第二章 嫌氣發(fā)酵設備-1

第二章嫌氣發(fā)酵設備

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

1、通風發(fā)酵罐：谷氨酸、檸檬酸、酶制劑和抗菌素等產品，在發(fā)酵過程中需不斷通入無菌空氣

2、嫌氣發(fā)酵設備：酒精、啤酒和丙酮、丁醇等產品，過程無需通風

密閉厭氧發(fā)酵罐

對這類發(fā)酵罐的要求是：能封閉；能承受一定壓力；有冷卻設備；罐內盡量減少裝置，消滅死角，便于清洗滅菌。酒精和啤酒都屬于嫌氣發(fā)酵產物，其發(fā)酵罐因不需要通入昂貴的無菌空氣，因此在設備放大、制造和操作時，都比好氣發(fā)酵設備簡單得多。本章主要內容一、酒精發(fā)酵罐：結構、設計計算二、啤酒發(fā)酵罐：錐形發(fā)酵罐第一節(jié)酒精發(fā)酵設備一、酒精發(fā)酵罐的結構：酒精發(fā)酵工藝：淀粉質原料→蒸煮糖化→酒精發(fā)酵欲獲得較高的轉化率，必須滿足酵母生產和代謝的必要工藝條件。包括一定的生化反應時間和溫度。酒精發(fā)酵罐的結構1.罐體部分：筒體、錐底、錐蓋2.降溫部分：內盤管、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)酵的冷卻裝置對于中小型發(fā)酵罐，多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面進行膜狀冷卻；對于大型發(fā)酵罐，罐內裝有冷卻蛇管或罐內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。

（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)酵罐南陽天冠酒精集團公司

二、酒精發(fā)酵罐的計算（一）發(fā)酵罐結構尺寸的確定

1、發(fā)酵罐全體積可按下式計算：

式中V——發(fā)酵罐的全體積，m3；

V0——進入發(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)酵罐的結構尺寸。材料：普通鋼板。2、結構尺寸的確定（二）發(fā)酵罐罐數(shù)的確定對于間歇發(fā)酵，發(fā)酵罐罐數(shù)可按下式計算：式中N——發(fā)酵罐個數(shù)，個；

n——每24h內進行加料的發(fā)酵罐數(shù)目，個

t——一次發(fā)酵周期所需時間，h。

1——其中一個備用

（三）發(fā)酵罐冷卻面積計算

發(fā)酵罐冷卻面積的計算可按傳熱基本方程式來確定，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的呼吸熱、促進微生物增殖的繁殖熱以及微生物形成代謝產物的發(fā)酵熱所組成，難以準確計算。一般采用實驗法；對于酒精、啤酒等嫌氣發(fā)酵的發(fā)酵熱，一般按發(fā)酵最旺盛時單位時間糖度降低的百分值來計算，通常以消耗1kg麥芽糖發(fā)酵放出的熱量約為418.6kJ為計算基準。實驗法測定生物合成熱1、小型試驗罐，可在發(fā)酵最旺盛時，測定其冷卻水的進出口溫度和單位時內的耗水量，從而得出小罐的放熱量Q1’。

式中Q1’——小型試驗罐的放熱量，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——冷卻水的進口溫度，℃。2、大生產

由所得Q1’的熱量，再擴大應用到生產罐上，則生產罐的熱量Q1為：

（J／h）式中V1’——小型試驗罐中發(fā)酵液的體積，m3；

V1——生產罐中發(fā)酵液的體積，m3。

與糖液濃度、發(fā)酵程度好壞有關除間接測定外，目前還難具體計算，一般計算時可取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

這部分熱量由對流和輻射組成，具體計算可參閱有關資料?？偟陌l(fā)酵熱

Q=Q1-（Q2＋Q3）2．對數(shù)平均溫度差ΔTm的計算TF——主發(fā)酵時的發(fā)酵溫度（℃）；T1，T2——分別為冷卻水進出口溫度（℃）。

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

冷卻管壁水垢傳熱系數(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：可用下列簡化式計算：

kJ/（m2·h·℃）

A——常數(shù)，水溫20℃時，取6.45；

ρ——水的密度，kg/m3；

v——蛇管內水的流速，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。

（2）罐外壁噴淋冷卻發(fā)酵罐冷卻面積計算確定了上述各項計算參數(shù)后，即可算出冷卻面積，然后對冷卻裝置進行結構設計，最后確定實際傳熱面積。4．冷卻水耗量的計算由熱平衡方程式得；QA＝QBQA——酒精或其他發(fā)酵產品的總發(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時的比熱容，J/(kg·℃）

T2，T1——分別為冷卻水進出口溫度，℃。四、酒精發(fā)酵設備設計計算依據(jù)題目要求，發(fā)酵罐設計包括：

1）發(fā)酵罐的數(shù)量和體積

2）主要結構尺寸的確定

3）降溫水用量

4）冷卻面積及其裝置的設計

5）其他：接口、洗滌裝置、支座等的設計

6）畫出技術裝配圖紙第二節(jié)啤酒發(fā)酵設備

啤酒發(fā)酵工藝：

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

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

4、衛(wèi)生符合飲食標準

一、啤酒發(fā)酵設備的演變發(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)酵設備的演變發(fā)展4、由室內小型化向大型、室外發(fā)展，主要是大型化的室外立式罐。優(yōu)點：①由于大型化，使啤酒質量均一化。②由于啤酒生產的罐數(shù)減少，使生產合理化，降低了主要設備的投資。③生產效率高。

5、設備清洗由人工被自動化、程序化清洗系統(tǒng)取代。CIP自動清洗系統(tǒng)。

6、由人工控制向計算機自動控制發(fā)展二、新型啤酒發(fā)酵設備前發(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℃，特殊產品要求達到-2℃左右。后發(fā)酵過程殘?zhí)禽^低，發(fā)酵溫和，產生發(fā)酵熱較少。二、新型啤酒發(fā)酵設備

——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。

優(yōu)點：

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

啤酒發(fā)酵罐群圖錐形罐結構圖

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（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高度，凝聚力較強的酵母可以沉淀，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）罐內的發(fā)酵液，由于罐體高度而產生的二氧化碳梯度，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)酵罐的設計

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（過壓閥）4-真空安全閥5-噴頭6-CIP清洗附件罐內真空罐內真空主要是系列的發(fā)酵罐在密閉條件下轉罐或進行內部清洗時造成的。大型發(fā)酵罐放料的速度很快造成一定的負壓。罐內留存一部分CO2氣體，在進行清洗時，CO2有被除去的可能，所以也可能造成真空。罐內真空大型真空發(fā)酵罐應設防止真空的裝置。真空安全閥的作用是允許空氣進入罐內，以建立罐內外壓力的平衡。罐內CO2的除去量可根據(jù)進入的清洗液的堿含量算出，并進一步計算出需要進入罐內的空氣量。3.罐主體（1）相對尺寸：筒體高徑比：H:D=3-4:1

錐底角度：60—850（2）材料：不銹鋼（3）設計壓力：p=p工(1+10%)4.罐內的對流與熱交換發(fā)酵罐中發(fā)酵液的對流主要依靠其中CO2的作用。在整個錐形罐的發(fā)酵液中形成一個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)酵時上升的二氧化碳氣泡對周圍的液體具有一種拖曳力。罐內的對流與熱交換由于拖曳力和提升力結合后所造成的氣體攪拌作用，使罐的內容物得到循環(huán)，促進了發(fā)酵液的混合相熱交換。冷卻操作時啤酒溫度的變化也會引起罐的內容物的對流循環(huán)。4.罐內的對流和熱交換問題

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-冷凍劑進口8-冷凍劑出口9-溫度控制記錄器10-溫度計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用和節(jié)省冷量，錐形罐宜放置在露天（錐底部分可設置在室內），露天的罐體則應做好保溫設施。所用絕緣材料應具有導熱系數(shù)低、體積質量低、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。絕緣材料外部需設一外防護層。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、罐的材質目前發(fā)酵罐普遍采用的材質是不銹鋼，耐氯腐蝕；或用鋼板，內涂環(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合鋼板者，內層鋼板，外層不銹鋼板，其復合界面必須達到要求的結合率，其價格較不銹鋼板便宜。

影響發(fā)酵設備造價的因素發(fā)酵設備大小、形式、操作壓力及所需的冷卻工作負荷。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