第五章--嫌气发酵设备

生物工程设备第五章嫌气发酵设备嫌气发酵设备5.1酒精发酵罐5.2啤酒发酵罐5.1酒精发酵罐5.1.1酒精发酵罐的结构及操作注意事项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。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；缺点是结构较复杂，造价较贵。目前大多数工厂都采用密闭式发酵罐。5.1酒精发酵罐酒精发酵罐罐身为圆柱形，罐顶和罐底均为锥形或碟形，结构如图5-1所示，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。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。5.1酒精发酵罐图5-1锥底酒精发酵罐1－冷却水入口；2－取样口；3－压力表；4－CO2气体出口；5－喷淋水入口；6－料液及酒母入口；7－人孔；8－冷却水出口；9－温度计；10－喷淋水收集槽；11－喷淋水出口；12－发酵液及污水排出5.1酒精发酵罐酒精发酵罐工作时，罐内不同高度的发酵液中CO2含量有所不同，发酵液中形成一个CO2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CO2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，这拖曳力和液体上浮的提升力相结合就构成气体搅拌作用，使罐内发酵液不断循环混合和热交换。5.1酒精发酵罐酒精发酵罐的洗涤，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，如图5-2所示，从而降低了工人的劳动强度和提高了操作效率。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。5.1酒精发酵罐图5-2水力喷射洗涤装置5.1酒精发酵罐2．酒精发酵罐结构尺寸酒精发酵罐其罐体高度、底、盖高度和罐径的尺寸比例推荐如下：H＝（1.1～1.5）Dh1＝（0.1～0.14）Dh2＝（0.05～0.1）D式中H——罐的圆柱部分高度，m；D——罐的直径，m；h1——罐底高度，m；h2——罐盖高度，m。5.1酒精发酵罐3．酒精发酵罐操作注意事项酒精发酵罐是酒精生产的核心设备，其运行状况直接影响产品得率，因此，生产中要严格按照设备操作规程，规范操作，以确保其正常运行。（1）操作注意事项①进料前，要对设备、管道、管件彻底灭菌。②接种时，严格按照无菌操作的规程操作，以免带入杂菌。5.1酒精发酵罐③发酵过程中严密监控温度的变化，确保在最适要求范围。无论何种酵母菌，都有最适生长和发酵温度，生产中要根据菌种特性，结合发酵模式，合理控制不同发酵阶段的温度范围。④定期观察设备、管道和管件的运行状况，严防跑、冒、滴、漏现象，避免杂菌感染。⑤定期或在线检查发酵醪理化指标，如发现异常发酵，一定要按照操作规程规定之措施及时予以调整。⑥对于间歇发酵，发酵结束出罐后，对发酵罐彻底灭菌。5.1酒精发酵罐（2）酒精异常发酵及产生原因和处理方法①酸度增高，镜检有杂菌，残余还原糖高。产生原因：发酵罐或管道、阀门、泵有死角，清洗不干净，灭菌不彻底。预防和处理方法：注意发酵罐、管道、阀门、泵等的清洗和灭菌；控制发酵温度。②残余还原糖过高。产生原因：酵母质量不高、蒸煮过度或发酵温度过高。预防和处理方法：分析酵母质量不高的原因并采取相应措施，适当降低蒸煮温度和缩短蒸煮时间，控制发酵温度。5.1酒精发酵罐5.1.2酒精连续发酵设备连续发酵是在发酵罐内连续不断地流加培养液，同时又连续不断地排出发酵液，使发酵罐中的微生物一直维持在生长加速期，同时又降低了代谢产物的积累，培养液浓度和代谢产品含量具有相对的稳定性，微生物在整个发酵过程中始终维持在稳定状态，细胞处于均质状态。其优点是：发酵周期短，设备利用率高；产品质量和产量较高；节省人力和物力；生产管理稳定；便于自动化生产。5.1酒精发酵罐1．糖蜜原料制酒精的连续发酵设备组合图5-3是糖蜜制酒精的连续发酵流程，该流程由9个发酵罐组成，其容量视生产能力大小而定。酵母和糖蜜同时连续流加入第一罐内，并依次流经各罐，最后从9号罐排出。除了在酒母槽通人空气之外，在1号罐内也同样通人适量的空气，或增大酵母接种量，维持1号罐内工艺所要求的酵母数。连续发酵周期结束，则贮存于每罐的发酵液，先从末罐按逆向顺序依次排出，入蒸馏塔蒸馏。5.1酒精发酵罐图5-3糖蜜制酒精连续发酵流程成熟发酵醪5.1酒精发酵罐2．淀粉质原料制酒精的连续发酵设备组合图5-4是淀粉质原料制酒精连续发酵流程。该流程由11个发酵罐组成，借连通管将各罐互相连接，糖化醪和液曲混合液同时连续平行流人前3罐。在发酵过程中，发酵液由罐底流出，经连通管进入另一罐的上部，其余依次类推，最后流入最末的两罐计量，并轮流用泵送往蒸馏工段。发酵过程中所产生的二氧化碳气体借带有控制阀门的U形支管和总管相连，并引向液沫捕集器经分离除去泡沫后，再通过一个鼓泡式的水洗涤塔，经回收酒精后排入大气或二氧化碳综合利用车间。5.1酒精发酵罐图5-4淀粉质原料制酒精连续发酵流程返回5.2啤酒发酵罐5.2.1圆筒体锥底发酵罐圆筒体锥底发酵罐（简称锥底罐优点是：①锥底罐是密闭罐，既可作发酵罐，又可作贮酒罐。也可用二氧化碳洗涤，除去生青气味，促进啤酒的成熟。②自身有冷却装置，可有效地控制发酵温度；尤其是锥底部有冷却夹套，便于回收酵母。③有自动清洗设备，卫生条件好，染菌机会少，有利于无菌操作，既节省生产费用，又降低了劳动强度。④由于是加压密闭发酵，减少了酒花苦味质的损失，可降低酒花使用量15％左右。⑤易于实现自动化。5.2啤酒发酵罐其缺点及改进措施是：①酒液澄清慢，尤其在麦芽汁成分有缺陷，或酵母凝集差时，影响过滤，排酵母时酒液损失大。②主酵时产生大量泡沫，罐利用率只有80％～85％。因此，应适当降低麦汁含氧量，以减少泡沫的形成，一般麦芽汁浓度在80Bx时，含氧量可控制在5～8mg／L；100Bx时溶解氧可控制在6～8mg／L；120Bx时溶解氧可降低到4～5mg／L；才不致出现窜沫现象。③锥底罐液层高，由于流体静压的关系，二氧化碳在酒内形成浓度梯度，液面和底部的二氧化碳含量相差很大，以致酒内二氧化碳含量不均匀。5.2啤酒发酵罐1.结构锥底罐用不锈纲板制成，结构如图5-5所示。罐顶装有人孔、视镜、安全阀、压力表、二氧化碳排出口。罐内上部装有不锈钢可旋转喷射洗涤器，罐中、下部及罐底各配有数条带形冷却夹套。圆筒体锥底罐其直径D与圆筒体高度H之比范围较大，根据实践经验D：H＝1：（2～6）均可取得良好的发酵效果。按国内目前设备情况，控制直径与圆筒高度之比在1：（2～4）是恰当的，锥底角度一般采用600～850，以有利于酵母的排除。5.2啤酒发酵罐图5-5圆筒体锥底5.2啤酒发酵罐圆筒体锥底罐本身设置冷却夹套进行冷却，其圆筒体部分的冷却夹套一般分2～4段冷却。冷却面积根据选用的冷媒而确定，当冷媒为氨液时，为0.2m2/m3发酵液；冷煤为酒精水溶液时，为0.23m2/m3发酵液。冷媒可采用20％～30％的酒精或30％的乙二醇水溶液，国内外多采用液氨（直接蒸发）为冷媒，优点是消耗能量低，管径小，省去一套制冷过程，投资费用和生产费用较低。圆筒体锥底罐用于前发酵时，冷媒温度一般控制在-4℃；用于后发酵贮酒时，则控制在-3～-2℃。5.2啤酒发酵罐大型发酵罐和贮酒设备的机械洗涤，现在多使用自动清洗系统，简称CIP系统（cleaninplace）、设有碱液罐、热水罐、甲醛溶液罐和循环用的管道和泵。使用时先将50～80℃的热碱液（3％～5％NaOH，也可添加洗涤剂），用泵经管道送往发酵罐，贮酒罐中的高压旋转不锈钢喷头，压力不小于3.92×105～9.81×105Pa（表压），使积垢在液流高压冲击的物理作用与洗涤剂溶解污垢的化学作用相结合的条件下，迅速溶于洗涤剂内，达到清洗的效果，洗涤后碱液流回贮槽。5.2啤酒发酵罐2.辅助设备及自控设施辅助设备主要包括：洗涤液贮罐、杀菌用甲醛贮罐、热水贮罐、空气过滤器及进、出酒泵、洗涤液泵、甲醛泵、热水泵。如需CO2回收，则设置CO2回收及处理装置。圆筒体锥底罐容量大，人工操作不便，应设置自控系统进行监控，如温度、工作压力的自动控制及液位显示等。5.2啤酒发酵罐3.安装要求及使用说明（1）罐体焊接后，罐体内壁焊缝必须磨平抛光至Ra小于0.8μm,抛光方向必须与CIP自动清洗系统水流方向一致。（2）设备安装后，罐内及夹套内分别试水压2.94×105Pa。（3）冷媒进口管应装有压力表和安全阀，进口冷媒压力限在1.96×105Pa以下。排出管上应装有止回阀。（4）露天圆筒体锥底罐体积较大，一般是现场加工后安装。（5）圆筒体锥底罐的罐体高，负荷重，设计安装时要考虑支座和地基的承重问题及防震、风载荷等措施。5.2啤酒发酵罐（6）罐体的锥部应置于室内，其酒液出口离地高度以便于操作为好。洗涤剂及甲醛贮罐、配套泵和自控装置均置于室内。（7）圆筒体锥底罐的容量应和糖化设备的容量相应配合，最好在12～15h连续满罐，满罐时间过长，啤酒的双乙酰含量将显著提高，这样将延长整个生产周期。（8）酵母的添加以分批添加为好。一次添加酵母，操作比较方便，发酵起发快，污染机会少。但是一次添加酵母后，酵母容易移位至上层，形成上下层酵母不均匀的现象。5.2啤酒发酵罐（9）如果采用一罐法发酵，酵母的回收一般分为三次进行：第一次在主发酵完毕时进行；第二次在后发酵降温之前进行；第三次在滤酒前进行。前二次回收的酵母浓度高，可以选留部分作为下批接种用。（10）为了滤酒时罐底部混酒不至于先排出，锥底设置一出酒短管，其长度以高出混酒液面即可，使滤酒时上部澄清良好的酒先排出。（11）出酒后，发酵罐应立即进行自动清洗。5.2啤酒发酵罐5.2.2联合罐联合罐，又称通用罐，结构如图5-6所示，在发酵生产上的用途与锥形罐相同，既可作发酵罐，又可作贮酒罐，也能用于多罐法和一罐法生产。联合罐对缩短生产周期，节省投资和生产费用有显著效果。5.2啤酒发酵罐图5-6联合罐5.2啤酒发酵罐联合罐为直立圆柱形罐。顶部封头为椭球形或碟形，底部封头为锥形或浅锥形，以便回收酵母等沉淀物和排除洗涤水。罐的中上部设有一段双层冷却板，采用乙二醇溶液或液氨冷却，传热面积要能保证在发酵液的开始温度为13-14℃时，在24h内能使其温度降到5-6℃。为了加强酒液冷却时的自然对流，在罐的底部酵母层的上方设置一个二氧化碳喷射环。当二氧化碳在罐中心向上鼓泡时，酒液运动的结果，使底部出口处的酵母浓度增加，便于回收。同时不良的挥发性物质被二氧化碳带走。5.2啤酒发酵罐5.2.3朝日罐朝日罐又称朝日单一酿槽，其优点是：①利用薄板热交换器顺利地解决了从主发酵到后发酵啤酒温度的控制问题。②利用酵母离心机分离酵母，有效控制后发酵液中酵母的浓度，提高发酵液的发酵度和加速啤酒的后熟。③利用间歇的循环泵把罐内的发酵液抽出来再送回去，使发酵液中更多的二氧化碳释放出来，加速啤酒的后熟。④利用朝日罐进行一罐法生产，啤酒成熟期短，容积装料系数大，可达96％左右，设备利用率高；发酵液损失少；可节约投资12％，生产费用降低35％。5.2啤酒发酵罐缺点是：动力消耗大，冷耗稍多。朝日罐是用厚4～6mm的不锈钢板制成的罐底微倾斜的平底柱形罐，其直径与高度之比为1：（1—2），外部设有冷却夹套，冷却夹套包围罐身和罐底，用乙二醇溶液或液氨为冷媒。罐内设有可转动的不锈钢出酒管，可使放出的酒液中二氧化碳含量比较均匀。朝日罐结构如图5-7所示。5.2啤酒发酵罐图5-7朝日罐和生产系统示意图1－薄板热交换器；2－循环泵；3－高速离心机；4－酵母5－朝日罐5.2啤酒发酵罐5.2.4啤酒连续发酵设备啤酒