第二章 嫌气发酵设备-1

第二章嫌气发酵设备

概述生物培养发酵分嫌气和好气两大类，发酵设备也分为两大类：

1、通风发酵罐：谷氨酸、柠檬酸、酶制剂和抗菌素等产品，在发酵过程中需不断通入无菌空气

2、嫌气发酵设备：酒精、啤酒和丙酮、丁醇等产品，过程无需通风

密闭厌氧发酵罐

对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承受一定压力；有冷却设备；罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵罐因不需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、制造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。本章主要内容一、酒精发酵罐：结构、设计计算二、啤酒发酵罐：锥形发酵罐第一节酒精发酵设备一、酒精发酵罐的结构：酒精发酵工艺：淀粉质原料→蒸煮糖化→酒精发酵欲获得较高的转化率，必须满足酵母生产和代谢的必要工艺条件。包括一定的生化反应时间和温度。酒精发酵罐的结构1.罐体部分：筒体、锥底、锥盖2.降温部分：内盘管、外喷淋3.各种操作接口：4.清洗部分：水力喷射

1.罐体部分：筒体、锥底、锥盖2.降温部分：内盘管、外喷淋3.各种操作接口：4.清洗部分：水力喷射发酵的冷却装置对于中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；对于大型发酵罐，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，为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有集水槽。采用罐外列管式喷淋冷却的方法，具有冷却发酵液均匀，冷却效率高等优点。

（喷射）水力洗涤装置1）水力洗涤装置的必要性：安全、文明、卫生。2）装置类型：水力洗涤装置高压喷射水力洗涤装置

水力喷射洗涤装置

酒精发酵罐南阳天冠酒精集团公司

二、酒精发酵罐的计算（一）发酵罐结构尺寸的确定

1、发酵罐全体积可按下式计算：

式中V——发酵罐的全体积，m3；

V0——进入发酵罐的发酵液量，m3；

φ——装液系数，可取0.85～0.90。发酵罐全体积带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全体积为

D——罐的直径，m；

H——罐的圆柱部分高度，m；

h1——罐底高度，m；

h2——罐盖高度，m。

尺寸关系：

H=1.1～1.5D，

h1=0.1~0.14D，

h2=0.05～0.1D

根据发酵罐的全体积V和径高比H／D等，即可确定发酵罐的结构尺寸。材料：普通钢板。2、结构尺寸的确定（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：式中N——发酵罐个数，个；

n——每24h内进行加料的发酵罐数目，个

t——一次发酵周期所需时间，h。

1——其中一个备用

（三）发酵罐冷却面积计算

发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：式中Q——总的发酵热，J／h；

K——传热总系数，J/（m2·h·℃）；

ΔTm——对数平均温度差，℃；

A——冷却面积，m21．总的发酵热Q微生物在嫌气发酵过程中总的发酵热

Q=Q1-Q2-Q3Q1——生物合成热

Q2——蒸发损失热

Q3——罐壁散失热

（1）微生物的生物合成热Q1

Q1是由维持微生物生命活动的呼吸热、促进微生物增殖的繁殖热以及微生物形成代谢产物的发酵热所组成，难以准确计算。一般采用实验法；对于酒精、啤酒等嫌气发酵的发酵热，一般按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值来计算，通常以消耗1kg麦芽糖发酵放出的热量约为418.6kJ为计算基准。实验法测定生物合成热1、小型试验罐，可在发酵最旺盛时，测定其冷却水的进出口温度和单位时内的耗水量，从而得出小罐的放热量Q1’。

式中Q1’——小型试验罐的放热量，J/h；

W——冷却水的消耗量，kg/h；

Cp——冷却水的平均比热容，J/（kg·℃）；

t2——冷却水的出口温度，℃；

t1——冷却水的进口温度，℃。2、大生产

由所得Q1’的热量，再扩大应用到生产罐上，则生产罐的热量Q1为：

（J／h）式中V1’——小型试验罐中发酵液的体积，m3；

V1——生产罐中发酵液的体积，m3。

与糖液浓度、发酵程度好坏有关除间接测定外，目前还难具体计算，一般计算时可取Q1的5％～6％左右。

（2）代谢气体带走的蒸发热量Q2（3）散失热量Q3

这部分热量由对流和辐射组成，具体计算可参阅有关资料。总的发酵热

Q=Q1-（Q2＋Q3）2．对数平均温度差ΔTm的计算TF——主发酵时的发酵温度（℃）；T1，T2——分别为冷却水进出口温度（℃）。

K包括：发酵液到蛇管壁的传热分系数K1

冷却管壁到冷却水的传热分系数K2

冷却管壁传热系数K3

冷却管壁水垢传热系数K4一般情况下，K3和K4可以忽略

3．传热总系数K的确定发酵液到蛇管壁的传热分系数K1

对酒精发酵而言，其K1值可取2300～2700kJ／（m2·h·℃）。从冷却管壁到冷却水的传热分系数K2

(1)、盘管方式：可用下列简化式计算：

kJ/（m2·h·℃）

A——常数，水温20℃时，取6.45；

ρ——水的密度，kg/m3；

v——蛇管内水的流速，m/s；

D——蛇管直径，m；

R——蛇管圈的半径，m。

ρ1——喷淋密度，kg/（m·h）；

Dm——罐外径，m。

本式适用于喷淋密度在100～1500kg/（m·h）范围内。

（2）罐外壁喷淋冷却发酵罐冷却面积计算确定了上述各项计算参数后，即可算出冷却面积，然后对冷却装置进行结构设计，最后确定实际传热面积。4．冷却水耗量的计算由热平衡方程式得；QA＝QBQA——酒精或其他发酵产品的总发酵热，J／h；

QB——冷却水带走的热量，J／h。

W——冷却水消耗量，kg／h；

cP——冷却水平均温度(T2+T1)/2时的比热容，J/(kg·℃）

T2，T1——分别为冷却水进出口温度，℃。四、酒精发酵设备设计计算依据题目要求，发酵罐设计包括：

1）发酵罐的数量和体积

2）主要结构尺寸的确定

3）降温水用量

4）冷却面积及其装置的设计

5）其他：接口、洗涤装置、支座等的设计

6）画出技术装配图纸第二节啤酒发酵设备

啤酒发酵工艺：

麦芽→糖化（生产麦芽汁）→前发酵→后发酵→滤酒→生啤、瓶啤特点：1、发酵液即是产品

2、温度低：前发酵12-15℃，后发酵0--2℃3、周期长：20—30天

4、卫生符合饮食标准

一、啤酒发酵设备的演变发展

1、发酵容器材料的变化：水泥→防腐碳钢→不锈钢

2、开放式发酵容器向密闭式转换。

3、密闭容器的演变：开放式发酵容器+盖子→密闭压力容器（卧式圆筒形发酵罐、立式圆筒锥底发酵罐啤酒发酵设备的演变发展4、由室内小型化向大型、室外发展，主要是大型化的室外立式罐。优点：①由于大型化，使啤酒质量均一化。②由于啤酒生产的罐数减少，使生产合理化，降低了主要设备的投资。③生产效率高。

5、设备清洗由人工被自动化、程序化清洗系统取代。CIP自动清洗系统。

6、由人工控制向计算机自动控制发展二、新型啤酒发酵设备前发酵：发酵得到嫩啤酒后发酵（贮酒）：主要完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和二氧化碳，促进啤酒的稳定、澄清和成熟。后发酵要维持比前发酵更低的温度，一般要求0～2℃，特殊产品要求达到-2℃左右。后发酵过程残糖较低，发酵温和，产生发酵热较少。二、新型啤酒发酵设备

——圆筒体锥底发酵罐（锥形罐）

锥形罐已广泛用于上面或下面发酵啤酒生产。

优点：

单独用于前发酵或后发酵（二罐法），还可以将前、后发酵合并在该罐进行（一罐法）；能缩短发酵时间；便于实现自动化控制、生产效率高、灵活，置于室外降低建筑投资等。能适合于生产各种类型啤酒的要求。

啤酒发酵罐群图锥形罐结构图

1、罐体

2、工艺操作接口

3、温控装置

4、清洗装置

（一）圆柱锥底发酵罐的特点（1）该罐具有锥底，主发酵后回收酵母方便。（2）圆柱锥形罐具有相当高度，凝聚力较强的酵母可以沉淀，凝聚性差的酵母就需要离心分离。（3）圆柱锥底罐是密闭罐，既可以作发酵罐，也可以作贮酒罐。由于是密闭罐，可以回收二氧化碳，CO2气体由罐顶排出罐外并收集。（4）罐内的发酵液，由于罐体高度而产生的二氧化碳梯度，以及冷却方位的控制，可以形成自下而上或自上而下的自然对流。（5）罐本身具有冷却夹套，冷却面积能够满足工艺上的降温要求。（二）圆柱锥底发酵罐的设计

1、发酵罐上要安装安全阀

2、发酵罐上要安装真空安全阀1-上升管（CO2、压缩空气、CIP）2-气液分离器3-压力安全阀（过压阀）4-真空安全阀5-喷头6-CIP清洗附件罐内真空罐内真空主要是系列的发酵罐在密闭条件下转罐或进行内部清洗时造成的。大型发酵罐放料的速度很快造成一定的负压。罐内留存一部分CO2气体，在进行清洗时，CO2有被除去的可能，所以也可能造成真空。罐内真空大型真空发酵罐应设防止真空的装置。真空安全阀的作用是允许空气进入罐内，以建立罐内外压力的平衡。罐内CO2的除去量可根据进入的清洗液的碱含量算出，并进一步计算出需要进入罐内的空气量。3.罐主体（1）相对尺寸：筒体高径比：H:D=3-4:1

锥底角度：60—850（2）材料：不锈钢（3）设计压力：p=p工(1+10%)4.罐内的对流与热交换发酵罐中发酵液的对流主要依靠其中CO2的作用。在整个锥形罐的发酵液中形成一个CO2含量的梯度。比重较小的发酵液具有上浮的提升力。而且在发酵时上升的二氧化碳气泡对周围的液体具有一种拖曳力。罐内的对流与热交换由于拖曳力和提升力结合后所造成的气体搅拌作用，使罐的内容物得到循环，促进了发酵液的混合相热交换。冷却操作时啤酒温度的变化也会引起罐的内容物的对流循环。4.罐内的对流和热交换问题

1-二氧化碳排出2-洗涤器3-冷却夹套4-加压或真空装置5-人孔6-发酵液面7-冷冻剂进口8-冷冻剂出口9-温度控制记录器10-温度计11-取样口12-麦汁管路13-嫩啤酒管路14-酵母排出15-洗涤剂管路5、锥形罐的冷却a-全夹套冷却b-带式夹套冷却c-间接蛇管夹套冷却d-直接蛇管夹套冷却

间接蛇管夹套冷却

直接蛇管夹套冷却6、罐的保温为了减少土建费用和节省冷量，锥形罐宜放置在露天（锥底部分可设置在室内），露天的罐体则应做好保温设施。所用绝缘材料应具有导热系数低、体积质量低、吸水率低和不易燃等特性。常用的保温材料：聚苯乙烯泡沫塑料，聚酰氨树脂，膨胀珍珠岩。绝缘材料外部需设一外防护层。一般采用铝合金板或薄型不锈钢板，以瓦楞型板材较美观，受欢迎。7、罐的材质目前发酵罐普遍采用的材质是不锈钢，耐氯腐蚀；或用钢板，内涂环氧树脂涂料。较前者约便宜25％，喷涂方便。间或也有采用爆炸不锈钢复合钢板者，内层钢板，外层不锈钢板，其复合界面必须达到要求的结合率，其价格较不锈钢板便宜。

影响发酵设备造价的因素发酵设备大小、形式、操作压力及所需的冷却工作负荷。容器的形式主要指其单位容积所需的表面积，以m2/100L表示，这是影