第四章 嫌氣發(fā)酵設備

發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠主要的設備，應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)化和自動化的方向發(fā)展。第四章嫌氣發(fā)酵設備第一節(jié)酒精發(fā)酵設備一傳統(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、溫度計口、冷卻水進、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合的冷卻方式。清洗方式：人工清洗、機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，當噴嘴以一定的速度噴出水時，反作用力使噴水管旋轉，從而達到對罐內(nèi)各個部位水力洗滌的目的。缺點是水壓不大時，水力噴射強度和均勻度都不理想。若在原有水力噴射裝置的基礎上，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。可采用兩種不同的措施：1、采用中心降溫水柱對罐中心醪液進行降溫，側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)兩個問題；三酒精發(fā)酵罐的計算（一）發(fā)酵罐結構尺寸的確定容積：V=V0/φV0—進入發(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)

n—每24小時內(nèi)進行加料的發(fā)酵罐個數(shù)

t—一次發(fā)酵周期所需時間（h）(三)發(fā)酵罐冷卻面積計算

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。總熱量Q=Q1-（Q2+Q3

）（1）Q1計算有兩種計算方法

a、按發(fā)酵旺盛期糖度下降的百分值來計算：

Q1=GSqq=418600Jb、根據(jù)冷卻水來計算：

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、對數(shù)平均溫度差Δtm的計算

Δtm=

t1、t2—分別為冷卻水進出口溫度

tF

—

主發(fā)酵時的發(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，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)效率的關鍵因素。對于酒精發(fā)酵來說：酒精濃度大于2%時，即表現(xiàn)出抑制作用；酒精濃度大于8%時，酵母的繁殖就停止了。要保持發(fā)酵的快速進行，通常認為反應器內(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、二氧化碳氣提發(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：糖濃度提高3倍，發(fā)酵時間縮短1/3；酒糟、水、蒸汽都有減少；生產(chǎn)能力、設備利用率提高；酒精濃度可達33%。缺點：能耗大、設備真空操作負荷大、操作費用高、負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。發(fā)酵和萃取在同一反應器中進行：采用固定化細胞技術，選擇合適無毒的萃取劑。發(fā)酵和萃取分開進行：（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)酵時間可縮短30%。4、透析膜法采用對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、二氧化碳氣提法利用發(fā)酵過程中產(chǎn)生的二氧化碳，通過循環(huán)壓縮機加壓后，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)兩個獨立的循環(huán)回路組成，兩個回路通過一個可調(diào)優(yōu)的內(nèi)回路連接。第二節(jié)啤酒發(fā)酵設備

啤酒發(fā)酵設備趨于向大型化、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、開放式向密閉式轉變；

3、臥式方形槽向立式圓筒錐底罐轉變；一、啤酒前、后酵發(fā)酵設備及計算（一）前發(fā)酵設備

前發(fā)酵槽為方形開口式或密閉式設備，均置于室內(nèi)，材料內(nèi)涂保護層。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會的優(yōu)點。室內(nèi)采用空調(diào)制冷，實施冷風再循環(huán)。開口式：室內(nèi)裝二氧化碳排除裝置，排管冷卻，補充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，頂棚應建成傾斜或光滑弧面，空間不應太高。（二）前發(fā)酵槽的計算數(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，故應制成耐壓容器。材料：碳鋼內(nèi)涂防腐層、鋁板、復合鋼板。（四）后發(fā)酵槽的計算后酵槽容積應滿足一個或幾個糖化批次的裝料量。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—每個后酵槽有效容積(m3)二、新型啤酒發(fā)酵設備（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)進行。室外放置，節(jié)省投資。優(yōu)點：能縮短發(fā)酵時間，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共用一個進口，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小時內(nèi)滿罐為宜。由于后酵要進行二氧化碳飽和，因此應做成耐壓罐，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罐時未將排氣口打開，導致罐內(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：放罐時未開排氣閥；CIP清洗時，罐內(nèi)二氧化碳與清洗劑NaOH反應，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)液體的對流和熱交換。錐形罐的冷卻夾套分為2-4段，錐底部分也應有冷卻夾套，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)進行機械攪拌，并具有冷卻裝置?？蛇M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。特殊的基礎保證經(jīng)受10級地震。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。外設冷卻夾套包圍罐身和罐底。內(nèi)設帶轉軸的可移動排液管，可保證酒液中二氧化碳均一。特點：利用離心機回收酵母，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)酵時間，解決酵母沉降慢的缺點，提高設備利用率，酒損可減小，但動力消耗大。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罐內(nèi)各個角落進行清洗。有固定式和旋轉式。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，在設備上對于帶皮發(fā)酵來說，要使用翻拌裝置，同時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)，但對原料要求高；旋轉罐發(fā)酵工藝：產(chǎn)量大、質(zhì)量優(yōu)；一、旋轉罐臥式圓筒，可繞水平軸線回轉；一頭為錐形封頭，另一頭為碟形封頭。長徑比為1.3-1.7，由于加工精度及動平衡的因素，罐直徑不能太大，導致罐體積不能超過35m3。旋轉罐在工作中依靠托輪支撐，沿罐體上的滾圈進行回轉。間歇操作，每天運轉2次，每次正逆轉3-5分鐘，轉速1-2轉/分。電動機經(jīng)蝸輪蝸桿減速后，再經(jīng)一級套筒滾子鏈傳動帶動罐體旋轉。罐體緩慢轉動時由于內(nèi)螺旋帶的作用，對皮渣進行了攪動；發(fā)酵結束時，發(fā)酵液通過罐體篩板和閥門放出，然后轉動罐體實現(xiàn)自動排渣，皮渣經(jīng)罐錐體的人孔排除。優(yōu)點：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)酵時間可降低30-50%。該設備在法國、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。設備具有攪拌刮渣裝置和熱交換系統(tǒng)，自動出渣。電動機經(jīng)減速后，由鏈傳動裝置帶動內(nèi)部鏈條及刮板運動。刮板在罐內(nèi)作迂回運動，起到攪拌、壓榨、出渣作用。優(yōu)點：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，時間短，自動出渣，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罐中完成四個階段的培養(yǎng)過程，但是第一和第四個過程生產(chǎn)和代謝十分緩慢。這將導致發(fā)酵周期長、能耗增加、設備利用率低、設備數(shù)量多等問題。連續(xù)發(fā)酵是在罐內(nèi)連續(xù)的補充培養(yǎng)液，同時不斷地將產(chǎn)物排出，使罐中的微生物一直處于對數(shù)生長期。具有發(fā)酵周期縮短，設備利用率和產(chǎn)量提高，生產(chǎn)穩(wěn)定，便于實施自動化，節(jié)省人力和物力等優(yōu)點。特點：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)，可用數(shù)學方式和實驗公式來表達連續(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系。借以選定過程控制的參數(shù)。反應時間是連續(xù)生產(chǎn)中關鍵的一個參數(shù)之一，它決定了設備的大小、長度、級數(shù)。一、單罐連續(xù)發(fā)酵的發(fā)酵時間

-=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，從曲線的原點作物料平衡線，斜率為F/V，和曲線交于A點，該點的橫坐標X1為第一個罐出口的產(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，該點的橫坐標X2為第二個罐出口的產(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加入第一個罐，并依次流入各罐，最后從第九個罐流出。在第一個罐中通入空氣，并維持第一罐中一定的酵母數(shù)。二氧化碳氣體由各罐頂部進總匯集管，到綜合利用車間。連續(xù)發(fā)酵周期可達20天，發(fā)酵只需32小時，酒精濃度達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有機化工公司，1994年采用Biostil法建15萬升／日，用一個發(fā)酵罐，六臺酵母離心機，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％，每噸標準糖蜜產(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，該廠采用一個發(fā)酵罐，容積275m3罐。內(nèi)無機械攪拌，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。兩臺酵母離心機(其中一臺為備用)，每一臺功率為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，再經(jīng)第一、二繁殖罐進一步擴大培養(yǎng)后進入發(fā)酵罐，每個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℃，進行單罐連續(xù)發(fā)酵，醪液在罐內(nèi)停留八小時，含酒分約8％的成熟醪從發(fā)