生物工程设备-第五章

第五章嫌气发酵设备,第一节酒精发酵设备第二节啤酒发酵设备第三节连续发酵,第一节酒精发酵设备p66酒精发酵：淀粉质原料薯类、野生植物。酒精酵母菌糖蜜原料稀释、添加营养盐等。酒精酵母菌亚硫酸纸浆废液五碳、六碳糖。酒精酵母菌（工业酒精）（合成法生产酒精：水合法、直接法、间接法）CH2=CH2+H2OCH3CH2OH合成法：成本低廉，但产物夹杂异构化高级醇类（包括甲醇、甲醛）等有害物质。不适合作食品、医药、饮料、香料等应用。,H3PO4,高压、高温,一、酒精发酵设备（一）对酒精发酵罐的要求1.及时移走热量酵母将糖转化为酒精的过程中，将释放出一定量的生物热，而发酵温度需保持生长代谢产酒精的最佳温度。（接种温度2628，前发酵不超过30，10hr；主发酵期3034，12hr，后发酵期3032，40hr，共6072hr）如果温度过高，酵母早衰，降低发酵力，且易染菌。2.有利于CO2的回收。3.便于设备的灭菌、清洗，维修。4.有利于发酵液的排出。,（二）酒精发酵罐的结构1.罐体：为圆柱形，底盖、顶盖为锥形或蝶形密闭：回收CO2和部分酒精。罐顶：人孔进料管压力表接种管CO2出口喷淋水入口测量仪表接口管罐部：取样口、温度计接口罐底：排料口（排污口）喷淋水收集槽及出口,2.换热装置中小型发酵罐：罐顶喷淋，从外壁进行膜状冷却大型发酵罐：罐内装有冷却蛇管，或罐外壁喷淋联合冷却装置。罐体底部沿四周装有集水槽（如图）3.洗涤装置如果人工操作，劳动强度大，且CO2一旦未排尽，会发生中毒。因此，采用水力洗涤器。水平管：喷水管两头弯成一定的弧度，并装有喷嘴，管上开有小孔。装有活络接头。当喷嘴以一定速度喷水时，反作用力使喷水管旋转。垂直管：管上有小孔，洗涤水压0.60.8Mpa，安装在罐的中央。操作约5min可完成洗涤。(水平管转速4856r/min),发酵罐水力洗涤器水力喷射洗涤装置,二、酒精发酵罐的计算（一）发酵罐结构尺寸的确定全体积：V发酵罐全体积，m3；V0发酵液量，m3；装填系数，可取0.850.90装有锥形底、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。,各尺寸与罐直径的尺寸关系（推荐）圆柱罐体：H=1.11.5D底高：h1=0.10.14D盖高：h2=0.050.1D根据V0得到V（全体积），再以上述关系，可确定发酵罐结构尺寸。（二）发酵罐罐数的确定对于间歇发酵，罐数可按下式计算：(全厂的),N发酵罐个数（其中一个备用）n每24小时进行加料的发酵罐数目t一次发酵周期所需时间，h,（三）发酵罐冷却面积计算按传热基本方程：1.总的发酵热Q生物合成热Q1Q组成蒸发损失热Q2罐壁向周围散失的热损失Q3(1)Q1的计算由于各种微生物的生理指标和代谢途径不同，尚难以准确计算。,Q总的发酵热，J/h;K传热总系数，J/(m2h)；Tm对数平均温度差；A冷却面积,m2。,对于啤酒发酵：a.第一种方法：一般按发酵最旺盛时间糖度降低的百分值来计算。消耗1Kg麦芽糖发酵放出的实际热量为418.6KJ。（如果发酵液不冷却，则发酵温度可升高10）所以第一种方法是测糖度降低。Q1=msqb.第二种方法：在发酵最旺盛时，测定冷却水进出口温度和单位时间内的耗水量，从而得出小罐的放热量：,m-发酵醪液糖量Kgs-糖度降低百分值%q-单位糖放热量J/Kg,然后扩大到生产罐上：（2）蒸发损失热Q2（代谢气体带走的）：难以具体计算，一般计算时可取Q1的5%6%左右。（3）散失的热损失Q3由对流和辐射组成，可参阅有关资料得出。,2.对数平均温度差Tm的计算：3.传热总系数K值的确定：,TF主发酵时的发酵温度，；T1、T2分别为冷却水进出口温度，,K1-发酵液到蛇管壁的传热分系数K2-蛇管的传热系数-钢管的导热系数S-钢管壁厚K阻水垢层热阻,K1：生产经验数据或直接按测定为准。酒精的K1=23002700KJ/cm2h,若采用管外喷淋：确定了以上各项参数，即可按：计算。,A-常数-水的密度,Kg/m3;D-蛇管直径,m;V-流速,m/s;R-蛇管圈的半径,m;,-喷淋密度10001500Kg/(mh),罐外径,K2的计算采用蛇管冷却：,（四）冷却水耗量的计算：QA=QBQA发酵过程的总发酵热QB冷却水带走的热量W冷却水消耗量，Kg/h;CP冷却水平均温度时的比热率，J/(Kg);T2，T1冷却水出进口温度，,第二节啤酒发酵设备,一、啤酒前、后发酵设备（一）前发酵设备前发酵（主发酵）：68710d表征：低泡期高泡期泡盖（泡沫收缩）冷却沉淀我国大多采用下面发酵。啤酒发酵容器的变迁:材料:陶器木材水泥金属（不锈钢）开放式密闭式密闭容器的演变：带盖密闭槽卧式圆桶形立式锥底发酵罐,白色棕黄色褐色PH5.25.7PH4.24.4,1.开放式前发酵槽结构如图：底略有倾斜，利于废水排出，出酒阀如图，可伸缩，（离槽1015cm）冷却管（蛇形或排管）冷却面积（经验数据0.2m2/m3）材质各一，但内涂不饱和聚脂树脂，环氧树脂等，防腐。（化学腐蚀：本身酸性、产H2S、SO2）,容积：小大，1030m3（上世纪50年代）100600m3,2.开放式前发酵室作用：排除CO2，补充10%鲜空气室内安装冷却排或空调，保持低温及湿度。构造：室周围有绝热材料；棚顶光滑弧形面，防冷凝水；室内空间不宜太大。,（二）后发酵设备后发酵槽又称贮酒罐。作用：完成嫩啤酒的继续发酵；饱和CO2；促进啤酒的稳定。贮酒:02，45d。后发酵残糖低，发酵温和，产生发酵热较少，无须冷却装置。但室内要求低温，通过冷却排管或通入冷风循环而得。,结构：金属圆筒形容器，卧式、立式两种，如图由于饱充CO2，设备耐压0.10.2MPa(表压）材料：碳钢与不锈钢压制的复合钢板或纯不锈钢。放置在隔热板的贮酒室内，维持后发酵温度。（卧式体积：500-600L）二、新型啤酒发酵设备锥形罐（奈坦罐）联合罐（通用罐）朝日罐（阿萨希罐）（一）圆筒体锥底发酵罐简称锥形罐（德国酿造师L.Nathan）广泛用于上面、下面发酵啤酒生产。可单独用于前酵或后酵，也可合并。一般置于室外；采用CIP系统清洗。,1.设备结构蝶形或封盖封头：压力安全阀真空安全阀CO2回收管排气口CIP清洗进口筒体：冷却夹套或管取样口保温层锥底：啤酒出口、CO2通气管罐材料：碳钢加涂料层不锈钢容积：100600m3H：D=1.56：1，常用的3：1或4：1,2.耐压由于大型发酵罐的CO2产量大，收集时就必须使罐内CO2维持一定压力。通过安全阀的规格及调整的范围根据工作压力来确定。工作压力：单作前酵的罐，以发酵时的CO2含量为依据，耐压程度较低。前酵和贮酒两用，以贮酒时的CO2含量为依据，耐压稍高于上种。如果采用加压发酵工艺，需提高罐的耐压。根据英国设计法则BS5500（1976）规定罐的工作压力为x磅/in2，则：设计时用的压力为x（1+10%）当达到罐的设计压力时，安全阀应开启。安全阀的最大工作压力是设计压力加10%，此时安全阀应被完全打开。,压力过大（1）麦汁进罐时未将排气口打开的原因（2）发酵过程产生的CO2未顺利排出。3.防止真空（1）如果是系列的发酵罐，在密闭条件下转罐。造成负压（2）内部清洗时，罐内温度较高，蒸汽较多，的原因突然采用冷水清洗，蒸汽冷凝。（3）清洗时：罐内存留一部分CO2，清洗液中含有碱性物质，中和后，使体积速减，造成真空。（4）工作完毕后放料速度很快，未开排气阀真空安全阀的作用是在特殊情况下容许空气进入，以建立罐内外压力平衡。,4.对流与热交换对流：依靠CO2的作用。由于容器较大，不同高度CO2含量不同，下面含量高，发酵液密度成梯度，形成提升力；上升的CO2气流对周围的液体有拖曳力，两种力的结合造成气体搅拌作用，使内容物得到循环，促进混合和热交换。冷却装置：首先要掌握发酵时热交换的最大负荷。前巴斯德测定的数据是：1mol葡萄糖2mol乙醇+2molCO2+324.18J可视作平均值。可用于设计连续发酵设备，对于间歇发酵，应采用热产生的高峰值来考虑换热。W.K.Bronn1971年归纳了各种资料后认为：发酵时的产热高峰值为0.864.18J/（Lh）,冷却套：锥形罐的冷却套分为24段；锥底部分最好也冷却，使酵母能较好地保存。冷却夹套有多种形式：如图扣槽钢、扣角钢、扣半管、蜂窝夹套、环形冷却带等。冷媒：乙二醇、酒精溶液、液氨等啤酒的冰点：-2-2.7所以冷媒温度：-3左右（锥形罐高浓酿造法，8d+18d）,（二）联合罐“Universal”具有较浅锥底的大直径发酵罐。H/D=1：11.3（如图）罐内可设机械搅拌，并具有冷却装置。可进行多种形式的啤酒发酵，即可用于前后发酵，也能用于多罐法及一罐法生产，又称为通用罐。构造如图：薄壳垂直圆柱体，拱形顶，锥底有足够斜度以除去酵母。由7层1.2m宽的钢板组成，总表面积378m2，总体积765m3。,材质：不锈钢或普通钢板+涂料（Lastiglas,Mukadur），厚0.51.0mm;有坚固的水泥沙浆基座。换热：双层冷却板，罐外用聚尼烷作保温层。15cm厚，泡沫状，再包铝板罐容积780m3，罐的冷却面积27m2。循环：CO2注射圈，恰好在酵母层之上。当CO2向上注入时，引起啤酒的运动，结果使酵母浓集于底部的出口处，同时一些不良挥发物随CO2带着逸出。如果未装搅拌，可通过对罐体的精心设计达到同样的搅拌作用。设计时耐压一般不耐压，CO2饱充在完成罐中进行,（三）朝日罐又称朝日单一酿槽，在日本和世界各国广泛采用，属前、后发酵合一的室外大型发酵罐构造：如图由4-6mm不锈钢板制成，斜底圆柱形，H：D=1：11.2设有冷却夹套，包括罐底也有夹套，外有泡沫塑料保温层,图,辅助设备：（1）罐内设有带转轴的可移动排液管排酒液（2）罐外离心机回收酵母薄板换热器控制发酵温度循环泵循环发酵液循环的作用：回收酵母，降低酒温。,解决了前、后发酵温度控制和酵母控制的问题。使用酵母离心机分离发酵液与酵母，可以解决酵母沉淀慢的缺点。而且可利用凝聚性弱的酵母进行发酵，增加酵母与发酵液的接触时间，促进发酵液中双乙酰的还原，减少其含量。,第一次循环：主发酵完毕第八天，由离心机薄板换热器返回（7h）,第二次循环：后酵到4h时，使发酵温度进一步降低，（412h）如果缩短成熟期，可缩短循环间隔时间。当第二次循环时酵母由于搅动的关系，发酵液中酵母浓度可能回升，这有利于双乙酰的还原和生味物质的排除。循环后，酵母很快沉下去，形成较坚实的沉淀。第三次循环：根据需要，若双乙酰含量高，或生味物质较显著，可在第十天进行第三次循环。朝日罐进行一罐法生产啤酒优点：可加速啤酒的成熟；后酵时罐的装填可达96%，提高了设备利用率；减少了排除酵母时发酵液的损失。缺点：动力消耗大。,三、CIP清洗p87CleanInPlace，内部清洗，又称原位清洗。如图：800m3罐的CIP清洗系统联结流程,发酵罐底部倾斜（非锥形罐），双重双出口安装在最低处。罐顶喷洗液进口，及通气管出口。CIP系统组成：清洗剂清水罐废碱罐分配站碱罐（消毒剂）酸罐分配站啤酒进出站：麦汁进、啤酒输出、嫩啤酒进入、清洗液返回清洗剂分配站：各类清洗液进各发酵罐分配站靠U形管连结。,清洗程序：自动控制（1）预冲洗（水）：30s，10次。30s排出，除去沉渣双重出口（2）碱预洗：循环16min，并通入蒸汽加热到32（3）中间清洗：清水循环，4min（4）清水喷冲：加入气动器来的空气流到罐顶喷头，3次，30s/次（5）碱喷冲：循环15min（6）清水冲洗：洗去残留碱（7）酸性水洗：循环，中和碱两次碱洗，酸中和最终使罐保持弱酸状态，完成全部清洗过程。,固定式洗球喷水示意图旋转式洗球喷水示意图,第三节连续发酵p89,为20世纪50年代后发展起来的一种新型发酵技术。延迟期（延缓期）对数生长期静止期（平衡期）衰亡期而第一、第四时期时间长，导致发酵周期长、罐数多、设备利用率低。连续发酵：连续不断地流加培养液，同时又连续不断地排除发酵液，使发酵罐中的微生物一直维持在生长加速期，（或静止期），从而缩短发酵周期。,间歇发酵四个阶段在一个罐内完成,连续发酵优点：（1）培养液浓度和代谢物含量相对稳定，从而保证产品质量和产量稳定；（2）发酵周期短，设备利用率高，产量较大；（3）便于自动化，便于生产管理；（4）节省人力、物力。连续发酵未能代替全部传统的间歇发酵，由于：（1）如果长期连续发酵，微生物会发生突变；（2）欲保持长期的无菌状态，技术上尚有一定困难；（3）发酵液在连续流动过程中的不均匀性；（4）丝状菌在管道中流动的困难；,（5）对微生物动态方面的活动规律还缺乏足够认识。,一、单罐连续发酵时间的确定在生长加速期：a可发酵性糖t发酵时间X已转化为代谢产品比生长速率积分得：积分常数c在发酵开始t=0、X=0时，等于lna代入式（2）：,可以理解为：代谢产品的瞬时增长速率与剩余未发酵糖减少的关系,（2）,若以0和分别表示发酵开始和发酵时间t后的基质浓度则：（3）式可变为计算发酵时间的通式,换底：,反映了发酵时间与发酵性糖之间的关系,二、连续发酵理论罐数的确定根据产物A.微生物生长和代谢产物的生成同时进行双边发酵，有化学计量关系，如：酒精或啤酒。最低限度采用一个发酵罐进行连续发酵。B.微生物生长和代谢产物的生成明显地分为两个阶段，且培养条件不同，如：柠檬酸。连续发酵至少需要两个罐。C.菌体生长和代谢产物的生成很难明显地分，且各个阶段需要不同培养条件，如：抗生素和酶制剂。因此需要几个罐串联。,在实际生产中：采用单罐可满足微生物连续发酵的却往往采用多罐串联。这是因为：既可满足工艺要求，又可提高设备利用率。,理论罐数的确定图解法一切多罐连续发酵应满足下列平衡条件。输出量=输入量+生长量,q=F-基质流加速率m3/h,对于第一罐，Xn=Xn-1=0其物料平衡线为通过圆点，的一条直线。如图第一条直线。图解法：在间歇发酵中全程测定每一间隔时间的产物浓度X，得到发酵曲线，如图：abc线,为直线方程,斜率,截距,斜率,从曲线的原点以作物料平衡线，该直线与发酵曲线相交A点对应横坐标为X1，为第一罐出口菌体浓度。再从X1出发作同样斜率的直线与曲线交于B点，对应X2为第二个罐出口浓度。依次类推，直到所交点横坐标对应Xn。此方法为近似方法，需进行小型发酵罐的实验数据核实，再以此进行放大。如果，产品为代谢产物，浓度为P，则同样合适。,三、连续发酵流程（一）酒精连续发酵流程1.糖蜜制酒精连续发酵流程,20世纪5070年代，国内实现了糖蜜以及淀粉质原料连续发酵酒精工业化生产。由9个发酵罐组成。酒精酵母和糖蜜同时加入第一罐，并通气，发酵液依次流入各罐，最后从9号罐排出。送蒸馏。维持一号罐的酒精酵母数。CO2由各罐顶部进总汇集管。如果发酵液中维持0.61.0亿/mL，连续发酵周期可达20天，发酵只需32h。酒精含量可到9%10%，发酵率约为85%。（间歇发酵6072h。酒精含量8%10%）,2.淀粉质原料制酒精连续发酵流程,11个罐组成，糖化醪和液曲混合液同时连续平行流入前三罐。在发酵过程中，发酵液由罐底流出，经连通管进入另一个罐的上部，其余类推，最后进入10、11罐计量，并轮流用泵送往蒸馏工段。CO2收集后，引向液沫捕集器经分离，除去泡沫，再通过鼓泡式水洗涤塔经回收酒精后，供综合利用或排放。配套装置：装有蒸汽管以灭菌。冷却装置。自动清洗。酵母繁殖罐。（延缓期）,（二）啤酒发酵连续流程塔式连续发酵（单罐）多罐式连续发酵,1.塔式连续发酵如图：为英国APV公司20世纪60年代设计的，上面发酵塔式连续发酵罐。麦汁开始进入，流速慢。一周后，全速操作。连续发酵过程中经常从塔底通入CO2，以保持酵母柱的舒松度。嫩啤酒酵母分离器薄板换热器-1贮酒罐饱充CO2贮存4d分装出厂,连续发酵到一定时间后，酵母自溶，啤酒内氨基氮含量上升，须在塔底排出部分老酵母，仍可继续。英国伯顿啤酒厂采用塔式发酵：塔的技术参数D=1.8mH=15m塔顶酵母离析器D=3.6m,H=1.8m罐容量为45m3塔底锥角600,2.国内塔式连续发酵流程,（1）塔式流程：澄清麦汁冷却器（0C0）贮槽（2d，除去冷凝物）热交换器（638min-冷却1214）发酵塔加麦汁3t（通风增殖1d）追加麦汁3t（通风增殖1d）缓慢加入麦汁罐满酵母浓度达到低速进料到全速（240280L/