發(fā)酵工藝學課件：第七章 發(fā)酵設備

第七章發(fā)酵設備1.發(fā)酵罐

發(fā)酵罐是為一個特定生物化學過程操作提供良好環(huán)境的容器。對于某些工藝來說，發(fā)酵罐是個密閉容器，同時附帶精密控制系統(tǒng)；對于簡單工藝來說，發(fā)酵罐只是個開口容器，有時甚至簡單到只要有一個開口的坑。第一節(jié)發(fā)酵設備概述2.發(fā)酵罐的特點

（1）發(fā)酵罐的嚴密性，運行的高度可靠性是發(fā)酵工業(yè)的顯著特點。（2）發(fā)酵罐趨于大型化和自動化。3.發(fā)酵相關設備

種子制備設備主發(fā)酵設備輔助設備(無菌空氣和培養(yǎng)基的制備)發(fā)酵液預處理設備粗產(chǎn)品的提取設備產(chǎn)品精制與干燥設備流出物回收、利用和處理設備4.一般發(fā)酵工藝操作條件

1．溫度：25～40℃。2．壓力：0～1kg/cm2(表壓)。3．滅菌：溫度100～140℃4．pH：2～11。5．需氧量：0.05～0.3kmo1/m3·h。6．通氣量：0.3～2VVM。7．功率消耗：0.5～4kW/m3。8．發(fā)酵熱量：5000～20000kcal/m3·h。5.發(fā)酵罐的類型

1．按微生物生長代謝需要分類：好氧：抗生素、酶制劑、酵母、氨基酸、維生素等產(chǎn)品是在好氣發(fā)酵罐中進行的；需要強烈的通風攪拌，目的是利于氧在發(fā)酵液中的傳遞。厭氧：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厭氧發(fā)酵。不需要通氣。2.按照發(fā)酵罐設備特點分類：機械攪拌通風發(fā)酵罐非機械攪拌通風發(fā)酵罐這兩類發(fā)酵罐是采用不同的手段使發(fā)酵罐內(nèi)的氣、固、液三相充分混合，從而滿足微生物生長和產(chǎn)物形成對氧的需求。第二節(jié)嫌氣發(fā)酵設備密閉厭氧發(fā)酵罐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。它的容積常大于50m3，H:Dt=1-2，罐的上、下部都是錐形的。上部有物料口、冷卻水口、CO2和氣體出口、人孔和壓力表開口等。溫度控制采用罐內(nèi)蛇管和罐外壁直接水噴淋相結(jié)合，排料管在罐的底部。

1.結(jié)構為圓柱形，底蓋和頂蓋均為碟形或錐形。多為密閉式。罐頂裝有人孔、視鏡及二氧化碳回收管、進料管、接種管、壓力表和測量儀表接口管等。罐底裝有排料口和排污口。罐身上下部裝有取樣口和溫度計接口，對于大型發(fā)酵罐，為了便于維修和清洗，往往在近罐底也裝有人孔。一、酒精發(fā)酵罐2.發(fā)酵的冷卻裝置對于中小型發(fā)酵罐，多采用罐頂噴淋，對罐外壁表面進行膜狀冷卻；對于大型發(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。水力噴射裝置3.酒精發(fā)酵罐的洗滌高壓強的水力噴射洗滌裝置一根直立噴水管沿安于罐中央，管上按一定的間距鉆有4-6mm的小孔，孔與水平呈20度角。水平噴水管自動旋轉(zhuǎn)并噴水約5min即可完成洗滌作業(yè)。二、酒精發(fā)酵罐的計算(一)發(fā)酵罐結(jié)構尺寸的確定微生物在嫌氣發(fā)醉過程中總的發(fā)酵熱，一般由生物合成熱Q1，蒸發(fā)熱損失Q2，罐壁向用圍散失的熱損失Q3等三部分熱量所組成。(二)發(fā)酵罐冷卻對于確定酒精、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來計算。代謝氣體帶走的蒸發(fā)熱量Q2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。對于小型試驗罐，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間內(nèi)的耗水量，從而得出小罐的放熱量Q1’。

二、啤酒發(fā)酵設備

近年來，啤酒發(fā)酵設備向大型、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1500m3。(1)發(fā)酵容器材料的變化。由陶器向木材---水泥----金屬材料演變現(xiàn)在的啤酒生產(chǎn)，后兩種材料都在使用。我國許多啤酒發(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。（一）啤酒發(fā)酵的變遷（2）開放式發(fā)酵容器向密閉式轉(zhuǎn)變。小規(guī)模生產(chǎn)時，一般用開放式，對發(fā)酵的管理、泡沫形態(tài)的觀察和醪液濃度的測定等比較方便。隨著啤酒生產(chǎn)規(guī)模的擴大，發(fā)酵容器大型化，并為密閉式。（二）發(fā)酵罐的設計注意事項罐的耐壓要求熱交換內(nèi)部清洗罐的耐壓要求考慮CO2的回收，必須使罐內(nèi)的CO2維持一定的壓力，所以大罐就成為一個耐壓罐，必須要設立安全閥。罐內(nèi)真空大型發(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(nèi)，以建立罐內(nèi)外壓力的平衡。罐內(nèi)真空主要是發(fā)酵罐在密閉條件下轉(zhuǎn)罐或進行內(nèi)部清洗時造成；放料速度過快造成一定的負壓；罐內(nèi)留存一部分CO2氣體，在進行清洗時，CO2有被除去的可能，也可能造成真空。（三）新型啤酒發(fā)酵設備

1.圓筒體錐底發(fā)酵罐圓簡體錐底立式發(fā)酵罐(簡稱錐形罐)，已廣泛用于上面或下面發(fā)酵啤酒生產(chǎn)。錐形罐可單獨用于前發(fā)酵或后發(fā)酵，還可以將前、后發(fā)酵合并在該罐進行(一罐法)。在于能縮短發(fā)酵時間，而且具有生產(chǎn)上靈活性，故能適合于生產(chǎn)各種類型啤酒要求。設備特點一般置于室外。發(fā)酵最旺盛時，使用全部冷卻夾套，維持適宜的發(fā)酵溫度。冷媒多采用乙二醇或酒精溶液，也可使用氨(直接蒸發(fā))作冷媒；罐身和罐蓋上均裝有人孔，罐頂裝有壓力表、安全閥和玻璃視鏡。罐身裝有取樣管和溫度計接管。設備外部包扎良好的保溫層。

優(yōu)點：（1）能耗低，管徑小，生產(chǎn)費用低。（2）最終沉積在錐底的酵母，可打開錐底閥門，把酵母排出罐外，部分酵母留作下次待用。2.朝日罐前發(fā)酵和后發(fā)酵合一的室外大型發(fā)酵罐朝日罐是用4-6mm的不繡鋼板制成的斜底圓柱型發(fā)酵罐。其高度與直徑比為1:1-2:1外部設有冷卻夾套，冷卻夾套包圍罐身與罐底。外面用泡沫塑料保溫朝日罐特點（1）利用離心機回收酵母（2）利用薄板換熱器控制發(fā)酵溫度（3）利用循環(huán)泵把發(fā)酵液抽出又送回去。優(yōu)點：使用酵母離心機分離發(fā)酵液的酵母，可以解決酵母沉淀慢的缺點，減少了排除酵母時發(fā)酵液的損失。三種設備互相組合，解決了前、后發(fā)酵溫度控制和酵母濃度的控制問題。利用凝聚性弱的酵母進行發(fā)酵，增加酵母與發(fā)酵液接觸時間，促進發(fā)酵液中乙醛和雙乙酰的還原，減少其含量。第三節(jié)通風發(fā)酵罐

一、機械攪拌通風發(fā)酵罐

機械攪拌發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用類型之一。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。通風發(fā)酵罐的基本條件

（1）發(fā)酵罐應具有適宜的徑高比。

（2）發(fā)酵罐能承受一定的壓力。

（3）要保證發(fā)酵液必須的溶解氧。

（4）發(fā)酵罐應具有足夠的冷卻面積。

（5）發(fā)酵罐內(nèi)應減少死角，避免染菌。

（6）攪拌器的軸封應嚴密，減少泄漏。1、發(fā)酵罐罐體的尺寸比例

H/D=1.7~4d/D=1/2-1/3W/D=1/8-1/12B/D=0.8-1.0H-高，D-直徑，d-攪拌器直徑W-擋板寬度，B-下攪拌槳距底部高度發(fā)酵罐2、發(fā)酵罐的結(jié)構1、罐體2、攪拌器和擋板3、消泡器4、聯(lián)軸器及軸承5、空氣分布裝置6、軸封7、冷卻裝置

2、發(fā)酵罐的結(jié)構

（1）罐體：由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼，對于大型發(fā)酵罐可用襯不銹鋼板或復合不銹鋼制成，襯里用的不銹鋼板厚為2-3毫米?？稍谝欢▔毫ο虏僮?、空消或?qū)嵪０l(fā)酵罐（2）攪拌器攪拌器有平葉式、彎葉式、箭葉式三種其作用是打碎氣泡，使氧溶解于醪液中，從攪拌程度來說，以平葉渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。大型發(fā)酵罐攪拌裝置氣體導入式攪拌器（3）擋板擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。通常擋板寬度取（1/8-1/12）D，裝設4-6塊即可滿足全擋板條件。所謂“全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。罐內(nèi)軸承不能加潤滑油，應采用液體潤滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4-0.7%，以適應溫度差的變化。(4)軸承（5）空氣分布裝置

空氣分布裝置的作用是吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。管口對正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，管口與罐底的距離約40mm?？諝庥煞植脊車姵錾仙龝r，被攪拌器打碎成小氣泡，并與醪液充分混合。（6）軸封

軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。（7）冷卻裝置

5M3以下發(fā)酵罐一般采用夾套冷卻。大型發(fā)酵罐采用列管冷卻（四至八組）。夾套內(nèi)設置螺旋片導板，來增加換熱效果，同時對罐身起加強作用。冷卻列管極易腐蝕或磨損穿孔。（8）消泡器180M3發(fā)酵罐車間生產(chǎn)車間計算機控制室二、氣升式發(fā)酵罐

氣升式發(fā)酵罐也稱為氣流攪拌發(fā)酵罐，不用機械攪拌，借通風起攪拌作用并供氧。工作原理：將空氣上升管裝在罐外，下端與罐底連通，管底裝空氣噴嘴，壓縮空氣高速噴出（250～300m/s），與上升管內(nèi)醪液接觸，由于氣液混合體密度小于罐內(nèi)醪液，所以在管內(nèi)上升，管上端與罐身切線相連，液體由切線進入在罐內(nèi)回旋下降，形成循環(huán)。特點：結(jié)構簡單，冷卻面積小，無攪拌傳動設備，料液充滿系數(shù)大，無須加消泡劑，維修、操作及清洗簡便，節(jié)省動力，染菌少；發(fā)酵液粘不利。內(nèi)環(huán)流氣升式發(fā)酵罐

目前許多工廠清洗方式都是CIP清洗，即原地清洗或定置清洗。

CIP清洗裝備利用離心泵輸送清潔液在物料管道和設備容器內(nèi)進行強制循環(huán)，可以在不拆卸設備的情況下，清洗設備與物料管路。第四節(jié)CIP清洗系統(tǒng)清洗效果通過電導率進行量化，計算機自動程序清洗以及電導率的反饋控制，可以使清洗效果與效率進行規(guī)范化管理。適用于食品類物料管道和設備的清洗。CIP消洗工作程序是自動控制進行的?？刂票P通過儀表來控制清洗液的溫度、水位及罐的充滿與放空等程序。半自動C.I.P就地清洗機分體式C.I.P清洗機清洗程序(1)預沖洗：在罐底的沉渣放了一半之后進行，每次預沖洗的時間為30秒，進行10次。(2)在箱底被沖干凈后，用足量的水充入CIP的供應及返回管線，改變系統(tǒng)進行堿預洗，自動地將清洗劑加入供水中，使清洗劑為堿性洗滌劑，其總堿度在3000一3300ppm之間，用這種堿液循環(huán)16分鐘。在此期間CIP供應泵吸引端注入蒸汽，使清洗液溫度維持在32℃左右。(3)中間沖洗：用CIP循環(huán)單位的水罐來的清水進行4分鐘沖洗。(4)清水噴沖，每次30秒，從罐頂沿罐的四周沖洗下來。(5)進行堿噴沖：用總堿度為3500-4000ppm的氯化了的堿液進行噴沖，堿液溫度為32℃左右，噴沖循環(huán)15分鐘。(6)用清水沖洗，將殘留于罐表面及管線中的堿液沖洗干凈。(7)最后用酸性水沖洗循環(huán)，以中和殘留的堿性，放走洗水，使罐保持弱酸狀況。至此完成了全部清洗過程。氣體導入式攪拌器由一個空心的攪拌槳組成，安裝在空心的攪拌軸上。由于攪拌槳轉(zhuǎn)動，開口處的壓力隨之減少，使導入的氣體沿著攪拌軸向下流動。它適應于低粘度的發(fā)酵液。

三、自吸式發(fā)酵罐

自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。應用：醫(yī)藥工業(yè)、酵母工業(yè)、生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、力復霉素、維生素C、酵母、蛋白酶等。工作原理：自吸式發(fā)酵罐的構件主要是自吸攪拌器和導輪，又稱轉(zhuǎn)子及定子。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時空氣由導氣管吸入。在轉(zhuǎn)子啟動前，先用液體將轉(zhuǎn)子浸沒，然后啟動馬達使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，液體或空氣在離心力作用下，被甩向葉輪外緣，在這個過程中，流體便獲得能量。當轉(zhuǎn)子空膛內(nèi)的流體從中心被甩向外緣時，在轉(zhuǎn)子中心處形成負壓，因此空氣被吸入。由于大罐建在室外，所以連接的管道要長而且主管的管徑必然要大，一般為150mm。清洗時會在罐底形成沉渣層,沉渣多回收。CIP消洗工作程序是自動控制進行的。控制盤通過儀表來控制清洗液的溫度、水位及罐的充滿與放空等程序。清洗程序(1)預沖洗：在罐底的沉渣放了一半之后進行，每次預沖洗的時間為30秒，進行10次。(2)在箱底被沖干凈后，用足量的水充入CIP的供應及返回管線，改變系統(tǒng)進行堿預洗，自動地將清洗劑加入供水中，使清洗劑為堿性洗滌劑，其總堿度在30