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1、发酵工程(FennentationEngineering)的定义应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会服务的一门科学。淀粉质原料进行蒸煮的目的是使植物组织和细胞膜彻底破裂，淀粉成为溶解状态进行液化；同时对进料进行灭菌；排除原料中的一些不良成分及气味。为了实现这些目的，蒸煮设备必须达到下列要求:(1)能使淀粉细胞完全破裂，淀粉溶解成均匀的糊状物；(2)尽量减少淀粉和糖分的损耗，避免产生其它不必要的有害的化学变化；(3)节省蒸汽，减少热损失；(4)设备能承受较高的压力，具有耐磨性，能使物料在锅内充分翻动，受热均匀；(5)结构简单，操
2、作方便，投资少。连续蒸煮有低温长时间的罐式连续蒸煮，中温的柱式连续蒸煮和高温短时间的管式连续蒸煮后熟器在连续蒸煮中，后熟器是利用经加热器或蒸煮锅(罐)加热后的料液余热，在一定压力和温度下维持一定时间的继续蒸煮，因此，后熟器又称维持器。对后熟器的要求是，料液在后熟器中的整个截面上均匀地由下向上推动，力求做到先进先出。真空冷却指的是醪液在一定的真空度下(即醪液进入负压状态)醪液本身产生大量蒸气(二次蒸气)，并被抽出，这样便消耗了醪液大量的热量，因而醪液很快冷到与真空度相应的温度，这种醪液冷却法就称为真空冷却糖化设备主要是糖化罐，其容积痴3的糖化醪需要领.3.3容积来计算。其旋转方向与冷却水在蛇管中
3、水流的方向相反 连续糖化作用是连续地把糊化醪与水稀释，并与液体曲或秋曲乳混合，在温度下维持一定时间，保持流动状态，以利于酶的活动。二级真空冷却的连续糖化法。对蒸煮醪的前冷却和后冷却均采用真空冷却的糖化工艺，叫二级真空冷却糖化法发酵罐的定义：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。 7.按微生物生长代谢需要分类: 好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数； 厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。 2.按照发酵罐设备特点分类： 机械搅拌通风发酵罐：包括循环式，如伍式发酵罐，
4、文氏管发酵罐，以及非循环式的通风式发酵罐和自吸式发酵罐等。 非机械搅拌通风发酵罐：包括循环式的气提式、液提式发酵罐，以及非循环式的排管式和喷射式发酵罐。 这两类发酵罐是采用不同的手段使发酵罐内的气、固、液三相充分混合，从而满足微生物生长和产物形成对氧的需求（）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。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
5、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 列题7 某酒精工厂，每发酵罐的进料量为24th0每4h装满一罐，发酵周期为72h,冷却水的初、终温分别为20和25C,若罐内采用蛇管冷却，试确定发酵罐的结构尺寸、罐数、冷却水耗量、冷却面积和冷却装置的主要结构尺寸。（糖化醪密度为1076kgm3）N=+1 N：发酵罐个数（其中一个备用）（个）； n：每24内进行加料的发酵罐数目（个）； t：一次发酵周期所需的时间（h） n=244=6发酵罐容积V：发酵罐的全体积，m3；Y0：进入发酵罐的发酵液量，m3；:装料系数，0.85-0.90,取0.924x4x1000-100（w3）1076x0.9蒸
6、信指利用液体混合物中各组分挥发性的差异而将组分分离的传质过程。精储：将由挥发度不同的组分所组成的混合液，在精储塔中同时多次进行部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的过程。 二、蒸储方法选择原则 （1）根据生产原料和成熟醪特性的不同，选择相应的流程。例如：薯类淀粉质原料经高压蒸煮、糖化、发酵后.成熟醪含甲醇和杂醇油均较高，故它采用醪塔一精储塔一甲醇塔的三塔式流程；糖蜜原料酒精发酵成熟醪中含醛酯头级杂质多，宜采用双塔式液相过塔（间接的）连续蒸馈流程，一般不宜采用气相过塔（直接的）流程。对于生产精馈酒精的糖蜜酒精发酵工厂，多采用醪塔一排醛塔一精微塔的三塔式流程。则产品质量更容易保证。 （2）从
7、产品质量的实际要求选定蒸储流程。 同一原料，产品质量要求不同，选定蒸储流程也不同，以保证产品质量稳定。例如用糖蜜原料生产体积分数为50%-60%的白酒时，可选用单塔式蒸储流程或塔、釜式结合蒸储流程；生产体积分数为96%的工业酒精时选用两塔式蒸气过塔蒸储流程；生产体积分数为96%的医用酒精时选用两塔式液相过塔蒸僧流程；生产精馄洒精时选用三塔式液相过塔蒸储流程，同时具有排醛酒、抽提杂醇油的设备，通常在塔顶以下2-6层抽出成品酒精，以保证成品酒精质量。 (3)应尽可能节约蒸汽来选择蒸储流程 4)要从节约用水角度来选定蒸储流程。蒸储流程中的冷凝和冷却设备耗水量甚大，选定蒸储流程时要求尽可能节约用水，例
8、如成品冷却器及分凝器用过的水均应送生产用水分配站使用。 (5)选定蒸储流程要注意节省厂房建筑费用和设备投资 三、酒精蒸馈常用设备 在酒精蒸储中，所用的主要设备有粗锚塔、精微塔、冷凝器、杂醇油分离器等。 蒸储塔的类型基本上按其塔板结构来划分,塔内装有泡罩塔板的称为泡罩塔；装有多孔板的称为筛板塔；装有填料的则称为填料塔。 塔按作用原理可分为两类， 一类是鼓泡塔，气体以鼓泡的方式穿过液层，属于这一类的主要是泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、斜孔塔； 另一类是膜式塔，液体是以液滴或液膜的形式分散在气体中，属于这一类的主要有填料塔等。常用的浸渍设备有圆锥型浸麦槽和平底浸麦槽两种 一、糖化设备的组合方式(PPT32
9、) 根据组成糖化系统设备的数目，可分为以下几种组合方式： (1)两器组合：由一个糖化过滤槽和一个糊化煮沸锅组成，每天可糖化2次左右。 各类原料的液化、糊化、浸出和麦汁的煮沸浓缩在糊化煮沸锅内进行。 大麦芽的浸出，醪液的糖化和麦汁过滤则在糖化过滤槽内进行。 利用醪泵来回输送醪液，完成不同阶段的糖化过程。 5000t以下 四器组合： 糊化锅、糖化锅、过滤槽和麦汁煮沸锅等四个容器组成，每天可糖化4次左右。 该套组合的特点是设备分工明确，利用率极不均衡。糖化锅的利用率仅40-50%。 五器组合： 常见于中型啤酒厂的技术改造中。在四器组合的基础上，增加一只暂贮罐，用于暂贮过滤后的麦汁，以此缩短等待煮沸锅
10、的时间，提高整个系统的生产效率，使每天的糖化能力增加到6次。六器组合： 增加了过滤槽和麦汁煮沸槽各一只。或设置两只糊化-糖化两用锅、两只过滤槽、两只麦汁煮沸槽，便于生产周转。相当于两套四器组合。 每天可糖化8次左右，该套组合的特点是糊化锅与糖化锅的利用率已达到极限。 二、糊化锅 糊化锅的作用是把大米粉和部分麦芽粉与水混合煮沸，并用来对糖化醪加热升温。糖化锅的用途是使麦芽粉与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化。【例题】某啤酒厂一次糖化糖化锅投麦芽粉为1160公斤.每IOO公斤麦芽扮糖化用水为420公斤，一次糖牝糖化锅投麦芽粉254公斤一同时投入大米粉62磔斤，每100公斤投料（包括麦
11、芽粉和大米粉）用水为430公斤J试求精化锅的窖积及其基本尺寸吏工解】糊化锅投料量=762+254=1016（公斤）糊化藤量=1016o+需）=538o（公斤）设糊化锅煮沸时，每小时蒸麦5%的水芬操作时第一次煮沸15岁钟.，.则承发量=538Qx干苗二户,25（公斤）；.第一次煮沸后糊化曜量招。一67,25=5313（公斤）糖化醛量=1160（1+第）=6Q32（公斤）第一次煮沸后糊化爨+糖化醵=5313+6032=口345（公斤）设大米粉和麦芽粉含水量均为11%糖化醛千物质%=（1016+1f/gOjJ2jxo0%=i7,tg1IJ43查表得比重为1R7则糖化锅有效容积二丁小着而1U6（米,）
12、.血糖化锅充素数为机7,贝J;、.糖化锅总容积二笔光:151（来。采用平底糖化锅，其瞰简直径口与高度口之比为2二40（1:叫=0O,5=3*（来）月二0：5金34=1.7（米）械化锅升气管的直径为金，理hQJ85r=*0.785x3-4；1事一4亍0.4双米卜麻为0.5米：发酵罐设备参数PPT60-72径高比：圆筒部分：1:（1-4）；总高度最好不要超过16m,以免引起强烈对流，影响酵母和凝固物的沉降。罐容量：有效体积：80%锥角：6090,一般6075。冷却夹套与冷却面积：二次冷媒冷却。啤酒冰点：-2.7-2.O0C,冷媒温度：-3C左右。冷媒：2030%酒精水或20%的丙二醇水。冷却面积：
13、不锈钢0.350.40m2m3,碳钢：0.500.62m2m30大型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设备特点 乙二醇或酒精溶液，也可使用氨（直接蒸发）作冷媒；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 CO2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。发酵罐中发酵液的对流主要依靠其中C02的作用（如何作用）啤酒发酵开始，产生于
14、洒液底部的二氧化碳,其向上移动的掩拉力形成酒液自下而上的自然对流，使整个酒液温度趋于平衡.当主发酵完毕，酒液进行冷却时，情况发生变化.I此时，发酵基本结束，二氧化碳不再大量产生,酒液的对流主要依靠冷却夹套冷量控制所形成的温度差,使酒液密度发生变化而产生对流，进行冷量传递,当酒液继续降温,冷却至酒液最大密度时,将形成相同密度而温度不同的酒液，在最大密度酒液的两侧，自行区域性对流（图3-5-2）,使冷却夹套的冷量传递达不到要求，整个酒液温度形成梯度，冷却速度下降,酒液温度下降缓慢.此时,开启锥部冷却夹套很重要,不仅是为了消除酵母本身产生的热量,也是为了使锥部酒液冷却至0霓，以降低酒液密度,使其上升
15、,产生酒液对流，打破形成的温度梯度.此时温度的控制,应以酒液上部的温度传感器为准，以免产生误导,在长时间冷却下，耀的上部出现结冰现象. 联合罐是一种具有较浅锥底的大直径（高径比为1：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磁。朝日罐是用4-6的不锈钢制成的斜底圆柱型发酵罐。其高度与直径比为L1-2:1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。 tt:
16、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，增加酵母与发酵液接触时间，促进发酵液中乙醛和双乙酰的还原，减少其含量。所谓C/P系统，是CIeaninplace的简称，意即内部清洗系统。过滤目的口去除悬浮物，改善啤酒的外观；口提高啤酒的胶体稳定性；口提高生物稳定性。过滤要求口过滤能力大；口质量好，透明度高；口酒损小，C02损失少；口不易污染、不吸氧、不影响啤酒的风味。微孔薄膜是指用生物和化学稳定性很强的合成纤维或塑料制成的多孔膜。习惯上把60C经过InIin处理所达到的杀菌效
17、果称为1个巴氏杀菌单位，用PU表示。以PU为单位杀菌效果=1乂1.393-60)式中T为时间(min),t为温度CC)生产上一般控制在15-30Puo无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。此种空气称为“无菌空气”。各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同,数量也随条件的变化而异,一般设计时以含量为103104个/m3进行计算。发酵对空气无菌程度的耍求口各种不同的发酵过程，对空气无菌程度的要求也不同。影响因素是比较复杂的，需耍根据具体情况而订出具体的工艺要求。口一般按染菌机率为10-3。来计算，即IOOo次发酵周期所用的无菌空气只允许12
18、次染菌二、空气除菌的方法辐射灭菌加热灭菌静电除菌：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘、除菌的目的。静电除菌装置按其对菌体微粒的作用可分为电离区和捕集区过滤除菌：利用有孔介质从气体中除去微生物()过滤机理直接拦截惯性撞击扩散拦截直径很小的微粒在缓慢流动的气流中能产生一种不规则的直线运动，称为布朗扩散布朗运动)。空气过滤除菌要保持过滤器有比较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。气流速度可由操作来控制；要保持不受油、水干扰则要有一系列冷却、分离、加热的设备来保证空气的相对湿度在5060%的条件下过滤。流程的特点是：两次冷却，两次分离，适当加热例题：某除菌流程，空气压力为4工程大气
19、压，要求空气加热到35时相对湿度8=60%,问第二级冷却器应至少把空气冷却到多少度(假定冷却后空气中水雾全部分离)？4利用热空气加热冷空气的流程它利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。此流程对热能的利用比较合理，热交换还可以兼做贮气罐，但由于气一气交换的传热系数很小，加热面积要足够大才能满足要求。选用棉花纤维细长疏松的未脱脂新鲜产品过滤效率:就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，它是衡量过滤器过滤能力的指标。HH-I-NNN深层过滤的对数穿透定律空气通过单位滤层后，微粒浓度下降量与进入此介质的空气中的微粒浓度成正比，即一舟二KN填充物的装填顺序如下:孔
20、板f铁丝网f麻布f棉花f麻布f活性碳f麻布f棉花f麻布f铁丝网f孔板空气贮罐的作用：是消除压缩机排出空气量的脉动，维持稳定的空气压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。通风发酵罐有鼓泡式、气升式、机械搅拌式、自吸式、喷射自吸式、溢流喷射自吸式等多种类型发酵罐发酵皤的基本条件口(1)发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。口(2)发酵罐能承受一定的压力。口(3)要保证发酵液必须的溶解氧。口(4)发酵罐应具有足够的冷却面积。口(5)发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌。口(6)搅拌器的轴封应严密，防病菌减少泄漏。三、发酵罐的结构口1、罐体2、搅拌器和挡板3、
21、消泡器4、联轴器及轴承5、变速装置6、空气分布装置7、轴封8、冷却装置通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器为什么要安平直叶涡轮搅拌器如果没有圆盘，从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总表面积减少,溶氧系数降低；同时气泡大，上升速度快，传质效果差。而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘的阻碍，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提器T溶氧系数。口搅拌器的主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，气泡细碎以增大气-液界面，获得所需要的溶氧速率，并使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气-液
22、-固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。为实现这些目的，搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。口消泡方式有两种：一是加入化学消泡剂消除泡沫，但高浓度的化学消泡剂会对发酵产生抑制作用，故不能添加太多；口第二种方式，即机械消泡。机械消泡装置主要有四种。口一是锯齿式消泡桨.它安装于罐内顶部、高出液面的位置，固定在搅拌轴上，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。口二是半封闭式涡轮消泡器，它是由前者发展改进而来，泡沫可直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。口三是离心式消泡器，它们置于发酵罐的顶部，利用高速旋转产生的离心力将泡沫破碎，液体仍然返回罐内。口第四种是刮板式消泡器，它
23、安装于发酵罐的排气口处，泡沫从气液进口进到高速旋转的刮板中，刮板转速为IOoO-1450rpm,泡沫迅速被打碎，由于离心力作用，液体披甩向壳体壁上，返回罐内，气体则由汽孔排出。消泡器消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。孔板式的孔径约1020n.安装在发酵罐外的消泡器有涡轮消泡器、旋风离心式消泡器和叶轮离心式消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。联轴器有鼓形及夹壳形两种口空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。口分布装
24、置的形式仃单管及环形管等。常用的为单管式，管口对正罐底中央，装于最低一挡搅拌器下面，管口与罐低的距离约40,并且空气分散效果较好。安装在旋转轴与设备之间的部件我们称之为轴封，轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设备之处泄漏和污染杂菌。端面轴封乂称机械轴封,机械密封，系指两块密封元件垂直于轴线的光洁而平直的表面上相互贴合，并作相对转动而构成密封的装置气升式反应器有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质
25、的发酵罐。口L机械搅拌自吸式发酵罐的工作原理pptl93口自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器(转子，见图2、图5)和导轮(定子，见图3),空气管与转子相连接,在转子启动前,先用液体将转子浸没,然后启动马达使转子转动，由于转子高速旋转,液体或空气在离心力的作用下,被甩向叶轮外缘,在这个过程中，流体便获得能量,若转子的转速愈快,旋转的线速度也愈大,则流体(其中还含有气体)的动能也愈大,流体离开转子时，由动能转变为静压能也愈大,在转子中心所造成的负压也越大，因此空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过定子而使气液均匀分布甩出。由于转子的搅拌作用，气液在叶轮的外缘形成强烈的混合流(湍流)，使刚刚离开叶轮
26、的空气立即在不断循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中，因此转子同时具有搅拌和充气两个作用，见图4、图5、图6。气升式发酵罐口加压的无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，从空气喷嘴喷入的气速可达250300(米/秒)，无菌空气高速啧入上升管，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，与导流筒内的发酵液密切接触，供给发酵液溶解氧。由于导流筒内形成的气液混合物密度降低，加上压缩空气的喷流动能，因此使导流筒内的液体向上运动；到达反应器上部液面后，一部分气泡破碎，二氧化碳排出到反应器上部空间，而排出部分气体的发酵液从导流筒上边向导流筒外流动，导流筒外的发酵液因气含率
27、小，密度增大，发酵液则下降，再次进入上升管，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。口L气升环式反应器的特点前面已经简单提到气升环式反应器的特点,由于气升环流反应器内没有搅拌器，并且有定向循环流动，故具有多个优点，下面具体说明。口(1)反应溶液分布均匀：气液固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好是生物反应器的普遍要求，因其流动、混合与停留时间分布均受到影响。对许多间歇或连续加料的通气发酵，基质和溶氧尽可能均匀分散，以保证其基质在发酵罐内各处的浓度都落在0.1%-l%范围内，溶解氧为10%30%o这对需氧生物细胞的生长和产物生成有利。此外，还需避免发酵罐液面生成稳定的泡沫层，以免生物细胞积聚于上而受损害甚至死亡。还有培养基成分尤其是有淀粉类易沉降的颗粒物料，更应能悬浮分散。气升环流反应器能很好地满足这些要求。口(2)较高的溶氧速率和溶氧效率：气升式反应器有较高的气含率(gas-holdup)和比气液接触介面，因而有高传质速率和溶氧效率，体积溶氧效率通常比机械搅拌罐高，kLd可达2000h,且溶氧功耗相对低。例如一台25m3的ALR,溶氧速率28kg(m3.h),效率达12kg(02)/(kW,h)。口(3)剪切力小，对生物细胞损伤小：由于气升式反应器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪切损伤可减至最低，尤其适合植物细胞及组织的培养。
