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1、第四章 嫌气发酵设备,发酵罐是发酵工厂主要的设备，应具备适宜微生物生长和形成产物的各种条件，并在低能耗下获得较高的产量。微生物分嫌气和好氧两大类，故发酵罐也可分为两类。区别在于好气发酵要通入空气，以提供氧。目前，国内外发酵罐的发展趋势是向大型化、连续化和自动化的方向发展。,第一节 酒精发酵设备,一 传统酒精发酵罐 采用圆柱形筒体，蝶形或锥形封头。封顶有二氧化碳回收管、人孔、视镜、进料口、接种口、压力表口；封底有排料口和排污口；筒体有取样口、温度计口、冷却水进、出口。温度控制：中小型罐采用罐外喷淋冷却；大型罐采用罐内蛇管或与罐外喷淋相结合的冷却方式。,清洗方式：人工清洗、机械清洗 水力清洗装置：
2、喷水管两头弯成一定的弧度并装有喷嘴，管上开有小孔，当喷嘴以一定的速度喷出水时，反作用力使喷水管旋转，从而达到对罐内各个部位水力洗涤的目的。缺点是水压不大时，水力喷射强度和均匀度都不理想。若在原有水力喷射装置的基础上，安装一根直立的喷水管，管上钻有小孔，洗涤水压在0.6-0.8MPa，洗涤效果可大大提高。,二 新型大容量酒精发酵罐（1500m3）筒体H/D=1.5左右，采用斜底或锥底，顶部为锥顶，罐直径在11米左右，夹套冷却。由于罐太大，因此中心部位降温和底部循环困难。可采用两种不同的措施：1、采用中心降温水柱对罐中心醪液进行降温，侧搅拌或连通器加泵循环来改善混合和滞留问题；2、采用罐外螺旋板换
3、热器循环来解决降温和循环两个问题；,三 酒精发酵罐的计算（一）发酵罐结构尺寸的确定 容积：V=V0/V0进入发酵罐的发酵液量（m3）装液系数，取0.85-0.9 若采用锥形封头，则：V=D2（H+h1/3+h2/3）/4（m3）H圆柱部分高度（m）D罐的直径（m）,h1 封底高度（m）h2 封顶高度（m）尺寸关系：H=1.1-1.5D h1=0.1-0.14D h2=0.05-0.1D(二)罐数的确定 N=nt/24+1(个)n 每24小时内进行加料的发酵罐个数 t 一次发酵周期所需时间（h）,(三)发酵罐冷却面积计算 F=Q/K tm(m2)1、总的发酵热Q 由生物合成热Q1、蒸发热损失Q2
4、、罐壁向周围散热Q3组成。总热量Q=Q1-（Q2+Q3）（1）Q1计算有两种计算方法 a、按发酵旺盛期糖度下降的百分值来计算：Q1=GSq q=418600J b、根据冷却水来计算：Q1=WCp（t2-t1）,（2）蒸发热Q2 Q2=5%-6%Q1（3）罐壁向周围散热Q3 Q3=Fc(tW-tB)tW罐壁最高温度 tB所在地区夏季平均温度 c=1.7(tW-tB)0.25+C=4.88,C(TW/100)4-(TB/100)4 tW-tB,2、对数平均温度差tm 的计算 tm=t1、t2分别为冷却水进出口温度 tF 主发酵时的发酵温度,（tF-t1）-（tF-t2）,ln(tF-t1)/(tF
5、-t2),3、传热总系数K值确定 K=钢管导热系数 S钢管壁厚 阻水污垢层热阻 1发酵液到蛇管壁的传热分系数 取值为2300-2700KJ/（m2 h）,11/1+1/2+S/+1/阻,2 冷却管壁到冷却水的传热分系数蛇管冷却：2=4.186A(1+1.77d/R)A常数，水温20时，取6.45 蛇管内水的流速（m/s）d蛇管直径（m）R蛇管圈的半径（m）水的密度（kg/m3）,()0.8 d 0.2,罐外喷淋冷却：2=167 KJ/（m2 h）G喷淋密度 kg/（m h）Dm罐外径（m）本式适用于喷淋密度在100-1500 kg/（m h）的范围内。,G0.4Dm0.8,4、冷却水耗量的计算
6、 W=QB/Cp(t2-t1)(kg/h)Cp 冷却水的比热J/(kg)t2、t1分别为冷却水进出口温度 QB冷却水带走的热量(J/h),四 代谢终产物抑制消除方法 消除或减轻代谢终产物的抑制是提高生产效率的关键因素。对于酒精发酵来说：酒精浓度大于2%时，即表现出抑制作用；酒精浓度大于8%时，酵母的繁殖就停止了。要保持发酵的快速进行，通常认为反应器内酒精浓度控制在3%以内，这就要求不断地分离移去酒精。消除方法有：真空发酵、萃取发酵、膜蒸发发酵、二氧化碳气提发酵等。,1、真空发酵：原理：发酵过程中保持一定的真空度，发酵液处于沸腾状态，酒精被蒸馏出来。主要设备有发酵罐、发酵蒸发器、总凝器、分凝器、
7、收集器、真空泵。优点：糖浓 度提高3倍，发酵时间缩短1/3；酒糟、水、蒸汽都有减少；生产能力、设备利用率提高；酒精浓度可达33%。缺点：能耗大、设备真空操作负荷大、操作费用高、负压操作容易引起杂菌污染。,2、萃取发酵：具有能耗低、操作简便易行的优点。发酵和萃取在同 一反应器中进行：采用固定化细胞技术，选择合适无毒的萃取剂。发酵和萃取分开进行：（1）膜萃取：将发酵液取出，以三聚磷酸丁酯为萃取相，在中空纤维膜反应器中萃取。（2）二氧化碳超临界萃取：发酵液逆向通过超临界二氧化碳萃取柱，富含酒精的超临界流体通过活性炭柱吸附分离酒精。,3、吸附法 将吸附剂直接加到发酵液中或让发酵液循环通过一个疏水性的分
8、子筛吸附柱来吸附酒精。一般可采用疏水性硅沸石作为吸附剂，采用这种方法发酵时间可缩短30%。4、透析膜法 采用对酒精有选择性透过的多孔性膜，分离发酵液中的酒精来降低发酵液中的酒精浓度。,5、二氧化碳气提法 利用发酵过程中产生的二氧化碳，通过循环压缩机加压后，送回发酵罐气提发酵产生的酒精，在0冷却饱和了酒精和水蒸气的二氧化碳，再由活性炭填充柱吸附酒精，纤维素填充柱吸附水。生产能力提高27%。6、膜蒸发法 由发酵循环和膜蒸发两个独立的循环回路组成，两个回路通过一个可调优的内回路连接。,第二节 啤酒发酵设备,啤酒发酵设备趋于向大型化、露天化、联合的方向发展。变迁过程：1、材料由陶器到木材、水泥、金属；
9、2、开放式向密闭式转变；3、卧式方形槽向立式圆筒锥底罐转变；,一、啤酒前、后酵发酵设备及计算（一）前发酵设备 前发酵槽为方形开口式或密闭式设备，均置于室内，材料内涂保护层。蛇管或排管冷却，冷却面积0.2m2/m3发酵液，0-2冰水冷却。密闭式:具有回收二氧化碳、减少前发酵室内耗冷量以及减少杂菌污染机会的优点。室内采用空调制冷，实施冷风再循环。开口式：室内装二氧化碳排除装置，排管冷却，补充10%新鲜空气的再循环方式。,发酵室：四周墙壁和顶棚采用较好的绝热材料，地面有一定的坡度，顶棚应建成倾斜或光滑弧面，空间不应太高。（二）前发酵槽的计算 数目：N=nt 容纳一次麦汁量 N=nt/z 容纳Z次麦汁
10、量 容积：V=ZV0/取0.8-0.85 产热量：Q=sq/24t J/(m3 h)放热不平衡系数，取1.3-1.5 s主酵期单位时间降糖百分率 q发酵1kg麦芽糖放热量（418.6kJ/kg）,（三）后发酵设备 贮酒罐，完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和二氧化碳，促进啤酒稳定、澄清和成熟。后发酵温和，产生热量少，故罐内一般无须装冷却装置，热量借室内低温带走。金属的圆筒形密闭容器，有卧式和立式两种。由于罐内需饱和二氧化碳，故应制成耐压容器。材料：碳钢内涂防腐层、铝板、复合钢板。,（四）后发酵槽的计算 后酵槽容积应满足一个或几个糖化批次的装料量。一天的过滤量要和后酵槽的数量匹配，不能滤到一半停下来。数
11、量：N=V/Vs 容积：V0=Vs/(m3)0.9-0.95 V总有效容积(m3)Vs每个后酵槽有效容积(m3),二、新型啤酒发酵设备（一）圆筒体锥底发酵罐 用于上面及下面啤酒发酵，前后酵可合并在该罐内进行。室外放置，节省投资。优点：能缩短发酵时间，生产灵活。长圆筒形，H/D=4，上部是碟形封头，下部是锥形底。封头上有：压力安全阀、真空安全阀、二氧化碳回收，排气、CIP共用一个进口，由一根管道通到操作间再分支。,锥底有：取样管、啤酒出口、二氧化碳通气管。筒体上有冷却带、温度探头，外包保温层。冷媒多采用乙二醇、酒精溶液或液氨直接蒸发来冷却。罐的容量与糖化能力相匹配，以12-15小时内满罐为宜。由
12、于后酵要进行二氧化碳饱和，因此应做成耐压罐，利用压力及真空安全阀来保证安全受压。,压力过大是由于麦汁进罐时未将排气口打开，导致罐内气体排不出去；发酵过程中产生大量的二氧化碳也排不出去。真空产生的原因是：放罐时未开排气阀；CIP清洗时，罐内二氧化碳与清洗剂NaOH反应，造成罐内真空；清洗后罐内温度太高，蒸汽较多，突然采用冷水清洗，蒸汽冷凝，造成罐内真空。利用发酵过程中产生的二氧化碳以及不同高度上的温度差，可引起罐内液体的对流和热交换。,锥形罐的冷却夹套分为2-4段，锥底部分也应有冷却夹套，夹套有多种形式：扣槽钢、扣角钢、扣半管、蜂窝夹套、环行冷却带等。产热最高峰时放热量0.864.186kJ/(
13、Lh)。,（二）联合罐 这是一种具有较浅锥底的大直径发酵罐，H/D=1.1-1.3，能在罐内进行机械搅拌，并具有冷却装置。可进行多种形式的啤酒发酵，称为通用罐。由薄层竖直圆筒体、拱形顶和有足够斜度以除去酵母的锥底组成。多数用不锈钢制作。特殊的基础保证经受10级地震。冷却带采用一段位于罐中上部的双层冷却板，罐外用聚尼烷作保温层。,（三）朝日罐 这是由不锈钢制作的斜底圆柱形发酵罐，H/D=1-2。外设冷却夹套包围罐身和罐底。内设带转轴的可移动排液管，可保证酒液中二氧化碳均一。特点：利用离心机回收酵母，利用薄板冷却器降温，利用循环泵将发酵液抽出再送回。这样可缩短发酵时间，解决酵母沉降慢的缺点，提高设
14、备利用率，酒损可减小，但动力消耗大。,三、CIP清洗系统 CIP是Clean In Place(原位清洗)的简称。固定式CIP系统由清水罐、酸罐、碱罐、废碱罐、泵、加热器组成。通过罐顶的CIP喷头喷出高压水柱来对罐内各个角落进行清洗。有固定式和旋转式。主要步骤有：CO2回收、水冲、通空气、接入CIP系统、水洗、废碱洗、碱洗、水洗、酸洗、水洗、杀菌水冲。,第三节 葡萄酒发酵设备,葡萄酒根据种类不同可分为带皮发酵如：红葡萄酒、去皮发酵如：白葡萄酒。这样，在设备上对于带皮发酵来说，要使用翻拌装置，同时还要使用容易排出皮、渣的装置。连续发酵工艺：产量大、质量差；热浸提工艺：质量优，但对原料要求高；旋转
15、罐发酵工艺：产量大、质量优；,一、旋转罐 卧式圆筒，可绕水平轴线回转；一头为锥形封头，另一头为碟形封头。长径比为1.3-1.7，由于加工精度及动平衡的因素，罐直径不能太大，导致罐体积不能超过35m3。旋转罐在工作中依靠托轮支撑，沿罐体上的滚圈进行回转。间歇操作，每天运转2次，每次正逆转3-5分钟，转速1-2转/分。,电动机经蜗轮蜗杆减速后，再经一级套筒滚子链传动带动罐体旋转。罐体缓慢转动时由于内螺旋带的作用，对皮渣进行了搅动；发酵结束时，发酵液通过罐体筛板和阀门放出，然后转动罐体实现自动排渣，皮渣经罐锥体的人孔排除。优点：可有效地快速提取有效成分，大大地提高成酒的质量，发酵时间可降低30-50
16、%。该设备在法国、西班牙等欧洲国家使用。,二、多功能发酵罐 用途：用于优质葡萄酒和小浆果酒的发酵，葡萄破碎和果汁分离。设备具有搅拌刮渣装置和热交换系统，自动出渣。电动机经减速后，由链传动装置带动内部链条及刮板运动。刮板在罐内作迂回运动，起到搅拌、压榨、出渣作用。优点：浸提完全、能避免杂菌污染、酒精及香味成分损失少，出汁率高，时间短，自动出渣，温度容易控制。,第四节 连续发酵,间歇发酵是微生物要在一个罐中完成四个阶段的培养过程，但是第一和第四个过程生产和代谢十分缓慢。这将导致发酵周期长、能耗增加、设备利用率低、设备数量多等问题。连续发酵是在罐内连续的补充培养液，同时不断地将产物排出，使罐中的微生
17、物一直处于对数生长期。具有发酵周期缩短，设备利用率和产量提高，生产稳定，便于实施自动化，节省人力和物力等优点。,特点：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，可用数学方式和实验公式来表达连续发酵在稳定条件下，微生物生长速度，代谢产物、底物浓度和流加速度之间的关系。借以选定过程控制的参数。反应时间是连续生产中关键的一个参数之一，它决定了设备的大小、长度、级数。,一、单罐连续发酵的发酵时间-=(a-x)积分后 得：t=lg S0，S分别表示发酵开始和经发酵时间T后的发酵基质浓度。为比生长速率,d X d t,2.303,S0 S,二、理论罐数的确定 一般采用图解法确定连续发酵的
18、理论罐数。与蒸馏塔理论板数的图解法一样。方法：在间歇发酵中全程测定每一间隔的产物浓度X，得到发酵曲线，从曲线的原点作物料平衡线，斜率为F/V，和曲线交于A点，该点的横坐标X1为第一个罐出口的产物浓度。再从X1出发作同样斜率的直线，与曲线交于B点，该点的横坐标X2为第二个罐出口的产物浓度。依此类推，可求得多罐的理论罐数和出口的产物浓度。,三、连续工艺流程（一）酒精连续发酵 1、九罐连续糖蜜发酵工艺 酒母和糖蜜同时加入第一个罐，并依次流入各罐，最后从第九个罐流出。在第一个罐中通入空气，并维持第一罐中一定的酵母数。二氧化碳气体由各罐顶部进总汇集管，到综合利用车间。连续发酵周期可达20天，发酵只需32
19、小时，酒精浓度达9-10%。,2、印度Biostil连续发酵工艺 自1989年以来，印度国内有35家酒精厂采用阿法拉伐的Biostil工艺。生产规模在3-18万升/日。VAM有机化工公司，1994年采用Biostil法建15万升日，用一个发酵罐，六台酵母离心机，酵母回流发酵罐，但从粗馏塔出来的醪液没有回流发酵罐，而是全部直接排放(废液用来制沼气)，这是与其他采用该工艺的厂不同之处。成熟醪酒分8、残糖l.5，每吨标准糖蜜产酒精0.238吨(浓度96)，Biostil生产线工人25人，比传统法减少16人。,首家采用Biostil工艺的是沙哈德里糖厂，该厂采用一个发酵罐，容积275m3罐。内无机械搅
20、拌，采用罐外冷却方式，即从发酵罐抽出的醇液经板式换热器降温后再回至发酵罐，罐内温度维持在32左右。从板式换热器出来的冷却水，经过两座铂流式冷却塔，将冷却水温度降低后，再泵至板式换热器，循环使用。两台酵母离心机(其中一台为备用)，每一台功率为45kw。粗馏塔1.8m，蒸馏塔全部采用铜材质，塔外无保温层。产量为45000升/日。,工艺流程：将酵母菌种投入繁殖罐培养18小时，再经第一、二繁殖罐进一步扩大培养后进入发酵罐，每个榨季只需投一次菌种。糖蜜用回流的废液稀释到4 0oBX,送入发酵罐，控制罐内酵母数量约4亿毫升，温度32，进行单罐连续发酵，醪液在罐内停留八小时，含酒分约8的成熟醪从发酵罐底取出
21、经旋流器除渣，再经酵母分离机将分离出的酵母回流入发酵罐，醪液则通过热交换器预热后去五塔差压蒸馏系统的粗馏塔，蒸馏后的大部分(约60)废液回流发酵罐，少部分排放。,3、真空连续多级发酵 在多级发酵流程中，设置了多个发酵罐及发酵蒸发器，并公用表面浓缩器、酒精捕集器、真空泵，形成了酒精的多级真空提取。多级真空发酵设备配置能够提高发酵液的起始浓度达6573干物，并得到设计浓度的酒精和成熟的发酵液。因此，这种发酵生产能力与浓度为3640一级真空发酵相比增加了30，同时，酿造用水和能耗都有所降低。,（二）啤酒连续发酵 1、塔式连续发酵 由英国APV公司设计。启动时，加入无菌麦汁及酵母，麦汁在塔内一边上升，
22、一边发酵，直至满塔。经培养达到要求的酵母浓度梯度后，以低速泵入麦汁，一周后全速操作，并经常通入二氧化碳来疏松酵母柱。流出的嫩啤酒经酵母分离器和薄板换热器后送入贮酒罐，充入二氧化碳，贮存4天即可包装。,定期排除部分老酵母，减少酵母自溶。塔体采用三段夹套或盘管冷却，塔顶的圆柱体膨大部分是沉降酵母的离析器装置，减少酵母流失，保持塔内酵母浓度梯度。塔身H/D=9，离析器H/D=0.5-1。2、多罐式连续发酵 三罐式连续发酵流程：麦汁通过柱式供氧器，流向两个带有搅拌器发酵罐的第一个，控制三分之二的糖在第一个罐中发酵，温度21，再借位差溢流入第二罐。,在第二个罐中发酵温度24。再流入第三个酵母分离罐，罐内被冷却到5，也可用酵母离心机代替酵母分离罐，成熟啤酒溢流到贮酒罐。四罐式连续发酵流程：在三罐式的基础上最前面增加一个酵母繁殖罐，即为四罐式。多罐式连续发酵的特点：带有搅拌装置，能耗大，同时酵母易被带走，无法保持发酵罐内的酵母浓度。,
