培养装置嫌气发酵设备教学PPT.ppt

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1、第二节 嫌气发酵设备,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。,它的容积常大于50m3，H:Dt=1-2，罐的上、下部都是锥形的。 上部有物料口，冷却水口，CO2和气体出口、人孔和压力表开口等。 温度控制采用罐内蛇管和罐外壁直接水喷淋相结合，排料管在罐的底部。,一、酒精发酵罐,酵母将糖转化为酒精高转化率条件 (1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件 (2)一定的生化反应时间 (3)及时移走在生化反应

2、过程中将释放的生物热,酒精发酵罐的结构要求,满足工艺要求，有利于发酵的排出 从结构上有利于发酵液的排出 有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。,酒精发酵罐筒体结构,为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。 在酒精发酸过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。 罐顶装有人孔、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。 罐底装有排料口和排污口； 罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型发酵耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。,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

3、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。,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末彻底排除，工人入罐清洗会发生中毒事故。 近年来，酒精发酵罐巳逐步采用水力喷射洗涤装置，从而改善了工人的劳动强度和提高了操作效率。大型发酵罐采用这种水力洗涤装置尤为重要。,水力喷射装置,是由一根两头装有喷嘴的洒水管组成 两头喷水管弯有一定的弧度 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 喷水管借活接头和固定供水管相连接 它是借喷水管两

4、头喷嘴以一定喷出速度而形成的反作用力，使喷水管自动旋转。 对于120m3的酒精发酵罐，采用363mm的喷水管，管上开有4430个小孔，两头喷嘴口径为9mm。,高压强的水力喷射洗涤装置,它是一根直立的喷水管，沿轴向安装于罐的中央，在垂直喷水管上按一定的间距均匀地钻有4-6mm的小孔，孔与水平呈20度角，水平喷水管借活接头，上端和供水总管，下端相垂直分配管相连接，洗涤水压为0.6-0.8MPa。 水流在较高压力下，由水平喷水管出口处喷出，使其以每分钟4856转自动旋转，并以极大的速度喷射到罐壁各处，而垂直的喷水管也以同样的水流速度喷射到罐体四壁和罐底。 约5分钟时间即可完成洗涤作业。洗涤水若用废热

5、水，还可提高洗涤效果。,二、酒精发酵罐的计算,(一)发酵罐结构尺寸的确定 发酵罐全容积可按下式计算：,(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,(三)发酵罐冷却面积计算,1总的发酵热Q,微生物在嫌气发醉过程中总的发酵热，一般由生物合成热Q1，蒸发热损失Q2，罐壁向用围散失的热损失Q3等三部分热量所组成。 微生物的生物合成热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 由于各种微生物的生理特性和代谢途径不同，故对于微生物的生物合成热至今尚难准确计算。,对于确定酒精、啤酒等嫌气发酵的发酵热，一船按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值

6、来计算，通常以消耗1kg麦芽糖发酵放出的热量约为418，600J为计算基准。 如果发酵液不进行冷却，则发酵温度可升高10。 此外，对于小型试验罐，也可在发酵最旺盛时，测定其冷却水的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Q1。,代谢气体带走的蒸发热量Q2与糖浓浓度、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。 不论发酵罐置于室内或室外，均要向周围空间散失热量Q3，这部分热量由对流相辐射组成，具体计算可参阅有关资料。 所以总的发酵热是：,二、啤酒发酵设备,近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达1500

7、吨。 大型化的目的是： (1) 由于大型化，使啤酒质量均一化； 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。,(1)发酵容器材料的变化。 由陶器向木材-水泥-金属材料演变 现在的啤酒生产，后两种材料都在使用。 我国大多数啤酒发酵容器为内有涂料的钢筋水泥槽，新建的大型容器一般使用不锈钢。,啤酒发酵容器的变迁过程,（2）开放式发酵容器向密闭式转变。 小规模生产时，一般用开放式，对发酵的管理、泡沫形态的观察和醪液浓度的测定等比较方便。 随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器大型化，并为密闭式。 从开放式转向密闭发酵的最大问题是发酵时被气泡带到表面的泡盖的处理。可用吸取法分离泡盖。,（3）密

8、闭容器的演变。 原来是在开放式长方形容器上面加弓形盖子的密闭发酵槽； 随着技术革新过渡到用钢板、不锈钢或铝制的卧式圆筒形发酵罐。 后来出现的是立式圆筒体锥底发酵罐。 目前使用的大型发酵罐主要是立式罐，如奈坦罐、联合罐、朝日罐等。 由于发酵罐容量的增大，要求清洗设备装置也有很大的改进，大都采用CIP自动清洗系统。,啤酒前、后发酵设备及计算,(一)前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内，发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可为钢板制，常见的采用钢筋混凝上制成，也有用砖砌、外面抹水泥的发酵槽。 形式以长方形或正方形为主。 前发酵槽内要涂布一层特殊涂料作为保护层。采用不饱和聚脂树脂、环氧树脂或其他特殊涂

9、料较为广泛，但还未完全符合啤酒低温发酵的防腐要求。,前发酵槽的底略有倾斜，利于废水排出 离槽底10-15cm处，伸出有嫩啤酒放出管 为了维持发酵槽内醪液的低温，在槽中装有冷却蛇管或排管。 前发酵槽的冷却面积，根据经验，对下面啤酒发酵取每立方米发酵液约为0.2平方米冷却面积，蛇管内通入0-2度的冰水。 注意CO2的排放，防止中毒,密闭式发酵槽,优点 （1） 可回收二氧化碳 （2） 减少前发酵室内通风换气的耗冷量 （3） 减少杂菌污染机会。 组成 在槽内装置冷却蛇管 在发酵室内配置冷却排， 或采用空调装置，使室内维持工艺所要求的温度和湿度。,发酵室内装置密闭式发酵罐，则采用空调设备，实施冷风再循环

10、更有利于冷耗的节约，为避免在室内产生激烈的气流，通风口都应设在墙角处。,降低发酵室的冷耗量措施,合理地在室内配置进出风道以及正确操作空调设备 发酵室的四周墙壁和顶棚均要采用较好的绝热结构，绝热层厚度不应小于5cm。 发酵槽外壁及四周墙壁应铺砌白瓷砖或红缸砖，也可用标号较高的水泥抹面，再涂以较暗淡的油漆。 地面通道应用防滑瓷砖铺设，并有定坡度，便于废水排出。 发酵室内顶相应建成倾斜或光滑弧面，以免冷凝水淌入发酵槽内。 从节省冷耗考虑，室内空间不宜太高，单位体积发酵室内的发酵槽容量应尽可能最大。,(三)后发酵设备,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。 根据工艺要求

11、，贮酒室内要维持比前发酵室更低的温度，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，故槽内一般无须再装置冷却蛇管。 贮酒室的建筑结构和保温要求，均不能低于前发酵室，室内低温的维持，是借室内冷却排管或通入冷风循环而得。,后发酵槽是金属的圆筒形密闭容器，有卧式和立式两种。工厂大多数采用卧式。 发酵过程中需饱和CO2，后发酵槽应制成耐压0.1-0.2MPa表压的容器。 后发酵槽槽身装有人孔、取样阀、进出啤酒接管、排出二氧化碳接管、压缩空气接管、温度计、压力表和安全阀等附属装置。,后发酵槽的材料，一般用A3钢板制造，内壁涂以防腐层。 贮酒槽全部放置在隔热的贮酒室内，维持一定

12、的后酵温度。毗邻贮酒室外建有绝热保暖的操作通道，在通道内进行后发酵过程的调节和操作。 贮酒室和通道相隔的墙壁上开有一定直径和数量的玻璃窥察窗，便于观察后发酵室内部情况。 通道内保持常温，开启发酵液的管道和阀门都接通到通道里。,(四)后发酵罐的计算,贮酒罐的容量应和啤酒过滤能力配合起来，即一天的过滤量要相当一个罐或几个罐的贮酒量。 如果滤酒时贮酒罐的背压用CO2，情况会好得多。 一般小型啤酒厂，采用单个贮酒罐满足每日装酒产量，而大中型啤酒厂则要数个贮洒罐才能满足要求。,（二）新型啤酒发酵设备,1. 圆筒体锥底发酵耀 圆简体锥底立式发酵罐(简称锥形罐)，已广泛用于上面或下面发酵啤酒生产。 锥形耀可

13、单独用于前发酵或后发酵，还可以将前、后发酵合并在该罐进行(一罐法)。 这种设备的优点：在于能缩短发酵时间，而且具有生产上的灵活性，故能适合于生产各种类型啤酒的要求。,设备特点,这种设备一般置于室外。 已灭菌的新鲜麦汁与酵母由底部进入罐内； 发酵最旺盛时，使用全部冷却夹套，维持适宜的发酵温度。冷媒多采用乙二醇或酒精溶液，也可使用氨(直接蒸发)作冷媒； CO 2气体由罐顶排出。 罐身和罐盖上均装有人孔，罐顶装有压力表、安全阀和玻璃视镜。 在罐底装有净化的CO2充气管。 罐身装有取样管和温度计接管。 设备外部包扎良好的保温层，以减少冷量损耗。,优点： （1）是能耗低，采用的管径小，生产费用可以降低。

14、 （2）最终沉积在锥底的酵母，可打开锥底阀门，把酵母排出罐外，部分酵母留作下次待用。,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，这是影响造价的主要因素。,大型发酵罐的设计,罐的耐压要求 热交换 内部清洗,罐的耐压要求,考虑CO2的回收。就必须使罐内的CO2维持一定的压力，所以大罐就成为一个耐压罐，就有必要设立安全阀。 罐的工作压力根据其不同的发酵工艺而有所不同。若作为前酵和贮酒两用，就应以贮洒时CO2含量为依据，所需的耐压程度要稍高于单用于前酵的罐。 根据英国设计法则Bs5500(1976)的规定：

15、如大罐的工作压力为x磅平方英寸，则设计时用的罐压力是x(1十10)。 当压力达到罐的设计压力时，安全阀应开始开启。安全阀最大的工作压力是设计压力加10,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。 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。,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

16、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 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。,2.联合罐,是一种具有较浅锥底的大直径(高径比为1：113)发酵罐 能在罐内进行机械搅拌，并具有冷却装置。 联合罐在发酵生产上的用途与锥形罐相同，既可用于前、后发酵，也能用于多罐法及一罐法生产。因而它适合多方面的需要，故又称该类型罐为通用罐。,结构：主体是一圆柱体，是由7层1.2m宽的钢板组成。

17、总的表面积是378m3 ，总体积765m3。 联合罐是由带人孔的薄壳垂直圆柱体、拱形顶及有足够斜度以除去酵母的锥底所组成。 锥底的形式可与浸麦槽的锥底相似。 联合罐的基础是一钢筋混凝土圆柱体，其外壁约3m高，20cm厚。 基础圆柱体壁上部的形状是按照罐底的斜度来确定的。有30个铁锚均匀地分埋入圆柱体壁中，并与罐焊接。圆柱体与罐底之间填入坚固结实的水泥沙浆，在填充料与罐底之间留25.4cm厚的空心层以绝缘。,3. 朝日罐,前发酵和后发酵合一的室外大型发酵罐 朝日罐是用46mm的不绣钢板制成的斜底圆柱型发酵罐。 其高度与直径比为1:1-2:1 外部设有冷却夹套，冷却夹套包围罐身与罐底。外面用泡沫塑

18、料保温 内部设有带转轴的可动排油管，用来排出酒液，并有保持酒液中CO 2含量均一的作用。,朝日罐特点,朝日罐与锥形罐具有相同的功能，但生产工艺不同。 （1）利用离心机回收酵母 （2）利用薄板换热器控制发酵温度 （3）利用循环泵把发酵液抽出又送回去。,优点： 三种设备互相组合，解决了前、后发酵温度控制和酵母浓度的控制问题，加速了酵母的成熟。 使用酵母离心机分离发酵液的酵母，可以解决酵母沉淀慢的缺点 利用凝聚性弱的酵母进行发酵，增加酵母与发酵浓接触时间，促进发酵液中乙醛和双乙酰的还原，减少其含量。,啤酒循环的操作,啤酒循环的目的是为了回收酵母，降低酒温，控制下酒醉母浓度和排除啤酒中的生味物质。 （

19、1）第一次循环是在主发酵完毕的第8天，发酵液由离心机分离酵母后经薄板换热器降温返回发酵耀，循环时间为7h。 （2）待后酵到4h时进行第二次循环，使酵母浓度进一步降低，循环时间为4-12h。 如果要求缩短成熟期，可缩短循环时间。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。 （3）若双乙酰含量高，或生味物质较显著，可在第10天进行第三次循环操作。,利用朝日罐进行一罐法生产啤酒的优点是： 可加速啤酒的成熟 后酵时罐的装量可达96，提高了设备利用率 减少了排除酵母时发酵液的损失 缺点是动力消耗较大。,（三）CIP清洗系统,啤酒发酵罐的容量正在逐步增

20、大，这类发酵罐大部分安装在室外，原来的清洗方法已不适用，必须采用自动化的喷洗装置。 采用较多的是CIP清洗系统。 所谓CIP系统，是clean in place的简称，意即内部清洗系统。,由于大罐建在室外，所以连接的管道要长而且主管的管径必然要大， 一般为150mm。 如果在大罐中加澄清剂，会在罐底形成沉渣层，故在罐的出料处设一沉渣阻挡器 同时为了能放尽罐底的存液，出料处应是一双重出口。 沉于罐底的沉渣固形物具有一定的经济价值，应该回收，所以在洗罐时要尽可能少用水冲出沉渣，以免稀释。,啤酒进出站是供嫩啤酒(麦汁)进入管、啤酒输出管及清洗液返回管之间的联结，它位于 罐出口底下，可用U形管在啤酒进

21、出管与清洗液返回管之间进行任意联结。 通气管的出口应在低于罐出口的位置，由橡皮管与清洗液返回管线相联结。 CIF循环单位设在酒库内，包括微型开关(控制清洗液的进出)、控制盘、CIP供应泵、污水泵、水箱。,控制盘通过仪表来控制清洗液的温度、水位及罐的充满与放空等程序。 清洗液进出阀和通气管上的通气阀的控制与CIP系统的控制装置是有关系的，所以可在清洗操作开始前先将通气阀开启。 清洗液返回管线的位置是在通气管末端之下，这样可以在CIP清洗操作时保证通气管也能得到有效的清洗。,通气阀位置应在罐内的清洗液的液位之上，可防止清洗后由于罐的冷却而造成真空，因为它可以无阻地补入空气。 通气管下部还具有压力调

22、节阀。 CIP消洗工作程序是自动控制进行的，从控制盘上可以通过仪表记求下温度、压力及时间等参数。,清洗程序,(1)预冲洗：在罐底的沉渣放了一半之后进行，每次预冲洗的时间为30秒，进行10次，是通过回转喷嘴进行的，每次冲洗之后要有30秒的排 泄时间，主要排去底部的沉渣。 (2)在箱底被冲干净后，用足量的水充入CIP的供应及返回管线，改变系统进行碱预洗，自动地将清洗剂加入供水中，使清洗剂成为一种氯化了的碱性洗涤剂，其总碱度在3000一3300ppm之间，用这种碱液循环16分钟。在此期间CIP供应泵吸引端注入蒸汽，使清洗液温度维持在32左右。,(3)中间冲洗：用CIP循环单位的水罐来的清水进行4分钟

23、冲洗。 (4)从气动器来的空气流入罐顶的固定喷头，然后进行三次清水的喷冲，每次30秒，从罐顶沿罐的四周冲洗下来。 (5)进行碱喷冲：用总碱度为3500-4000ppm的氯化了的碱液进行喷冲，碱液的温度为32左右，喷冲循环15分钟。,(6)用清水冲洗，将残留于罐表面及管线中的碱液冲洗干净。 (7)最后用酸性水冲洗循环，以中和残留的碱性，放走洗水，使罐保持弱酸状况。至此完成了全部清洗过程。,进行大型增清洗工作的关键设备是喷嘴 (1)固定喷嘴，位于罐的上部; (2)回转喷嘴，位于罐的下部。,啤酒的连续发酵罐种类,1两个搅拌罐和一个酵母分离罐串联起来，加入酒花的麦芽汁流加入第一个搅拌罐，经发酵后，成熟

24、啤酒从分离罐中流出。这种流程已达到日产100m2的规模。 2由数个高度69m的塔式发酵罐串联起来，附加一些酵母分离和啤酒贮藏设备。 还有一个由主发酵塔和一个发酵塔组成，发酵周期40、50小时，连续发酵两个月，各项经济指标均优于间歇法。,三、丙酮丁醇发酵罐,生产丙酮、丁醇的发酵罐比酒精发酵罐高，罐身需承受高压，罐壁较厚，用钢板制成。顶盖和底部采用球形封头，罐内表面平整光滑，无内部件，采用表面喷淋冷却。种子罐采用夹套冷却。,第三节 固体发酵设备,（一）固体发酵,微生物在具有一定温度和湿度的固体表面进行生长和繁殖就称作为固体发酵。 固体发酵主要适合于霉菌。,固体发酵的优缺点,1、原料来源广，价格低廉

25、。 2、在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌。 3、能耗低。 4、固体发酵的产物回收般步骤少，费用也省。,固体发酵存在的主要工程问题是大规模生产时的散热比较困难，参数检测如pH值、温度、菌体增殖量、产物生成量等是很难实现的。因此，实现固体发酵的最优化困难重重。,（二）固体发酵设备,按照固体培养方式来区分 1浅盘式：国内广大农村的个体生产中，采用曲盘、帘子和曲架就可以进行生产。工业上是用多层铝制浅盘放在架子上进行培养，培养室保持一定的温度和湿度。 2旋转式：旋转式固体发酵罐有鼓形和管形，培养过程中，整个发酵罐以低速间歇旋转，罐内的小固体颗粒会沿着罐壁滑动，达到散热和与空气接触之目的。,3厚层式：固体发酵床的底部为多孔筛板，风道倾斜形，可使平行流动的气流变成垂直流动。曲层厚度可以是300-350mm。无菌的压缩空气需调节好温度和湿度，空气的相对湿度一般为92，空气风压常为200mmHg，这种装置的进出料和翻曲可以实现机械化和自动化，在工业生产上已有应用。,