厭氧發(fā)酵設備

1、第五章第五章 厭氧發(fā)酵設備厭氧發(fā)酵設備 發(fā)酵設備是生物工廠中最主要的設備，發(fā)酵設備必須具有適宜微生物生長和形成產(chǎn)物的各種條件，促進微生物的新陳代謝，使之能在低消耗下獲得較高產(chǎn)量。因此發(fā)酵設備必須具備微生物生長的基本條件。例如：需要維持合適的培養(yǎng)溫度，要求有不同程度的無菌度，結構應盡可能簡單，便于滅菌和清洗。由于微生物主要分嫌氣和好氣兩大類，故發(fā)酵設備也分為兩大類：嫌氣發(fā)酵設備和通風發(fā)酵設備。嫌氣發(fā)酵設備常用于酒精、啤酒、丙酮、丁醇等嫌氣發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)。其特點是在發(fā)酵過程中不需通入氧氣或空氣，有時需通入二氧化碳或氮氣等惰性氣體以保持罐內(nèi)正壓，防止染菌。酒精發(fā)酵罐和啤酒發(fā)酵罐是最常見的嫌氣發(fā)酵設備

2、，本章以其為例重點介紹。第一節(jié) 酒精發(fā)酵罐一、酒精發(fā)酵罐的結構及操作1、酒精發(fā)酵罐的結構酒精發(fā)酵罐通?？煞譃槊荛]式和開放式兩種，目前大多數(shù)工廠都采用密閉式發(fā)酵罐。密閉式酒精發(fā)酵罐的優(yōu)點是：可以防止雜菌感染、便于保溫冷卻及控制發(fā)酵溫度、酒精產(chǎn)量多、損失少、可回收、發(fā)酵率高。密閉式酒精發(fā)酵罐的缺點是結構較復雜、造價較貴。酒精發(fā)酵罐罐身為圓柱形，罐頂和罐底均為錐形或碟形。罐頂裝有人孔、視鏡、排料管、接種管、二氧化碳回收管、壓力表和各種測量儀表接口管等。罐底裝有排料管、排污管。罐身上下部裝有溫度計和取樣器。罐內(nèi)常裝有供加熱殺菌用的直接蒸汽管。為了便于維修和清洗，對于大型酒精發(fā)酵罐。往往在近罐底也設有人

3、孔。酒精發(fā)酵罐的結構酒精發(fā)酵罐的結構發(fā)酵罐的冷卻裝置，對于中小型發(fā)酵罐，多采用罐外壁噴淋膜狀冷卻。對于大型發(fā)酵罐，罐內(nèi)裝冷卻蛇管或罐內(nèi)蛇管和罐外噴淋聯(lián)合冷卻裝置。此外，也有采用罐外列管式噴淋冷卻的方法。酒精發(fā)酵罐工作時，罐內(nèi)不同高度的發(fā)酵液中二氧化碳含量有所不同，發(fā)酵液中形成一個二氧化碳含量的濃度梯度。一般罐底液層氣泡密集程度較高，發(fā)酵液相對密度小。罐上部液層二氧化碳氣泡密集程度較低，發(fā)酵液相對密度大。于是相對密度小的底部發(fā)酵液就具有上浮的提升力。同時，上升的二氧化碳氣泡對周圍的液體也具有一種拖曳力，拖曳力和液體上浮的提升力相結合則構成氣體攪拌作用，使罐內(nèi)發(fā)酵液不斷循環(huán)混合和熱交換。因此，酒精

4、發(fā)酵罐一般不配置機械攪拌器。但當發(fā)酵罐容量較大，罐內(nèi)產(chǎn)生的二氧化碳氣量較少時可配置側向攪拌器。酒精發(fā)酵罐的洗滌，過去均由人工操作，不僅勞動強度大，而且二氧化碳氣體一旦未徹底排除，工人入罐清洗就會發(fā)生中毒事故。近年來，酒精發(fā)酵罐已逐步采用水力噴射洗滌裝置。水力噴射洗滌裝置是由一根兩頭裝有噴嘴的灑水管組成，噴水管兩端彎有一定的弧度，噴水管上均勻地鉆有一定數(shù)量的小孔。噴水管安裝時呈水平，噴水管借活絡接頭和固定供水管連接。它是借噴水管兩端噴嘴以一定的噴出速度噴射時形成的反作用力，使噴水管自動旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中，噴水管內(nèi)的洗滌水由噴水孔均勻噴灑在罐壁、罐頂和罐底上，從而達到水力洗滌的目的。水力噴射洗滌裝

5、置2、酒精發(fā)酵罐的尺寸3、酒精發(fā)酵罐的操作（1）操作注意事項進料前，要對設備、管道、管件徹底滅菌。接種時，嚴格按照無菌操作的規(guī)程操作，以免帶入雜菌。 發(fā)酵過程中嚴密監(jiān)控溫度的變化，確保在最適要求范圍。無論何種酵母菌，都有最適生長和發(fā)酵溫度，避免延長發(fā)酵周期、菌種衰老或降低產(chǎn)品得率。定期觀察設備、管道和管件的運行狀況，嚴防跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，避免雜菌感染。 定期或在線檢查發(fā)酵醪理化指標，如發(fā)現(xiàn)異常發(fā)酵，一定要按照操作規(guī)程規(guī)定之措施及時予以調(diào)整。對于間歇發(fā)酵，發(fā)酵結束出罐后，對發(fā)酵罐徹底滅菌。（2）酒精異常發(fā)酵及產(chǎn)生原因和處理方法酸度增高，鏡檢有雜菌，殘余還原糖高。產(chǎn)生原因：發(fā)酵罐或管道、閥門、泵

6、有死角，清洗不干凈，滅菌不徹底。糖化劑或酵母染菌；發(fā)酵溫度偏高。預防和處理方法：注意發(fā)酵罐、管道、閥門、泵等的清洗和滅菌；消除死角；保證糖化劑和酵母質(zhì)量；控制發(fā)酵溫度。殘余還原糖過高。產(chǎn)生原因：酵母質(zhì)量不高、蒸煮過度或發(fā)酵溫度過高。預防和處理方法：分析酵母質(zhì)量不高的原因并采取相應措施，適當降低蒸煮溫度和縮短蒸煮時間，控制發(fā)酵溫度。二、酒精連續(xù)發(fā)酵設備連續(xù)發(fā)酵是在發(fā)酵罐內(nèi)連續(xù)不斷地流加培養(yǎng)液，同時又連續(xù)不斷地排出發(fā)酵液，使發(fā)酵罐中的微生物一直維持在生長加速期。同時又降低了代謝產(chǎn)物的積累，培養(yǎng)液濃度和代謝產(chǎn)品含量具有相對的穩(wěn)定性，微生物在整個發(fā)酵過程中始終維持在穩(wěn)定狀態(tài)，細胞處于均質(zhì)狀態(tài)。其優(yōu)點是

7、：發(fā)酵周期短、設備利用率高、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量較高、節(jié)省人力和物力、生產(chǎn)管理穩(wěn)定、便于自動化生產(chǎn)。二、酒精連續(xù)發(fā)酵設備盡管連續(xù)發(fā)酵具有上述優(yōu)點，但在實際生產(chǎn)中,連續(xù)發(fā)酵仍未能全部代替間歇發(fā)酵，原因是：長期連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)中，遇到了微生物的突變和雜菌污染問題，出現(xiàn)了發(fā)酵液在連續(xù)流動過程中的不均勻性和絲狀菌在管道中的流動困難，以及對微生物動態(tài)方面的活動規(guī)律還缺乏足夠的認識等。酒精連續(xù)發(fā)酵的方式是從最初的單罐連續(xù)發(fā)酵發(fā)展到多罐的串聯(lián)連續(xù)發(fā)酵。目前，我國的糖蜜原料制酒精及淀粉質(zhì)原料制酒精的連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)是采用多罐串聯(lián)連續(xù)發(fā)酵。二、酒精連續(xù)發(fā)酵設備1、糖蜜原料制酒精的連續(xù)發(fā)酵設備該流程由9個發(fā)酵罐組成，酵母和糖蜜

8、同時連續(xù)流加入1號罐內(nèi)，并依次流經(jīng)各罐，最后從9號罐排出。除了在酒母槽通入空氣之外，在1號罐內(nèi)也同樣通入適量的空氣，或增大酵母接種量，維持1號罐內(nèi)工藝所要求的酵母數(shù)。連續(xù)發(fā)酵周期結束，則儲存于每罐的發(fā)酵液，先從末罐按逆向順序依次排出，入蒸餾塔蒸餾。而空罐則依次進行清洗滅菌待用。二氧化碳則由各罐罐頂排入總匯集罐，再送往二氧化碳車間，進行綜合利用。糖蜜原料制酒精的連續(xù)發(fā)酵設備糖蜜原料制酒精的連續(xù)發(fā)酵設備按目前的流程裝置和工藝條件，連續(xù)發(fā)酵周期可達20d左右，甚至更長。發(fā)酵過程中，如發(fā)酵液中維持酵母數(shù)在（0.6-1）億個Ml,發(fā)酵只需32h，發(fā)酵液中酒精含量可達9%-10%,發(fā)酵率約為85%，二、酒

9、精連續(xù)發(fā)酵設備2、淀粉質(zhì)原料制酒精的連續(xù)發(fā)酵設備該流程由11個發(fā)酵罐組成，借連通管將各互相連接，糖化醪和液曲混合液同時連續(xù)平行流入前3罐，在發(fā)酵過程中，發(fā)酵液由罐底流出，經(jīng)連通管進入另一罐的上部，其余依次類推，最后流入最末的兩罐計量，并輪流用泵送往蒸餾工段。發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的二氧化碳氣體借帶有控制閥門的U形支管和總管相連，并引向液沫捕集器經(jīng)分離除去泡沫后，再通過一個鼓泡式的水洗滌塔，經(jīng)回收酒精后排入大氣或二氧化碳綜合利用車間。各發(fā)酵罐都是密閉的，各罐底均有和總排污管相連接的排污支管，該管和蒸汽管相通，以便消毒和殺菌。為盡可能減少染菌的概率，發(fā)酵罐和管道、管件以及閥門等都必須嚴格地進行消毒和殺菌

10、。連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)中，冷卻裝置面積滿足酵母對數(shù)生長期的降溫，維持恒定的發(fā)酵溫度。第二節(jié) 啤酒發(fā)酵罐近年來，啤酒發(fā)酵設備向大型、室外、聯(lián)合的方向發(fā)展。迄今為止，使用的大型發(fā)酵罐容量已達1500m3。大型化的目的是：由于大型化，使啤酒質(zhì)量均一化。 由于啤酒生產(chǎn)的罐數(shù)減少，使生產(chǎn)合理化，降低了主要設備的投資。啤酒發(fā)酵容器的變遷過程，大概可分為三個方面：一是發(fā)酵容器材料的變化；二是開放式發(fā)酵容器向密閉式轉(zhuǎn)換。三是密閉容器的演變。容器的材料由陶器向木材、水泥、金屬材料演變。我國大多數(shù)啤酒發(fā)酵容器為內(nèi)有涂料的鋼筋水泥槽，新建的大型容器一般使用不銹鋼。小規(guī)模生產(chǎn)時一般用開放式，上面沒有蓋子，對發(fā)酵的管理、泡沫形

11、態(tài)的觀察和發(fā)酵液濃度的測定等比較方便。隨著啤酒生產(chǎn)規(guī)模的擴大，發(fā)酵容器已開始大型化，并為密閉式。密閉式最大問題是發(fā)酵時被氣泡帶到表面的泡蓋的處理，開放發(fā)酵便于撇取，密閉容器人孔較小，難以撇取，可用吸取法分離泡蓋。對于密閉容器，原來是在開放式長方形容器上面加穹形蓋子的密閉發(fā)酵罐槽，后過渡到用鋼板、不銹鋼或鋁制的臥式圓筒形發(fā)酵罐，后來出現(xiàn)的是立式圓筒體錐底發(fā)酵罐。這種罐是20世紀初期瑞士的奈坦（Nathan）發(fā)明的所以又稱奈坦式發(fā)酵罐。常見的大容量發(fā)酵罐有圓筒體錐底發(fā)酵罐、聯(lián)合罐、朝日罐和塔式發(fā)酵罐等。一、圓筒體錐底發(fā)酵罐1、特點（1）優(yōu)點錐底罐是密閉罐，既可做發(fā)酵罐，又可做儲酒罐。也可用二氧化碳

12、洗滌，除去生青氣味，促進啤酒的成熟。同時，由于可采取加壓、升溫的操作，生產(chǎn)靈活性大，可以縮短發(fā)酵周期。自身有冷卻裝置，可有效地控制發(fā)酵溫度，尤其是錐底部有冷卻夾套，便于回收酵母，也可置于室外以節(jié)約冷庫面積，降低投資費用。有自動清洗設備，染菌機會少，有利于無菌操作。由于是加壓密閉發(fā)酵，減少了酒花苦味質(zhì)的損失，可降低酒花使用量15%左右，在加壓密閉條件下，二氧化碳溶解較好，啤酒的泡沫較好，泡持性有所改善。易于實現(xiàn)自動化。（2）缺點及改進措施酒液澄清慢，尤其在麥芽汁成分有缺陷，或酵母凝集差時，影響過濾，排酵母時酒液損失大。解決辦法是采用高速離心機分離酵母。主發(fā)酵時產(chǎn)生大量泡沫，罐利用率只有80-85

13、%。因此，應適當降低麥汁含氧量，以減少泡沫的形成。使用菌種與高泡的產(chǎn)生也有關系，特別是菌種使用的前幾代，因發(fā)酵力強，甚至降低麥芽汁含氧量也難以克服高泡問題，此時應適當減少酵母添加量或采取加壓發(fā)酵以控制高泡。錐底罐液層高，由于流體靜壓的關系，二氧化碳在酒內(nèi)形成濃度梯度，液面和底部的二氧化碳含量相差很大，以致酒內(nèi)二氧化碳含量不均勻。改進措施是：盡量控制罐的高度，以縮小濃度差，也可在罐的中部裝設出酒口，以改善酒的質(zhì)量。2、結構錐底罐用不銹鋼板制成，罐頂裝有人孔、視鏡、安全閥、壓力表、二氧化碳排出口。罐內(nèi)上部裝有不銹鋼可旋轉(zhuǎn)噴射洗滌器，罐中、下部及罐底各配有數(shù)條帶形冷卻夾套，為了強化傳熱，夾套可采用螺

14、旋管帶或帶形蛇管。罐中、下部還裝有取樣和溫度計接管。罐底可裝有凈化的二氧化碳充氣管。2、結構圓筒體錐底罐其直徑D 與圓筒體高度H之比范圍較大，根據(jù)實踐經(jīng)驗D:H=1：(26)均可取得良好的發(fā)酵效果,但一般罐體不宜過高,特別在未設酵母離心機的情況下更不宜過高，不然，酵母沉降困難，影響過濾。按國內(nèi)目前設備情況，控制直徑與圓筒高度之比在D:H=1：(24)是恰當?shù)?。錐底角度一般采用60-85以有利于酵母的排除。容量通常根據(jù)糖化麥芽汁產(chǎn)量的總體積，再加20%容量體積做發(fā)酵時泡沫空間，一般是12-15h充滿一罐。容量擴大10倍，建造費用只增加4-5倍。清洗系統(tǒng)大型發(fā)酵罐和儲酒設備的機械洗滌，現(xiàn)在多使用自

15、動清洗系統(tǒng)，簡稱CIP系統(tǒng)（clean in place），系統(tǒng)設有堿液罐、熱水罐、甲醛溶液罐和循環(huán)用的管道和泵。洗滌劑可以反復使用，濃度不足時可以調(diào)整。使用時先將50-80熱堿液（3-5%NaOH），用泵經(jīng)管道送往發(fā)酵罐，儲酒罐中的高壓旋轉(zhuǎn)不銹鋼噴頭，使積垢在液流高壓沖擊的物理作用與洗滌劑溶解污垢的化學作用相結合的條件下，迅速溶于洗滌劑內(nèi)，達到清洗的效果。洗滌后堿液流回儲槽，每次循環(huán)時間應不少于5min，而后再分別用泵送熱水、清水、甲醛液、按工藝要求交替清洗二、聯(lián)合罐聯(lián)合罐，又稱通用罐。在發(fā)酵生產(chǎn)上的用途與錐形罐相同，既可做發(fā)酵罐，又可做儲酒罐，也能用于多罐法和一罐法生產(chǎn)。聯(lián)合罐對縮短生產(chǎn)周

16、期、節(jié)省投資和生產(chǎn)費用有顯著效果。聯(lián)合罐為直立圓柱形罐，頂部封頭為橢球形或碟形，底部封頭為錐形或淺錐形，以便回收酵母等沉淀物和排除洗滌水，因其表面積與容量之比較小，罐的造價較低。罐的中上部設有一段雙層冷卻板，采用乙二醇溶液或液氨冷卻。由于冷卻夾套在中上部，上部酒液冷卻后，密度增加，沿罐壁下降，底部酒液從罐中心上升，形成對流，使罐內(nèi)溫度均勻。為了加強酒液冷卻時的自然對流，在罐的底部酵母層的上方設置一個二氧化碳噴射環(huán)，當二氧化碳在罐中心向上鼓泡時，酒液運動使底部出口處的酵母濃度增加，便于回收。三、朝日罐朝日罐又稱朝日單一釀槽，它是1972年日本朝日啤酒公司試制成功的前發(fā)酵和后發(fā)酵合一的室外大型發(fā)酵

17、罐，解決了沉淀困難，縮短了儲藏啤酒的成熟期。（1）優(yōu)點利用薄板熱交換器順利地解決了從主發(fā)酵到后發(fā)酵啤酒溫度的控制問題。 利用酵母離心機分離酵母，可以解決酵母沉淀慢的缺點。利用間歇的循環(huán)泵把罐內(nèi)的發(fā)酵液抽出來再送回去，使發(fā)酵液中更多的二氧化碳釋放出來，排除啤酒中的生味物質(zhì)，加速啤酒的后熟。（2）缺點：動力消耗大，冷耗稍多。四、啤酒連續(xù)發(fā)酵設備啤酒的連續(xù)發(fā)酵是20世紀初開始研究，20世紀50年代逐漸發(fā)展成工業(yè)化的一種快速發(fā)酵方法。特點是采用較高的溫度，保持旺盛的酵母層，麥汁發(fā)酵周期短。已投入生產(chǎn)使用的連續(xù)發(fā)酵方法有塔式連續(xù)發(fā)酵和多罐式連續(xù)發(fā)酵。啤酒酵母的絮凝性能及沉淀能力是影響發(fā)酵的兩個重要因素，

18、進行塔式連續(xù)發(fā)酵需要采用高絮凝性的酵母，使用固定化啤酒酵母進行連續(xù)發(fā)酵的研究效果較好，前景樂觀。1. 多罐式啤酒連續(xù)發(fā)酵多罐式啤酒連續(xù)發(fā)酵有三罐式、四罐式連續(xù)發(fā)酵流程。三罐式流程是將經(jīng)過殺菌、冷卻的麥芽汁，通過柱式供氧器充氧，流向兩個帶有攪拌器發(fā)酵罐5中!加入酵母，攪拌均勻，保持21發(fā)酵1013h，當麥芽糖消耗2/3時，經(jīng)發(fā)酵罐5發(fā)酵的啤酒和酵母混合液，借液位差溢流入發(fā)酵罐6中，24 保溫發(fā)酵，最后流入酵母分離罐7，在罐內(nèi)被冷卻到5，自然沉降的酵母從罐底部排出，二氧化碳從罐上部排出，成熟啤酒從側管溢流到儲酒罐中儲存，成熟后過濾灌裝。這種連續(xù)發(fā)酵流程規(guī)模已擴大到每天生產(chǎn)啤酒能力為2585t，在產(chǎn)品質(zhì)量上、理化指標和傳統(tǒng)發(fā)酵啤酒沒有明顯區(qū)別，但動力消耗較大。2. 塔式啤酒連續(xù)發(fā)酵塔式連續(xù)發(fā)酵罐是英國APV公司20世紀60 年代設計的，又稱APV塔式連續(xù)發(fā)酵罐