CN220018800U - 一种压力及发酵过程监测的实验室用装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种压力及发酵过程监测的实验室用装置，用来实时监测糖酵解***的压力及其发酵过程，简单易用可行，包括包括发酵罐、压力传感器和压力控制阀门，发酵罐内用于盛放糖液；压力控制阀门在发酵罐的罐盖上穿刺出穿刺口；压力传感器设置在发酵罐的罐盖上，通过所述穿刺口与发酵罐的内部相通，用于实时检测发酵罐内的压力以反映糖液发酵程度。操作时将糖液配料注入发酵罐内，发酵罐连接到监测***，置于恒温箱进行发酵作用，压力传感器将实时检测体系内的气体压力数值。通过传感器实时监测压力变化，根据压力的变化情况及其理想气体方程的计算，可以得到二氧化碳气体质量的生成情况，研究判断糖液的具有广泛的应用价值。

Description

一种压力及发酵过程监测的实验室用装置

技术领域

本发明涉及一种压力及发酵过程监测的实验室用装置，涉及糖液酵母乙醇厌氧发酵过程及其压力实时监测的技术领域。

背景技术

酒可分为白酒、黄酒、啤酒、果酒和配制酒等几类，在各类酒的生产工艺之中，最重要的步骤是利用酒曲或酵母将(谷物、水果等)原料中的淀粉、糖类等碳水化合物通过一系列的生物转化生成乙醇等系列物质。该步骤中涉及酵母的有氧和厌氧发酵过程机制，在相当长的历史时期内，厌氧发酵法制(食用型)乙醇是生产乙醇的唯一工业方法。

传统的液态法酒精或者酒类的发酵过程，糖液的发酵程度可通过目测、嗅觉、尝试等方法进行判断，这些方法需要操作管理人员有较多的经验积累，存在一定的主观性和不确定性。糖液的发酵程度也可以通过测定体系酒精度、糖分含量的变化等的化学检测进行精确的判断，但是发酵液酒精度的检测，以及高液相色谱法分析发酵液的糖组分对仪器和操作者有较高的要求，费时费力，需要较高的成本，同时取样时会破坏、改变原有密封的发酵环境。后者对于实验室小体量的发酵体系的研究尤为不利，中间取样导致原有的发酵过程被扰、发酵过程发生改变，按照新的环境条件继续作用发酵；以从头到尾都不取样的正常的发酵过程为参照，中间取样的次数越多，偏离原有发酵应该的过程途径的变化会越多越厉害。

《Journal of Chemical education 2018,95,828-832.》中，是用自制的简单的水驱体积气体计，由塑料水瓶、塑料管和刻度圆柱组成，用于测量面包酵母发酵糖时二氧化碳的演变。该装置能够提供可再现的定量数据，这些数据可绘制以显示诱导滞后时间、稳态生长和营养耗尽等现象，并可用于演示各种条件(如碳水化合物类型和浓度、抑制剂、pH值和温度)对酵母发酵动力学的影响。该技术利用刻度圆筒进行气体体积测定，能够快速、直观、简便的观测酵母发酵糖液的大概趋势，但刻度圆筒读取数据时存在***误差和人工读取误差，会对实验数据及结果造成影响。

发明内容

一般在20℃～40℃温度范围内进行的糖液厌氧发酵过程，糖不断酵解成乙醇和二氧化碳，罐体体系产生压力并随着发酵的进行不断地增加，而残余的糖则不断减少；当体系的乙醇浓度不断提高、残糖浓度不断降低至一定的程度，乙醇的产物抑制越来越明显，可发酵糖的浓度含量则降低到酵母也难于利用的程度，酵母的糖发酵就基本完成处于终止的状态了。在整个发酵的过程，随着二氧化碳的不断产生，在封闭的体系中的气体(主要为二氧化碳)的压力也随之不断上升；随着可发酵糖浓度含量的降低，发酵体系的气体压力的增幅减缓、平稳不再升高甚至有所降低之时，意味着体系的发酵作用已基本终止完成。

在此温度、压力范围内(属于常温(一般为酵母发酵最适温度范围：25-35℃)、低压(标准大气压下，不外加压力)的状态下二氧化碳属于理想气体，可用PV＝nRT(其中，P：压力表显示的压力数值；V：发酵罐内除去液体后的体积；n：消耗的糖的物质的量；R：理想气体常数；T：发酵温度)表征，因此，通过本实施例提供的装置，实时在线监测体系中气压的增加及其变化，在测定得到可乐瓶发酵罐糖液液面上部空间体积下，由气体状态方程计算可以得到实时或者单位时间内二氧化碳的生成数量质量，得出体系中二氧化碳摩尔浓度的时间变化结果，进而由反应式得出实时或者单位时间内糖发酵转化的消耗量。在固定实验中初始的发酵糖液(包括糖液浓度和体积)，则可以得到发酵液残留糖的摩尔浓度随时间的变化结果，从而推导出糖液发酵的动力学方程等等信息，简单安全，操作成本低，可以精确、可靠地清楚糖液的发酵程度。

本实用新型提供的一种实验室用的发酵***的气体压力监测的装置***，用于监测酵母酵解糖液转化为乙醇的压力及其发酵过程，包括发酵罐、压力传感器和压力控制阀门，

发酵罐内用于盛放糖液；

压力控制阀门在发酵罐的罐盖上穿刺出穿刺口；

压力传感器设置在发酵罐的罐盖上，通过所述穿刺口与发酵罐的内部相通，用于实时检测发酵罐内的压力以反映糖液发酵程度。

进一步地，所述发酵罐采用含气饮料瓶。

进一步地，所述发酵罐为塑料瓶。

进一步地，所述发酵罐为塑料可乐瓶。

进一步地，所述压力传感器包括至少一个显示屏，用于显示当前糖液发酵程度的压力数值及整个装置的工作状态。

进一步地，还包括底座，所述发酵罐设置在所述底座上。

进一步地，还包括缓冲管，所述缓冲管的两端分别连接压力传感器和发酵罐，压力传感器通过所述穿刺口和所述缓冲管与所述发酵罐相通。

进一步地，所述压力传感器采用数显式压力表。

进一步地，还包括支架，所述压力控制阀门设置在支架上。

进一步地，所述压力控制阀门包括把手和刺针，所述把手铰接在所述支架上，所述刺针的一端固定在所述把手上，当转动所述把手时，所述刺针的另一端能够穿刺所述发酵罐的罐盖。

进一步地，所述压力控制阀门还包括密封圈。

本实用新型的压力传感器用于实时监测发酵罐内部的气体压力的变化。具体实现方法包括以下步骤：

1.在发酵温度之下，发酵罐(如塑料可乐瓶)盛满蒸馏时，将蒸馏水倒出称重，查询该发酵温度之下水的密度，计算得到所使用发酵罐的体积。

2.配制浓度为20％的糖液，加入0.2％的有机氮源、矿物质等营养元素，连同0.1％的酵母，搅拌均匀(其中糖液浓度、有机氮源以及酵母的添加量可以根据自身实验条件要求进行更改)。

3.量取占据发酵罐体积的糖液放入发酵罐，摇匀，密闭，连接至压力传感器处，置于生化恒温箱(糖液体积占发酵罐的体积最好保持在/>至/>之间，最好不要超过发酵罐体积的/>)。

4.启动压力传感器和控制器，计时，开始监测记录发酵罐内部的压力及其变化。

5.根据压力数值变化情况，通过PV＝nRT的理想气体方程的计算，可以及时、精确、安全、可靠地了解糖液的发酵程度和变化。

对于实验室小体量的酒精发酵体系的全过程监测检测研究，本实用新型可以以常见的可口可乐、百事可乐或其它含气饮料的标准化的塑料瓶为发酵容器，为实验室的教学实验和科研试验，开发设计一种实用简单的实验装置，不需要任何的开罐、开瓶取样，不破坏改变体系的发酵过车状态，在糖液的酵母发酵的整个过程都保持原生态变化之时，可随时监测发酵体系压力及其变化。当密闭的发酵体系的压力不断升高、增幅减缓，并且到体系压力平稳不再升高甚至有所降低之时，可以认为此时此刻体系的发酵作用已基本终止完成。

本实用新型利用数显压力表监测压力数值，并通过理想气体状态方程进行计算得出糖液中糖的消耗量，提高了仪器装置的精密性和实验数据的稳定性，能够得到更加精确的酵母发酵糖液的趋势。

附图说明

图1为糖液发酵变化曲线示意图。

图2为本实用新型实施例提供的一种压力及发酵过程监测的实验室用装置的结构示意图。

图3为本实用实施例所提供装置的压力过大时设计图。

图中所示：1为压力控制阀门，2为压力传感器，3为支架，4为发酵罐，5为缓冲罐，6为底座。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。

本实用新型提供的一种糖液酵母厌氧发酵***的压力及其发酵过程实时监测的实验室用装置，该装置可用于糖液厌氧酵母发酵过程的监测，通过检测发酵过程***内气体的压力及其变化，可便于判断糖液的发酵程度，具有安全可靠、简易操作的特点。所述装置包括发酵罐4、压力传感器2、压力控制阀门1。发酵罐4内装有糖液，压力传感器2与发酵罐4相连并与发酵罐4内部相通，所述装置呈现竖直放置状态，避免糖液与压力传感器2产生直接接触。通过压力传感器2检测发酵罐4内压力的变化，从而判断糖液发酵程度。

所述压力传感器2与发酵罐4的内腔相通。压力传感器2可以实时检测发酵罐4内的糖液发酵过程中产生的二氧化碳气体，将其转化为压力数值，以反映糖液发酵程度。

在本实用新型其中的其中一些实施例中，发酵罐4为可重复使用的容器，可在发酵过程中用于保持温度和压力，同时具有可清洗和消毒的特性。

在本实用新型其中的其中一些实施例中，发酵罐4可以采用可乐之类的含气饮料瓶。

在本实用新型其中的其中一些实施例中，如图3所示，所述装置还包括底座6，所述发酵罐4设置在所述底座6上。

在本实用新型其中的其中一些实施例中，如图2和图3所示，所述装置还包括支架3，所述压力控制阀门1设置在支架3上。

所述压力控制阀门1包括把手、刺针、密封圈，所述把手铰接在所述支架3，所述刺针的一端固定在所述把手上，当按压转动所述把手时，所述刺针的另一端能够穿刺所述发酵罐4的罐盖，密封圈包裹在刺针外，伴随着把手下压过程的进行，密封圈与瓶盖平面紧密接触。通过机械按压方式，利用刺针刺破发酵罐4的瓶盖，将压力传感器2与发酵罐4相连通，在密封圈的作用下达成密闭的检测环境。随着压力不断增大，密封圈压紧，与瓶盖连接处形成一个密封环境，此时刺针不会被压缩而是直接刺入瓶盖，形成一个压力表-发酵罐的联通环境。

在本实用新型其中的其中一些实施例中，将所述装置置于温度稳定的恒温箱中(如28℃的恒温箱)，在恒温条件下进行发酵，所述装置包括显示屏，用于显示实时的压力数据。

在本实用新型其中的其中一些实施例中，所述压力传感器采用数显式压力表。

在本实用新型其中的其中一些实施例中，如图3，若是压力数值变化巨大会对压力传感器2造成破坏，可在压力传感器2与发酵罐4之间添加一根缓冲管5，以减小压力对压力传感器2的巨大冲击。

在实施本实用新型时，操作人员首先将糖液倒入发酵罐4中，通过机械按压方式刺破发酵罐瓶盖，将发酵罐4与压力传感器2紧密连接，确保不会出现漏气情况后启动压力传感器2进行记录，根据实时压力数值判断，达到保证发酵的稳定性和品质的目的。

可以利用理想气体方程PV＝nRT进行计算，并得出糖液发酵程度判断曲线，如图1所示。【注：本实用新型通过体系的气体压力，监测的是发酵的过程，不是发酵的品质】

在本实用新型其中的其中一些实施例中，在实际使用中，首先配置好20％(w/v)浓度的赤砂糖糖液，溶解1.0％对糖的脱值奶粉，加入0.75％对糖的安琪白酒酵母，搅拌分散，然后量取200毫升一定糖液加入550毫升的可口可乐品种，然后通过控制阀门1的机械按压将压力传感器2与发酵罐4(如采用可乐瓶)相连，确保气密性后，置于28℃的生化恒温箱，打开压力传感器2进行记录。随着发酵的进行，压力传感器2会不断地监测发酵罐内的压力变化，并通过数显屏幕显示出来，每日定时记录数显屏幕上的压力数值，根据每日的记录数值完成对压力实时监测的目的，并根据理想气体状态方程PV＝nRT计算，及时、精确、安全、可靠地了解糖液的发酵程度和变化。

20％的赤砂糖、液发酵液200毫升，装入550毫升的干净的可乐瓶，在28℃恒温密闭环境下发酵13天，体系的压力数值、酒精度以及糖消耗量的变化曲线，见图1。由图1可见，体系的压力先不断上升，然后升幅变小，再后趋于平缓，且三条曲线的变化趋势都相同。

本实用新型前述实施例提供的一种压力及其发酵过程监测的实验室用的装置，可以通过压力数值变化判断了解糖液发酵程度，适于学生教学实验和科研试验，酒厂酒精企业用于改进优化生产工艺的小试试验，具有安全可靠、操作简易、效率高、成本等特点，具有广泛的应用前景。

本实用新型提供的一种压力及其发酵过程监测的实验室用的装置，具备以下优点：

(1)在线实时性和可扩展性：从完成密封条件后开始发酵计时，到该***的发酵结束终止，不用开瓶开罐，压力传感器为在线***检测并且是实时的监测。如果压力传感器连接打印或电脑的储存显示设备，可以记录得到发酵过程的体系内压力的变化曲线，输入发酵罐的上部体积、糖液浓度等参数，后续通过理想气体方程等一系列的计算步骤，可以了解清楚发酵过程的细节情况，也具有扩展性。

(2)精度高：通过数显压力传感器精确记录，能够对发酵过程中的压力变化进行实时监测和计算，提高了检测精度和可靠性。

(3)操作简便：整个***的操作十分简单，只需完成装置的安装和确保气密性即可，无需专业技术人员进行操作。

(4)安全可靠：本装置采用的发酵罐可以采用市面上常见的汽水瓶，汽水瓶为市场中流通的标准化产品，耐压效果好，产品质量有所保证，能够确保***在发酵过程中的稳定性和安全性，减少了操作过程中的风险。

(5)实用性强、适用面广：本实用新型所提供装置可用于实验室不同的发酵原辅料(各种的糖、氮源、矿物质和酵母等配料及其配比)，以及不同的糖液浓度、发酵温度、发酵液初始的pH糖液等不同的条件下，糖液发酵过程的在线实时的研究。在酒精或果酒生产企业作为小试，用于原材料的试验验收、发酵生产工艺的改进优化，都具有实际和经济的价值。

(6)***廉：本装置选用的部件均为市面上流通的标准化产品，装置成本和运作低廉，易于组建，适于实验室大规模的教学实验等的用途。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压力及发酵过程实时监测的实验室用装置，其特征在于，包括发酵罐(4)、压力传感器(2)和压力控制阀门(1)，

发酵罐(4)内用于盛放糖液；

压力控制阀门(1)在发酵罐(4)的罐盖上穿刺出穿刺口；

压力传感器(2)设置在发酵罐(4)的罐盖上，通过所述穿刺口与发酵罐(4)的内部相通，用于实时检测发酵罐(4)内的气体压力变化以反映糖液发酵程度。

2.根据权利要求1所述的一种压力及发酵过程实时监测的实验室用装置，其特征在于，所述发酵罐(4)采用含气饮料瓶。

3.根据权利要求1所述的一种压力及发酵过程实时监测的实验室用装置，其特征在于，所述发酵罐(4)为塑料瓶。

4.根据权利要求1所述的一种压力及发酵过程实时监测的实验室用装置，其特征在于，所述压力传感器包括至少一个显示屏，用于显示当前糖液发酵程度的压力数值及整个装置的工作状态。

5.根据权利要求1所述的一种压力及发酵过程实时监测的实验室用装置，其特征在于，还包括底座(6)，所述发酵罐(4)设置在所述底座(6)上。

6.根据权利要求1所述的一种压力及发酵过程实时监测的实验室用装置，其特征在于，还包括缓冲管(5)，所述缓冲管(5)的两端分别连接压力传感器(2)和发酵罐(4)，压力传感器(2)通过所述穿刺口和所述缓冲管(5)与所述发酵罐(4)相通。

7.根据权利要求1所述的一种压力及发酵过程实时监测的实验室用装置，其特征在于，所述压力传感器(2)采用数显式压力表。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种压力及发酵过程实时监测的实验室用装置，其特征在于，还包括支架(3)，所述压力控制阀门(1)设置在支架(3)上。

9.根据权利要求8所述的一种压力及发酵过程实时监测的实验室用装置，其特征在于，所述压力控制阀门(1)包括把手和刺针，所述把手铰接在所述支架(3)上，所述刺针的一端固定在所述把手上，当转动所述把手时，所述刺针的另一端能够穿刺所述发酵罐(4)的罐盖。

10.根据权利要求9所述的一种压力及发酵过程实时监测的实验室用装置，其特征在于，所述压力控制阀门(1)还包括密封圈，密封圈设置在刺针外壁。