第四章 嫌氣發(fā)酵設(shè)備

發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠主要的設(shè)備，應(yīng)具備適宜微生物生長和形成產(chǎn)物的各種條件，并在低能耗下獲得較高的產(chǎn)量。微生物分嫌氣和好氧兩大類，故發(fā)酵罐也可分為兩類。區(qū)別在于好氣發(fā)酵要通入空氣，以提供氧。目前，國內(nèi)外發(fā)酵罐的發(fā)展趨勢是向大型化、連續(xù)化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。第四章嫌氣發(fā)酵設(shè)備第一節(jié)酒精發(fā)酵設(shè)備一傳統(tǒng)酒精發(fā)酵罐采用圓柱形筒體，蝶形或錐形封頭。封頂有二氧化碳回收管、人孔、視鏡、進(jìn)料口、接種口、壓力表口；封底有排料口和排污口；筒體有取樣口、溫度計(jì)口、冷卻水進(jìn)、出口。溫度控制：中小型罐采用罐外噴淋冷卻；大型罐采用罐內(nèi)蛇管或與罐外噴淋相結(jié)合的冷卻方式。清洗方式：人工清洗、機(jī)械清洗水力清洗裝置：噴水管兩頭彎成一定的弧度并裝有噴嘴，管上開有小孔，當(dāng)噴嘴以一定的速度噴出水時(shí)，反作用力使噴水管旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到對(duì)罐內(nèi)各個(gè)部位水力洗滌的目的。缺點(diǎn)是水壓不大時(shí)，水力噴射強(qiáng)度和均勻度都不理想。若在原有水力噴射裝置的基礎(chǔ)上，安裝一根直立的噴水管，管上鉆有小孔，洗滌水壓在0.6～0.8MPa，洗滌效果可大大提高。二新型大容量酒精發(fā)酵罐（1500m3）筒體H/D=1.5左右，采用斜底或錐底，頂部為錐頂，罐直徑在11米左右，夾套冷卻。由于罐太大，因此中心部位降溫和底部循環(huán)困難?？刹捎脙煞N不同的措施：1、采用中心降溫水柱對(duì)罐中心醪液進(jìn)行降溫，側(cè)攪拌或連通器加泵循環(huán)來改善混合和滯留問題；2、采用罐外螺旋板換熱器循環(huán)來解決降溫和循環(huán)兩個(gè)問題；三酒精發(fā)酵罐的計(jì)算（一）發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)尺寸的確定容積：V=V0/φV0—進(jìn)入發(fā)酵罐的發(fā)酵液量（m3）

φ—裝液系數(shù)，取0.85-0.9

若采用錐形封頭，則：

V=πD2（H+h1/3+h2/3）/4（m3）

H—圓柱部分高度（m）

D—罐的直徑（m）

h1—

封底高度（m）

h2—

封頂高度（m）尺寸關(guān)系：

H=1.1-1.5Dh1=0.1-0.14Dh2=0.05-0.1D(二)罐數(shù)的確定

N=nt/24+1(個(gè))

n—每24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行加料的發(fā)酵罐個(gè)數(shù)

t—一次發(fā)酵周期所需時(shí)間（h）(三)發(fā)酵罐冷卻面積計(jì)算

A=F/KΔtm(m2)1、總的發(fā)酵熱Q

由生物合成熱Q1、蒸發(fā)熱損失Q2、罐壁向周圍散熱Q3組成?？偀崃縌=Q1-（Q2+Q3

）（1）Q1計(jì)算有兩種計(jì)算方法

a、按發(fā)酵旺盛期糖度下降的百分值來計(jì)算：

Q1=GSqq=418600Jb、根據(jù)冷卻水來計(jì)算：

Q1=WCp（t2-t1）（2）蒸發(fā)熱Q2Q2=5%-6%Q1（3）罐壁向周圍散熱Q3Q3=Fαc(tW-tB)tW—罐壁最高溫度

tB—所在地區(qū)夏季平均溫度C=4.882、對(duì)數(shù)平均溫度差Δtm的計(jì)算

Δtm=

t1、t2—分別為冷卻水進(jìn)出口溫度

tF

—

主發(fā)酵時(shí)的發(fā)酵溫度

（tF-t1）-（tF-t2）ln(tF-t1)/(tF-t2)3、傳熱總系數(shù)K值確定

K=λ—鋼管導(dǎo)熱系數(shù)

S—鋼管壁厚

α阻—水污垢層熱阻

α1—發(fā)酵液到蛇管壁的傳熱分系數(shù)取值為2300-2700KJ/（m2h℃）

11/α1+1/α2+S/λ+1/α阻α2

—冷卻管壁到冷卻水的傳熱分系數(shù)蛇管冷卻：A—常數(shù)，水溫20時(shí)，取6.45ω—蛇管內(nèi)水的流速（m/s）d—蛇管直徑（m）R—蛇管圈的半徑（m）ρ—水的密度（kg/m3）

罐外噴淋冷卻：

α2=167[KJ/（m2h℃）]G—噴淋密度[kg/（mh）]Dm—罐外徑（m）

本式適用于噴淋密度在100-1500kg/（mh）的范圍內(nèi)。G0.4Dm0.8

4、冷卻水耗量的計(jì)算

W=QB/Cp(t2-t1)(kg/h)Cp

—冷卻水的比熱[J/(kg℃)]t2、t1—分別為冷卻水進(jìn)出口溫度

QB—冷卻水帶走的熱量(J/h)四代謝終產(chǎn)物抑制消除方法消除或減輕代謝終產(chǎn)物的抑制是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。對(duì)于酒精發(fā)酵來說：酒精濃度大于2%時(shí)，即表現(xiàn)出抑制作用；酒精濃度大于8%時(shí)，酵母的繁殖就停止了。要保持發(fā)酵的快速進(jìn)行，通常認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)酒精濃度控制在3%以內(nèi)，這就要求不斷地分離移去酒精。消除方法有：真空發(fā)酵、萃取發(fā)酵、膜蒸發(fā)發(fā)酵、二氧化碳?xì)馓岚l(fā)酵等。1、真空發(fā)酵：原理：發(fā)酵過程中保持一定的真空度，發(fā)酵液處于沸騰狀態(tài)，酒精被蒸餾出來。主要設(shè)備有發(fā)酵罐、發(fā)酵蒸發(fā)器、總凝器、分凝器、收集器、真空泵。優(yōu)點(diǎn)：糖濃度提高3倍，發(fā)酵時(shí)間縮短1/3；酒糟、水、蒸汽都有減少；生產(chǎn)能力、設(shè)備利用率提高；酒精濃度可達(dá)33%。缺點(diǎn)：能耗大、設(shè)備真空操作負(fù)荷大、操作費(fèi)用高、負(fù)壓操作容易引起雜菌污染。2、萃取發(fā)酵：具有能耗低、操作簡便易行的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)酵和萃取在同一反應(yīng)器中進(jìn)行：采用固定化細(xì)胞技術(shù)，選擇合適無毒的萃取劑。發(fā)酵和萃取分開進(jìn)行：（1）膜萃?。簩l(fā)酵液取出，以三聚磷酸丁酯為萃取相，在中空纖維膜反應(yīng)器中萃取。（2）二氧化碳超臨界萃取：發(fā)酵液逆向通過超臨界二氧化碳萃取柱，富含酒精的超臨界流體通過活性炭柱吸附分離酒精。3、吸附法將吸附劑直接加到發(fā)酵液中或讓發(fā)酵液循環(huán)通過一個(gè)疏水性的分子篩吸附柱來吸附酒精。一般可采用疏水性硅沸石作為吸附劑，采用這種方法發(fā)酵時(shí)間可縮短30%。4、透析膜法采用對(duì)酒精有選擇性透過的多孔性膜，分離發(fā)酵液中的酒精來降低發(fā)酵液中的酒精濃度。5、二氧化碳?xì)馓岱ɡ冒l(fā)酵過程中產(chǎn)生的二氧化碳，通過循環(huán)壓縮機(jī)加壓后，送回發(fā)酵罐氣提發(fā)酵產(chǎn)生的酒精，在0℃冷卻飽和了酒精和水蒸氣的二氧化碳，再由活性炭填充柱吸附酒精，纖維素填充柱吸附水。生產(chǎn)能力提高27%。6、膜蒸發(fā)法由發(fā)酵循環(huán)和膜蒸發(fā)兩個(gè)獨(dú)立的循環(huán)回路組成，兩個(gè)回路通過一個(gè)可調(diào)優(yōu)的內(nèi)回路連接。第二節(jié)啤酒發(fā)酵設(shè)備

啤酒發(fā)酵設(shè)備趨于向大型化、露天化、聯(lián)合的方向發(fā)展。變遷過程：

1、材料由陶器到木材、水泥、金屬；

2、開放式向密閉式轉(zhuǎn)變；

3、臥式方形槽向立式圓筒錐底罐轉(zhuǎn)變；一、啤酒前、后酵發(fā)酵設(shè)備及計(jì)算（一）前發(fā)酵設(shè)備

前發(fā)酵槽為方形開口式或密閉式設(shè)備，均置于室內(nèi)，材料內(nèi)涂保護(hù)層。蛇管或排管冷卻，冷卻面積0.2m2/m3發(fā)酵液，0-2℃冰水冷卻。密閉式:具有回收二氧化碳、減少前發(fā)酵室內(nèi)耗冷量以及減少雜菌污染機(jī)會(huì)的優(yōu)點(diǎn)。室內(nèi)采用空調(diào)制冷，實(shí)施冷風(fēng)再循環(huán)。開口式：室內(nèi)裝二氧化碳排除裝置，排管冷卻，補(bǔ)充10%新鮮空氣的再循環(huán)方式。發(fā)酵室：四周墻壁和頂棚采用較好的絕熱材料，地面有一定的坡度，頂棚應(yīng)建成傾斜或光滑弧面，空間不應(yīng)太高。（二）前發(fā)酵槽的計(jì)算數(shù)目：N=nt容納一次麥汁量

N=nt/z容納Z次麥汁量容積：V=ZV0/φφ取0.8-0.85

產(chǎn)熱量：Q=εΔsqρ/24t[J/(m3h)]ε—放熱不平衡系數(shù)，取1.3-1.5Δs—主酵期單位時(shí)間降糖百分率

q—發(fā)酵1kg麥芽糖放熱量（418.6kJ/kg）（三）后發(fā)酵設(shè)備貯酒罐，完成嫩啤酒的繼續(xù)發(fā)酵，并飽和二氧化碳，促進(jìn)啤酒穩(wěn)定、澄清和成熟。后發(fā)酵溫和，產(chǎn)生熱量少，故罐內(nèi)一般無須裝冷卻裝置，熱量借室內(nèi)低溫帶走。金屬的圓筒形密閉容器，有臥式和立式兩種。由于罐內(nèi)需飽和二氧化碳，故應(yīng)制成耐壓容器。材料：碳鋼內(nèi)涂防腐層、鋁板、復(fù)合鋼板。（四）后發(fā)酵槽的計(jì)算后酵槽容積應(yīng)滿足一個(gè)或幾個(gè)糖化批次的裝料量。一天的過濾量要和后酵槽的數(shù)量匹配，不能濾到一半停下來。數(shù)量：N=V/Vs

容積：V0=Vs/φ(m3)φ—0.9-0.95V—總有效容積(m3)Vs—每個(gè)后酵槽有效容積(m3)二、新型啤酒發(fā)酵設(shè)備（一）圓筒體錐底發(fā)酵罐用于上面及下面啤酒發(fā)酵，前后酵可合并在該罐內(nèi)進(jìn)行。室外放置，節(jié)省投資。優(yōu)點(diǎn)：能縮短發(fā)酵時(shí)間，生產(chǎn)靈活。長圓筒形，H/D=4，上部是碟形封頭，下部是錐形底。封頭上有：壓力安全閥、真空安全閥、二氧化碳回收，排氣、CIP共用一個(gè)進(jìn)口，由一根管道通到操作間再分支。上面發(fā)酵啤酒：采用上面酵母。發(fā)酵過程中，酵母浮到發(fā)酵面上，發(fā)酵溫度15-20℃。啤酒的香味突出。下面發(fā)酵啤酒----采用下面酵母。發(fā)酵完畢，酵母凝聚沉淀到發(fā)酵容器底部，發(fā)酵溫度5-10℃。啤酒的香味柔和。世界上絕大部分國家采用下面發(fā)酵啤酒。我國的啤酒均為下面發(fā)酵啤酒，其中的著名啤酒有青島啤酒、五星啤酒等。錐底有：取樣管、啤酒出口、二氧化碳通氣管。筒體上有冷卻帶、溫度探頭，外包保溫層。冷媒多采用乙二醇、酒精溶液或液氨直接蒸發(fā)來冷卻。罐的容量與糖化能力相匹配，以12-15小時(shí)內(nèi)滿罐為宜。由于后酵要進(jìn)行二氧化碳飽和，因此應(yīng)做成耐壓罐，利用壓力及真空安全閥來保證安全受壓。壓力過大是由于麥汁進(jìn)罐時(shí)未將排氣口打開，導(dǎo)致罐內(nèi)氣體排不出去；發(fā)酵過程中產(chǎn)生大量的二氧化碳也排不出去。真空產(chǎn)生的原因是：放罐時(shí)未開排氣閥；CIP清洗時(shí)，罐內(nèi)二氧化碳與清洗劑NaOH反應(yīng)，造成罐內(nèi)真空；清洗后罐內(nèi)溫度太高，蒸汽較多，突然采用冷水清洗，蒸汽冷凝，造成罐內(nèi)真空。利用發(fā)酵過程中產(chǎn)生的二氧化碳以及不同高度上的溫度差，可引起罐內(nèi)液體的對(duì)流和熱交換。錐形罐的冷卻夾套分為2-4段，錐底部分也應(yīng)有冷卻夾套，夾套有多種形式：扣槽鋼、扣角鋼、扣半管、蜂窩夾套、環(huán)行冷卻帶等。產(chǎn)熱最高峰時(shí)放熱量0.86×4.186kJ/(L·h)。（二）聯(lián)合罐這是一種具有較淺錐底的大直徑發(fā)酵罐，H/D=1.1-1.3，能在罐內(nèi)進(jìn)行機(jī)械攪拌，并具有冷卻裝置?？蛇M(jìn)行多種形式的啤酒發(fā)酵，稱為通用罐。由薄層豎直圓筒體、拱形頂和有足夠斜度以除去酵母的錐底組成。多數(shù)用不銹鋼制作。特殊的基礎(chǔ)保證經(jīng)受10級(jí)地震。冷卻帶采用一段位于罐中上部的雙層冷卻板，罐外用聚尼烷作保溫層。（三）朝日罐這是由不銹鋼制作的斜底圓柱形發(fā)酵罐，H/D=1-2。外設(shè)冷卻夾套包圍罐身和罐底。內(nèi)設(shè)帶轉(zhuǎn)軸的可移動(dòng)排液管，可保證酒液中二氧化碳均一。特點(diǎn)：利用離心機(jī)回收酵母，利用薄板冷卻器降溫，利用循環(huán)泵將發(fā)酵液抽出再送回。這樣可縮短發(fā)酵時(shí)間，解決酵母沉降慢的缺點(diǎn)，提高設(shè)備利用率，酒損可減小，但動(dòng)力消耗大。三、CIP清洗系統(tǒng)CIP是CleanInPlace(原位清洗)的簡稱。固定式CIP系統(tǒng)由清水罐、酸罐、堿罐、廢堿罐、泵、加熱器組成。通過罐頂?shù)腃IP噴頭噴出高壓水柱來對(duì)罐內(nèi)各個(gè)角落進(jìn)行清洗。有固定式和旋轉(zhuǎn)式。主要步驟有：CO2回收、水沖、通空氣、接入CIP系統(tǒng)、水洗、廢堿洗、堿洗、水洗、酸洗、水洗、殺菌水沖。第三節(jié)葡萄酒發(fā)酵設(shè)備葡萄酒根據(jù)種類不同可分為帶皮發(fā)酵如：紅葡萄酒、去皮發(fā)酵如：白葡萄酒。這樣，在設(shè)備上對(duì)于帶皮發(fā)酵來說，要使用翻拌裝置，同時(shí)還要使用容易排出皮、渣的裝置。連續(xù)發(fā)酵工藝：產(chǎn)量大、質(zhì)量差；熱浸提工藝：質(zhì)量優(yōu)，但對(duì)原料要求高；旋轉(zhuǎn)罐發(fā)酵工藝：產(chǎn)量大、質(zhì)量優(yōu)；一、旋轉(zhuǎn)罐臥式圓筒，可繞水平軸線回轉(zhuǎn)；一頭為錐形封頭，另一頭為碟形封頭。長徑比為1.3-1.7，由于加工精度及動(dòng)平衡的因素，罐直徑不能太大，導(dǎo)致罐體積不能超過35m3。旋轉(zhuǎn)罐在工作中依靠托輪支撐，沿罐體上的滾圈進(jìn)行回轉(zhuǎn)。間歇操作，每天運(yùn)轉(zhuǎn)2次，每次正逆轉(zhuǎn)3-5分鐘，轉(zhuǎn)速1-2轉(zhuǎn)/分。電動(dòng)機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿減速后，再經(jīng)一級(jí)套筒滾子鏈傳動(dòng)帶動(dòng)罐體旋轉(zhuǎn)。罐體緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于內(nèi)螺旋帶的作用，對(duì)皮渣進(jìn)行了攪動(dòng)；發(fā)酵結(jié)束時(shí)，發(fā)酵液通過罐體篩板和閥門放出，然后轉(zhuǎn)動(dòng)罐體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排渣，皮渣經(jīng)罐錐體的人孔排除。優(yōu)點(diǎn)：可有效地快速提取有效成分，大大地提高成酒的質(zhì)量，發(fā)酵時(shí)間可降低30-50%。該設(shè)備在法國、西班牙等歐洲國家使用。二、多功能發(fā)酵罐用途：用于優(yōu)質(zhì)葡萄酒和小漿果酒的發(fā)酵，葡萄破碎和果汁分離。設(shè)備具有攪拌刮渣裝置和熱交換系統(tǒng)，自動(dòng)出渣。電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速后，由鏈傳動(dòng)裝置帶動(dòng)內(nèi)部鏈條及刮板運(yùn)動(dòng)。刮板在罐內(nèi)作迂回運(yùn)動(dòng)，起到攪拌、壓榨、出渣作用。優(yōu)點(diǎn)：浸提完全、能避免雜菌污染、酒精及香味成分損失少，出汁率高，時(shí)間短，自動(dòng)出渣，溫度容易控制。第四節(jié)連續(xù)發(fā)酵間歇發(fā)酵是微生物要在一個(gè)罐中完成四個(gè)階段的培養(yǎng)過程，但是第一和第四個(gè)過程生產(chǎn)和代謝十分緩慢。這將導(dǎo)致發(fā)酵周期長、能耗增加、設(shè)備利用率低、設(shè)備數(shù)量多等問題。連續(xù)發(fā)酵是在罐內(nèi)連續(xù)的補(bǔ)充培養(yǎng)液，同時(shí)不斷地將產(chǎn)物排出，使罐中的微生物一直處于對(duì)數(shù)生長期。具有發(fā)酵周期縮短，設(shè)備利用率和產(chǎn)量提高，生產(chǎn)穩(wěn)定，便于實(shí)施自動(dòng)化，節(jié)省人力和物力等優(yōu)點(diǎn)。特點(diǎn)：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)，可用數(shù)學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)公式來表達(dá)連續(xù)發(fā)酵在穩(wěn)定條件下，微生物生長速度，代謝產(chǎn)物、底物濃度和流加速度之間的關(guān)系。借以選定過程控制的參數(shù)。反應(yīng)時(shí)間是連續(xù)生產(chǎn)中關(guān)鍵的一個(gè)參數(shù)之一，它決定了設(shè)備的大小、長度、級(jí)數(shù)。一、單罐連續(xù)發(fā)酵的發(fā)酵時(shí)間

-=μ(a-x)積分后得：

t=lg

S0，S分別表示發(fā)酵開始和經(jīng)發(fā)酵時(shí)間T后的發(fā)酵基質(zhì)濃度。

μ為比生長速率dXdt2.303μS0S二、理論罐數(shù)的確定一般采用圖解法確定連續(xù)發(fā)酵的理論罐數(shù)。與蒸餾塔理論板數(shù)的圖解法一樣。方法：在間歇發(fā)酵中全程測定每一間隔的產(chǎn)物濃度X，得到發(fā)酵曲線，從曲線的原點(diǎn)作物料平衡線，斜率為F/V，和曲線交于A點(diǎn)，該點(diǎn)的橫坐標(biāo)X1為第一個(gè)罐出口的產(chǎn)物濃度。再從X1出發(fā)作同樣斜率的直線，與曲線交于B點(diǎn)，該點(diǎn)的橫坐標(biāo)X2為第二個(gè)罐出口的產(chǎn)物濃度。依此類推，可求得多罐的理論罐數(shù)和出口的產(chǎn)物濃度。三、連續(xù)工藝流程（一）酒精連續(xù)發(fā)酵

1、九罐連續(xù)糖蜜發(fā)酵工藝酒母和糖蜜同時(shí)加入第一個(gè)罐，并依次流入各罐，最后從第九個(gè)罐流出。在第一個(gè)罐中通入空氣，并維持第一罐中一定的酵母數(shù)。二氧化碳?xì)怏w由各罐頂部進(jìn)總匯集管，到綜合利用車間。連續(xù)發(fā)酵周期可達(dá)20天，發(fā)酵只需32小時(shí)，酒精濃度達(dá)9-10%。2、印度Biostil連續(xù)發(fā)酵工藝自1989年以來，印度國內(nèi)有35家酒精廠采用阿法拉伐的Biostil工藝。生產(chǎn)規(guī)模在3-18萬升/日。VAM有機(jī)化工公司，1994年采用Biostil法建15萬升／日，用一個(gè)發(fā)酵罐，六臺(tái)酵母離心機(jī)，酵母回流發(fā)酵罐，但從粗餾塔出來的醪液沒有回流發(fā)酵罐，而是全部直接排放(廢液用來制沼氣)，這是與其他采用該工藝的廠不同之處。成熟醪酒分8％、殘?zhí)莑.5％，每噸標(biāo)準(zhǔn)糖蜜產(chǎn)酒精0.238噸(濃度96％)，Biostil生產(chǎn)線工人25人，比傳統(tǒng)法減少16人。首家采用Biostil工藝的是沙哈德里糖廠，該廠采用一個(gè)發(fā)酵罐，容積275m3罐。內(nèi)無機(jī)械攪拌，采用罐外冷卻方式，即從發(fā)酵罐抽出的醇液經(jīng)板式換熱器降溫后再回至發(fā)酵罐，罐內(nèi)溫度維持在32℃左右。從板式換熱器出來的冷卻水，經(jīng)過兩座鉑流式冷卻塔，將冷卻水溫度降低后，再泵至板式換熱器，循環(huán)使用。兩臺(tái)酵母離心機(jī)(其中一臺(tái)為備用)，每一臺(tái)功率為45kw。粗餾塔Φ1.8m，蒸餾塔全部采用銅材質(zhì)，塔外無保溫層。產(chǎn)量為45000升/日。工藝流程：將酵母菌種投入繁殖罐培養(yǎng)18小時(shí)，再經(jīng)第一、二繁殖罐進(jìn)一步擴(kuò)大培養(yǎng)后進(jìn)入發(fā)酵罐，每個(gè)榨季只需投一次菌種。糖蜜用回流的廢液稀釋到40oBX,送入發(fā)酵罐，控制罐內(nèi)酵母數(shù)量約4億／毫升，溫度32℃，進(jìn)行單罐連續(xù)發(fā)酵，醪液在罐內(nèi)停留八小時(shí)，含酒分約8％的成熟醪從發(fā)