第二章 嫌氣發(fā)酵設(shè)備-1

第二章嫌氣發(fā)酵設(shè)備

概述生物培養(yǎng)發(fā)酵分嫌氣和好氣兩大類，發(fā)酵設(shè)備也分為兩大類：

1、通風(fēng)發(fā)酵罐：谷氨酸、檸檬酸、酶制劑和抗菌素等產(chǎn)品，在發(fā)酵過(guò)程中需不斷通入無(wú)菌空氣

2、嫌氣發(fā)酵設(shè)備：酒精、啤酒和丙酮、丁醇等產(chǎn)品，過(guò)程無(wú)需通風(fēng)

密閉厭氧發(fā)酵罐

對(duì)這類發(fā)酵罐的要求是：能封閉；能承受一定壓力；有冷卻設(shè)備；罐內(nèi)盡量減少裝置，消滅死角，便于清洗滅菌。酒精和啤酒都屬于嫌氣發(fā)酵產(chǎn)物，其發(fā)酵罐因不需要通入昂貴的無(wú)菌空氣，因此在設(shè)備放大、制造和操作時(shí)，都比好氣發(fā)酵設(shè)備簡(jiǎn)單得多。本章主要內(nèi)容一、酒精發(fā)酵罐：結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)計(jì)算二、啤酒發(fā)酵罐：錐形發(fā)酵罐第一節(jié)酒精發(fā)酵設(shè)備一、酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)：酒精發(fā)酵工藝：淀粉質(zhì)原料→蒸煮糖化→酒精發(fā)酵欲獲得較高的轉(zhuǎn)化率，必須滿足酵母生產(chǎn)和代謝的必要工藝條件。包括一定的生化反應(yīng)時(shí)間和溫度。酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)1.罐體部分：筒體、錐底、錐蓋2.降溫部分：內(nèi)盤管、外噴淋3.各種操作接口：4.清洗部分：水力噴射

1.罐體部分：筒體、錐底、錐蓋2.降溫部分：內(nèi)盤管、外噴淋3.各種操作接口：4.清洗部分：水力噴射發(fā)酵的冷卻裝置對(duì)于中小型發(fā)酵罐，多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面進(jìn)行膜狀冷卻；對(duì)于大型發(fā)酵罐，罐內(nèi)裝有冷卻蛇管或罐內(nèi)蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻裝置，為避免發(fā)酵車間的潮濕和積水，要求在罐體底部沿罐體四周裝有集水槽。采用罐外列管式噴淋冷卻的方法，具有冷卻發(fā)酵液均勻，冷卻效率高等優(yōu)點(diǎn)。

（噴射）水力洗滌裝置1）水力洗滌裝置的必要性：安全、文明、衛(wèi)生。2）裝置類型：水力洗滌裝置高壓噴射水力洗滌裝置

水力噴射洗滌裝置

酒精發(fā)酵罐南陽(yáng)天冠酒精集團(tuán)公司

二、酒精發(fā)酵罐的計(jì)算（一）發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)尺寸的確定

1、發(fā)酵罐全體積可按下式計(jì)算：

式中V——發(fā)酵罐的全體積，m3；

V0——進(jìn)入發(fā)酵罐的發(fā)酵液量，m3；

φ——裝液系數(shù)，可取0.85～0.90。發(fā)酵罐全體積帶有錐形底、蓋的圓柱形發(fā)酵罐全體積為

D——罐的直徑，m；

H——罐的圓柱部分高度，m；

h1——罐底高度，m；

h2——罐蓋高度，m。

尺寸關(guān)系：

H=1.1～1.5D，

h1=0.1~0.14D，

h2=0.05～0.1D

根據(jù)發(fā)酵罐的全體積V和徑高比H／D等，即可確定發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)尺寸。材料：普通鋼板。2、結(jié)構(gòu)尺寸的確定（二）發(fā)酵罐罐數(shù)的確定對(duì)于間歇發(fā)酵，發(fā)酵罐罐數(shù)可按下式計(jì)算：式中N——發(fā)酵罐個(gè)數(shù)，個(gè)；

n——每24h內(nèi)進(jìn)行加料的發(fā)酵罐數(shù)目，個(gè)

t——一次發(fā)酵周期所需時(shí)間，h。

1——其中一個(gè)備用

（三）發(fā)酵罐冷卻面積計(jì)算

發(fā)酵罐冷卻面積的計(jì)算可按傳熱基本方程式來(lái)確定，即：式中Q——總的發(fā)酵熱，J／h；

K——傳熱總系數(shù)，J/（m2·h·℃）；

ΔTm——對(duì)數(shù)平均溫度差，℃；

A——冷卻面積，m21．總的發(fā)酵熱Q微生物在嫌氣發(fā)酵過(guò)程中總的發(fā)酵熱

Q=Q1-Q2-Q3Q1——生物合成熱

Q2——蒸發(fā)損失熱

Q3——罐壁散失熱

（1）微生物的生物合成熱Q1

Q1是由維持微生物生命活動(dòng)的呼吸熱、促進(jìn)微生物增殖的繁殖熱以及微生物形成代謝產(chǎn)物的發(fā)酵熱所組成，難以準(zhǔn)確計(jì)算。一般采用實(shí)驗(yàn)法；對(duì)于酒精、啤酒等嫌氣發(fā)酵的發(fā)酵熱，一般按發(fā)酵最旺盛時(shí)單位時(shí)間糖度降低的百分值來(lái)計(jì)算，通常以消耗1kg麥芽糖發(fā)酵放出的熱量約為418.6kJ為計(jì)算基準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)法測(cè)定生物合成熱1、小型試驗(yàn)罐，可在發(fā)酵最旺盛時(shí)，測(cè)定其冷卻水的進(jìn)出口溫度和單位時(shí)內(nèi)的耗水量，從而得出小罐的放熱量Q1’。

式中Q1’——小型試驗(yàn)罐的放熱量，J/h；

W——冷卻水的消耗量，kg/h；

Cp——冷卻水的平均比熱容，J/（kg·℃）；

t2——冷卻水的出口溫度，℃；

t1——冷卻水的進(jìn)口溫度，℃。2、大生產(chǎn)

由所得Q1’的熱量，再擴(kuò)大應(yīng)用到生產(chǎn)罐上，則生產(chǎn)罐的熱量Q1為：

（J／h）式中V1’——小型試驗(yàn)罐中發(fā)酵液的體積，m3；

V1——生產(chǎn)罐中發(fā)酵液的體積，m3。

與糖液濃度、發(fā)酵程度好壞有關(guān)除間接測(cè)定外，目前還難具體計(jì)算，一般計(jì)算時(shí)可取Q1的5％～6％左右。

（2）代謝氣體帶走的蒸發(fā)熱量Q2（3）散失熱量Q3

這部分熱量由對(duì)流和輻射組成，具體計(jì)算可參閱有關(guān)資料?？偟陌l(fā)酵熱

Q=Q1-（Q2＋Q3）2．對(duì)數(shù)平均溫度差ΔTm的計(jì)算TF——主發(fā)酵時(shí)的發(fā)酵溫度（℃）；T1，T2——分別為冷卻水進(jìn)出口溫度（℃）。

K包括：發(fā)酵液到蛇管壁的傳熱分系數(shù)K1

冷卻管壁到冷卻水的傳熱分系數(shù)K2

冷卻管壁傳熱系數(shù)K3

冷卻管壁水垢?jìng)鳠嵯禂?shù)K4一般情況下，K3和K4可以忽略

3．傳熱總系數(shù)K的確定發(fā)酵液到蛇管壁的傳熱分系數(shù)K1

對(duì)酒精發(fā)酵而言，其K1值可取2300～2700kJ／（m2·h·℃）。從冷卻管壁到冷卻水的傳熱分系數(shù)K2

(1)、盤管方式：可用下列簡(jiǎn)化式計(jì)算：

kJ/（m2·h·℃）

A——常數(shù)，水溫20℃時(shí)，取6.45；

ρ——水的密度，kg/m3；

v——蛇管內(nèi)水的流速，m/s；

D——蛇管直徑，m；

R——蛇管圈的半徑，m。

ρ1——噴淋密度，kg/（m·h）；

Dm——罐外徑，m。

本式適用于噴淋密度在100～1500kg/（m·h）范圍內(nèi)。

（2）罐外壁噴淋冷卻發(fā)酵罐冷卻面積計(jì)算確定了上述各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)后，即可算出冷卻面積，然后對(duì)冷卻裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后確定實(shí)際傳熱面積。4．冷卻水耗量的計(jì)算由熱平衡方程式得；QA＝QBQA——酒精或其他發(fā)酵產(chǎn)品的總發(fā)酵熱，J／h；

QB——冷卻水帶走的熱量，J／h。

W——冷卻水消耗量，kg／h；

cP——冷卻水平均溫度(T2+T1)/2時(shí)的比熱容，J/(kg·℃）

T2，T1——分別為冷卻水進(jìn)出口溫度，℃。四、酒精發(fā)酵設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)題目要求，發(fā)酵罐設(shè)計(jì)包括：

1）發(fā)酵罐的數(shù)量和體積

2）主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定

3）降溫水用量

4）冷卻面積及其裝置的設(shè)計(jì)

5）其他：接口、洗滌裝置、支座等的設(shè)計(jì)

6）畫出技術(shù)裝配圖紙第二節(jié)啤酒發(fā)酵設(shè)備

啤酒發(fā)酵工藝：

麥芽→糖化（生產(chǎn)麥芽汁）→前發(fā)酵→后發(fā)酵→濾酒→生啤、瓶啤特點(diǎn)：1、發(fā)酵液即是產(chǎn)品

2、溫度低：前發(fā)酵12-15℃，后發(fā)酵0--2℃3、周期長(zhǎng)：20—30天

4、衛(wèi)生符合飲食標(biāo)準(zhǔn)

一、啤酒發(fā)酵設(shè)備的演變發(fā)展

1、發(fā)酵容器材料的變化：水泥→防腐碳鋼→不銹鋼

2、開放式發(fā)酵容器向密閉式轉(zhuǎn)換。

3、密閉容器的演變：開放式發(fā)酵容器+蓋子→密閉壓力容器（臥式圓筒形發(fā)酵罐、立式圓筒錐底發(fā)酵罐啤酒發(fā)酵設(shè)備的演變發(fā)展4、由室內(nèi)小型化向大型、室外發(fā)展，主要是大型化的室外立式罐。優(yōu)點(diǎn)：①由于大型化，使啤酒質(zhì)量均一化。②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。③生產(chǎn)效率高。

5、設(shè)備清洗由人工被自動(dòng)化、程序化清洗系統(tǒng)取代。CIP自動(dòng)清洗系統(tǒng)。

6、由人工控制向計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制發(fā)展二、新型啤酒發(fā)酵設(shè)備前發(fā)酵：發(fā)酵得到嫩啤酒后發(fā)酵（貯酒）：主要完成嫩啤酒的繼續(xù)發(fā)酵，并飽和二氧化碳，促進(jìn)啤酒的穩(wěn)定、澄清和成熟。后發(fā)酵要維持比前發(fā)酵更低的溫度，一般要求0～2℃，特殊產(chǎn)品要求達(dá)到-2℃左右。后發(fā)酵過(guò)程殘?zhí)禽^低，發(fā)酵溫和，產(chǎn)生發(fā)酵熱較少。二、新型啤酒發(fā)酵設(shè)備

——圓筒體錐底發(fā)酵罐（錐形罐）

錐形罐已廣泛用于上面或下面發(fā)酵啤酒生產(chǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：

單獨(dú)用于前發(fā)酵或后發(fā)酵（二罐法），還可以將前、后發(fā)酵合并在該罐進(jìn)行（一罐法）；能縮短發(fā)酵時(shí)間；便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、生產(chǎn)效率高、靈活，置于室外降低建筑投資等。能適合于生產(chǎn)各種類型啤酒的要求。

啤酒發(fā)酵罐群圖錐形罐結(jié)構(gòu)圖

1、罐體

2、工藝操作接口

3、溫控裝置

4、清洗裝置

（一）圓柱錐底發(fā)酵罐的特點(diǎn)（1）該罐具有錐底，主發(fā)酵后回收酵母方便。（2）圓柱錐形罐具有相當(dāng)高度，凝聚力較強(qiáng)的酵母可以沉淀，凝聚性差的酵母就需要離心分離。（3）圓柱錐底罐是密閉罐，既可以作發(fā)酵罐，也可以作貯酒罐。由于是密閉罐，可以回收二氧化碳，CO2氣體由罐頂排出罐外并收集。（4）罐內(nèi)的發(fā)酵液，由于罐體高度而產(chǎn)生的二氧化碳梯度，以及冷卻方位的控制，可以形成自下而上或自上而下的自然對(duì)流。（5）罐本身具有冷卻夾套，冷卻面積能夠滿足工藝上的降溫要求。（二）圓柱錐底發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)

1、發(fā)酵罐上要安裝安全閥

2、發(fā)酵罐上要安裝真空安全閥1-上升管（CO2、壓縮空氣、CIP）2-氣液分離器3-壓力安全閥（過(guò)壓閥）4-真空安全閥5-噴頭6-CIP清洗附件罐內(nèi)真空罐內(nèi)真空主要是系列的發(fā)酵罐在密閉條件下轉(zhuǎn)罐或進(jìn)行內(nèi)部清洗時(shí)造成的。大型發(fā)酵罐放料的速度很快造成一定的負(fù)壓。罐內(nèi)留存一部分CO2氣體，在進(jìn)行清洗時(shí)，CO2有被除去的可能，所以也可能造成真空。罐內(nèi)真空大型真空發(fā)酵罐應(yīng)設(shè)防止真空的裝置。真空安全閥的作用是允許空氣進(jìn)入罐內(nèi)，以建立罐內(nèi)外壓力的平衡。罐內(nèi)CO2的除去量可根據(jù)進(jìn)入的清洗液的堿含量算出，并進(jìn)一步計(jì)算出需要進(jìn)入罐內(nèi)的空氣量。3.罐主體（1）相對(duì)尺寸：筒體高徑比：H:D=3-4:1

錐底角度：60—850（2）材料：不銹鋼（3）設(shè)計(jì)壓力：p=p工(1+10%)4.罐內(nèi)的對(duì)流與熱交換發(fā)酵罐中發(fā)酵液的對(duì)流主要依靠其中CO2的作用。在整個(gè)錐形罐的發(fā)酵液中形成一個(gè)CO2含量的梯度。比重較小的發(fā)酵液具有上浮的提升力。而且在發(fā)酵時(shí)上升的二氧化碳?xì)馀輰?duì)周圍的液體具有一種拖曳力。罐內(nèi)的對(duì)流與熱交換由于拖曳力和提升力結(jié)合后所造成的氣體攪拌作用，使罐的內(nèi)容物得到循環(huán)，促進(jìn)了發(fā)酵液的混合相熱交換。冷卻操作時(shí)啤酒溫度的變化也會(huì)引起罐的內(nèi)容物的對(duì)流循環(huán)。4.罐內(nèi)的對(duì)流和熱交換問(wèn)題

1-二氧化碳排出2-洗滌器3-冷卻夾套4-加壓或真空裝置5-人孔6-發(fā)酵液面7-冷凍劑進(jìn)口8-冷凍劑出口9-溫度控制記錄器10-溫度計(jì)11-取樣口12-麥汁管路13-嫩啤酒管路14-酵母排出15-洗滌劑管路5、錐形罐的冷卻a-全夾套冷卻b-帶式夾套冷卻c-間接蛇管夾套冷卻d-直接蛇管夾套冷卻

間接蛇管夾套冷卻

直接蛇管夾套冷卻6、罐的保溫為了減少土建費(fèi)用和節(jié)省冷量，錐形罐宜放置在露天（錐底部分可設(shè)置在室內(nèi)），露天的罐體則應(yīng)做好保溫設(shè)施。所用絕緣材料應(yīng)具有導(dǎo)熱系數(shù)低、體積質(zhì)量低、吸水率低和不易燃等特性。常用的保溫材料：聚苯乙烯泡沫塑料，聚酰氨樹脂，膨脹珍珠巖。絕緣材料外部需設(shè)一外防護(hù)層。一般采用鋁合金板或薄型不銹鋼板，以瓦楞型板材較美觀，受歡迎。7、罐的材質(zhì)目前發(fā)酵罐普遍采用的材質(zhì)是不銹鋼，耐氯腐蝕；或用鋼板，內(nèi)涂環(huán)氧樹脂涂料。較前者約便宜25％，噴涂方便。間或也有采用爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板者，內(nèi)層鋼板，外層不銹鋼板，其復(fù)合界面必須達(dá)到要求的結(jié)合率，其價(jià)格較不銹鋼板便宜。

影響發(fā)酵設(shè)備造價(jià)的因素發(fā)酵設(shè)備大小、形式、操作壓力及所需的冷卻工作負(fù)荷。容器的形式主要指其單位容積所需的表面積，以m2/100L表示，這是影