發(fā)酵與釀造的主要設(shè)備

1、第三章 發(fā)酵與釀造的主要設(shè)備 一、原料處理設(shè)備二、固體發(fā)酵設(shè)備三、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐(生物反應(yīng)器) 四、空氣凈化系統(tǒng) 五、培養(yǎng)基滅菌系統(tǒng) 六、產(chǎn)物分離與提取設(shè)備 一、原料處理設(shè)備 (一)原料粉碎設(shè)備在發(fā)酵與釀造過程中，為了加速蒸煮、糖化、發(fā)酵的反應(yīng)速度，對(duì)于使用的固體原料，常需將其粉碎。使大塊固體物料破碎成小塊物料的操作，通常稱為粉碎，而使小塊物料進(jìn)一步粉碎為粉末狀物料，則稱為磨碎或研磨。在生產(chǎn)過程中，粉碎的效果好壞，不僅直接反映出粉碎操作的合理性和經(jīng)濟(jì)性，而且會(huì)間接影響到蒸煮、糖化、發(fā)酵的效果。工廠中，均采用某種形式的機(jī)械方法，達(dá)到固體物料粉碎的目的。粉碎的方法，根據(jù)操作作用力的不同可區(qū)分為

2、四種：擠壓；沖擊；磨碎；劈碎。無(wú)論是哪一種作用力，假如所施加的外力沒有超過物料的彈性強(qiáng)度，則物料產(chǎn)生彈性變形，外力除掉后，物料恢復(fù)到原來(lái)情況。加入施加的外力稍超過物料的破碎強(qiáng)度，則物料即被粉碎。物料表面通常具有不規(guī)則的形狀，因此外力首先作用在突出點(diǎn)上，產(chǎn)生局部的應(yīng)力，破碎后應(yīng)力分散，作用點(diǎn)發(fā)生變化。粉碎過程是在極短的時(shí)間里進(jìn)行的非常復(fù)雜的過程，揭開全部真正的粉碎機(jī)理是以后進(jìn)一步開展的工作。選擇粉碎物料的方法，必須根據(jù)物料的物理性質(zhì)、大小、粉碎的程度等，應(yīng)特別注意物料的硬度和破裂性。對(duì)堅(jiān)硬和脆性的物料，擠壓和沖擊很有效；對(duì)韌性物料剪切力作用較好；對(duì)方向性物料則以劈碎為宜。但不論哪一種粉碎，很少單

3、獨(dú)使用其中的一種方法，而是幾種方法的組合，使粉碎更加有效。1.錘式粉碎機(jī) 錘式粉碎機(jī)是利用快速旋轉(zhuǎn)的錘刀對(duì)物料進(jìn)行沖擊粉碎，廣泛用于各種中等硬度物料的中碎與細(xì)碎作業(yè)。由于各種脆性物料的抗沖擊性較差。因此，這種粉碎機(jī)特別適用于脆性物料。圖3-1錘式粉碎機(jī)篩網(wǎng) 2.軸 3.錘刀 4.沖擊板 5.機(jī)殼 錘式粉碎機(jī)如圖3-1，主軸上有鋼質(zhì)圓盤或方盤轉(zhuǎn)子，盤上裝有可拆換的錘刀。錘刀可以自由擺動(dòng)。當(dāng)主軸經(jīng)8002500r/min在密封的機(jī)殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀片在各個(gè)不同的位置上，能夠以很大的沖擊力將物料粉碎。加入到粉碎機(jī)中的物料，首先與鋸齒形的沖擊板撞擊，已經(jīng)被粉碎的物料，通過機(jī)殼上的格柵網(wǎng)孔排出。未被粉碎的物

4、料，被篩網(wǎng)阻截，再次受錘力沖擊粉碎。如遇有堅(jiān)硬不能粉碎的物料，由于錘刀是活動(dòng)地懸掛在盤上，可以搖動(dòng)而讓開，可避免損傷機(jī)器，當(dāng)然錘刀要受到較大的磨損，甚至損壞篩網(wǎng)。如遇有堅(jiān)硬的物料，可再次或多次沖擊粉碎。粉碎的物料，連續(xù)穿過機(jī)內(nèi)的篩網(wǎng)排出。為了避免堵塞，除將篩網(wǎng)孔做成上小下大的錐形孔外，被粉碎的物料含水量不應(yīng)超過10%15%。錘式粉碎機(jī)可作粗碎或細(xì)碎，這是它的優(yōu)點(diǎn)。此外，還具有單位產(chǎn)品的能量消耗低、體積緊湊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)能力高等特點(diǎn)。它的主要缺點(diǎn)是，當(dāng)粉碎較堅(jiān)硬的物料時(shí)，錘刀磨損得較快。錘刀是錘式粉碎機(jī)的主要零件，它的型式尺寸，決定于物料尺寸性質(zhì)。機(jī)殼中的篩網(wǎng)有不同的規(guī)格，視被碎物料的性質(zhì)、種

5、類和粉碎的要求而異。篩網(wǎng)的尺寸對(duì)產(chǎn)品的顆粒大小及粉碎機(jī)生產(chǎn)能力有很大的影響，視不同的要求選用適宜的篩網(wǎng)。錘刀與篩網(wǎng)間的徑向間隙是可以調(diào)節(jié)的，一般為510mm。粗篩一般用鋼絲構(gòu)成，或在金屬板上鉆圓孔、方孔或長(zhǎng)方孔。細(xì)篩除用鋼絲外，還可用鋼板。酒精廠錘式粉碎機(jī)篩孔直徑，一般為1.5mm，中心距離為2.53.5mm。2.輥式粉碎機(jī) 輥式粉碎機(jī)廣泛應(yīng)用于粉碎顆狀物料的中碎或細(xì)碎的作業(yè)，主要工作機(jī)件是兩個(gè)直徑相同的圓柱狀輥筒，如圖4-21所示，兩個(gè)輥筒以相同的圓柱狀輥筒，如圖3-2所示。圖3-2 二輥式粉碎機(jī)1.彈簧 2.物料 3.滾筒 4.機(jī)座兩個(gè)輥筒以相反的方向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生擠壓力和剪力將物料粉碎。輥筒

6、表面有光面和帶波紋的兩種，物料從輥筒間的空隙加入。兩輥筒間的距離稱為開度。凡物料顆粒小于開度的，可經(jīng)空隙漏出。當(dāng)要求產(chǎn)品較細(xì)時(shí)，可提高輥筒表面的圓周速度，達(dá)810r/min，也可使兩輥筒間有15%20%的轉(zhuǎn)速差，這樣可增加粉碎度。兩個(gè)輥筒，有一個(gè)輥筒的軸承是固定的，另一個(gè)輥筒是可以移動(dòng)的，這樣可調(diào)節(jié)輥筒的開度。另外在可移動(dòng)的軸承上，還裝有彈簧。因此，當(dāng)物料中混有較大塊或硬的物料時(shí)，彈簧能稍微移動(dòng)一點(diǎn)，使大塊或硬的物料得以通過，以免使輥筒表面受到損傷。啤酒廠麥芽粉碎機(jī)常使用四輥式，物料經(jīng)上面第一對(duì)輥粉碎后，經(jīng)一對(duì)葉輥的打擊，使麥芽皮殼中的粉粒被震出，再經(jīng)第二對(duì)輥粉碎。四輥粉碎比兩輥粉碎稍有改進(jìn)。

7、但是如圖4-22的四輥粉碎是不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)樵诘谝灰暂伾弦呀?jīng)被粉碎的細(xì)粉，沒有必要再經(jīng)過第二對(duì)輥筒進(jìn)行再次粉碎。這不僅造成動(dòng)力上的消耗，而且由于有細(xì)粉的存在，還妨礙了在第二對(duì)輥?zhàn)拥挠行Р僮?。為此，?duì)四輥粉碎機(jī)進(jìn)行改革。目前在實(shí)際生產(chǎn)中，常使用五輥粉碎機(jī)。(二)原料輸送設(shè)備1.氣流輸送 氣流輸送是利用強(qiáng)烈的空氣流沿管道流動(dòng)，把懸浮在氣流中的物料輸送至目的。氣流輸送可用于輸送大麥、大米、麥芽等松散物料。氣流輸送的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，占地面積小，輸送能力和輸送距離可調(diào)性大，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。它的主要缺點(diǎn)是能耗較大，不適于輸送潮濕黏稠的物料。根據(jù)設(shè)備組合情況，氣流輸送裝置可分為真空式和壓力式。一般來(lái)說，當(dāng)從幾

8、個(gè)不同的地方向一個(gè)卸料點(diǎn)送料時(shí)，真空輸送系統(tǒng)最適合；而當(dāng)從一個(gè)加料點(diǎn)向幾個(gè)不同的目的地送料時(shí)，壓力輸送系統(tǒng)較適合。2.機(jī)械輸送 機(jī)械輸送是靠機(jī)械裝置來(lái)輸送物料，其優(yōu)點(diǎn)在于能耗小，而且可以輸送不適于氣流輸送的大塊物料和潮濕物料。輸送機(jī)械主要有帶式輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、螺旋輸送機(jī)等。其中具體分類及輸送能力和功率計(jì)算可參考發(fā)酵設(shè)備等資料，帶式輸送結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，下面是常用的斗式提升機(jī)進(jìn)料和卸料圖。二、固體發(fā)酵設(shè)備固體發(fā)酵歷史悠久，長(zhǎng)期以來(lái)，白酒的釀造一直采用固體發(fā)酵，主要設(shè)備有曲盤、簾子、厚層通風(fēng)制曲設(shè)備等。厚層通見制曲設(shè)備是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的，它是在保持固體發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，以適應(yīng)大規(guī)

9、模業(yè)生產(chǎn)需要的一種固體培養(yǎng)方法。三、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐(生物反應(yīng)器) 發(fā)酵罐是工業(yè)發(fā)酵常用設(shè)備中最重要、應(yīng)用最廣泛的設(shè)備，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁，也是多種學(xué)科的交叉點(diǎn)。在發(fā)酵罐中，通過產(chǎn)物的合成，廉價(jià)的原料升了值，因此可以說發(fā)酵罐是發(fā)酵工業(yè)的心臟。發(fā)酵罐的定義是，為一個(gè)特定生物化學(xué)反應(yīng)的操作提供良好而滿意環(huán)境的容器 發(fā)酵罐伴隨著微生物發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展已歷經(jīng)300年。早在17世紀(jì)，人們已用帶有溫度計(jì)和熱交換器的1500L的木制容器來(lái)制備乙醇和酒。19001940年出現(xiàn)了200m3的鋼質(zhì)發(fā)酵罐，在面包酵母發(fā)酵中開始使用空氣分布器和機(jī)械攪拌裝置。19401960年，第一個(gè)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)青霉素的工廠于1

10、944年1月30日在美國(guó)的Terr Haute投資，其發(fā)酵罐的體積是54m3；抗生素工業(yè)的興起引起發(fā)酵工業(yè)一場(chǎng)變革，機(jī)械攪拌、通風(fēng)、無(wú)菌操作、純種培養(yǎng)等一系列技術(shù)開始完善起來(lái)，并出現(xiàn)耐高溫在線連續(xù)測(cè)定的pH電極和溶氧電極，開始利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行發(fā)酵過程控制。19601979年機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐容積增大到80150m3，由于大規(guī)模生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的需要而出現(xiàn)了壓力循環(huán)和壓力噴射型發(fā)酵罐，計(jì)算機(jī)開始在發(fā)酵工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用 1979年以后，隨著生物工程和技術(shù)的迅猛發(fā)展，大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)酵罐應(yīng)運(yùn)而生，胰島素、干擾素等基因工程的產(chǎn)品走上商品化。對(duì)發(fā)酵罐的嚴(yán)密性、運(yùn)行可靠性的要求越來(lái)越高，發(fā)酵的計(jì)算機(jī)控制和自

11、動(dòng)化的實(shí)際運(yùn)用已相當(dāng)普遍。pH電極、溶氧電極、溶解二氧化碳電極等在線檢測(cè)在國(guó)外已相當(dāng)成熟。同時(shí)現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)為了獲取更大的經(jīng)濟(jì)利益，發(fā)酵罐更加趨于大型化：廢水處理2700m3，單細(xì)胞蛋白1500m3，啤酒320m3，檸檬酸200m3，面包酵母20m3，抗生素200m3，干酪20m3，酸乳10m3。生物工程，尤其是基因工程的迅速發(fā)展，以及治理環(huán)境的迫切需要，使發(fā)酵罐的形狀、操作原理和方法都發(fā)生了較大的變化，就連術(shù)語(yǔ)“發(fā)酵罐”也常被稱之為“生化反應(yīng)器”。盡管如此，發(fā)酵工業(yè)上最常用的還是通風(fēng)攪拌罐、壓力循環(huán)發(fā)酵罐、帶超濾膜的發(fā)酵罐等。 (一)發(fā)酵罐的類型各種不同類型的發(fā)酵罐都可用于大規(guī)模的生化反應(yīng)過程

12、，它們?cè)谠O(shè)計(jì)、制造和操作方面的精密程度，取決于某一產(chǎn)品的生物化學(xué)反應(yīng)過程對(duì)發(fā)酵罐的要求。發(fā)酵罐的分類有以下幾種：1.按微生物生長(zhǎng)代謝需要分類 這種方法將發(fā)酵罐分成好氣和厭氣兩大類?？股亍⒚钢苿?、酵母、氨基酸、維生素等產(chǎn)品是好氣發(fā)酵罐中進(jìn)行的；丙酮、丁醇、酒精、啤酒、乳酸采用厭氣發(fā)酵罐。它們的主要差別是由于對(duì)無(wú)菌空氣的需求不同，前者需要強(qiáng)烈的通風(fēng)攪拌，目的是提高氧在發(fā)酵液中的體積氧傳遞系數(shù)KL，后者則不需要通氣。 2.按照發(fā)酵設(shè)備特點(diǎn)分類 可以分為機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐和非機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。前者包括循環(huán)式，如伍式發(fā)酵罐、文氏管發(fā)酵罐、文氏管發(fā)酵罐以及非循環(huán)式的通風(fēng)發(fā)酵罐和自吸式發(fā)酵罐。后者包括循

13、環(huán)式的氣提式、液提式發(fā)酵罐以及非循環(huán)式的排管式和噴射式發(fā)酵罐。這兩類發(fā)酵罐采用不同的手段使發(fā)酵罐內(nèi)的氣、固、液三相充分混合，從而滿足微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成對(duì)氧的需求。3.按容積分類 一般認(rèn)為，500L以下的實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵罐，5005000L是中試發(fā)酵罐，5000L以上是生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐。4.按微生物生長(zhǎng)環(huán)境分類 發(fā)酵罐內(nèi)存在兩種系統(tǒng)，即懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)和支持生長(zhǎng)系統(tǒng)。一般說來(lái)，大多數(shù)發(fā)酵罐都有這兩種系統(tǒng)。懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)中的微生物細(xì)胞是浸泡在培養(yǎng)液中且伴隨著培養(yǎng)液一起流動(dòng)；在支持生長(zhǎng)系統(tǒng)中，微生物細(xì)胞生長(zhǎng)在與培養(yǎng)液接觸的界面形成一層薄膜，然而實(shí)際上懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)的容器內(nèi)壁上和上部的罐壁上也會(huì)生長(zhǎng)著一層菌體膜，

14、在支持生長(zhǎng)系統(tǒng)中也有菌體分散在培養(yǎng)液之中。5.按操作方式分類 可分為批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵，但并不是所有的發(fā)酵罐可以同時(shí)適用于這兩種發(fā)酵系統(tǒng)。批發(fā)酵時(shí)，發(fā)酵工藝條件隨營(yíng)養(yǎng)液的消耗和產(chǎn)物的形成而變化。每批發(fā)酵結(jié)束，要放罐清洗和重新滅菌，再開始新一輪的發(fā)酵。批發(fā)酵系統(tǒng)是非穩(wěn)定態(tài)的過程。連續(xù)發(fā)酵時(shí)，新鮮營(yíng)養(yǎng)液連續(xù)流加入發(fā)酵罐內(nèi)，同時(shí)產(chǎn)物連續(xù)地流出發(fā)酵罐。批發(fā)罐的主要優(yōu)點(diǎn)是污染雜菌的比例小，操作靈活性強(qiáng)，可用來(lái)進(jìn)行幾種不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是發(fā)酵罐的非生產(chǎn)停留時(shí)間所占比重大，非穩(wěn)態(tài)工藝過程的設(shè)計(jì)和操作困難。 連續(xù)發(fā)酵的主要的優(yōu)點(diǎn)是可連續(xù)運(yùn)行幾個(gè)月的時(shí)間，非生產(chǎn)時(shí)間很短；缺點(diǎn)是容易染菌，它適用于不易染菌的產(chǎn)品

15、如丙酮、丁醇、酒精、啤酒發(fā)酵等。連續(xù)發(fā)酵還有以下一些優(yōu)點(diǎn)： (1)較高的底物轉(zhuǎn)化系數(shù)。(2)具有較高的反應(yīng)體積速率，這是由于它允許在發(fā)酵初期有較高的底物濃度，因此最終底物濃度也高。(3)不同級(jí)數(shù)的發(fā)酵罐的條件可以不同(如pH、溫度、通氣量等)，特別是底物濃度和加料速度可以變化，以獲得較高的經(jīng)濟(jì)利益。6.其他類型 一個(gè)新型的超濾發(fā)酵罐已開始在未來(lái)發(fā)酵中嶄露頭角。在進(jìn)行時(shí)，成熟的發(fā)酵液通過一個(gè)超濾膜使產(chǎn)物能透過膜進(jìn)行提取，酶可以通過管道返回發(fā)酵罐繼續(xù)發(fā)酵，新鮮的底物可以源源不斷地加入罐內(nèi) (二)通風(fēng)式發(fā)酵罐 1. 標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)式發(fā)酵罐 通風(fēng)式發(fā)酵罐是最廣泛應(yīng)用的深層好氣培養(yǎng)設(shè)備。圖4-25表示的是常用

16、的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸，它常用于面包酵母、抗生素及氨基酸的生產(chǎn)中，有關(guān)的重要因素是氧傳遞效率、功率輸入、混合質(zhì)量、攪拌漿形式和發(fā)酵罐的幾何比例等。發(fā)酵罐最重要的幾何比例是D /Dt，H/Dt， Ds/Di， Db/Dt，(Di為攪拌漿直徑，Dt為罐體直徑， H 為罐體高度，Ds為攪拌漿到罐低的距離， Db為擋板的寬度)；還有攪拌漿的葉輪直徑和各部分的比例。通用發(fā)酵罐的攪拌槳最廣泛使用的是平葉渦輪攪拌槳，國(guó)內(nèi)采用的大多數(shù)是六平葉式，共各部分尺寸比例已規(guī)范化。這種攪拌槳具有很大的循環(huán)液輸送量，功率消耗大，因此特別適用于絲狀菌的發(fā)酵，如青霉素發(fā)酵等，其最大葉端速度范圍是38m/s。 2.改良通風(fēng)式

17、發(fā)酵罐 幾種改良通風(fēng)式發(fā)酵罐是：(1)瓦爾德夫發(fā)酵罐，它裝有一種獨(dú)特的消泡裝置。(2)一種帶有上下兩個(gè)分離攪拌器的發(fā)酵罐。上攪拌采用螺旋槳，用以加強(qiáng)軸向流動(dòng)；下攪拌采用渦輪槳分散氣體，可以提高氧傳遞效率。這種設(shè)計(jì)方法充分發(fā)揮了這兩種攪拌槳的各自特長(zhǎng)。(3)完全填充反應(yīng)器是一種比通氣攪拌罐能更有效地提高氧傳遞效率的發(fā)酵罐。它混合時(shí)間短，即使對(duì)十分黏稠的液體也有同樣效果。它還消除了罐頂?shù)目臻g，空氣在罐內(nèi)的滯留時(shí)間比通氣攪拌罐長(zhǎng)。改良型通風(fēng)式發(fā)酵雖然有一些改進(jìn)，但是它的實(shí)際應(yīng)用卻遠(yuǎn)沒有通風(fēng)發(fā)酵廣泛。 3.攪拌裝置 發(fā)酵罐的攪拌裝置包括機(jī)械攪拌和非機(jī)械攪拌。通風(fēng)發(fā)酵的攪拌裝置包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、攪拌

18、軸、軸密封裝置和攪拌槳。機(jī)械攪拌的目的是迅速分散氣泡和混合加入物料。一個(gè)攪拌槳要同時(shí)達(dá)到這兩個(gè)目的，有時(shí)是矛盾的。例如，達(dá)到混合功能需要大直徑的攪拌器和采用低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，而提高分散氣泡效果則需要多葉片、小直徑和大的轉(zhuǎn)速。 電動(dòng)機(jī)輸入功率決定于攪拌槳形式和其他發(fā)酵罐部件。發(fā)酵罐內(nèi)常安裝4塊擋板以增加混合、傳熱和傳質(zhì)效率。擋板之寬度為發(fā)酵罐直徑的10%12%，擋板越寬則混合效果越好。攪拌功率的計(jì)算一直作為發(fā)酵罐設(shè)計(jì)和放大的一個(gè)重要課題。它是指攪拌槳輸入發(fā)酵液的功率，即攪拌槳在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為克服發(fā)酵液阻力所作的功率，有時(shí)被稱為軸功率。通氣條件下非牛頓流體攪拌功率的計(jì)算常用Michel-Miller公式式中：

19、、與流體黏度有關(guān)的系數(shù)； 通氣功率，kW； 不通氣功率，kW； 攪拌器直徑，m； 通氣量，L/min。 攪拌轉(zhuǎn)速，r/min；23020 .5 6ipn DQQ1gp Q1gp Q4.通氣 在好氣深層發(fā)酵罐中，來(lái)自無(wú)菌空氣系統(tǒng)的壓縮空氣通過空氣分布器射入發(fā)酵罐內(nèi)，分布器有單孔管式和多孔管式。安裝方式各異，一般安裝在最下面一檔攪拌器的下方，但都要注意防止氣孔被發(fā)酵液中的菌體或固體顆粒堵塞。有的空氣分布器帶有放水結(jié)構(gòu)，使放罐后沒有發(fā)酵液殘留在管子里。通氣速度以滿足微生物發(fā)酵的需要為準(zhǔn)，在使溶氧在臨界氧深度之上。它決定于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作?？諝饬魉俚纳舷匏俣仁强諝饽苡行У乇粩嚢铇稚?，這和攪拌槳形式和

20、轉(zhuǎn)速有關(guān)。 表示非牛頓流體的氧傳遞的關(guān)系式如下。是表示發(fā)酵罐通氣攪拌效率的體積氧傳遞系數(shù)。式中：經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，隨攪拌器的形式而改變，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定；單位體積發(fā)酵液實(shí)際消耗的功率(在通氣情況下)；空氣直線速度，m/h；FA發(fā)酵液表觀黏度，kg.s/m2;指數(shù)，與攪拌器和空氣分布器的形式有關(guān)，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。(三)自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵如圖4-26所示，它與通用發(fā)酵罐的主要區(qū)別是：有一個(gè)特殊的攪拌器，攪拌器由轉(zhuǎn)子和定子組成；沒有通氣管。自吸式發(fā)酵罐的攪拌器有幾種：回轉(zhuǎn)翼片式自吸攪拌器；噴射式吸攪拌器；具有轉(zhuǎn)子和定子的自吸攪拌器。 (四)液提式發(fā)酵罐早期發(fā)酵工業(yè)曾出現(xiàn)過許多不同類型的發(fā)酵罐，然而近幾十年

21、來(lái)通氣攪拌罐已成為標(biāo)準(zhǔn)型發(fā)酵了。由于某一發(fā)酵產(chǎn)品固定的和可變的成本是隨工廠生產(chǎn)規(guī)模的增大而減少的，因此現(xiàn)代發(fā)酵罐的大型化給通氣攪拌罐帶來(lái)一系列難以克服的困難，這就是：大于1000kW的機(jī)械攪拌；大量的冷卻水和排除熱量；能量的均勻分布；溶解氧、碳源和其他營(yíng)養(yǎng)與pH控制等。由于這些困難的出現(xiàn)，以后就發(fā)展起在經(jīng)濟(jì)上、工藝上、生物因素等方面比STF更先進(jìn)的新型生化反應(yīng)器。例如英國(guó)的ICI公司采用“壓力循環(huán)發(fā)酵罐”生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白，容積達(dá)26000m3，污水處理工廠，發(fā)酵罐高30m，直徑26m。 圖4-27和圖4-28是具有外循環(huán)冷卻的氣升環(huán)流發(fā)酵罐和Franckowaik氣升環(huán)流發(fā)酵結(jié)構(gòu)。 (五)氣提式

22、發(fā)酵罐空氣壓縮機(jī)是氣提式發(fā)酵罐的重要組成部分，它的效率決定于它的形式，如旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)=80%90%，活塞壓縮機(jī)=74%90%，渦輪壓縮機(jī)=75%80%。壓縮空氣通過空氣分布器進(jìn)入液體后，最初形成的氣泡是由液體劇烈翻動(dòng)來(lái)分散的，所以氣泡分散程度決定于功率消耗速率。如果塔式反應(yīng)器是小的，通氣分布器顯著影響兩相的性質(zhì)。四、空氣凈化系統(tǒng) 微生物在繁殖和耗氧發(fā)酵過程中都需要氧氣，通常以空氣作為氧源?？諝庵泻懈魇礁鳂拥奈⑸铮@些微生物隨著空氣進(jìn)入培養(yǎng)液，在適宜的條件下，它們會(huì)大量繁殖，消耗大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物，干擾甚至破壞預(yù)定發(fā)酵的正常進(jìn)行，使發(fā)酵產(chǎn)品的效價(jià)降低，產(chǎn)量下降，甚至造成發(fā)酵徹

23、底失敗等嚴(yán)重事故。因此，空氣的除菌就成為耗氧發(fā)酵工程上的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。除菌的方法很多，如過濾除菌、熱殺菌、靜電除菌，輻射殺菌等，但各種方法的除菌效果、設(shè)備條件、經(jīng)濟(jì)條件各不相同。所需的除菌程度根據(jù)發(fā)酵工藝要求而定，既要達(dá)到除菌效果，又要盡量簡(jiǎn)化除菌流程，以減少設(shè)備投資和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力消耗?？諝獬褪浅セ驓缈諝庵械奈⑸?。 (一)輻射殺菌從理論上來(lái)說，聲能、高能陰極射線、X射線、射線、射線、紫外線等都能破壞蛋白質(zhì)活性而起殺菌作用。但具體的殺菌機(jī)理研究比較少，了解得較多的是紫外線，它在波長(zhǎng)為226.5328.7mm時(shí)殺菌效力最強(qiáng)，通常用于無(wú)菌室、醫(yī)院手術(shù)室等空氣對(duì)流不大的環(huán)境下殺菌。但殺菌效

24、率較低，殺菌時(shí)間較長(zhǎng)，一般要結(jié)合甲醛蒸氣消毒或苯酚的噴霧等來(lái)保證無(wú)菌室的無(wú)菌程度。(二)熱殺菌熱殺菌是有效、可靠的殺菌方法，但是如果采用蒸汽或電熱來(lái)加熱大量的空氣，以達(dá)到殺菌目的，則需要消耗大量的能源和增設(shè)大量的換熱設(shè)備，這是十分不經(jīng)濟(jì)的。利用空氣壓縮時(shí)放出的熱量進(jìn)行殺菌的實(shí)用流程如圖4-29所示。(三)靜電除塵法靜電除塵法已廣泛應(yīng)用，雖然它的除塵效果不很高，一般在85%99%之間，但由于它消耗能量小，使用得當(dāng)，每處理1000m3的空氣每小時(shí)只需電0.20.8kW。空氣的壓頭損失小，一般只在39196Pa，設(shè)備也不大。常用于超凈工作臺(tái)，超凈工作室所需無(wú)菌無(wú)塵空氣的第一次除塵，配合高效過濾器使用

25、。靜電除塵是利用靜電引力來(lái)吸咐帶電粒子而達(dá)到除菌除塵的目的。懸浮于空氣中的微生物，微生物孢子大多帶有不同的電荷，沒有帶電荷的微粒在進(jìn)入高壓靜電場(chǎng)時(shí)都會(huì)被電離變成帶電微粒，但對(duì)于一些直徑很小的微粒，它們所帶的電荷很小，當(dāng)產(chǎn)生的引力等于或小于氣流對(duì)微粒的拖帶力或微粒布朗擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量時(shí)，則微粒就不能被吸咐而沉降，所以靜電除塵對(duì)很小的微粒較低。(四)過濾除菌法 過濾除菌是目前發(fā)酵工業(yè)中經(jīng)濟(jì)實(shí)用的空氣除菌方法，它是采用定期滅菌的介質(zhì)來(lái)阻截流過的空氣所含的微生物，而取得無(wú)菌空氣，常用的過濾介質(zhì)有棉花、活性炭或玻璃纖維、有機(jī)合成纖維、有機(jī)和無(wú)機(jī)燒結(jié)材料等等。由于被過濾的氣溶膠中微生物的粒子很小，一般只有0

26、.52m，而過濾介質(zhì)的材料一般孔徑都大于微粒直徑的幾倍到幾十倍，因此，過濾機(jī)理比較復(fù)雜。同時(shí)，由于空氣在壓縮過程中帶入的油霧和水蒸汽冷凝的水霧影響，使過濾的因素變化更多。當(dāng)過濾介質(zhì)孔隙小于或被過濾的微粒直徑時(shí)，通常稱為絕對(duì)過濾。隨著工業(yè)的發(fā)展，過濾介質(zhì)逐漸由天然材料棉花過濾到玻璃纖維、細(xì)玻璃纖維和其他澆結(jié)材料的過濾介質(zhì)及微孔超濾膜的絕對(duì)過濾。目前，在許多發(fā)酵工廠運(yùn)用膜材質(zhì)進(jìn)行空氣除菌，獲得了較好的效果。五、培養(yǎng)基滅菌系統(tǒng) 發(fā)酵生產(chǎn)要求純種培養(yǎng)，不僅斜面、種子和培養(yǎng)基以及發(fā)酵罐、管道須經(jīng)滅菌除去各種雜菌，而且在需氧發(fā)酵中通入的空氣也須經(jīng)除菌處理，只有這樣才能確保生產(chǎn)不受雜菌污染。稍有不慎，雜菌進(jìn)

27、入發(fā)酵體系，與生產(chǎn)菌爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)物，輕則引起產(chǎn)品產(chǎn)量銳減，質(zhì)量降低，后處理困難；重則整個(gè)培養(yǎng)液變質(zhì)，成噸培養(yǎng)基報(bào)廢，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重；特別是污染上噬菌體，嚴(yán)重的會(huì)引起工廠倒閉。因此，生產(chǎn)前對(duì)設(shè)備管道要進(jìn)行嚴(yán)格的清洗、滅菌，發(fā)酵生產(chǎn)中使用的培養(yǎng)基和通入的空氣，也必須預(yù)先嚴(yán)格滅菌。培養(yǎng)基滅菌的方法有加壓蒸汽滅菌、常壓濕熱滅菌、干熱滅菌、輻射滅菌、細(xì)菌濾器過濾除菌、化學(xué)試劑消毒等法。但大規(guī)模工來(lái)最常用的是加熱蒸汽滅菌，此法又分為間歇法和連續(xù)法 (一)培養(yǎng)基滅菌的流程 圖4-30所示為培養(yǎng)液連續(xù)滅菌流程。糖液經(jīng)配料后由調(diào)漿缸放出，加入約0.01%消泡劑，用連消泵送入連消塔底端，料液被加熱到滅菌溫度383403

28、K，由頂部注出，進(jìn)入維持罐，維持825min，由維持罐上部側(cè)面流出，維持罐內(nèi)最后的培養(yǎng)液由底部排盡，經(jīng)噴淋冷器冷卻到發(fā)酵溫度。圖4-32為噴射加熱連續(xù)滅菌流程。蒸汽直接噴入培養(yǎng)液，因此培養(yǎng)液急速上升到預(yù)定滅菌溫度，在此溫度下的保溫時(shí)間由保溫段管子的長(zhǎng)度來(lái)保證。滅菌后培養(yǎng)液通過一膨脹閥進(jìn)入真空冷卻器急速冷卻。由噴射加熱、管道維持、真空冷卻組成的連續(xù)滅菌流程，由于受熱時(shí)間短，所以可把溫度升高到413K而不引起培養(yǎng)液的嚴(yán)重破壞。此流程能保證培養(yǎng)液先進(jìn)先出，避免過熱或滅菌不透現(xiàn)象。真空系統(tǒng)要求嚴(yán)格密封，以免重新污染。圖4-32為薄板換熱器連續(xù)滅菌流程。培養(yǎng)基在設(shè)備中同時(shí)完成預(yù)熱，、滅菌及冷卻過程，蒸汽

29、加熱使培養(yǎng)液的溫度升高，經(jīng)維持段保溫一段時(shí)間，然后在薄板換熱器的另一段冷卻。雖然加熱和冷卻生培養(yǎng)液所需時(shí)間比使用噴射式連續(xù)滅菌稍長(zhǎng)，但滅菌周期則比間歇滅菌小很多，由于生培養(yǎng)基的預(yù)熱過程即滅菌培養(yǎng)基的冷卻過程，所以節(jié)約了蒸汽及冷卻水量。六、產(chǎn)物分離與提取設(shè)備 (一)過濾與離心分離設(shè)備在發(fā)酵和釀造工業(yè)中，液固分離是極為重要的一個(gè)單元操作，從原料的處理到產(chǎn)品的提取、精制等都涉及到懸浮液的分離問題。根據(jù)懸浮液性質(zhì)的不同，其分離方法也不同，分離方法基本上有三種，即沉降、過濾和離心分離。如果將懸浮液放在一設(shè)備中加以靜置，經(jīng)過一段時(shí)間以后，懸浮的顆粒便沉降于底部，這種分離方法叫沉降。由于它利用的是重力，故又

30、叫重力沉降。啤酒廠的麥芽法冷卻澄清槽就是利用重力沉降方法使澄清麥芽法和冷卻凝固物分離。利用重力分離懸浮液的特點(diǎn)是能量消耗少，但沉降速度慢，設(shè)備龐大。因此，這種分離方法多用于處理量較大、固體量少、顆粒大的混合液，在發(fā)酵工廠用得不多。如果將懸液加到一個(gè)裝有過濾介質(zhì)的容器中，那么液體將通過過濾介質(zhì)，而懸浮固體則被截留在介質(zhì)之上，這種分離兩相混合物的方法叫做過濾。根據(jù)推動(dòng)力的不同，過濾有常壓過濾，加壓過濾、真空過濾和離心過濾之分。前三種過濾可統(tǒng)稱為壓力差過濾。1.常壓過濾 它是靠懸浮液的液位差來(lái)進(jìn)行過濾的，推動(dòng)力的大小由液位高決定，麥芽法過濾槽和沙濾即屬此類設(shè)備。因?yàn)檫@種方法推動(dòng)力不大，所以過濾緩慢，

31、生產(chǎn)能力低。但由于設(shè)備簡(jiǎn)單，濾液質(zhì)量穩(wěn)定，所以對(duì)于生產(chǎn)能力不大廠的或固體含量小而易過濾的懸浮液仍然采用。2.加壓過濾 它是利用壓縮空氣或往復(fù)泵、離心泵等輸送懸浮液所形成的壓力作為過濾的推動(dòng)力，一般可為(2949)104Pa。在待過濾懸浮液中，固形物含量為50%左右，而要求濾液較清亮的情況下都可采用這種方法過濾。由于加壓過濾的推動(dòng)力大，所以過濾速度快，適用于濾液黏度大、顆粒度細(xì)、可壓縮性的各類物料，如發(fā)酵液的除菌便可用此法。板框過濾機(jī)、氣壓式過濾機(jī)和加壓葉片過濾機(jī)等都屬于這一種。板框過濾機(jī)用的歷史較長(zhǎng)，直到現(xiàn)在不少發(fā)酵工廠仍普遍使用。3.真空過濾 在過濾介質(zhì)的濾液一側(cè)建立適當(dāng)?shù)恼婵?，以增大推?dòng)力

32、，壓力差通常不超過8.34104Pa，使濾液通過過濾介質(zhì)，固體微粒濾機(jī)，真空葉片過濾機(jī)等，可用于某些發(fā)酵液如檸檬酸發(fā)酵液的除菌處理。4.離心過濾 利用高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心作為過濾的推動(dòng)力，使懸浮液中固體顆粒與液體分離。對(duì)于固體含量較高的物料更為有效，某些發(fā)酵產(chǎn)品，如味精、檸檬酸、葡萄糖等含晶狀固體的懸浮液脫水多用此法。此類設(shè)備有三足式離心機(jī)等、錐蘭式離心機(jī)、活塞漿沖卸料離心機(jī)等。對(duì)于一些高度分散的懸浮液或懸濁液(由兩種重度相近的液體組成)，如酵母液和氨基酸發(fā)酵液的菌體分離可用高速離心機(jī)或超高速離心機(jī)，如酵母分離機(jī)、管式離心機(jī)等。發(fā)酵工廠應(yīng)用的過濾設(shè)備種類繁多，但各類設(shè)備均對(duì)物料適應(yīng)性有一定

33、限制，必須根據(jù)過濾介質(zhì)和對(duì)濾液要求的不同而選用不同過濾設(shè)備。(二)干燥設(shè)備工業(yè)發(fā)酵的固體產(chǎn)品，如味精、酶制劑、檸檬酸、酵母等，都需要進(jìn)行干燥，以除去物料中的水分，使產(chǎn)品方便保存與運(yùn)輸。按熱源和供熱方式不同，干燥方法有下面幾種：1.空氣干燥 利用加熱后的熱空氣，將熱量帶入干燥器并傳給物料。這種方法主要是利用對(duì)流傳熱方式向濕物料供熱，使物料中的水分汽化，形成水蒸氣同時(shí)被空氣帶走，故空氣既是載熱體，也是載濕體，這種方法獲得最廣泛的應(yīng)用，如氣流干燥、沸騰干燥、噴霧干燥等均屬于這類。2.加熱而傳熱干燥 利用物料與熱表面接觸的方法傳熱冷濕物料，即接觸干燥法。在此情況下，必須用空氣帶走從物料中汽化的水分，故空氣是載濕體，如真