厌氧发酵设备

第五章厌氧发酵设备

发酵设备是生物工厂中最主要的设备，发酵设备必须具有适宜微生物生长和形成产物的各种条件，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高产量。因此发酵设备必须具备微生物生长的基本条件。例如：需要维持合适的培养温度，要求有不同程度的无菌度，结构应尽可能简单，便于灭菌和清洗。由于微生物主要分嫌气和好气两大类，故发酵设备也分为两大类：嫌气发酵设备和通风发酵设备。嫌气发酵设备常用于酒精、啤酒、丙酮、丁醇等嫌气发酵产品的生产。其特点是在发酵过程中不需通入氧气或空气，有时需通入二氧化碳或氮气等惰性气体以保持罐内正压，防止染菌。酒精发酵罐和啤酒发酵罐是最常见的嫌气发酵设备，本章以其为例重点介绍。第一节酒精发酵罐一、酒精发酵罐的结构及操作1、酒精发酵罐的结构酒精发酵罐通常可分为密闭式和开放式两种，目前大多数工厂都采用密闭式发酵罐。密闭式酒精发酵罐的优点是：可以防止杂菌感染、便于保温冷却及控制发酵温度、酒精产量多、损失少、可回收、发酵率高。密闭式酒精发酵罐的缺点是结构较复杂、造价较贵。酒精发酵罐罐身为圆柱形，罐顶和罐底均为锥形或碟形。罐顶装有人孔、视镜、排料管、接种管、二氧化碳回收管、压力表和各种测量仪表接口管等。罐底装有排料管、排污管。罐身上下部装有温度计和取样器。罐内常装有供加热杀菌用的直接蒸汽管。为了便于维修和清洗，对于大型酒精发酵罐。往往在近罐底也设有人孔。酒精发酵罐的结构酒精发酵罐的结构发酵罐的冷却装置，对于中小型发酵罐，多采用罐外壁喷淋膜状冷却。对于大型发酵罐，罐内装冷却蛇管或罐内蛇管和罐外喷淋联合冷却装置。此外，也有采用罐外列管式喷淋冷却的方法。酒精发酵罐工作时，罐内不同高度的发酵液中二氧化碳含量有所不同，发酵液中形成一个二氧化碳含量的浓度梯度。一般罐底液层气泡密集程度较高，发酵液相对密度小。罐上部液层二氧化碳气泡密集程度较低，发酵液相对密度大。于是相对密度小的底部发酵液就具有上浮的提升力。同时，上升的二氧化碳气泡对周围的液体也具有一种拖曳力，拖曳力和液体上浮的提升力相结合则构成气体搅拌作用，使罐内发酵液不断循环混合和热交换。因此，酒精发酵罐一般不配置机械搅拌器。但当发酵罐容量较大，罐内产生的二氧化碳气量较少时可配置侧向搅拌器。酒精发酵罐的洗涤，过去均由人工操作，不仅劳动强度大，而且二氧化碳气体一旦未彻底排除，工人入罐清洗就会发生中毒事故。近年来，酒精发酵罐已逐步采用水力喷射洗涤装置。水力喷射洗涤装置是由一根两头装有喷嘴的洒水管组成，喷水管两端弯有一定的弧度，喷水管上均匀地钻有一定数量的小孔。喷水管安装时呈水平，喷水管借活络接头和固定供水管连接。它是借喷水管两端喷嘴以一定的喷出速度喷射时形成的反作用力，使喷水管自动旋转，在旋转过程中，喷水管内的洗涤水由喷水孔均匀喷洒在罐壁、罐顶和罐底上，从而达到水力洗涤的目的。水力喷射洗涤装置2、酒精发发酵罐的的尺寸3、酒精发发酵罐的的操作（1）操作注注意事项项①进料前前，要对对设备、、管道、、管件彻彻底灭菌菌。②接种时，，严格按按照无菌菌操作的的规程操操作，以以免带入入杂菌。。③发酵过程程中严密密监控温温度的变变化，确确保在最最适要求求范围。。无论何何种酵母母菌，都都有最适适生长和和发酵温温度，避避免延长长发酵周周期、菌菌种衰老老或降低低产品得得率。④定期观察察设备、、管道和和管件的的运行状状况，严严防跑、、冒、滴滴、漏现现象，避避免杂菌菌感染。。⑤定期或在在线检查查发酵醪醪理化指指标，如如发现异异常发酵酵，一定定要按照照操作规规程规定定之措施施及时予予以调整整。⑥对于间歇歇发酵，，发酵结结束出罐罐后，对对发酵罐罐彻底灭灭菌。（2）酒精异异常发酵酵及产生生原因和和处理方方法①酸度增增高，镜镜检有杂杂菌，残残余还原原糖高。。产生原因因：发酵罐罐或管道道、阀门门、泵有有死角，，清洗不不干净，，灭菌不不彻底。。糖化剂剂或酵母母染菌；；发酵温温度偏高高。预防和处处理方法法：注意发发酵罐、、管道、、阀门、、泵等的的清洗和和灭菌；；消除死死角；保保证糖化化剂和酵酵母质量量；控制制发酵温温度。②残余还原原糖过高高。产生原因因：酵母质质量不高高、蒸煮煮过度或或发酵温温度过高高。预防和处处理方法法：分析酵酵母质量量不高的的原因并并采取相相应措施施，适当当降低蒸蒸煮温度度和缩短短蒸煮时时间，控控制发酵酵温度。。二、酒精精连续发发酵设备备连续发酵酵是在发发酵罐内内连续不不断地流流加培养养液，同同时又连连续不断断地排出出发酵液液，使发发酵罐中中的微生生物一直直维持在在生长加速速期。同时又又降低了代代谢产物物的积累累，培养液液浓度和和代谢产产品含量量具有相相对的稳稳定性，，微生物物在整个个发酵过过程中始始终维持持在稳定定状态，，细胞处处于均质质状态。。其优点是：发酵酵周期短短、设备备利用率率高、产产品质量量和产量量较高、、节省人人力和物物力、生生产管理理稳定、、便于自自动化生生产。二、酒精精连续发发酵设备备尽管连续续发酵具具有上述述优点，，但在实实际生产产中,连续发酵酵仍未能能全部代代替间歇歇发酵，，原因是：长期连续续发酵生生产中，，遇到了了微生物物的突变变和杂菌菌污染问问题，出出现了发发酵液在在连续流流动过程程中的不不均匀性性和丝状状菌在管管道中的的流动困困难，以以及对微微生物动动态方面面的活动动规律还还缺乏足足够的认认识等。。酒精连续续发酵的的方式是是从最初初的单罐罐连续发发酵发展展到多罐罐的串联联连续发发酵。目目前，我我国的糖糖蜜原料料制酒精精及淀粉粉质原料料制酒精精的连续续发酵生生产是采采用多罐串联联连续发发酵。二、酒精精连续发发酵设备备1、糖蜜原原料制酒酒精的连连续发酵酵设备该流程由由9个发酵罐罐组成，，酵母和和糖蜜同同时连续续流加入入1号罐内，，并依次次流经各各罐，最最后从9号罐排出出。除了了在酒母母槽通入入空气之之外，在在1号罐内也也同样通通入适量量的空气气，或增增大酵母母接种量量，维持持1号罐内工工艺所要要求的酵酵母数。。连续发发酵周期期结束，，则储存存于每罐罐的发酵酵液，先先从末罐罐按逆向向顺序依依次排出出，入蒸蒸馏塔蒸蒸馏。而而空罐则则依次进进行清洗洗灭菌待待用。二二氧化碳碳则由各各罐罐顶顶排入总总汇集罐罐，再送送往二氧氧化碳车车间，进进行综合合利用。。糖蜜原料料制酒精精的连续续发酵设设备糖蜜蜜原原料料制制酒酒精精的的连连续续发发酵酵设设备备按目目前前的的流流程程装装置置和和工工艺艺条条件件，，连连续续发发酵酵周周期期可可达达20d左右右，，甚甚至至更更长长。。发发酵酵过过程程中中，，如如发发酵酵液液中中维维持持酵酵母母数数在在（（0.6-1）亿亿个个Ml,发酵酵只只需需32h，发发酵酵液液中中酒酒精精含含量量可可达达9%-10%,发酵酵率率约约为为85%，二、、酒酒精精连连续续发发酵酵设设备备2、淀淀粉粉质质原原料料制制酒酒精精的的连连续续发发酵酵设设备备该流流程程由由11个发发酵酵罐罐组组成成，，借借连连通通管管将将各各互互相相连连接接，，糖糖化化醪醪和和液液曲曲混混合合液液同同时时连连续续平平行行流流入入前前3罐，，在在发发酵酵过过程程中中，，发发酵酵液液由由罐罐底底流流出出，，经经连连通通管管进进入入另另一一罐罐的的上上部部，，其其余余依依次次类类推推，，最最后后流流入入最最末末的的两两罐罐计计量量，，并并轮轮流流用用泵泵送送往往蒸蒸馏馏工工段段。。发发酵酵过过程程中中所所产产生生的的二二氧氧化化碳碳气气体体借借带带有有控控制制阀阀门门的的U形支支管管和和总总管管相相连连，，并并引引向向液液沫沫捕捕集集器器经经分分离离除除去去泡泡沫沫后后，，再再通通过过一一个个鼓鼓泡泡式式的的水水洗洗涤涤塔塔，，经经回回收收酒酒精精后后排排入入大大气气或或二二氧氧化化碳碳综综合合利利用用车车间间。。各发发酵酵罐罐都都是是密密闭闭的的，，各各罐罐底底均均有有和和总总排排污污管管相相连连接接的的排排污污支支管管，，该该管管和和蒸蒸汽汽管管相相通通，，以以便便消消毒毒和和杀杀菌菌。。为为尽尽可可能能减减少少染染菌菌的的概概率率，，发发酵酵罐罐和和管管道道、、管管件件以及及阀阀门门等等都都必必须须严严格格地地进进行行消消毒毒和和杀杀菌菌。。连连续续发发酵酵系系统统中中，，冷冷却却装装置置面面积积满满足足酵酵母母对对数数生生长长期期的的降降温温，，维维持持恒恒定定的的发发酵酵温温度度。。第二二节节啤啤酒酒发发酵酵罐罐近年年来来，，啤啤酒酒发发酵酵设设备备向向大大型型、、室室外外、、联联合合的的方方向向发发展展。。迄迄今今为为止止，，使使用用的的大大型型发发酵酵罐罐容容量量已已达达1500m3。大型型化化的的目目的的是：：①由于于大大型型化化，，使使啤啤酒酒质质量量均均一一化化。。②由于于啤啤酒酒生生产产的的罐罐数数减减少少，，使使生生产产合合理理化化，，降降低低了了主主要要设设备备的的投投资资。。啤酒酒发发酵酵容容器器的的变变迁迁过过程程，，大大概概可可分分为为三三个个方方面面：：一是是发发酵酵容容器器材材料料的的变变化化；；二是是开开放放式式发发酵酵容容器器向向密密闭闭式式转转换换。。三是是密密闭闭容容器器的的演演变变。。容器器的的材材料料由由陶陶器器向向木木材材、、水水泥泥、、金金属属材材料料演演变变。。我我国国大大多多数数啤啤酒酒发发酵酵容容器器为为内内有有涂涂料料的的钢钢筋筋水水泥泥槽槽，，新新建建的的大大型型容容器器一一般般使使用用不不锈锈钢钢。。小规规模模生生产产时时一一般般用用开开放放式式，，上上面面没没有有盖盖子子，，对对发发酵酵的的管管理理、、泡泡沫沫形形态态的的观观察察和和发发酵酵液液浓浓度度的的测测定定等等比比较较方方便便。。随随着着啤啤酒酒生生产产规规模模的的扩扩大大，，发发酵酵容容器器已已开开始始大大型型化化，，并并为为密密闭闭式式。。密密闭闭式式最最大大问问题题是是发发酵酵时时被被气气泡泡带带到到表表面面的的泡泡盖盖的的处处理理，，开开放放发发酵酵便便于于撇撇取取，，密密闭闭容容器器人人孔孔较较小小，，难难以以撇撇取取，，可可用用吸吸取取法法分分离离泡泡盖盖。。对于于密密闭闭容容器器，，原原来来是是在在开开放放式式长长方方形形容容器器上上面面加加穹穹形形盖盖子子的的密密闭闭发发酵酵罐罐槽槽，，后后过过渡渡到到用用钢钢板板、、不不锈锈钢钢或或铝铝制制的的卧卧式式圆圆筒筒形形发发酵酵罐罐，，后后来来出出现现的的是是立立式式圆圆筒筒体体锥锥底底发发酵酵罐罐。。这这种种罐罐是是20世纪初期瑞士士的奈坦（Nathan）发明的所以以又称奈坦式发酵罐罐。常见的大容量量发酵罐有圆圆筒体锥底发发酵罐、联合合罐、朝日罐罐和塔式发酵酵罐等。一、圆筒体锥锥底发酵罐1、特点（1）优点①锥底罐是密闭闭罐，既可做做发酵罐，又又可做储酒罐罐。也可用二二氧化碳洗涤涤，除去生青青气味，促进进啤酒的成熟熟。同时，由由于可采取加加压、升温的的操作，生产产灵活性大，，可以缩短发发酵周期。②自身有冷却装装置，可有效效地控制发酵酵温度，尤其其是锥底部有有冷却夹套，，便于回收酵酵母，也可置置于室外以节节约冷库面积积，降低投资资费用。③有自动清洗设设备，染菌机机会少，有利利于无菌操作作。④由于是是加压密闭发发酵，减少了了酒花苦味质质的损失，可可降低酒花使使用量15%左右，在加压压密闭条件下下，二氧化碳碳溶解较好，，啤酒的泡沫沫较好，泡持持性有所改善善。⑤易于实现自动动化。（2）缺点及改进进措施①酒液澄清慢，，尤其在麦芽芽汁成分有缺缺陷，或酵母母凝集差时，，影响过滤，，排酵母时酒酒液损失大。。解决办法是是采用高速离心机分分离酵母。②主发酵时产生生大量泡沫，，罐利用率只只有80-85%。因此，应适适当降低麦汁汁含氧量，以以减少泡沫的的形成。使用用菌种与高泡泡的产生也有有关系，特别别是菌种使用用的前几代，，因发酵力强强，甚至降低低麦芽汁含氧氧量也难以克克服高泡问题题，此时应适当减少酵母母添加量或采采取加压发酵酵以控制高泡。。③锥底罐液层高高，由于流体体静压的关系系，二氧化碳碳在酒内形成成浓度梯度，，液面和底部部的二氧化碳碳含量相差很很大，以致酒酒内二氧化碳碳含量不均匀匀。改进措施施是：尽量控制罐的的高度，以缩小浓度度差，也可在在罐的中部装装设出酒口，，以改善酒的的质量。2、结构锥底罐用不锈锈钢板制成，，罐顶装有人人孔、视镜、、安全阀、压压力表、二氧氧化碳排出口口。罐内上部部装有不锈钢钢可旋转喷射射洗涤器，罐罐中、下部及及罐底各配有有数条带形冷冷却夹套，为为了强化传热热，夹套可采采用螺旋管带带或带形蛇管管。罐中、下下部还装有取取样和温度计计接管。罐底底可装有净化化的二氧化碳碳充气管。2、结构圆筒体锥底罐罐其直径D与圆筒体高度度H之比范围较大大，根据实践经验验D:H=1：(2~6)均可取得良好好的发酵效果,但一般罐体不不宜过高,特别在未设酵酵母离心机的的情况下更不不宜过高，不不然，酵母沉沉降困难，影影响过滤。按按国内目前设设备情况，控控制直径与圆圆筒高度之比比在D:H=1：(2~4)是恰当的。锥锥底角度一般般采用60-85°°以有利于酵母母的排除。容容量通常根据据糖化麦芽汁汁产量的总体体积，再加20%容量体积做发发酵时泡沫空空间，一般是是12-15h充满一罐。容量扩大10倍，建造费用用只增加4-5倍。清洗系统大型发酵罐和和储酒设备的的机械洗涤，，现在多使用用自动清洗系统统，简称CIP系统（cleaninplace），系统设有有碱液罐、热热水罐、甲醛醛溶液罐和循循环用的管道道和泵。洗涤涤剂可以反复复使用，浓度度不足时可以以调整。使用用时先将50-80°°热碱液（3-5%NaOH），用泵经管管道送往发酵酵罐，储酒罐罐中的高压旋旋转不锈钢喷喷头，使积垢垢在液流高压压冲击的物理理作用与洗涤涤剂溶解污垢垢的化学作用用相结合的条条件下，迅速速溶于洗涤剂剂内，达到清清洗的效果。。洗涤后碱液液流回储槽，，每次循环时时间应不少于于5min，而后再分别别用泵送热水水、清水、甲甲醛液、按工工艺要求交替替清洗"二、联合罐联合罐，又称称通用罐。在在发酵生产上上的用途与锥锥形罐相同，，既可做发酵酵罐，又可做做储酒罐，也也能用于多罐罐法和一罐法法生产。联合合罐对缩短生生产周期、节节省投资和生生产费用有显显著效果。联合罐为直立立圆柱形罐，，顶部封头为为椭球形或碟碟形，底部封头为锥锥形或浅锥形形，以便回收收酵母等沉淀淀物和排除洗洗涤水，因其其表面积与容容量之比较小小，罐的造价较低。罐的中上部设设有一段双层层冷却板，采采用乙二醇溶溶液或液氨冷冷却。由于冷冷却夹套在中中上部，上部部酒液冷却后后，密度增加加，沿罐壁下下降，底部酒酒液从罐中心心上升，形成成对流，使罐罐内温度均匀。为了加强酒液液冷却时的自自然对流，在在罐的底部酵酵母层的上方方设置一个二二氧化碳喷射射环，当二氧氧化碳在罐中中心向上鼓泡泡时，酒液运运动使底部出出口处的酵母浓度增加加，便于回收收。三、朝日罐朝日罐又称朝朝日单一酿槽槽，它是1972年日本朝日啤啤酒公司试制制成功的前发发酵和后发酵酵合一的室外外大型发酵罐罐，解决了沉沉淀困难，缩缩短了储藏啤啤酒的成熟期期。（1）优点①利用薄板热热交换器顺利利地解决了从从主发酵到后后发酵啤酒温温度的控制问问题。②利用酵母离心心机分离酵母母，可以解决决酵母沉淀慢慢的缺点。③利用间歇的循循环泵把罐内内的发酵液抽抽出来再送回回去，使发酵酵液中更多的的二氧化碳释释放出来，排排除啤酒中的的生味物质，，加速啤酒的的后熟。（2）缺点：动力消耗大，，冷耗稍多。。四、啤酒连续续发酵设备啤酒的连续发发酵是20世纪初开始研研究，20世纪50年代逐渐发展展成工业化的的一种快速发发酵方法。特点是采用较高的温度，，保持旺盛的的酵母层，麦麦汁发酵周期期短。已投入生产使使用的连续发发酵方法有塔式连续发酵酵和多罐式连续发发酵。啤酒酵母的絮凝性能及沉淀能力是影响发酵的的两个重要因因素，进行塔塔式连续发酵酵需要采用高高絮凝性的酵酵母，使用固固定化啤酒酵酵母进行连续续发酵的研究究效果较好，，前景乐观。。1.多罐式啤酒连连续发酵多罐式啤酒连连续发酵有三三罐式、四罐罐式连续发酵酵流程。三罐罐式流程是将将经过杀菌、、冷却的麦芽芽汁，通过柱柱式供氧器充充氧，流向两两个带有搅拌拌器发酵罐5中!加入酵母，搅搅拌均匀，保保持21°发酵10~13h，当麦芽糖消消耗2/3时，经发酵罐罐5发酵的啤酒和和酵母混合液液，借液位差差溢流入发酵酵罐6中，24°保温发酵，最最后流入酵母母分离罐7，在罐内被冷冷却到5°，自然沉降的的酵母从罐底底部排出，二二氧化碳从罐罐上部排出，，成熟啤酒从从侧管溢流到到储酒罐中储储存，成熟后后过滤灌装。。这种连续发酵酵流程规模已已扩大到每天天生产啤酒能能力为25~85t，在产品质量量上、理化指指标和传统发发酵啤酒没有有明显区别，，但动力消耗较大大。2.塔式啤酒连续续发酵塔式连续发酵酵罐是英国APV公司20世纪60年代设计的，又称APV塔式连续发酵酵罐。塔式连续发酵酵开始时，先先分批加入经经处理的无菌菌麦芽汁，无无菌麦芽汁从从塔底进入，，经塔内多孔孔板折流，使使麦芽汁均匀匀地分布到塔塔内各截面。。麦芽汁在塔塔内一边上升升，一边发酵酵，直至满塔塔为止。培养养并使其达到到要求的酵母母浓度梯度后后，用泵连续续泵入麦芽汁汁。必须控制制好麦芽汁在在塔内的流速速，流速低，，发酵度高，，但产量少。。流速过高，，溢流的啤酒酒发酵度不足足，并会将酵酵母带出，使使发酵过程受受阻。麦芽汁开始流流速较慢，1周后，可达全全速操作。连连续发酵过程程中，须经常常从塔底通入入二氧化碳，，以保持酵母母柱的疏松度度。流出的嫩嫩啤酒，经过过酵母分离器器后，再经薄薄板换热器冷冷却至-1°，然后送入储储酒罐内，经经过充二氧化化碳后，储存存4d，即可过滤包包装出厂。9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December8,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。10:02:4110:02:4110:0212/8/202210:02:41AM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2210:02:4110:02Dec-2208-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。10:02:4110:02:4110:02Thursday,December8,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2210:02:4110:02:41December8,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。08十二月月202210:02:41上午午10:02:4112月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月2210:02上上午12月月-2210:02December8,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/810:02:4110:02:4108December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。10:02:41上上午午10:02上上午10:02:4112月月-229、没没有有失失败败，，只只有有暂暂时时停停止止成成功功！！。。12月月-2212月月-22Thursday,December8,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。10:02:4110:02:4110:0212/8/202210:02:41AM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2210:02:4110:02Dec-2208-Dec-2212、世间成成事，不不求其绝绝对圆满满，留一一份不足足，可得得