5厭氧發(fā)酵設(shè)備

1、第五章第五章 厭氧發(fā)酵設(shè)備厭氧發(fā)酵設(shè)備 發(fā)酵設(shè)備是生物工廠中最主要的設(shè)備，發(fā)酵設(shè)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(jìn)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(shè)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(jié)構(gòu)應(yīng)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(shè)備也分為兩大類：嫌氣發(fā)酵設(shè)備和通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備。嫌氣發(fā)酵設(shè)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(diǎn)是在發(fā)酵過程中不需通入氧氣或空氣，有時(shí)需通入二氧化碳或氮?dú)獾榷栊詺怏w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(shè)備

2、，本章以其為例重點(diǎn)介紹。第一節(jié) 酒精發(fā)酵罐一、酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及操作1、酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、造價(jià)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(jì)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(shè)有人

3、孔。酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)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(shí)，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(gè)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?xì)馀菝芗潭容^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(shí)，上升的二氧化碳?xì)馀輰χ車囊后w也具有一種拖曳力，拖曳力和液體上浮的提升力相結(jié)合則構(gòu)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(jī)械攪拌器。但當(dāng)發(fā)酵罐容量較大，罐內(nèi)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)饬枯^少時(shí)可配置側(cè)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(dòng)強(qiáng)度大，而且二氧化碳?xì)怏w一旦未徹底排除，工人入罐清洗就會(huì)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(shí)呈水平，噴水管借活絡(luò)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(shí)形成的反作用力，使噴水管自動(dòng)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(dá)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(xiàng)進(jìn)料前，要對設(shè)備、管道、管件徹底滅菌。接種時(shí)，嚴(yán)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(yán)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(shè)備、管道和管件的運(yùn)行狀況，嚴(yán)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(biāo)，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(shí)予以調(diào)整。對于間歇發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)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(yù)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(yù)防和處理方法：分析酵母質(zhì)量不高的原因并采取相應(yīng)措施，適當(dāng)降低蒸煮溫度和縮短蒸煮時(shí)間，控制發(fā)酵溫度。二、酒精連續(xù)發(fā)酵設(shè)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(shí)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(shí)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(gè)發(fā)酵過程中始終維持在穩(wěn)定狀態(tài)，細(xì)胞處于均質(zhì)狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)是

7、：發(fā)酵周期短、設(shè)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(dòng)化生產(chǎn)。二、酒精連續(xù)發(fā)酵設(shè)備盡管連續(xù)發(fā)酵具有上述優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)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(dòng)過程中的不均勻性和絲狀菌在管道中的流動(dòng)困難，以及對微生物動(dòng)態(tài)方面的活動(dòng)規(guī)律還缺乏足夠的認(rèn)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(shè)備1、糖蜜原料制酒精的連續(xù)發(fā)酵設(shè)備該流程由9個(gè)發(fā)酵罐組成，酵母和糖蜜

8、同時(shí)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(jié)束，則儲(chǔ)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(jìn)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(jìn)行綜合利用。糖蜜原料制酒精的連續(xù)發(fā)酵設(shè)備糖蜜原料制酒精的連續(xù)發(fā)酵設(shè)備按目前的流程裝置和工藝條件，連續(xù)發(fā)酵周期可達(dá)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(gè)Ml,發(fā)酵只需32h，發(fā)酵液中酒精含量可達(dá)9%-10%,發(fā)酵率約為85%，二、酒

9、精連續(xù)發(fā)酵設(shè)備2、淀粉質(zhì)原料制酒精的連續(xù)發(fā)酵設(shè)備該流程由11個(gè)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(shí)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(jìn)入另一罐的上部，其余依次類推，最后流入最末的兩罐計(jì)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?xì)怏w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(gè)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(yán)格地進(jìn)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(shè)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(dá)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(shè)備的投資。啤酒發(fā)酵容器的變遷過程，大概可分為三個(gè)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(shí)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(kuò)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(shí)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(jì)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(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)錐底罐是密閉罐，既可做發(fā)酵罐，又可做儲(chǔ)酒罐。也可用二氧化碳

12、洗滌，除去生青氣味，促進(jìn)啤酒的成熟。同時(shí)，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(fèi)用。有自動(dòng)清洗設(shè)備，染菌機(jī)會(huì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。（2）缺點(diǎn)及改進(jìn)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(shí)，影響過濾，排酵母時(shí)酒液損失大。解決辦法是采用高速離心機(jī)分離酵母。主發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生大量泡沫，罐利用率只有80-85

13、%。因此，應(yīng)適當(dāng)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(guān)系，特別是菌種使用的前幾代，因發(fā)酵力強(qiáng)，甚至降低麥芽汁含氧量也難以克服高泡問題，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)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(guān)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(jìn)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(shè)出酒口，以改善酒的質(zhì)量。2、結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jì)接管。罐底可裝有凈化的二氧化碳充氣管。2、結(jié)構(gòu)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(shè)酵母離心機(jī)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(shè)備情況，控制直徑與圓筒高度之比在D:H=1：(24)是恰當(dāng)?shù)摹ｅF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(shí)泡沫空間，一般是12-15h充滿一罐。容量擴(kuò)大10倍，建造費(fèi)用只增加4-5倍。清洗系統(tǒng)大型發(fā)酵罐和儲(chǔ)酒設(shè)備的機(jī)械洗滌，現(xiàn)在多使用自

15、動(dòng)清洗系統(tǒng)，簡稱CIP系統(tǒng)（clean in place），系統(tǒng)設(shè)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(fù)使用，濃度不足時(shí)可以調(diào)整。使用時(shí)先將50-80熱堿液（3-5%NaOH），用泵經(jīng)管道送往發(fā)酵罐，儲(chǔ)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(xué)作用相結(jié)合的條件下，迅速溶于洗滌劑內(nèi)，達(dá)到清洗的效果。洗滌后堿液流回儲(chǔ)槽，每次循環(huán)時(shí)間應(yīng)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(chǔ)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(fèi)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(jià)較低。罐的中上部設(shè)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(qiáng)酒液冷卻時(shí)的自然對流，在罐的底部酵母層的上方設(shè)置一個(gè)二氧化碳噴射環(huán)，當(dāng)二氧化碳在罐中心向上鼓泡時(shí)，酒液運(yùn)動(dòng)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(chǔ)藏啤酒的成熟期。（1）優(yōu)點(diǎn)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(jī)分離酵母，可以解決酵母沉淀慢的缺點(diǎn)。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(diǎn)：動(dòng)力消耗大，冷耗稍多。四、啤酒連續(xù)發(fā)酵設(shè)備啤酒的連續(xù)發(fā)酵是20世紀(jì)初開始研究，20世紀(jì)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(diǎn)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(gè)重要因素，

18、進(jìn)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(jìn)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(gè)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(dāng)麥芽糖消耗2/3時(shí)，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(cè)管溢流到儲(chǔ)酒罐中儲(chǔ)存，成熟后過濾灌裝。這種連續(xù)發(fā)酵流程規(guī)模已擴(kuò)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(biāo)和傳統(tǒng)發(fā)酵啤酒沒有明顯區(qū)別，但動(dòng)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(jì)60 年代設(shè)計(jì)的，又稱APV塔式連續(xù)發(fā)酵罐