第五章发酵设备4

1、第五章第五章 发酵设备发酵设备n第一节反应器的分类及设计要求第一节反应器的分类及设计要求n一、反应器的分类反应器的分类n1、根据生物催化剂的不同分为：细胞反应器、酶催化反应器。n2、根据细胞或组织的代谢要求分为：厌氧生物反应器、好氧生物反应器、照光生物反应器、膜生物反应器。n3、根据反应器的结构特征分为：罐式、管式、塔式、膜式等。n二、反应器设计的目标二、反应器设计的目标n反应器设计的目标：适合工艺要求，获得最大的生产效率，获取高质量、低成本的产品。n三、反应器设计要求：n1、严密的结构n2、良好的液体混合性能n3、较高的传质、传热性能n4、结构简单、能耗低n5、配套和可靠的检测和控制仪表第二

2、节嫌气发酵设备第二节嫌气发酵设备酒精发酵设备酒精发酵设备n一、酒精发酵设备的基本要求一、酒精发酵设备的基本要求n满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件。n（1）将发酵产生的热量及时移走；n（2）有利于发酵液的排出，设备的清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。 n二、酒精发酵罐的结构二、酒精发酵罐的结构n1、基本结构n酒精发酵罐筒体为圆柱形。底盖和顶盖均为碟形或锥形的立式金属容器。罐顶装有废汽回收管，进料管，按种管，压力表、各种测量仪表接口管及供观察清洗和检修罐体内部的人孔等。罐底装有排料口和排污口对于大型发酵罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。罐身上下部装有取样口和温度计接口。1 1

3、、罐型、罐型酒精发酵罐筒体为圆柱形，低盖和顶盖均为碟形酒精发酵罐筒体为圆柱形，低盖和顶盖均为碟形或锥形。或锥形。在酒精发酵过程中，为了回收二氧化碳气体及其在酒精发酵过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐采用密闭式顶有人孔，所带出的部分酒精，发酵罐采用密闭式顶有人孔，视镜及二氧化碳回收管。视镜及二氧化碳回收管。进料管接种管压力表和测量仪表接口管等。进料管接种管压力表和测量仪表接口管等。罐底装有排料口和排污口罐身上下装有取样口和罐底装有排料口和排污口罐身上下装有取样口和温度计接中口对于型发酵罐。温度计接中口对于型发酵罐。为了便于维修和清洗，在近罐底装有人孔。为了便于维修和清洗，在

4、近罐底装有人孔。 2. 2. 发酵的冷却装置发酵的冷却装置 根据发酵的大小不同，酒精发酵罐通常采用以下冷却装置：（1）中小型发酵罐：多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；（2）大型发酵罐：由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，所以，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。（3）也有采用罐外列管式喷琳冷却的方法，此法具有冷却发酵液均匀、冷却效率高等优点。 3 3. 洗涤装置洗涤装置 ：水力喷射洗涤装置。：水力喷射洗涤装置。 二二. .酒精发酵罐的计算酒精发酵罐的计算（一）发酵罐结构尺寸（一）发酵罐结构尺寸 发酵罐全体积：发酵罐全体积： 式中式中V V发酵罐的代表容积发酵罐的代表容积

5、 V V0 0进入发酵罐的发酵液量进入发酵罐的发酵液量 装液系数，一般取装液系数，一般取=0.850.90=0.850.90 带有锥形底、盖的圆柱形带有锥形底、盖的圆柱形 发酵罐全容积为：发酵罐全容积为： 酒精发酵罐其罐体高度、底、盖高度和罐径的尺酒精发酵罐其罐体高度、底、盖高度和罐径的尺寸关系可推荐如下：寸关系可推荐如下： H =1.1 H =1.1 - - 1.5D 1.5D h h1 1=0.1 - 0.14D=0.1 - 0.14D h h1 1=0.05 - 0.1D=0.05 - 0.1D根据发酵的全容积根据发酵的全容积V V和径高比等，即可确定发酵罐和径高比等，即可确定发酵罐的结

6、构尺寸。的结构尺寸。( (二）发酵罐罐数的确定二）发酵罐罐数的确定对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：NN发酵罐个数（其中一个作备用）（个）发酵罐个数（其中一个作备用）（个） nn每每2424小时内进行加料的发酵罐数目（个）小时内进行加料的发酵罐数目（个） tt一次发酵罐周期所需要时间（小时一次发酵罐周期所需要时间（小时) ) （三）发酵罐冷却面积计算（三）发酵罐冷却面积计算 式中式中 Q Q总的发酵热总的发酵热（ J/h ） K K传热总系数传热总系数 J/（m2h）t tm m对数平均温度差对数平均温度差 , , F F冷却面积冷却面积（ m2 ）

7、发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即： 第三节第三节嫌气发酵设备嫌气发酵设备啤酒发酵设备啤酒发酵设备一、一、啤酒发酵设备的发展啤酒发酵设备的发展：1.1.木材木材水泥水泥金属金属 2.2.开放式开放式向密闭式向密闭式3.3.方形方形圆形卧式圆形卧式立式圆筒锥底罐立式圆筒锥底罐4.4.人工洗涤人工洗涤CIPCIP自动清洗系统自动清洗系统 二、啤酒发酵形式二、啤酒发酵形式n上面发酵上面发酵: :发酵时酵母上浮发酵时酵母上浮, ,发酵终结很久才部分下发酵终结很久才部分下沉沉. .n下面发酵下面发酵: :发酵时酵母浮游于发酵液中发酵时酵母浮

8、游于发酵液中, ,发酵完后酵发酵完后酵母即下沉母即下沉, ,酵母可重复使用酵母可重复使用5-75-7次次. .n上下面发酵工艺区别主要是发酵温度的差异上下面发酵工艺区别主要是发酵温度的差异: :啤酒种类啤酒种类 起始温度起始温度 最高温度最高温度 最终温度最终温度上面啤酒上面啤酒 10-15 15-25 5-710-15 15-25 5-7下面啤酒下面啤酒 6-8 8-12 3.5-56-8 8-12 3.5-5三、啤酒前发酵设备三、啤酒前发酵设备1、啤酒前发酵、啤酒前发酵设备设备长、正方形，长、正方形，开口，开口，30m30m3 3/ /个，个，H H小于小于2m2m 2、前发酵槽的计算、前

9、发酵槽的计算（1 1）发酵槽数的确定发酵槽数的确定容纳一次糖化的麦芽汁时：容纳一次糖化的麦芽汁时： N = ntN = nt nn每日糖化次数每日糖化次数 tt前发酵所需时间前发酵所需时间 可容纳几次糖化的麦芽汁时可容纳几次糖化的麦芽汁时 N = nt/ZN = nt/Z nn每日糖化次数每日糖化次数 tt前发酵所需时间前发酵所需时间 ZZ在一个发酵槽内可容纳糖化麦芽汁的次数在一个发酵槽内可容纳糖化麦芽汁的次数（2）前发酵槽体积的计算）前发酵槽体积的计算发酵槽体积发酵槽体积容纳一次糖化的麦芽汁时容纳一次糖化的麦芽汁时 V V = ZV = ZV0 0/ / V V前发酵槽的全体积前发酵槽的全体

10、积 ZZ在一个发酵槽内可容纳糖化麦芽汁的次数在一个发酵槽内可容纳糖化麦芽汁的次数 V V00糖化一次麦汁量糖化一次麦汁量装液系数装液系数0.8-0.850.8-0.85 （3）前发酵槽冷却面积的计算）前发酵槽冷却面积的计算(1)(1)计算主发酵期每小时的放热量计算主发酵期每小时的放热量Q Q (2)(2)计算传热系数计算传热系数K K (3)(3)传热面积传热面积 四、后发酵罐四、后发酵罐卧式、立式卧式、立式后发酵阶段后发酵阶段残糖继续发酵，残糖继续发酵，饱和二氧化碳，饱和二氧化碳，澄清、成熟澄清、成熟后发酵槽的计算后发酵槽的计算后酵槽数目后酵槽数目N N N=V/VN=V/Vs s后酵槽全体

11、积后酵槽全体积 V V0 =0 =V Vs s/ （一）（一）圆圆筒筒体体锥锥底底发发酵酵罐罐五、新型啤发酵设备五、新型啤发酵设备CCT啤酒发酵设啤酒发酵设备备啤酒发酵罐的结构示意图C.C.T冷却面积分布1 1、主要结构、主要结构(1(1）根据设定的压力来自动控制根据设定的压力来自动控制n允许无菌空气进入罐内，允许无菌空气进入罐内，COCO2 2气体排出罐气体排出罐外，维持设定的压力。外，维持设定的压力。 (2)圆柱体锥底和冷却套圆柱体锥底和冷却套锥底：便于酵母沉淀回收锥底：便于酵母沉淀回收 冷却套：冷却套：分为分为2-32-3段，很大的罐可分为段，很大的罐可分为四段四段(3)(3)罐的特点罐

12、的特点n密闭：回收二氧化碳密闭：回收二氧化碳n适用：下面、上面发酵均可适用：下面、上面发酵均可n发酵周期：短发酵周期：短 12-1412-14天天n H/DH/D大：大： 单位容积的表面积大，耗钢材多单位容积的表面积大，耗钢材多n自然对流：促进发酵，利于传热。自然对流：促进发酵，利于传热。n自然对流原因自然对流原因: :冷却形成、二氧化碳的作用冷却形成、二氧化碳的作用2 2、设计因素、设计因素高度和直径：高度和直径：H/D = 1.5 - 6H/D = 1.5 - 6：1 1液位高度：液位高度：小于小于12m12m好好锥角：锥角：60 - 7560 - 750 0材料：材料：不锈钢不锈钢隔热材

13、料：隔热材料：聚苯乙烯泡沫、聚酰胺树脂、膨胀聚苯乙烯泡沫、聚酰胺树脂、膨胀珍珠岩珍珠岩罐的耐压：罐的耐压：顶、筒、底部材料厚度可不一样顶、筒、底部材料厚度可不一样罐的清洗：罐的清洗：CIPCIPn传统的啤酒发酵设备是由分别设在发酵间的发酵池和贮酒间内的贮酒罐组成的。目前圆筒体锥底罐（C.C.T)在露天大罐工艺中使用最为普遍简称露天锥形发酵罐。nCCT发酵最大特点在于大型化，容积从100600m3(国内也有60m3小型的)。n外简体蝶形或拱形盖，锥形体底，罐筒体壁和锥底有各种形式的冷却夹套。n筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数。对单酿罐一般是D：H1：12。对两罐法的发酵罐D：H1：3

14、4，对两罐法的贮酒罐D：H1：12，也有采用直径为34m的卧式圆简体罐作贮酒罐。增加H有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄清。n3、圆筒体锥底发酵罐发酵的优点、圆筒体锥底发酵罐发酵的优点n（1）加速发酵nCCT发酵和传统发酵相比，由于发酵基质(麦汁)和酵母对流获得强化，可加速发酵。n CCT发酵由于罐高度要大于传统510倍，发酵液对流的三个推动力得到强化。发酵罐底部产生CO2汽泡上升，对发酵液拖曳力大。在发酵阶段，由于底部酵母细胞浓度大于罐上部，底部糖降快，酒精生成快，造成罐上、下部间密度差而造成对流。在发酵时控制罐下部温度高于上部(差12)，由于温差引起热对流，特别在发酵后期第一、二推动

15、力减小后，温差对流更能发挥作用。n n在CCT发酵技术中，主发酵结束不排酵母，全部酵母参于后发酵中VDK的还原，特别是凝聚性差的酵母，发酵液有高浓度酵母参于VDK还原，大大缩短了还原时间。发酵温控自由，可以灵活采用各种温度(大多较高温度)下VDK的还原，更可以缩短后发酵周期。n传统发酵酿造周期，低温发酵需50d以上，快速发酵需2530d，而CCT发酵如单酿罐发酵，酿造周期一般为1622d，如两罐法发酵一般2030d，即酿造周期可缩短1/31/2倍。可大幅度减少罐数，节省投资。n（2）厂房投资节省n传统发酵必须在有绝热层的冷藏库内发酵和贮酒。CCT发酵可以大部分或全部在户外，而且罐数、罐总容积减

16、少，厂房投资节省。n（3）冷耗节省nCCT发酵冷却是直接冷却发酵罐和酒液，而且冷却介质在强制循环下，传热系数高。传统发酵和贮酒，冷量多消耗在冷却厂房、空气、操作人员和机器(如泵、电动机)、发酵罐支座等。根据计算和测定，CCT发酵比传统可节省40%55%冷耗。n（4）发酵罐清洗、消毒n传统发酵罐和贮酒罐基本上依赖人工清洗和消毒，根本无法实现自动化程序化。CCT发酵可依赖CIP自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到保证。n当然CCT发酵也有弱点。由于罐体比较高，酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般比传统低(只能使用56代)；贮酒时，澄清比较困难(特别在使用非凝聚性酵母)，过滤必须强化；若采用单酿发酵，

17、罐壁温度和罐中心温度一致，一般要57d以上，短期贮酒不能保证温度一致。六六 其他啤酒发酵罐其他啤酒发酵罐1、联合罐、联合罐 （P70 ）为浅锥底大直径为浅锥底大直径 ，H/DH/D为为1-21-2：1 1，造价，造价低，用氨直接蒸发来低，用氨直接蒸发来冷却，只在罐的上部冷却，只在罐的上部做了一段米勒冷却板，做了一段米勒冷却板，可在可在2424小时内发酵温小时内发酵温度由度由1515下降至下降至55，属小面积大流量冷却属小面积大流量冷却方式。方式。n用途：与发酵罐相同，既用于前后发酵，也能用途：与发酵罐相同，既用于前后发酵，也能用于多罐法及一罐法生产。用于多罐法及一罐法生产。n主体：是一个圆柱体

18、。由带人孔的薄壳垂直圆主体：是一个圆柱体。由带人孔的薄壳垂直圆柱体，拱形顶有足够斜度，锥底所组成。罐体柱体，拱形顶有足够斜度，锥底所组成。罐体采用厚的保温层。采用厚的保温层。n搅拌：可用机械搅拌，也可以通过对罐搅拌：可用机械搅拌，也可以通过对罐 体的体的精心设计达到同样的搅拌作用。精心设计达到同样的搅拌作用。2、朝日罐、朝日罐 为微倾斜底的平底罐，为微倾斜底的平底罐，H/D =1-2H/D =1-2，工艺与锥形罐，工艺与锥形罐不同。不同。特点：离心机回收酵母，特点：离心机回收酵母， 用薄板换热器冷却，用薄板换热器冷却，用泵将发酵液抽出冷却用泵将发酵液抽出冷却后又送回罐内，也起搅后又送回罐内，也

19、起搅拌作用拌作用, ,可加速啤酒的可加速啤酒的成熟成熟, ,发酵时罐的装量发酵时罐的装量达，提高设备利达，提高设备利用率。用率。 七、七、CIP清洗系统清洗系统第四节 通风发酵罐n（一）（一）机械搅拌通风发酵罐n四十年代中期，青霉素的工业化生产，或深层通风培养技术的出现，标志近代通风发酵工业的开始。在深层通风培养技术中，发酵罐是关键设备。在发酵罐中，微生物在适当的环境中进行生长、新陈代谢和形成发酵产物 n机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂最常用类型。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。n1、机械搅拌通风发酵罐的基本要求n

20、 一个性能优良的机械搅拌通风发酵罐必须满足以下基本要求：n（1）发酵罐应具有适宜的径高比；发酵罐的高度与直径之比一般为1.74倍左右，罐身越长，氧的利用率较高n（2）发酵罐能承受一定压力；n（3）发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧；n（4）发酵罐应具有足够的冷却面积；n（5）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌；n（6）搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏.2、常用的机械通风发酵罐各部分的比例尺寸 n（二）气升式发酵罐（二）气升式发酵罐n机械搅拌通风发酵罐其通风原理是罐内通风，靠机械搅拌作用使气泡分割细碎，与培养基充分混合，密切接触，以提高氧的吸收系

21、数；设备构造比较复杂，动能消耗较太。采用气升式发酵罐可以克服上述的缺点。n1、气升式发酵罐的特点n（1）结构简单，冷却面积小；n（2）无搅拌传动设备，节省动力约50%，节省钢材；n（3）操作时无噪音；n（4）料液装料系数达8090，而不须加消泡剂；n（5）维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。n但气升式发酵罐还不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。 气升式发酵罐的结构示意图 n（三）（三）自吸式发酵罐n自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自动吸入空气的发酵罐。这种设备的耗电量小，能保证发酵所需的空气，并能使气液分离细小，均匀地接触，吸入空气中7080%的氧被

22、利用。采用了不同型式、容积的自吸式发酵罐生产葡萄糖酸钙、利福霉素、维生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成绩。自吸式发酵罐的结构示意图n自吸式发酵罐的优点： n（1）节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮聪、总过滤器等设备，减少厂房占地面积。n（2）减少工厂发酵设备投资约30左右，例如应用自吸式发酵罐生产酵母，容积酵母的产量可高达3050克。n（3）设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。n（4）酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离酵母后的废液量少。n（5）设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。 第五节第五节 连续发酵连续发酵间歇发酵：微生物在一个罐内完成间歇

23、发酵：微生物在一个罐内完成4 4个阶段的培养个阶段的培养过程。过程。 连续发酵：在发酵罐内不断流加培养液，又不断连续发酵：在发酵罐内不断流加培养液，又不断排出发酵液，使发酵罐中的微生物一直维持在生排出发酵液，使发酵罐中的微生物一直维持在生长加速期。同时又降低代谢产物的积累，这样就长加速期。同时又降低代谢产物的积累，这样就缩短了发酵缩短了发酵 周期，提高了设备利用率。周期，提高了设备利用率。 连续发酵特点连续发酵特点 是微生物在整个发酵过程中始终维持在稳是微生物在整个发酵过程中始终维持在稳定状态，细胞处于均质状态。在此前提下，可定状态，细胞处于均质状态。在此前提下，可用数学方式和实验公式来表达连

24、续发酵在稳定用数学方式和实验公式来表达连续发酵在稳定状态条件下，微生物生长速度，代谢产物，底状态条件下，微生物生长速度，代谢产物，底物浓度和流加速度之间关系。物浓度和流加速度之间关系。 一、一、连续发酵时间的确定连续发酵时间的确定 二、二、 连续发酵理论罐数的确定连续发酵理论罐数的确定1、最低罐数限定最低罐数限定产物积累、菌体生长、条件一致，用单罐产物积累、菌体生长、条件一致，用单罐产物积累、菌体生长、条件分为两个阶段，产物积累、菌体生长、条件分为两个阶段，用双罐用双罐发酵过程分多个阶段、各阶段条件不同，发酵过程分多个阶段、各阶段条件不同，用多罐用多罐 (2)(2)从第一罐开始通过原点作物料从

25、第一罐开始通过原点作物料平衡线，斜率为平衡线，斜率为q/Vq/V，和曲线相，和曲线相交于交于A A点，点，A A点的横座标点的横座标X X1 1，即，即为第一个发酵罐出口的微生物为第一个发酵罐出口的微生物浓度，一直作到第浓度，一直作到第n n罐的微生物罐的微生物出口浓度出口浓度X Xn n。 第一罐，菌浓度为第一罐，菌浓度为X X1 1 第二罐，菌浓度为第二罐，菌浓度为X X2 2 第三罐，菌浓度为第三罐，菌浓度为X X3 3 第第n n罐，罐，菌浓度为菌浓度为X Xn n ，罐数为罐数为n n个。个。 若发酵最终产物不是菌体而若发酵最终产物不是菌体而是代谢产品，用产物浓度是代谢产品，用产物浓

26、度P P代代X X，同样可作图解。同样可作图解。 2、用图解法确定连续发酵理论罐数、用图解法确定连续发酵理论罐数 三、连续发酵流程三、连续发酵流程（一）（一） 酒精连续发酵流程酒精连续发酵流程 (1)(1)操作开始：糖液及酵母同时加入操作开始：糖液及酵母同时加入1-31-3罐至满，停止加酵母，继续加糖液，开底部阀使罐至满，停止加酵母，继续加糖液，开底部阀使发酵液流入发酵液流入4 4号，号，4 4号流入号流入5 5号，至号，至9 9号结束，周期号结束，周期3232小时，小时，1010、1111号为贮存计量罐，轮号为贮存计量罐，轮用。用。 (2)(2)操作结束：换罐（换种），停止流加糖液，关操作结束：换罐（换种），停止流加糖液，关1 1号二氧化碳阀，泵转入号二氧化碳阀，泵转入2 2号，号，1 1号消毒并号消毒并加新种新料重新开始，加新种新料重新开始，1 1号满时，号满时，2 2号经泵排尽并消毒好，号经泵排尽并消毒好，1 1号流入号流入2 2号，如止下去，号，如止下去，2020天换种一次。天换种一次。(3)(3)1-31-3号罐为