培养基原料，直至达到压力、温度、时间中任意一参数值，完成灭菌。
最后移出第一灭菌室内的培养基原料后，再次移入新培养基原料并抽真空，启动“加热灭菌模式”，而第二灭菌室则启动“冷却模式”，并由此循环直至结束。
优选地，所述“加热灭菌模式”中加热灭菌结束时灭菌温度为T2，所述“冷却模式”中冷却结束时温度为T1且在15-35℃，而培养基原料消毒杀菌维持的时间M为10-60分钟；T1所对应的饱和水蒸汽压力P1为1.7-5.6KPa；灭菌温度T2为110-130℃，灭菌温度T2对应的饱和水蒸汽压力P2为140-270KPa。
与现有技术相比，本发明的优点：利用一台设备可同时实现加热灭菌与冷却，操作简单，性能可靠，拆卸维修方便，兼有成本低、效率高、占地小、能耗省、耗时少的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1，本发明提供一种食用菌生产用灭菌冷却一体装置的第一实施例，其包括与外部蒸汽相连的第一灭菌室110、与外部蒸汽相连且与第一灭菌室110相分离的第二灭菌室120、与第一、第二灭菌室110、120输出相连的蒸汽压缩机200、与蒸汽压缩机200输出相连的冷却器300、与冷却器300输出相连的汽水分离器400、以及与汽水分离器400气路相连的真空泵500，其中所述第一、第二灭菌室110、120均具有至少两种可切换的工作模式：“加热灭菌模式”和“冷却模式”，且“加热灭菌模式”下的温度和压力均大于“冷却模式”下的温度和压力；当第一灭菌室110的工作模式为“加热灭菌模式”时，第二灭菌室120的工作模式则为“冷却模式”，且第一灭菌室110和第二灭菌室120处于蒸汽连通状态；当第一灭菌室110的工作模式为“冷却模式”时，第二灭菌室120的工作模式则为“加热灭菌模式”，且第一灭菌室110和第二灭菌室120两者存在蒸汽相互连通情形。“加热灭菌模式”是对培养基原料进行加热，而“冷却模式”是对培养基原料进行冷却，且这两模式均与温度和压力相关，其中加热温度大于冷却温度，加热压力大于冷却压力。
第一、第二灭菌室110、120为通过式设计结构且外部保温处理，用于对培养基原料进行加热消毒及冷却，其中灭菌室的入口门和出口门位于物流方向的灭菌室两侧，原料可以由转运车或流水线直接移入和移出。第一灭菌室110还包括控制外部蒸汽进入的第一加热蒸汽开关阀113、与汽水分离器400相连通的第一补水阀114、以及输出与蒸汽压缩机200相连通的第一蒸汽排出开关阀115；所述第二灭菌室120还包括控制外部蒸汽进入的第二加热蒸汽开关阀123、与汽水分离器400相连通的第二补水阀124、以及输出与蒸汽压缩机200相连通的第二蒸汽排出开关阀125，其中第一、第二加热蒸汽开关阀113、123用于补充灭菌室的外部蒸汽，提供原料的加热热量；第一、第二补水阀114、124用于向灭菌室补充来自汽水分离器400的高温冷凝水，回收冷凝水的部分热量；第一蒸汽排出开关阀115与第二蒸汽排出开关阀125相连通，用于切换“加热灭菌模式”和“冷却模式”，通过第一、第二蒸汽排出开关阀115、125的开关控制，确保之间的联通管在两灭菌室内蒸汽相互连通。
优选地，第一灭菌室110还包括带远传功能的第一压力传感器111、带远传功能的第一温度传感器112、和第一安全泄压阀116，第二灭菌室120还包括带远传功能的第二压力传感器121、带远传功能的第二温度传感器122、和第二安全泄压阀126，第一、第二安全泄压阀116、126用于灭菌室内高压泄压保护。
蒸汽压缩机200为一个或多个，可同时处理湿空气与水蒸汽的压缩过程，且蒸汽压缩机200为多个时为并联或串联相连。
冷却器300，用于冷却蒸汽压缩机200排出的湿空气或水蒸汽。
汽水分离器400包括带远传功能的第三压力传感器410、和一排水阀420，而蒸汽压缩机200包括单向截止阀210，单向截止阀210用于切换蒸汽压缩机200的出口压力，且单向截止阀210设定开启压力为标准大气压(101KPa)。
真空泵500，用于不凝气体抽吸。
由此在“加热灭菌模式”和“冷却模式”下两个灭菌室处于连通情形时，水蒸汽在两个灭菌室内流通，达到水蒸汽携带质量和热量的传递过程，当灭菌室内压力的升高和降低，达到物料内水份的蒸发和冷凝，完成物料温度的迅速变化。
在“加热灭菌模式”前，灭菌室内通过补充另一灭菌室“冷却模式”下产生的冷凝水，完成冷凝水的质量和部分热量的回收。
在“冷却模式”下，蒸汽压缩机抽吸真空使得培养基原料中的水分迅速蒸发并吸收原料自身的热量，使得培养基原料温度迅速下降达到冷却效果。蒸汽压缩机抽吸出的水蒸汽经压缩增加压力后，进入冷却器凝结成液态水进入汽水分离器，不凝气经真空泵排入大气。
同样地，本发明在第一实施例的基础上，提供一种食用菌生产用灭菌冷却一体方法的第二实施例，采用通过式设计，适用于大规模物料工艺流程和物料流转。灭菌室内具有“加热灭菌模式”和“冷却模式”两种运行模式，在节能的同时完成原料加热灭菌和冷却，同时节省工厂车间面积和原料转运人工。
在进行本实施例之前，设定当地大气压P0为101KPa；培养基原料进入灭菌室起始温度为T1，消毒灭菌结束时灭菌温度为T2，冷却结束时温度又回到T1；设定培养基原料高温消毒杀菌需要维持的时间M为10-60分钟；具体而言设定T1为环境室温，在15-35℃，环境室温T1所对应的饱和水蒸汽压力P1为1.7～5.6KPa；设定灭菌工艺时培养基原料维持灭菌温度T2为110-130℃，灭菌温度T2对应的饱和水蒸汽压力P2为140～270KPa，优选为200KPa；设定灭菌室内停止加热温度T3为T2+5℃。停止加热温度T3对应的饱和水蒸汽压力P3为169-313KPa，优选为232KPa；设定灭菌室内保护温度T4为T2+10℃。保护温度T4对应的饱和水蒸汽压力P4为199～362KPa，优选为270KPa，即P4>P3>P2>P1。
本实施例的具体方法如下:
S1：先对至少两灭菌室内移入培养基原料，并关闭灭菌室门，启动第一、第二蒸汽排出开关阀115、125及蒸汽压缩机200与冷却器300，对第一、第二灭菌室110、120抽真空。抽真空起始阶段，蒸汽压缩机出口压力大于环境大气压力P0，单向截止阀210自动打开排除空气；蒸汽压缩机出口压力小于环境大气压力P0后，打开真空泵500。当第一、第二压力传感器111、121达到压力设定值P1时完成抽真空过程，再关闭第一、第二蒸汽排出开关阀115、125、压缩机200、冷却器300和真空泵500，维持两灭菌室***负压；
S2：然后第一灭菌室110启动“加热灭菌模式”：打开第一加热蒸汽开关阀113，外部高温蒸汽进入第一灭菌室110，提供热量加热培养基原料；第一灭菌室110内压力持续大于P2(培养基原料达到灭菌温度≥T2)，并维持设定时间M后，完成“加热灭菌模式”。过程中，第一灭菌室110内压力小于P2时，打开第一加热蒸汽开关阀113；第一灭菌室110内压力大于P3时，关闭第一加热蒸汽开关阀113；灭菌室内达到设定灭菌压力(温度)并维持设定的灭菌时间后，完成灭菌，可进入“冷却模式”。
S3：接着第一灭菌室110启动“冷却模式”，同时第二灭菌室启动“加热灭菌模式”，同时打开第一、第二蒸汽排出开关阀115、125，第一灭菌室110内高压水蒸汽通过联通管排入第二灭菌室120内，第一灭菌室(高温、高压状态)连通第二灭菌室(常温、负压状态)。第一灭菌室110在压力下降过程中，含水的培养基原料中液态水不断蒸发并带走热量，培养基原料温度开始下降。水蒸汽持续流入第二灭菌室120，并再次冷凝为液态水释放热量，培养基原料温度开始上升。当第一灭菌室110和第二灭菌室120压力平衡时，温度也达到平衡。
S4：关闭第二蒸汽排出开关阀125并保持第一蒸汽排出开关阀115打开，开启蒸汽压缩机200继续抽吸第一灭菌室110内水蒸汽，第一灭菌室110在压力下降过程中，物料液体水份持续不断蒸发并带走物料热量，物料温度持续下降。在第一灭菌室110内第一压力传感器111达到P1时，物料温度下降至T1后，完成冷却过程。开启第一灭菌室110出口门，移出物料后再关闭第一灭菌室110出口门，完成本批次物料的加热、杀菌消毒和冷却过程。打开灭菌柜110入口门，移入批次物料，返回步骤S1抽真空后待命进入“加热灭菌模式”；
S5：关闭第二蒸汽排出开关阀125后，打开第二加热蒸汽开关阀123。来自外部的高温蒸汽进入第二灭菌室120内，继续提供热量加热培养基原料。第二灭菌室120内压力持续大于P2(培养基原料达到灭菌温度≥T2)，并维持设定时间M后，完成“加热灭菌模式”；
S6：第二灭菌室120启动“冷却模式”。重复步骤S3、S4、S5，即第二灭菌室120开始冷却时，第一灭菌室110开始加热；第一灭菌室110开始冷却时，第二灭菌室120开始加热；此间各批次培养基原料交替进、出第一、第二灭菌室110、120，如此循环，完成培养基原料的连续加热杀菌、冷却生产。
其中汽水分离器400中的冷凝水来自第一、第二灭菌室110、120在“冷却模式”被蒸汽压缩机200压缩增压的水蒸汽。水蒸汽在冷却器和外部环境换热后成为液态水。在每次灭菌室抽真空结束，进入“加热灭菌模式”前，打开第一、第二补水阀114、124，通过灭菌室内负压，将汽水分离器400中冷凝水抽吸进入灭菌室内，用于回收冷凝水质量和热量。而排水阀420用于定期排除***多余冷凝水，设定灭菌室内压力大于P4时，第一、第二安全泄压阀116、126自动打开泄压。
开启蒸汽压缩机200抽吸灭菌室内水蒸汽时，水蒸汽被蒸汽压缩机200压缩增加压力。水蒸汽在冷却器300中冷凝为液态水。汽水分离器400中第三压力传感器410显示压力为冷凝压力。冷却器300为风冷或水冷换热器，冷却能力和环境湿度温度相关。
采用本实施例，相比较不做热量回收的现有装置，可节省50％左右的加热蒸汽用量，节省50％左右的冷却***能耗。
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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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。
Claims (9)
1.一种食用菌生产用灭菌冷却一体装置，其特征在于：其包括与外部蒸汽相连的第一灭菌室(110)、与外部蒸汽相连且与第一灭菌室(110)相分离的第二灭菌室(120)、与第一、第二灭菌室(110、120)输出相连的蒸汽压缩机(200)、与蒸汽压缩机(200)输出相连的冷却器(300)、与冷却器(300)输出相连的汽水分离器(400)、以及与汽水分离器(400)气路相连的真空泵(500)，其中所述第一、第二灭菌室(110、120)均具有至少两种可切换的工作模式：“加热灭菌模式”和“冷却模式”，且“加热灭菌模式”下的温度和压力均大于“冷却模式”下的温度和压力；当第一灭菌室(110)的工作模式为“加热灭菌模式”时，第二灭菌室(120)的工作模式则为“冷却模式”，且第一灭菌室(110)和第二灭菌室(120)处于蒸汽连通状态；当第一灭菌室(110)的工作模式为“冷却模式”时，第二灭菌室(120)的工作模式则为“加热灭菌模式”，且第一灭菌室(110)和第二灭菌室(120)两者存在蒸汽相互连通情形。
2.根据权利要求1所述的食用菌生产用灭菌冷却一体装置，其特征在于：所述的“加热灭菌模式”是对培养基原料进行加热，而所述的“冷却模式”是对培养基原料进行冷却，且这两模式均与温度和压力相关，其中加热温度大于冷却温度，加热压力大于冷却压力。
3.根据权利要求2所述的食用菌生产用灭菌冷却一体装置，其特征在于：所述的第一、第二灭菌室(110、120)为通过式设计结构，其中灭菌室的入口门和出口门位于物流方向的灭菌室两侧。
4.根据权利要求1所述的食用菌生产用灭菌冷却一体装置，其特征在于：所述第一灭菌室(110)还包括控制外部蒸汽进入的第一加热蒸汽开关阀(113)、与汽水分离器(400)相连通的第一补水阀(114)、以及输出与蒸汽压缩机(200)相连通的第一蒸汽排出开关阀(115)；所述第二灭菌室(120)还包括控制外部蒸汽进入的第二加热蒸汽开关阀(123)、与汽水分离器(400)相连通的第二补水阀(124)、以及输出与蒸汽压缩机(200)相连通的第二蒸汽排出开关阀(125)，其中所述第一蒸汽排出开关阀(115)与第二蒸汽排出开关阀(125)相连通。
5.根据权利要求1所述的食用菌生产用灭菌冷却一体装置，其特征在于：所述第一灭菌室(110)还包括带远传功能的第一压力传感器(111)、带远传功能的第一温度传感器(112)、和第一安全泄压阀(116)，所述第二灭菌室(120)还包括带远传功能的第二压力传感器(121)、带远传功能的第二温度传感器(122)、和第二安全泄压阀(126)。
6.根据权利要求5所述的食用菌生产用灭菌冷却一体装置，其特征在于：所述汽水分离器(400)包括带远传功能的第三压力传感器(410)、和一排水阀(420)，而所述蒸汽压缩机(200)包括单向截止阀(210)。
7.根据权利要求1所述的食用菌生产用灭菌冷却一体装置，其特征在于：所述蒸汽压缩机(200)为多个，且为并联或串联相连。
8.一种食用菌生产用灭菌冷却一体方法，其包括：
向至少两灭菌室移入培养基原料，并关闭灭菌室门，抽真空，维持负压状态；
第一灭菌室启动“加热灭菌模式”：外部蒸汽进入室内，加热培养基原料，通过压力、温度、时间至少三参数设置，完成灭菌；
然后第一灭菌室启动“冷却模式”，而另一灭菌室则启动“加热灭菌模式”，其中两灭菌室相互连通，第一灭菌室内的水蒸汽流入第二灭菌室，进行热量交换，直至两灭菌室的压力或温度平衡，再关闭两灭菌室的连通；
接着开启蒸汽压缩机，第一灭菌室内水蒸汽被抽吸，直至培养基原料冷却后达到的室内常温，完成第一灭菌室的“冷却模式”，并关闭两灭菌室的连通；
继续加热第二灭菌室内的培养基原料，直至达到压力、温度、时间中任意一参数值，完成灭菌。
最后移出第一灭菌室内的培养基原料后，再次移入新培养基原料并抽真空，启动“加热灭菌模式”，而第二灭菌室则启动“冷却模式”，并由此循环直至结束。
9.如权利要求8所述的食用菌生产用一体方法，其特征在于：所述“加热灭菌模式”中加热灭菌结束时灭菌温度为T2，所述“冷却模式”中冷却结束时温度为T1且在15-35℃，而培养基原料消毒杀菌维持的时间M为10-60分钟；T1所对应的饱和水蒸汽压力P1为1.7-5.6KPa；灭菌温度T2为110-130℃，灭菌温度T2对应的饱和水蒸汽压力P2为140-270KPa。
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