發(fā)酵工藝學(xué)課件：第七章 發(fā)酵設(shè)備

第七章發(fā)酵設(shè)備1.發(fā)酵罐

發(fā)酵罐是為一個(gè)特定生物化學(xué)過(guò)程操作提供良好環(huán)境的容器。對(duì)于某些工藝來(lái)說(shuō)，發(fā)酵罐是個(gè)密閉容器，同時(shí)附帶精密控制系統(tǒng)；對(duì)于簡(jiǎn)單工藝來(lái)說(shuō)，發(fā)酵罐只是個(gè)開(kāi)口容器，有時(shí)甚至簡(jiǎn)單到只要有一個(gè)開(kāi)口的坑。第一節(jié)發(fā)酵設(shè)備概述2.發(fā)酵罐的特點(diǎn)

（1）發(fā)酵罐的嚴(yán)密性，運(yùn)行的高度可靠性是發(fā)酵工業(yè)的顯著特點(diǎn)。（2）發(fā)酵罐趨于大型化和自動(dòng)化。3.發(fā)酵相關(guān)設(shè)備

種子制備設(shè)備主發(fā)酵設(shè)備輔助設(shè)備(無(wú)菌空氣和培養(yǎng)基的制備)發(fā)酵液預(yù)處理設(shè)備粗產(chǎn)品的提取設(shè)備產(chǎn)品精制與干燥設(shè)備流出物回收、利用和處理設(shè)備4.一般發(fā)酵工藝操作條件

1．溫度：25～40℃。2．壓力：0～1kg/cm2(表壓)。3．滅菌：溫度100～140℃4．pH：2～11。5．需氧量：0.05～0.3kmo1/m3·h。6．通氣量：0.3～2VVM。7．功率消耗：0.5～4kW/m3。8．發(fā)酵熱量：5000～20000kcal/m3·h。5.發(fā)酵罐的類(lèi)型

1．按微生物生長(zhǎng)代謝需要分類(lèi)：好氧：抗生素、酶制劑、酵母、氨基酸、維生素等產(chǎn)品是在好氣發(fā)酵罐中進(jìn)行的；需要強(qiáng)烈的通風(fēng)攪拌，目的是利于氧在發(fā)酵液中的傳遞。厭氧：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厭氧發(fā)酵。不需要通氣。2.按照發(fā)酵罐設(shè)備特點(diǎn)分類(lèi)：機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐非機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐這兩類(lèi)發(fā)酵罐是采用不同的手段使發(fā)酵罐內(nèi)的氣、固、液三相充分混合，從而滿足微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成對(duì)氧的需求。第二節(jié)嫌氣發(fā)酵設(shè)備密閉厭氧發(fā)酵罐酒精和啤酒都屬于嫌氣發(fā)酵產(chǎn)物，其發(fā)酵罐因不需要通入昂貴的無(wú)菌空氣，因此在設(shè)備放大、制造和操作時(shí)，都比好氣發(fā)酵設(shè)備簡(jiǎn)單得多。它的容積常大于50m3，H:Dt=1-2，罐的上、下部都是錐形的。上部有物料口、冷卻水口、CO2和氣體出口、人孔和壓力表開(kāi)口等。溫度控制采用罐內(nèi)蛇管和罐外壁直接水噴淋相結(jié)合，排料管在罐的底部。

1.結(jié)構(gòu)為圓柱形，底蓋和頂蓋均為碟形或錐形。多為密閉式。罐頂裝有人孔、視鏡及二氧化碳回收管、進(jìn)料管、接種管、壓力表和測(cè)量?jī)x表接口管等。罐底裝有排料口和排污口。罐身上下部裝有取樣口和溫度計(jì)接口，對(duì)于大型發(fā)酵罐，為了便于維修和清洗，往往在近罐底也裝有人孔。一、酒精發(fā)酵罐2.發(fā)酵的冷卻裝置對(duì)于中小型發(fā)酵罐，多采用罐頂噴淋，對(duì)罐外壁表面進(jìn)行膜狀冷卻；對(duì)于大型發(fā)酵罐，罐內(nèi)裝有冷卻蛇管或罐內(nèi)蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻裝置，為避免發(fā)酵車(chē)間的潮濕和積水，要求在罐體底部沿罐體四周裝有集水槽。水力噴射裝置3.酒精發(fā)酵罐的洗滌高壓強(qiáng)的水力噴射洗滌裝置一根直立噴水管沿安于罐中央，管上按一定的間距鉆有4-6mm的小孔，孔與水平呈20度角。水平噴水管自動(dòng)旋轉(zhuǎn)并噴水約5min即可完成洗滌作業(yè)。二、酒精發(fā)酵罐的計(jì)算(一)發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)尺寸的確定微生物在嫌氣發(fā)醉過(guò)程中總的發(fā)酵熱，一般由生物合成熱Q1，蒸發(fā)熱損失Q2，罐壁向用圍散失的熱損失Q3等三部分熱量所組成。(二)發(fā)酵罐冷卻對(duì)于確定酒精、啤酒等嫌氣發(fā)酵的發(fā)酵熱，一般按發(fā)酵最旺盛時(shí)單位時(shí)間糖度降低百分值來(lái)計(jì)算，通常以消耗1kg麥芽糖發(fā)酵放出的熱量約為418.6kJ來(lái)計(jì)算。代謝氣體帶走的蒸發(fā)熱量Q2與糖液濃度、發(fā)酵程度好壞有關(guān)，除間接測(cè)定外，目前還難具體計(jì)算，一般計(jì)算時(shí)可取Q1的5～6％左右。對(duì)于小型試驗(yàn)罐，可在發(fā)酵最旺盛時(shí)，測(cè)定其冷卻水的進(jìn)出口溫度和單位時(shí)間內(nèi)的耗水量，從而得出小罐的放熱量Q1’。

二、啤酒發(fā)酵設(shè)備

近年來(lái)，啤酒發(fā)酵設(shè)備向大型、室外、聯(lián)合的方向發(fā)展，迄今為止，使用的大型發(fā)酵罐容量已達(dá)1500m3。(1)發(fā)酵容器材料的變化。由陶器向木材---水泥----金屬材料演變現(xiàn)在的啤酒生產(chǎn)，后兩種材料都在使用。我國(guó)許多啤酒發(fā)酵容器為內(nèi)有涂料的鋼筋水泥槽，新建的大型容器一般使用不銹鋼。（一）啤酒發(fā)酵的變遷（2）開(kāi)放式發(fā)酵容器向密閉式轉(zhuǎn)變。小規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，一般用開(kāi)放式，對(duì)發(fā)酵的管理、泡沫形態(tài)的觀察和醪液濃度的測(cè)定等比較方便。隨著啤酒生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，發(fā)酵容器大型化，并為密閉式。（二）發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)罐的耐壓要求熱交換內(nèi)部清洗罐的耐壓要求考慮CO2的回收，必須使罐內(nèi)的CO2維持一定的壓力，所以大罐就成為一個(gè)耐壓罐，必須要設(shè)立安全閥。罐內(nèi)真空大型發(fā)酵罐應(yīng)設(shè)防止真空的裝置。真空安全閥的作用是允許空氣進(jìn)入罐內(nèi)，以建立罐內(nèi)外壓力的平衡。罐內(nèi)真空主要是發(fā)酵罐在密閉條件下轉(zhuǎn)罐或進(jìn)行內(nèi)部清洗時(shí)造成；放料速度過(guò)快造成一定的負(fù)壓；罐內(nèi)留存一部分CO2氣體，在進(jìn)行清洗時(shí)，CO2有被除去的可能，也可能造成真空。（三）新型啤酒發(fā)酵設(shè)備

1.圓筒體錐底發(fā)酵罐圓簡(jiǎn)體錐底立式發(fā)酵罐(簡(jiǎn)稱(chēng)錐形罐)，已廣泛用于上面或下面發(fā)酵啤酒生產(chǎn)。錐形罐可單獨(dú)用于前發(fā)酵或后發(fā)酵，還可以將前、后發(fā)酵合并在該罐進(jìn)行(一罐法)。在于能縮短發(fā)酵時(shí)間，而且具有生產(chǎn)上靈活性，故能適合于生產(chǎn)各種類(lèi)型啤酒要求。設(shè)備特點(diǎn)一般置于室外。發(fā)酵最旺盛時(shí)，使用全部冷卻夾套，維持適宜的發(fā)酵溫度。冷媒多采用乙二醇或酒精溶液，也可使用氨(直接蒸發(fā))作冷媒；罐身和罐蓋上均裝有人孔，罐頂裝有壓力表、安全閥和玻璃視鏡。罐身裝有取樣管和溫度計(jì)接管。設(shè)備外部包扎良好的保溫層。

優(yōu)點(diǎn)：（1）能耗低，管徑小，生產(chǎn)費(fèi)用低。（2）最終沉積在錐底的酵母，可打開(kāi)錐底閥門(mén)，把酵母排出罐外，部分酵母留作下次待用。2.朝日罐前發(fā)酵和后發(fā)酵合一的室外大型發(fā)酵罐朝日罐是用4-6mm的不繡鋼板制成的斜底圓柱型發(fā)酵罐。其高度與直徑比為1:1-2:1外部設(shè)有冷卻夾套，冷卻夾套包圍罐身與罐底。外面用泡沫塑料保溫朝日罐特點(diǎn)（1）利用離心機(jī)回收酵母（2）利用薄板換熱器控制發(fā)酵溫度（3）利用循環(huán)泵把發(fā)酵液抽出又送回去。優(yōu)點(diǎn)：使用酵母離心機(jī)分離發(fā)酵液的酵母，可以解決酵母沉淀慢的缺點(diǎn)，減少了排除酵母時(shí)發(fā)酵液的損失。三種設(shè)備互相組合，解決了前、后發(fā)酵溫度控制和酵母濃度的控制問(wèn)題。利用凝聚性弱的酵母進(jìn)行發(fā)酵，增加酵母與發(fā)酵液接觸時(shí)間，促進(jìn)發(fā)酵液中乙醛和雙乙酰的還原，減少其含量。第三節(jié)通風(fēng)發(fā)酵罐

一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐

機(jī)械攪拌發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用類(lèi)型之一。它是利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保證供給微生物生長(zhǎng)繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。通風(fēng)發(fā)酵罐的基本條件

（1）發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比。

（2）發(fā)酵罐能承受一定的壓力。

（3）要保證發(fā)酵液必須的溶解氧。

（4）發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。

（5）發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)減少死角，避免染菌。

（6）攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密，減少泄漏。1、發(fā)酵罐罐體的尺寸比例

H/D=1.7~4d/D=1/2-1/3W/D=1/8-1/12B/D=0.8-1.0H-高，D-直徑，d-攪拌器直徑W-擋板寬度，B-下攪拌槳距底部高度發(fā)酵罐2、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)1、罐體2、攪拌器和擋板3、消泡器4、聯(lián)軸器及軸承5、空氣分布裝置6、軸封7、冷卻裝置

2、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)

（1）罐體：由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼，對(duì)于大型發(fā)酵罐可用襯不銹鋼板或復(fù)合不銹鋼制成，襯里用的不銹鋼板厚為2-3毫米?？稍谝欢▔毫ο虏僮?、空消或?qū)嵪?。發(fā)酵罐（2）攪拌器攪拌器有平葉式、彎葉式、箭葉式三種其作用是打碎氣泡，使氧溶解于醪液中，從攪拌程度來(lái)說(shuō)，以平葉渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。大型發(fā)酵罐攪拌裝置氣體導(dǎo)入式攪拌器（3）擋板擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧。通常擋板寬度?。?/8-1/12）D，裝設(shè)4-6塊即可滿足全擋板條件。所謂“全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)采用液體潤(rùn)滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4-0.7%，以適應(yīng)溫度差的變化。(4)軸承（5）空氣分布裝置

空氣分布裝置的作用是吹入無(wú)菌空氣，并使空氣均勻分布。管口對(duì)正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，管口與罐底的距離約40mm?？諝庥煞植脊?chē)姵錾仙龝r(shí)，被攪拌器打碎成小氣泡，并與醪液充分混合。（6）軸封

軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。（7）冷卻裝置

5M3以下發(fā)酵罐一般采用夾套冷卻。大型發(fā)酵罐采用列管冷卻（四至八組）。夾套內(nèi)設(shè)置螺旋片導(dǎo)板，來(lái)增加換熱效果，同時(shí)對(duì)罐身起加強(qiáng)作用。冷卻列管極易腐蝕或磨損穿孔。（8）消泡器180M3發(fā)酵罐車(chē)間生產(chǎn)車(chē)間計(jì)算機(jī)控制室二、氣升式發(fā)酵罐

氣升式發(fā)酵罐也稱(chēng)為氣流攪拌發(fā)酵罐，不用機(jī)械攪拌，借通風(fēng)起攪拌作用并供氧。工作原理：將空氣上升管裝在罐外，下端與罐底連通，管底裝空氣噴嘴，壓縮空氣高速噴出（250～300m/s），與上升管內(nèi)醪液接觸，由于氣液混合體密度小于罐內(nèi)醪液，所以在管內(nèi)上升，管上端與罐身切線相連，液體由切線進(jìn)入在罐內(nèi)回旋下降，形成循環(huán)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻面積小，無(wú)攪拌傳動(dòng)設(shè)備，料液充滿系數(shù)大，無(wú)須加消泡劑，維修、操作及清洗簡(jiǎn)便，節(jié)省動(dòng)力，染菌少；發(fā)酵液粘不利。內(nèi)環(huán)流氣升式發(fā)酵罐

目前許多工廠清洗方式都是CIP清洗，即原地清洗或定置清洗。

CIP清洗裝備利用離心泵輸送清潔液在物料管道和設(shè)備容器內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，可以在不拆卸設(shè)備的情況下，清洗設(shè)備與物料管路。第四節(jié)CIP清洗系統(tǒng)清洗效果通過(guò)電導(dǎo)率進(jìn)行量化，計(jì)算機(jī)自動(dòng)程序清洗以及電導(dǎo)率的反饋控制，可以使清洗效果與效率進(jìn)行規(guī)范化管理。適用于食品類(lèi)物料管道和設(shè)備的清洗。CIP消洗工作程序是自動(dòng)控制進(jìn)行的?？刂票P(pán)通過(guò)儀表來(lái)控制清洗液的溫度、水位及罐的充滿與放空等程序。半自動(dòng)C.I.P就地清洗機(jī)分體式C.I.P清洗機(jī)清洗程序(1)預(yù)沖洗：在罐底的沉渣放了一半之后進(jìn)行，每次預(yù)沖洗的時(shí)間為30秒，進(jìn)行10次。(2)在箱底被沖干凈后，用足量的水充入CIP的供應(yīng)及返回管線，改變系統(tǒng)進(jìn)行堿預(yù)洗，自動(dòng)地將清洗劑加入供水中，使清洗劑為堿性洗滌劑，其總堿度在3000一3300ppm之間，用這種堿液循環(huán)16分鐘。在此期間CIP供應(yīng)泵吸引端注入蒸汽，使清洗液溫度維持在32℃左右。(3)中間沖洗：用CIP循環(huán)單位的水罐來(lái)的清水進(jìn)行4分鐘沖洗。(4)清水噴沖，每次30秒，從罐頂沿罐的四周沖洗下來(lái)。(5)進(jìn)行堿噴沖：用總堿度為3500-4000ppm的氯化了的堿液進(jìn)行噴沖，堿液溫度為32℃左右，噴沖循環(huán)15分鐘。(6)用清水沖洗，將殘留于罐表面及管線中的堿液沖洗干凈。(7)最后用酸性水沖洗循環(huán)，以中和殘留的堿性，放走洗水，使罐保持弱酸狀況。至此完成了全部清洗過(guò)程。氣體導(dǎo)入式攪拌器由一個(gè)空心的攪拌槳組成，安裝在空心的攪拌軸上。由于攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)口處的壓力隨之減少，使導(dǎo)入的氣體沿著攪拌軸向下流動(dòng)。它適應(yīng)于低粘度的發(fā)酵液。

三、自吸式發(fā)酵罐

自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機(jī)，而在攪拌過(guò)程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。應(yīng)用：醫(yī)藥工業(yè)、酵母工業(yè)、生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、力復(fù)霉素、維生素C、酵母、蛋白酶等。工作原理：自吸式發(fā)酵罐的構(gòu)件主要是自吸攪拌器和導(dǎo)輪，又稱(chēng)轉(zhuǎn)子及定子。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)空氣由導(dǎo)氣管吸入。在轉(zhuǎn)子啟動(dòng)前，先用液體將轉(zhuǎn)子浸沒(méi)，然后啟動(dòng)馬達(dá)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，液體或空氣在離心力作用下，被甩向葉輪外緣，在這個(gè)過(guò)程中，流體便獲得能量。當(dāng)轉(zhuǎn)子空膛內(nèi)的流體從中心被甩向外緣時(shí)，在轉(zhuǎn)子中心處形成負(fù)壓，因此空氣被吸入。由于大罐建在室外，所以連接的管道要長(zhǎng)而且主管的管徑必然要大，一般為150mm。清洗時(shí)會(huì)在罐底形成沉渣層,沉渣多回收。CIP消洗工作程序是自動(dòng)控制進(jìn)行的。控制盤(pán)通過(guò)儀表來(lái)控制清洗液的溫度、水位及罐的充滿與放空等程序。清洗程序(1)預(yù)沖洗：在罐底的沉渣放了一半之后進(jìn)行，每次預(yù)沖洗的時(shí)間為30秒，進(jìn)行10次。(2)在箱底被沖干凈后，用足量的水充入CIP的供應(yīng)及返回管線，改變系統(tǒng)進(jìn)行堿預(yù)洗，自動(dòng)地將清洗劑加入供水中，使清洗劑為堿性洗滌劑，其總堿度在30