第四章 嫌气发酵设备

第四章 嫌气发酵设备,发酵罐是发酵工厂主要的设备，应具备适宜微生物生长和形成产物的各种条件，并在低能耗下获得较高的产量。    微生物分嫌气和好氧两大类，故发酵罐也可分为两类。区别在于好气发酵要通入空气，以提供氧。    目前，国内外发酵罐的发展趋势是向大型化、连续化和自动化的方向发展。,第一节 酒精发酵设备,一 传统酒精发酵罐       采用圆柱形筒体，蝶形或锥形封头。       封顶有二氧化碳回收管、人孔、视镜、进料口、接种口、压力表口；封底有排料口和排污口；筒体有取样口、温度计口、冷却水进、出口。       温度控制：中小型罐采用罐外喷淋冷却；大型罐采用罐内蛇管或与罐外喷淋相结合的冷却方式。,清洗方式：人工清洗、机械清洗       水力清洗装置：喷水管两头弯成一定的弧度并装有喷嘴，管上开有小孔，当喷嘴以一定的速度喷出水时，反作用力使喷水管旋转，从而达到对罐内各个部位水力洗涤的目的。       缺点是水压不大时，水力喷射强度和均匀度都不理想。       若在原有水力喷射装置的基础上，安装一根直立的喷水管，管上钻有小孔，洗涤水压在0.6-0.8MPa，洗涤效果可大大提高。,二 新型大容量酒精发酵罐（1500m3）       筒体H/D=1.5左右，采用斜底或锥底，顶部为锥顶，罐直径在11米左右，夹套冷却。       由于罐太大，因此中心部位降温和底部循环困难。可采用两种不同的措施：    1、采用中心降温水柱对罐中心醪液进行降温，侧搅拌或连通器加泵循环来改善混合和滞留问题；      2、采用罐外螺旋板换热器循环来解决降温和循环两个问题；,三 酒精发酵罐的计算（一）发酵罐结构尺寸的确定         容积：V=V0/         V0进入发酵罐的发酵液量（m3）          装液系数，取0.85-0.9     若采用锥形封头，则：            V= D2（H+h1/3+h2/3）/4 （m3）            H圆柱部分高度（m）            D罐的直径（m）,h1   封底高度（m）            h2   封顶高度（m）       尺寸关系：           H =1.1-1.5D    h1 =0.1-0.14D           h2 =0.05-0.1D(二) 罐数的确定        N=nt/24+1 (个)     n 每24小时内进行加料的发酵罐个数        t  一次发酵周期所需时间（h）,(三) 发酵罐冷却面积计算            F=Q / K tm   (m2)1、总的发酵热Q   由生物合成热Q1、蒸发热损失Q2、罐壁向周围散热Q3组成。         总热量Q= Q1 -（ Q2 + Q3 ） （1） Q1计算有两种计算方法 a、按发酵旺盛期糖度下降的百分值来计算：        Q1=GSq         q=418600J b、根据冷却水来计算：        Q1= WCp（t2-t1）,（2） 蒸发热Q2          Q2=5%-6% Q1（3）罐壁向周围散热Q3      Q3 =Fc(tW-tB)      tW罐壁最高温度      tB所在地区夏季平均温度     c=1.7 (tW-tB)0.25+         C=4.88,C(TW/100)4- (TB/100)4               tW-tB,2、对数平均温度差tm 的计算                    tm=         t1、t2分别为冷却水进出口温度             tF 主发酵时的发酵温度,（tF-t1）- （tF-t2）,ln (tF-t1)/ (tF-t2),3、传热总系数K值确定                 K=          钢管导热系数          S钢管壁厚          阻水污垢层热阻          1发酵液到蛇管壁的传热分系数                  取值为2300-2700KJ /（m2 h ）,11/1+1/2+S/+1/ 阻,2 冷却管壁到冷却水的传热分系数蛇管冷却： 2 =4.186A                (1+1.77d/R)           A常数，水温20时，取6.45         蛇管内水的流速（m/s）         d蛇管直径（m）         R蛇管圈的半径（m）         水的密度（kg/m3）,()0.8  d 0.2,罐外喷淋冷却：                    2 =167          KJ /（m2 h ）                 G喷淋密度 kg/（m h）                 Dm罐外径（m）   本式适用于喷淋密度在100-1500 kg/（m h）的范围内。,G0.4Dm0.8,4、冷却水耗量的计算      W= QB/ Cp (t2-t1)     (kg/h)       Cp 冷却水的比热J/(kg )       t2、t1分别为冷却水进出口温度       QB冷却水带走的热量(J/h),四 代谢终产物抑制消除方法       消除或减轻代谢终产物的抑制是提高生产效率的关键因素。       对于酒精发酵来说：酒精浓度大于2%时，即表现出抑制作用；酒精浓度大于8%时，酵母的繁殖就停止了。要保持发酵的快速进行，通常认为反应器内酒精浓度控制在3%以内，这就要求不断地分离移去酒精。       消除方法有：真空发酵、萃取发酵、膜蒸发发酵、二氧化碳气提发酵等。,1、真空发酵：       原理：发酵过程中保持一定的真空度，发酵液处于沸腾状态，酒精被蒸馏出来。       主要设备有发酵罐、发酵蒸发器、总凝器、分凝器、收集器、真空泵。       优点：糖浓 度提高3倍，发酵时间缩短1/3；酒糟、水、蒸汽都有减少；生产能力、设备利用率提高；酒精浓度可达33%。       缺点：能耗大、设备真空操作负荷大、操作费用高、负压操作容易引起杂菌污染。,2、萃取发酵：       具有能耗低、操作简便易行的优点。       发酵和萃取在同 一反应器中进行：采用固定化细胞技术，选择合适无毒的萃取剂。       发酵和萃取分开进行：       （1）膜萃取：将发酵液取出，以三聚磷酸丁酯为萃取相，在中空纤维膜反应器中萃取。       （2）二氧化碳超临界萃取：发酵液逆向通过超临界二氧化碳萃取柱，富含酒精的超临界流体通过活性炭柱吸附分离酒精。,3、吸附法       将吸附剂直接加到发酵液中或让发酵液循环通过一个疏水性的分子筛吸附柱来吸附酒精。        一般可采用疏水性硅沸石作为吸附剂，采用这种方法发酵时间可缩短30%。4、透析膜法       采用对酒精有选择性透过的多孔性膜，分离发酵液中的酒精来降低发酵液中的酒精浓度。,5、二氧化碳气提法       利用发酵过程中产生的二氧化碳，通过循环压缩机加压后，送回发酵罐气提发酵产生的酒精，在0冷却饱和了酒精和水蒸气的二氧化碳，再由活性炭填充柱吸附酒精，纤维素填充柱吸附水。生产能力提高27%。6、膜蒸发法       由发酵循环和膜蒸发两个独立的循环回路组成，两个回路通过一个可调优的内回路连接。,第二节 啤酒发酵设备,啤酒发酵设备趋于向大型化、露天化、联合的方向发展。       变迁过程：     1、材料由陶器到木材、水泥、金属；     2、开放式向密闭式转变；     3、卧式方形槽向立式圆筒锥底罐转变；,一、啤酒前、后酵发酵设备及计算（一）前发酵设备       前发酵槽为方形开口式或密闭式设备，均置于室内，材料内涂保护层。       蛇管或排管冷却，冷却面积0.2m2/m3发酵液，0-2冰水冷却。       密闭式: 具有回收二氧化碳、减少前发酵室内耗冷量以及减少杂菌污染机会的优点。室内采用空调制冷，实施冷风再循环。        开口式：室内装二氧化碳排除装置，排管冷却，补充10%新鲜空气的再循环方式。,发酵室：四周墙壁和顶棚采用较好的绝热材料，地面有一定的坡度，顶棚应建成倾斜或光滑弧面，空间不应太高。（二）前发酵槽的计算          数目：N=nt       容纳一次麦汁量                      N=nt/z    容纳Z次麦汁量          容积：V=ZV0/  取0.8-0.85          产热量：Q=sq/24t  J/(m3 h)     放热不平衡系数，取1.3-1.5      s主酵期单位时间降糖百分率     q发酵1kg麦芽糖放热量（418.6kJ/kg）,（三）后发酵设备       贮酒罐，完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和二氧化碳，促进啤酒稳定、澄清和成熟。       后发酵温和，产生热量少，故罐内一般无须装冷却装置，热量借室内低温带走。       金属的圆筒形密闭容器，有卧式和立式两种。由于罐内需饱和二氧化碳，故应制成耐压容器。       材料：碳钢内涂防腐层、铝板、复合钢板。,（四）后发酵槽的计算       后酵槽容积应满足一个或几个糖化批次的装料量。       一天的过滤量要和后酵槽的数量匹配，不能滤到一半停下来。       数量：N=V/Vs       容积：V0=Vs/   (m3)           0.9-0.95           V总有效容积 (m3)           Vs每个后酵槽有效容积 (m3),二、新型啤酒发酵设备（一）圆筒体锥底发酵罐       用于上面及下面啤酒发酵，前后酵可合并在该罐内进行。室外放置，节省投资。       优点：能缩短发酵时间，生产灵活。       长圆筒形，H/D=4，上部是碟形封头，下部是锥形底。       封头上有：压力安全阀、真空安全阀、二氧化碳回收，排气、CIP共用一个进口，由一根管道通到操作间再分支。,锥底有：取样管、啤酒出口、二氧化碳通气管。       筒体上有冷却带、温度探头，外包保温层。冷媒多采用乙二醇、酒精溶液或液氨直接蒸发来冷却。       罐的容量与糖化能力相匹配，以12-15小时内满罐为宜。       由于后酵要进行二氧化碳饱和，因此应做成耐压罐，利用压力及真空安全阀来保证安全受压。,压力过大是由于麦汁进罐时未将排气口打开，导致罐内气体排不出去；发酵过程中产生大量的二氧化碳也排不出去。       真空产生的原因是：放罐时未开排气阀； CIP清洗时，罐内二氧化碳与清洗剂NaOH反应，造成罐内真空；清洗后罐内温度太高，蒸汽较多，突然采用冷水清洗，蒸汽冷凝，造成罐内真空。       利用发酵过程中产生的二氧化碳以及不同高度上的温度差，可引起罐内液体的对流和热交换。,锥形罐的冷却夹套分为2-4段，锥底部分也应有冷却夹套，夹套有多种形式：扣槽钢、扣角钢、扣半管、蜂窝夹套、环行冷却带等。       产热最高峰时放热量0.864.186kJ/(Lh)。,（二）联合罐       这是一种具有较浅锥底的大直径发酵罐，H/D=1.1-1.3，能在罐内进行机械搅拌，并具有冷却装置。可进行多种形式的啤酒发酵，称为通用罐。       由薄层竖直圆筒体、拱形顶和有足够斜度以除去酵母的锥底组成。多数用不锈钢制作。特殊的基础保证经受10级地震。       冷却带采用一段位于罐中上部的双层冷却板，罐外用聚尼烷作保温层。,（三）朝日罐       这是由不锈钢制作的斜底圆柱形发酵罐，H/D=1-2。外设冷却夹套包围罐身和罐底。内设带转轴的可移动排液管，可保证酒液中二氧化碳均一。       特点：利用离心机回收酵母，利用薄板冷却器降温，利用循环泵将发酵液抽出再送回。这样可缩短发酵时间，解决酵母沉降慢的缺点，提高设备利用率，酒损可减小，但动力消耗大。,三、CIP清洗系统       CIP是Clean In Place(原位清洗)的简称。       固定式CIP系统由清水罐、酸罐、碱罐、废碱罐、泵、加热器组成。       通过罐顶的CIP喷头喷出高压水柱来对罐内各个角落进行清洗。有固定式和旋转式。       主要步骤有：CO2回收、水冲、通空气、接入CIP系统、水洗、废碱洗、碱洗、水洗、酸洗、水洗、杀菌水冲。,第三节 葡萄酒发酵设备,葡萄酒根据种类不同可分为带皮发酵如：红葡萄酒、去皮发酵如：白葡萄酒。这样，在设备上对于带皮发酵来说，要使用翻拌装置，同时还要使用容易排出皮、渣的装置。       连续发酵工艺：产量大、质量差；       热浸提工艺：质量优，但对原料要求高；       旋转罐发酵工艺：产量大、质量优；,一、旋转罐       卧式圆筒，可绕水平轴线回转；一头为锥形封头，另一头为碟形封头。       长径比为1.3-1.7，由于加工精度及动平衡的因素，罐直径不能太大，导致罐体积不能超过35m3。       旋转罐在工作中依靠托轮支撑，沿罐体上的滚圈进行回转。       间歇操作，每天运转2次，每次正逆转3-5分钟，转速1-2转/分。,电动机经蜗轮蜗杆减速后，再经一级套筒滚子链传动带动罐体旋转。       罐体缓慢转动时由于内螺旋带的作用，对皮渣进行了搅动；发酵结束时，发酵液通过罐体筛板和阀门放出，然后转动罐体实现自动排渣，皮渣经罐锥体的人孔排除。       优点：可有效地快速提取有效成分，大大地提高成酒的质量，发酵时间可降低30-50%。       该设备在法国、西班牙等欧洲国家使用。,二、多功能发酵罐       用途：用于优质葡萄酒和小浆果酒的发酵，葡萄破碎和果汁分离。       设备具有搅拌刮渣装置和热交换系统，自动出渣。       电动机经减速后，由链传动装置带动内部链条及刮板运动。刮板在罐内作迂回运动，起到搅拌、压榨、出渣作用。       优点：浸提完全、能避免杂菌污染、酒精及香味成分损失少，出汁率高，时间短，自动出渣，温度容易控制。,第四节 连续发酵,间歇发酵是微生物要在一个罐中完成四个阶段的培养过程，但是第一和第四个过程生产和代谢十分缓慢。这将导致发酵周期长、能耗增加、设备利用率低、设备数量多等问题。       连续发酵是在罐内连续的补充培养液，同时不断地将产物排出，使罐中的微生物一直处于对数生长期。具有发酵周期缩短，设备利用率和产量提高，生产稳定，便于实施自动化，节省人力和物力等优点。,特点：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，可用数学方式和实验公式来表达连续发酵在稳定条件下，微生物生长速度，代谢产物、底物浓度和流加速度之间的关系。借以选定过程控制的参数。       反应时间是连续生产中关键的一个参数之一，它决定了设备的大小、长度、级数。,一、单罐连续发酵的发酵时间           -          = (a-x)   积分后 得：              t=              lg       S0，S分别表示发酵开始和经发酵时间T后的发酵基质浓度。       为比生长速率,d X         d t,2.303    ,S0 S,二、理论罐数的确定       一般采用图解法确定连续发酵的理论罐数。与蒸馏塔理论板数的图解法一样。       方法：在间歇发酵中全程测定每一间隔的产物浓度X，得到发酵曲线，从曲线的原点作物料平衡线，斜率为F/V，和曲线交于A点，该点的横坐标X1为第一个罐出口的产物浓度。再从X1出发作同样斜率的直线，与曲线交于B点，该点的横坐标X2为第二个罐出口的产物浓度。依此类推，可求得多罐的理论罐数和出口的产物浓度。,三、连续工艺流程（一）酒精连续发酵    1、九罐连续糖蜜发酵工艺       酒母和糖蜜同时加入第一个罐，并依次流入各罐，最后从第九个罐流出。在第一个罐中通入空气，并维持第一罐中一定的酵母数。二氧化碳气体由各罐顶部进总汇集管，到综合利用车间。连续发酵周期可达20天，发酵只需32小时，酒精浓度达9-10%。,2、印度Biostil连续发酵工艺       自1989年以来，印度国内有35家酒精厂采用阿法拉伐的Biostil工艺。生产规模在3-18万升/日。        VAM有机化工公司，1994年采用Biostil法建15万升日，用一个发酵罐，六台酵母离心机，酵母回流发酵罐，但从粗馏塔出来的醪液没有回流发酵罐，而是全部直接排放(废液用来制沼气)，这是与其他采用该工艺的厂不同之处。成熟醪酒分8、残糖l .5，每吨标准糖蜜产酒精0.238吨(浓度96)，Biostil生产线工人25人，比传统法减少16人。,首家采用Biostil工艺的是沙哈德里糖厂，该厂采用一个发酵罐，容积275m3罐。内无机械搅拌，采用罐外冷却方式，即从发酵罐抽出的醇液经板式换热器降温后再回至发酵罐，罐内温度维持在32左右。从板式换热器出来的冷却水，经过两座