第五章發(fā)酵設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)器的分類及設(shè)計(jì)要求一、反應(yīng)器的分類1、根據(jù)生物催化劑的不同分為：細(xì)胞反應(yīng)器、酶催化反應(yīng)器。2、根據(jù)細(xì)胞或組織的代謝要求分為：厭氧生物反應(yīng)器、好氧生物反應(yīng)器、照光生物反應(yīng)器、膜生物反應(yīng)器。3、根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征分為：罐式、管式、塔式、膜式等。二、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)：適合工藝要求，獲得最大的生產(chǎn)效率，獲取高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品。三、反應(yīng)器設(shè)計(jì)要求：1、嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)2、良好的液體混合性能3、較高的傳質(zhì)、傳熱性能4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低5、配套和可靠的檢測(cè)和控制儀表第二節(jié)嫌氣發(fā)酵設(shè)備

酒精發(fā)酵設(shè)備一、酒精發(fā)酵設(shè)備的基本要求滿足酒精酵母生長(zhǎng)和代謝的必要工藝條件。（1）將發(fā)酵產(chǎn)生的熱量及時(shí)移走；（2）有利于發(fā)酵液的排出，設(shè)備的清洗、維修以及設(shè)備制造安裝方便等問(wèn)題。二、酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)1、基本結(jié)構(gòu)酒精發(fā)酵罐筒體為圓柱形。底蓋和頂蓋均為碟形或錐形的立式金屬容器。罐頂裝有廢汽回收管，進(jìn)料管，按種管，壓力表、各種測(cè)量?jī)x表接口管及供觀察清洗和檢修罐體內(nèi)部的人孔等。罐底裝有排料口和排污口對(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。罐身上下部裝有取樣口和溫度計(jì)接口。1、罐型酒精發(fā)酵罐筒體為圓柱形，低蓋和頂蓋均為碟形或錐形。在酒精發(fā)酵過(guò)程中，為了回收二氧化碳?xì)怏w及其所帶出的部分酒精，發(fā)酵罐采用密閉式頂有人孔，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裝有取樣口和溫度計(jì)接中口對(duì)于型發(fā)酵罐。為了便于維修和清洗，在近罐底裝有人孔。

2.發(fā)酵的冷卻裝置

根據(jù)發(fā)酵的大小不同，酒精發(fā)酵罐通常采用以下冷卻裝置：

（1）中小型發(fā)酵罐：多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面進(jìn)行膜狀冷卻；

（2）大型發(fā)酵罐：由于罐外壁冷卻面積不能滿足冷卻要求，所以，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。

（3）也有采用罐外列管式噴琳冷卻的方法，此法具有冷卻發(fā)酵液均勻、冷卻效率高等優(yōu)點(diǎn)。

3.洗滌裝置

：水力噴射洗滌裝置。

二.酒精發(fā)酵罐的計(jì)算

（一）發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)尺寸

發(fā)酵罐全體積：

式中V—發(fā)酵罐的代表容積

V0—進(jìn)入發(fā)酵罐的發(fā)酵液量

—裝液系數(shù)，一般取=0.85~0.90

帶有錐形底、蓋的圓柱形

發(fā)酵罐全容積為：

酒精發(fā)酵罐其罐體高度、底、蓋高度和罐徑的尺寸關(guān)系可推薦如下：

H=1.1-1.5Dh1=0.1-0.14Dh1=0.05-0.1D根據(jù)發(fā)酵的全容積V和徑高比等，即可確定發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)尺寸。

(二）發(fā)酵罐罐數(shù)的確定

對(duì)于間歇發(fā)酵，發(fā)酵罐罐數(shù)可按下式計(jì)算：

N—發(fā)酵罐個(gè)數(shù)（其中一個(gè)作備用）（個(gè)）n—每24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行加料的發(fā)酵罐數(shù)目（個(gè)）t—一次發(fā)酵罐周期所需要時(shí)間（小時(shí))

（三）發(fā)酵罐冷卻面積計(jì)算

式中Q—總的發(fā)酵熱（J/h

）

K—傳熱總系數(shù)J/（m2·h·℃）△tm—對(duì)數(shù)平均溫度差,℃F—冷卻面積（m2

）

發(fā)酵罐冷卻面積的計(jì)算可按傳熱基本方程式來(lái)確定，即：

第三節(jié)

嫌氣發(fā)酵設(shè)備

啤酒發(fā)酵設(shè)備一、啤酒發(fā)酵設(shè)備的發(fā)展：

1.木材→水泥→金屬

2.開放式→向密閉式

3.方形→圓形臥式→立式圓筒錐底罐

4.人工洗滌→CIP自動(dòng)清洗系統(tǒng)

二、啤酒發(fā)酵形式

上面發(fā)酵:發(fā)酵時(shí)酵母上浮,發(fā)酵終結(jié)很久才部分下沉.下面發(fā)酵:發(fā)酵時(shí)酵母浮游于發(fā)酵液中,發(fā)酵完后酵母即下沉,酵母可重復(fù)使用5-7次.上下面發(fā)酵工藝區(qū)別主要是發(fā)酵溫度的差異:啤酒種類起始溫度最高溫度最終溫度上面啤酒10-1515-255-7下面啤酒6-88-123.5-5

三、啤酒前發(fā)酵設(shè)備

1、啤酒前發(fā)酵設(shè)備長(zhǎng)、正方形，開口，30m3/個(gè)，H小于2m

2、前發(fā)酵槽的計(jì)算（1）發(fā)酵槽數(shù)的確定容納一次糖化的麥芽汁時(shí)：

N=nt

n—每日糖化次數(shù)

t—前發(fā)酵所需時(shí)間

可容納幾次糖化的麥芽汁時(shí)

N=nt/Z

n—每日糖化次數(shù)

t—前發(fā)酵所需時(shí)間

Z—在一個(gè)發(fā)酵槽內(nèi)可容納糖化麥芽汁的次數(shù)（2）前發(fā)酵槽體積的計(jì)算發(fā)酵槽體積容納一次糖化的麥芽汁時(shí)

V=ZV0/φ

V—前發(fā)酵槽的全體積

Z—在一個(gè)發(fā)酵槽內(nèi)可容納糖化麥芽汁的次數(shù)

V0——糖化一次麥汁量

Φ—裝液系數(shù)0.8-0.85

（3）前發(fā)酵槽冷卻面積的計(jì)算(1)計(jì)算主發(fā)酵期每小時(shí)的放熱量Q

(2)計(jì)算傳熱系數(shù)K(3)傳熱面積

四、后發(fā)酵罐臥式、立式后發(fā)酵階段殘?zhí)抢^續(xù)發(fā)酵，飽和二氧化碳，澄清、成熟后發(fā)酵槽的計(jì)算后酵槽數(shù)目N

N=V/Vs后酵槽全體積

V0=Vs/Φ

（一）

圓

筒

體

錐

底

發(fā)

酵

罐

五、新型啤發(fā)酵設(shè)備C．C．T啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖C.C.T冷卻面積分布

1、主要結(jié)構(gòu)

(1）根據(jù)設(shè)定的壓力來(lái)自動(dòng)控制允許無(wú)菌空氣進(jìn)入罐內(nèi)，CO2氣體排出罐外，維持設(shè)定的壓力。

(2)圓柱體錐底和冷卻套

錐底：便于酵母沉淀回收

冷卻套：分為2-3段，很大的罐可分為四段

(3)罐的特點(diǎn)密閉：回收二氧化碳適用：下面、上面發(fā)酵均可發(fā)酵周期：短12-14天

H/D大：?jiǎn)挝蝗莘e的表面積大，耗鋼材多自然對(duì)流：促進(jìn)發(fā)酵，利于傳熱。自然對(duì)流原因:冷卻形成、二氧化碳的作用2、設(shè)計(jì)因素

高度和直徑：H/D=1.5-6：1液位高度：小于12m好錐角：60-750材料：不銹鋼隔熱材料：聚苯乙烯泡沫、聚酰胺樹脂、膨脹珍珠巖罐的耐壓：頂、筒、底部材料厚度可不一樣罐的清洗：CIP傳統(tǒng)的啤酒發(fā)酵設(shè)備是由分別設(shè)在發(fā)酵間的發(fā)酵池和貯酒間內(nèi)的貯酒罐組成的。目前圓筒體錐底罐（C.C.T)在露天大罐工藝中使用最為普遍．簡(jiǎn)稱露天錐形發(fā)酵罐。C．C．T發(fā)酵最大特點(diǎn)在于大型化，容積從100~600m3(國(guó)內(nèi)也有60m3小型的)。外簡(jiǎn)體蝶形或拱形蓋，錐形體底，罐筒體壁和錐底有各種形式的冷卻夾套。筒體直徑(D)和筒體高度(H)是主要特性參數(shù)。對(duì)單釀罐一般是D：H＝1：1~2。對(duì)兩罐法的發(fā)酵罐D(zhuǎn)：H＝1：3~4，對(duì)兩罐法的貯酒罐D(zhuǎn)：H＝1：1~2，也有采用直徑為3~4m的臥式圓簡(jiǎn)體罐作貯酒罐。增加H有利于加速發(fā)酵，降低H有利于啤酒的自然澄清。3、圓筒體錐底發(fā)酵罐發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)（1）加速發(fā)酵C．C．T發(fā)酵和傳統(tǒng)發(fā)酵相比，由于發(fā)酵基質(zhì)(麥汁)和酵母對(duì)流獲得強(qiáng)化，可加速發(fā)酵。

C．C．T發(fā)酵由于罐高度要大于傳統(tǒng)5~10倍，發(fā)酵液對(duì)流的三個(gè)推動(dòng)力得到強(qiáng)化。①發(fā)酵罐底部產(chǎn)生CO2汽泡上升，對(duì)發(fā)酵液拖曳力大。②在發(fā)酵階段，由于底部酵母細(xì)胞濃度大于罐上部，底部糖降快，酒精生成快，造成罐上、下部間密度差而造成對(duì)流。②在發(fā)酵時(shí)控制罐下部溫度高于上部(差1~2℃)，由于溫差引起熱對(duì)流，特別在發(fā)酵后期第一、二推動(dòng)力減小后，溫差對(duì)流更能發(fā)揮作用。

在C．C．T發(fā)酵技術(shù)中，主發(fā)酵結(jié)束不排酵母，全部酵母參于后發(fā)酵中VDK的還原，特別是凝聚性差的酵母，發(fā)酵液有高濃度酵母參于VDK還原，大大縮短了還原時(shí)間。發(fā)酵溫控自由，可以靈活采用各種溫度(大多較高溫度)下VDK的還原，更可以縮短后發(fā)酵周期。傳統(tǒng)發(fā)酵釀造周期，低溫發(fā)酵需50d以上，快速發(fā)酵需25~30d，而C．C．T發(fā)酵如單釀罐發(fā)酵，釀造周期一般為16~22d，如兩罐法發(fā)酵一般20~30d，即釀造周期可縮短1/3~1/2倍?？纱蠓葴p少罐數(shù)，節(jié)省投資。（2）廠房投資節(jié)省傳統(tǒng)發(fā)酵必須在有絕熱層的冷藏庫(kù)內(nèi)發(fā)酵和貯酒。C．C．T發(fā)酵可以大部分或全部在戶外，而且罐數(shù)、罐總?cè)莘e減少，廠房投資節(jié)省。（3）冷耗節(jié)省C．C．T發(fā)酵冷卻是直接冷卻發(fā)酵罐和酒液，而且冷卻介質(zhì)在強(qiáng)制循環(huán)下，傳熱系數(shù)高。傳統(tǒng)發(fā)酵和貯酒，冷量多消耗在冷卻廠房、空氣、操作人員和機(jī)器(如泵、電動(dòng)機(jī))、發(fā)酵罐支座等。根據(jù)計(jì)算和測(cè)定，C．C．T發(fā)酵比傳統(tǒng)可節(jié)省40%~55%冷耗。（4）發(fā)酵罐清洗、消毒傳統(tǒng)發(fā)酵罐和貯酒罐基本上依賴人工清洗和消毒，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化程序化。C．C．T發(fā)酵可依賴CIP自動(dòng)程序清洗消毒，工藝衛(wèi)生更易得到保證。當(dāng)然C．C．T發(fā)酵也有弱點(diǎn)。由于罐體比較高，酵母沉降層厚度大，酵母泥使用代數(shù)一般比傳統(tǒng)低(只能使用5~6代)；貯酒時(shí)，澄清比較困難(特別在使用非凝聚性酵母)，過(guò)濾必須強(qiáng)化；若采用單釀發(fā)酵，罐壁溫度和罐中心溫度一致，一般要5~7d以上，短期貯酒不能保證溫度一致。六其他啤酒發(fā)酵罐

1、聯(lián)合罐（P70）

為淺錐底大直徑，H/D為1-2：1，造價(jià)低，用氨直接蒸發(fā)來(lái)冷卻，只在罐的上部做了一段米勒冷卻板，可在24小時(shí)內(nèi)發(fā)酵溫度由15℃下降至5℃，屬小面積大流量冷卻方式。

用途：與發(fā)酵罐相同，既用于前后發(fā)酵，也能用于多罐法及一罐法生產(chǎn)。主體：是一個(gè)圓柱體。由帶人孔的薄殼垂直圓柱體，拱形頂有足夠斜度，錐底所組成。罐體采用１５ｃｍ厚的保溫層。攪拌：可用機(jī)械攪拌，也可以通過(guò)對(duì)罐體的精心設(shè)計(jì)達(dá)到同樣的攪拌作用。2、朝日罐

為微傾斜底的平底罐，H/D=1-2，工藝與錐形罐不同。特點(diǎn)：離心機(jī)回收酵母，用薄板換熱器冷卻，用泵將發(fā)酵液抽出冷卻后又送回罐內(nèi)，也起攪拌作用,可加速啤酒的成熟,發(fā)酵時(shí)罐的裝量達(dá)９６％，提高設(shè)備利用率。

七、CIP清洗系統(tǒng)

第四節(jié)通風(fēng)發(fā)酵罐（一）機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐四十年代中期，青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)，或深層通風(fēng)培養(yǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志近代通風(fēng)發(fā)酵工業(yè)的開始。在深層通風(fēng)培養(yǎng)技術(shù)中，發(fā)酵罐是關(guān)鍵設(shè)備。在發(fā)酵罐中，微生物在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中進(jìn)行生長(zhǎng)、新陳代謝和形成發(fā)酵產(chǎn)物

機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠最常用類型。它是利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生物生長(zhǎng)繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。1、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的基本要求一個(gè)性能優(yōu)良的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐必須滿足以下基本要求：（1）發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比；發(fā)酵罐的高度與直徑之比一般為1.7~4倍左右，罐身越長(zhǎng)，氧的利用率較高（2）發(fā)酵罐能承受一定壓力；（3）發(fā)酵罐的攪拌通風(fēng)裝置能使氣液充分混合，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)盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌；（6）攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密，盡量減少泄漏.2、常用的機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐各部分的比例尺寸

（二）氣升式發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐其通風(fēng)原理是罐內(nèi)通風(fēng)，靠機(jī)械攪拌作用使氣泡分割細(xì)碎，與培養(yǎng)基充分混合，密切接觸，以提高氧的吸收系數(shù)；設(shè)備構(gòu)造比較復(fù)雜，動(dòng)能消耗較太。采用氣升式發(fā)酵罐可以克服上述的缺點(diǎn)。1、氣升式發(fā)酵罐的特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻面積?。唬?）無(wú)攪拌傳動(dòng)設(shè)備，節(jié)省動(dòng)力約50%，節(jié)省鋼材；（3）操作時(shí)無(wú)噪音；（4）料液裝料系數(shù)達(dá)80~90％，而不須加消泡劑；（5）維修、操作及清洗簡(jiǎn)便，減少雜菌感染。但氣升式發(fā)酵罐還不能代替好氣量較小的發(fā)酵罐，對(duì)于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。

氣升式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖

（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)程中自動(dòng)吸入空氣的發(fā)酵罐。這種設(shè)備的耗電量小，能保證發(fā)酵所需的空氣，并能使氣液分離細(xì)小，均勻地接觸，吸入空氣中70~80%的氧被利用。采用了不同型式、容積的自吸式發(fā)酵罐生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、利福霉素、維生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成績(jī)。自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖自吸式發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)：（1）節(jié)約空氣凈化系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)、冷卻器、油水分離器、空氣貯聰、總過(guò)濾器等設(shè)備，減少?gòu)S房占地面積。（2）減少工廠發(fā)酵設(shè)備投資約30％左右，例如應(yīng)用自吸式發(fā)酵罐生產(chǎn)酵母，容積酵母的產(chǎn)量可高達(dá)30~50克。（3）設(shè)備便于自動(dòng)化、連續(xù)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少勞動(dòng)力。（4）酵母發(fā)酵周期短，發(fā)酵液中酵母濃度高，分離酵母后的廢液量少。（5）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溶氧效果高，操作方便。

第五節(jié)連續(xù)發(fā)酵

間歇發(fā)酵：微生物在一個(gè)罐內(nèi)完成4個(gè)階段的培養(yǎng)過(guò)程。

連續(xù)發(fā)酵：在發(fā)酵罐內(nèi)不斷流加培養(yǎng)液，又不斷排出發(fā)酵液，使發(fā)酵罐中的微生物一直維持在生長(zhǎng)加速期。同時(shí)又降低代謝產(chǎn)物的積累，這樣就縮短了發(fā)酵周期，提高了設(shè)備利用率。

連續(xù)發(fā)酵特點(diǎn)

是微生物在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中始終維持在穩(wěn)定狀態(tài)，細(xì)胞處于均質(zhì)狀態(tài)。在此前提下，可用數(shù)學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)公式來(lái)表達(dá)連續(xù)發(fā)酵在穩(wěn)定狀態(tài)條件下，微生物生長(zhǎng)速度，代謝產(chǎn)物，底物濃度和流加速度之間關(guān)系。

一、

連續(xù)發(fā)酵時(shí)間的確定

二、連續(xù)發(fā)酵理論罐數(shù)的確定

1、最低罐數(shù)限定產(chǎn)物積累、菌體生長(zhǎng)、條件一致，用單罐產(chǎn)物積累、菌體生長(zhǎng)、條件分為兩個(gè)階段，用雙罐發(fā)酵過(guò)程分多個(gè)階段、各階段條件不同，用多罐

(2)從第一罐開始通過(guò)原點(diǎn)作物料平衡線，斜率為q/V，和曲線相交于A點(diǎn)，A點(diǎn)的橫座標(biāo)X1，即為第一個(gè)發(fā)酵罐出口的微生物濃度，一直作到第n罐的微生物出口濃度Xn。

第一罐，菌濃度為X1

第二罐，菌濃度為X2

第三罐，菌濃度為X3

第n罐，菌濃度為Xn

，罐數(shù)為n個(gè)。

若發(fā)酵最終產(chǎn)物不是菌體而是代謝產(chǎn)品，用產(chǎn)物濃度P代X，同樣可作圖解。

2、用圖解法確定連續(xù)發(fā)酵理論罐數(shù)三、連續(xù)發(fā)酵流程（一）

酒精連續(xù)發(fā)酵流程

(1)

操作開始：糖液及酵母同時(shí)加入1-3罐至滿，停止加酵母，繼續(xù)加糖液，開底部閥使發(fā)酵液流入4號(hào)，4號(hào)流入5號(hào)，至9號(hào)結(jié)束，周期32小時(shí)，10、11號(hào)為貯存計(jì)量罐，輪用。(2)操作結(jié)束：換罐（換種），停止流加糖液，關(guān)1號(hào)二氧化碳閥，泵轉(zhuǎn)入2號(hào)，1號(hào)消毒并加新種新料重新開始，1號(hào)滿時(shí)