发酵工程07第七章-发酵生产的设备课件.ppt

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1、第六章,发酵设备,第一节,发酵设备概述,?,发酵主要设备为发酵罐和种子罐，它们各自都附有,原料,(,培养基,),调制、蒸煮、灭菌和冷却设备，通气,调节和除菌设备，以及搅拌器等。,?,种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的。,?,发酵罐：承担产物的生产任务。,它必须能够提供微生物生命活动和代谢所要求,的条件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现，,从而获得高产。,一、发酵罐,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。,对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时,附带精密控制系统；,而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开,口容器，有时甚至简单到只要有一个开

2、口的坑。,发酵罐系统,?,一个优良的发酵罐装置和组成,?,（,1,）应具有严密的结构,?,（,2,）良好的液体混合特性,?,（,3,）好的传质相传热速率,?,（,4,）具有配套而又可靠的检测、控制仪表,发酵罐发展历史,?,第一阶段,:1900,年以前，是现代发酵罐的雏形，它,带有简单的温度和热交换仪器。,?,第二阶段,:1900-1940,年，出现了,200m,3,的钢制发酵,罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机,械搅拌开始用在小型的发酵罐中。,?,第三阶段：,1940-1960,年，机械搅拌、通风，无菌,操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺,过程的参数检测和控制方面已出现，耐

3、蒸汽灭菌的,在线连续测定的,pH,电极和溶氧电极，计算机开始,进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备,逐步实现商品化。,?,第四阶段：,1960-1979,年，机械搅拌通风发酵罐的,容积增大到,80-150m,3,。由于大规模生产单细胞蛋,白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发,酵罐，它可以克服,些气体交换和热交换问题。,计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。,?,第五阶段：,1979,年至今。生物工程和技术的迅猛,发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规,模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等,基因工程的产品走上商品化。,发酵罐的特点,?,（,1,）发酵罐与其他工业设备的突出差

4、别是对纯种,培养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，,发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的,显著特点。,?,（,2,）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵,罐更加趋向大型化和自动化发展。,?,在发酵罐的自动化方面，作为参数检测的眼睛,如,pH,电极、溶解氧电极、溶解,CO,2,电极等的在线检,测在国外巳相当成熟。国内目前尚处于起步阶段，,发酵检测参数还只限于温度、压力、空气流量等一,些最常规的参数。,发酵罐的种类,?,发酵工业上最常用的是通风搅拌罐。除了通风,搅拌发酵罐外，其它型式的发酵罐如：气提式,发酵罐、压力循环发酵罐、带超滤膜的发酵罐,等,。,典型发酵设备,?,种子制备

5、设备,?,主发酵设备,?,辅助设备,(,无菌空气和培养基的制备,),?,发酵液预处理设备,?,粗产品的提取设备,?,产品精制与干燥设备,?,流出物回收、利用和处理设备,发酵罐工艺操作条件,?,1,温度：,25,40,。,?,2,压力：,0,1kg/cm,3,(,表压,),。,?,3,灭菌条件；温度,100,140,，压力,0,3kg/cm,3,(,表压,).,?,4,pH,：,2,11,。,?,5,需氧量：,0.05,0.3kmo1/m3,h,。,?,6,通气量：,0.3,2VVM,。,?,7,功率消耗：,0.5,4kW/m,3,。,?,8,发酵热量：,5,000,20,000kcal/m,3

6、,.h,。,发酵罐的类型,?,1,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，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

7、生物生,长和产物形成对氧的需求。,?,3,按容积分类：,?,一般认为,500L,以下的是实验室发酵罐；,?,500-5000L,是中试发酵罐；,?,5000L,以上是生产规模的发酵罐。,第二节,嫌气发酵设备,密闭厌氧发酵罐,?,对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承,受一定压力；有冷却设备；罐内尽量减,少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。,?,酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发,酵罐因不需要通入昂贵的无菌空气，因,此在设备放大、制造和操作时，都比好,气发酵设备简单得多。,?,它的容积常大于,50m,3,，,H:Dt=1-2,，罐的,上、下部都是锥形的。,?,上部有物料口，冷却水口，,CO,2,和气体出

8、,口、人孔和压力表开口等。,?,温度控制采用罐内蛇管和罐外壁直接水,喷淋相结合，排料管在罐的底部。,一、酒精发酵罐,?,酵母将糖转化为酒精高转化率条件,?,(1),满足酵母生长和代谢的必要工艺条件,?,(2),一定的生化反应时间,?,(3),及时移走在生化反应过程中将释放的,生物热,酒精发酵罐的结构要求,?,满足工艺要求，有利于发酵热的排出,?,从结构上有利于发酵液的排出,?,有利于设备清洗、维修以及设备制造安,装方便等问题。,酒精发酵罐筒体结构,?,为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。,?,在酒精发酸过程中，为了回收,CO,2,气体及其所带,出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。,?,罐顶装有人

9、孔、视镜及二氧化碳回收管、进料,管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。,?,罐底装有排料口和排污口；,?,罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大,型发酵耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐,底也装有人孔。,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。,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,CO,2,气体一旦末彻

10、底排除，工人入罐,清洗会发生中毒事故。,?,近年来，酒精发酵罐巳逐步采用水力喷,射洗涤装置，从而改善了工人的劳动强,度和提高了操作效率。大型发酵罐采用,这种水力洗涤装置尤为重要。,水力喷射装置,?,是由一根两头装有喷嘴的洒水管组成,?,两头喷水管弯有一定的弧度,?,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,?,喷水管借活接头和固定供水管相连接,?,它是借喷水管两头喷嘴以一定喷出速,度而形成的反作用力，使喷水管自动,旋转。,?,对,于,120m,3,的,酒,精,发,酵,耀,，,采,用,36,3mm,的喷水管，管上开有,44,30,个小孔，两头喷嘴口径为,9mm,。,高压强的水力喷

11、射洗涤装置,?,它是一根直立的喷水管，沿轴向安装于罐的中,央，在垂直喷水管上按一定的间距均匀地钻有,4-6mm,的小孔，孔与水平呈,20,度角，水平喷水,管借活接头，上端和供水总管，下端相垂直分,配管相连接，洗涤水压为,0.6-0.8MPa,。,?,水流在较高压力下，由水平喷水管出口处喷出，,使其以每分钟,48,56,转自动旋转，并以极大的,速度喷射到罐壁各处，而垂直的喷水管也以同,样的水流速度喷射到罐体四壁和罐底。,?,约,5min,时间即可完成洗涤作业。洗涤水若用废,热水，还可提高洗涤效果。,二、酒精发酵罐的计算,?,(,一,),发酵罐结构尺寸的确定,发酵罐全容积可按下式计算：,?,(,二

12、,),发酵罐罐数的确定,?,对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算,(,三,),发酵罐冷却面积计算,1,总的发酵热,Q,?,微生物在嫌气发醉过程中总的发酵热，一般由,生物合成热,Q1,，蒸发热损失,Q2,，罐壁向用围,散失的热损失,Q3,等三部分热量所组成。,?,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,?,由于各种微生物的生理特性和代谢途径不同，,故对于微生物的生物合成热至今尚难准确计算。,?,对于确定酒精、啤酒等嫌气发酵的发酵热，一,般按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值,来计算，通常以消耗,1kg,麦芽糖发酵放出的热

13、,量约为,418.6kJ,为计算基准。,?,如果发酵液不进行冷却，则发酵温度可升高,10,。,?,此外，对于小型试验罐，也可在发酵最旺盛,时，测定其冷却水的进出口温度和单位时间内,的耗水量，从而得出小罐的放热量,Q1,。,?,代谢气体带走的蒸发热量,Q2,与糖浓浓度、发酵,程度好坏有关，除间接测定外，目前还难具体,计算，一般计算时可取,Q1,的,5,、,6,左右。,?,不论发酵罐置于室内或室外，均要向周围空,间散失热量,Q3,，这部分热量由对流相辐射组成，,具体计算可参阅有关资料。,?,所以总的发酵热是：,4,冷却水耗量的计算,?,由热平衡方程式得：,?,QA,QB,?,式中,?,QA,酒精或

14、其他发酵产品的总发酵热,(J,h),?,QB,冷却水带走的热量,(J,h),?,例题,?,某,酒,精,工,厂,，,每,发,酵,罐,的,进,料,量,为,24t/h,。每,4h,装满一罐，发酵周期为,72h,，,冷却水的初、终温分别为,20,和,25,，,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,1076kg/m,3,),?,n=24/4=6,?,N=6,72/24+1=19,?,发酵罐容积,?,发酵罐采用圆柱形器身，底和顶为锥形,盖，选取结构尺寸的比例关系如下：,?,由发酵罐的基本结构尺寸，可确定全罐,表面积罐体圆柱

15、部分表面积,F1,和罐底,罐顶表面积,F2,，,F3,分别为：,?,2,冷却面积和冷却装置主要结构尺寸,?,假定罐壁不包扎保温层，壁温最高可达,35t,，生产厂所,在地区的夏季平均温度可查阅有关资料，现假定为,32,。,Q3=,全罐总表面积,a,c,(t2-t1),主发酵控制发酵液温度,tw,为,30,，按题意冷却水进出口温度分,别为,t1,20,，,t2,25,?,(4),传热总系数,K,值的确定,?,选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为,53/60mm,，则管的横截面积为,考虑罐径较大，设罐内同心装两列蛇管，并同时进入冷却水，,则水在管内流速为：,(5),冷却面积和主要尺寸,二、啤酒发酵设备

16、,?,近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的,方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐容量,已达,1500,吨。,?,大型化的目的是：,?,(1),由于大型化，使啤酒质量均一化；,?,由于啤酒生产的罐数减少，使生产合理化，降,低了主要设备的投资。,?,(1),发酵容器材料的变化。,?,由陶器向木材,-,水泥,-,金属材料演变,?,现在的啤酒生产，后两种材料都在使用。,?,我国大多数啤酒发酵容器为内有涂料的,钢筋水泥槽，新建的大型容器一般使用,不锈钢。,啤酒发酵容器的变迁过程,?,（,2,）开放式发酵容器向密闭式转变。,?,小规模生产时，一般用开放式，对发酵的管理、,泡沫形态的观察和醪液浓度的测定

17、等比较方便。,?,随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器大型化，,并为密闭式。,?,从开放式转向密闭发酵的最大问题是发酵时被,气泡带到表面的泡盖的处理。可用吸取法分离,泡盖。,?,（,3,）密闭容器的演变。,?,原来是在开放式长方形容器上面加弓形盖子的,密闭发酵槽；,?,随着技术革新过渡到用钢板、不锈钢或铝制的,卧式圆筒形发酵罐。,?,后来出现的是立式圆筒体锥底发酵罐。,?,目前使用的大型发酵罐主要是立式罐，如奈,坦罐、联合罐、朝日罐等。,?,由于发酵罐容量的增大，要求清洗设备装置也,有很大的改进，大都采用,CIP,自动清洗系统。,啤酒前、后发酵设备及计算,?,(,一,),前发酵设备,?,传统的前发

18、酵槽均置于发酵室内，发酵槽大部,分为开口式。,?,前发酵槽可为钢板制，常见的采用钢筋混凝上,制成，也有用砖砌、外面抹水泥的发酵槽。,?,形式以长方形或正方形为主。,?,前发酵槽内要涂布一层特殊涂料作为保护层。,采用不饱和聚脂树脂、环氧树脂或其他特殊涂,料较为广泛，但还未完全符合啤酒低温发酵的,防腐要求。,?,前发酵槽的底略有倾斜，利于废水排出,?,离槽底,10-15cm,处，伸出有嫩啤酒放出管,?,为了维持发酵槽内醪液的低温，在槽中装有冷,却蛇管或排管。,?,前发酵槽的冷却面积，根据经验，对下面啤酒,发酵取每立方米发酵液约为,0.2,平方米冷却面积，,蛇管内通入,0-2,度的冰水。,?,注意,

19、CO2,的排放，防止中毒,密闭式发酵槽,?,优点,?,（,1,）,可回收二氧化碳,?,（,2,）,减少前发酵室内通风换气的耗冷量,?,（,3,）,减少杂菌污染机会。,?,组成,?,在槽内装置冷却蛇管,?,在发酵室内配置冷却排，,或采用空调装置，使,室内维持工艺所要求的温度和湿度。,?,发酵室内装置密闭式发酵罐，则采用空调设备，,实施冷风再循环更有利于冷耗的节约，为避免,在室内产生激烈的气流，通风口都应设在墙角,处。,降低发酵室的冷耗量措施,?,合理地在室内配置进出风道以及正确操作空调设备,?,发酵室的四周墙壁和顶棚均要采用较好的绝热结构，,绝热层厚度不应小于,5cm,。,?,发酵槽外壁及四周墙

20、壁应铺砌白瓷砖或红缸砖，也,可用标号较高的水泥抹面，再涂以较暗淡的油漆。,?,地面通道应用防滑瓷砖铺设，并有,定坡度，便于,废水排出。,?,发酵室内顶相应建成倾斜或光滑弧面，以免冷凝水,淌入发酵槽内。,?,从节省冷耗考虑，室内空间不宜太高，单位体积发,酵室内的发酵槽容量应尽可能最大。,(,二,),前发酵罐的计算,?,1.,发酵槽数目的确定,?,采用小容量的发酵槽，将导致一系列非生产,消耗的增加。容积小，槽数目多，又必然会增,加投资费用，所以一般不宜采用。,?,在一个发酵槽内可容纳一次麦汁量的前提下，,发酵槽的数目可按下式计算,?,若单个发酵槽可容纳糖化一次麦汁量的整倍数，,则发酵槽数目可按下列

21、通式计算,在一个发酵槽内容纳一次糖化麦芽汁量的前提下，发酵,槽的数目仅仅取决于每日糖化次数和前发酵时间，而与,生产量以及生产的不平衡性无关。,2,前发酵槽容积的确定,?,计算糖化一次麦汁量或其量的整倍数，同时适,当考虑泡沫所占的空间，即可确定前发酵槽的,客积。计算如下：,(,三,),后发酵设备,?,主要完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和二氧化碳，,促进啤酒的稳定、澄清和成熟。,?,根据工艺要求，贮酒室内要维持比前发酵室更,低的温度，一般要求,0-2,，特殊产品要求达到,-2,左右。,?,后发酵过程残糖较低，发酵温和，故槽内一般,无须再装置冷却蛇管。,?,贮酒室的建筑结构和保温要求，均不能低于前,发酵

22、室，室内低温的维持，是借室内冷却排管,或通入冷风循环而得。,?,后发酵槽是金属的圆筒形密闭容器，有卧式和,立式两种。工厂大多数采用卧式。,?,发酵过程中需饱和,CO2,，后发酵槽应制成耐压,0.1-0.2MPa,表压的容器。,?,后发酵槽槽身装有人孔、取样阀、进出啤酒接,管、排出二氧化碳接管、压缩空气接管、温度,计、压力表和安全阀等附属装置。,?,后发酵槽的材料，一般用,A3,钢板制造，内壁涂,以防腐层。,?,贮酒槽全部放置在隔热的贮酒室内，维持一定的,后酵温度。毗邻贮酒室外建有绝热保暖的操作通,道，在通道内进行后发酵过程的调节和操作。,?,贮酒室和通道相隔的墙壁上开有一定直径和数量,的玻璃窥

23、察窗，便于观察后发酵室内部情况。,?,通道内保持常温，开启发酵液的管道和阀门都接,通到通道里。,(,四,),后发酵罐的计算,?,贮酒罐的容量应和啤酒过滤能力配合起来，,即一天的过滤量要相当一个罐或几个罐的贮酒量。,?,如果滤酒时贮酒罐的高压用,CO2,，情况会好得多。,?,一般小型啤酒厂，采用单个贮酒罐满足每日装酒,产量，而大中型啤酒厂则要数个贮洒罐才能满足,要求。,（二）新型啤酒发酵设备,?,1.,圆筒体锥底发酵耀,?,圆简体锥底立式发酵罐,(,简称锥形罐,),，已广,泛用于上面或下面发酵啤酒生产。,?,锥形罐可单独用于前发酵或后发酵，还可以将,前、后发酵合并在该罐进行,(,一罐法,),。,

24、?,这种设备的优点：在于能缩短发酵时间，而且,具有生产上的灵活性，故能适合于生产各种类,型啤酒的要求。,设备特点,?,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。冷媒多采用乙二醇或酒精溶液，也可使用,氨,(,直接蒸发,),作冷媒；,?,CO,2,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。,?,优点：,?,（,1,）是能耗低，采用的管径小，生产费,用可以降

25、低。,?,（,2,）最终沉积在锥底的酵母，可打开锥,底阀门，把酵母排出罐外，部分酵母留,作下次待用。,影响发酵设备造价的因素,?,发酵设备大小、形式、操作压力及所需,的冷却工作负荷。,?,容器的形式主要指其单位容积所需的表,面积，以,m,2,/100L,表示，这是影响造价的,主要因素。,大型发酵罐的设计,?,罐的耐压要求,?,热交换,?,内部清洗,?,罐的耐压要求,?,考虑,CO,2,的回收。就必须使罐内的,CO,2,维持一定的,压力，所以大罐就成为一个耐压罐，就有必要设立,安全阀。,?,罐的工作压力根据其不同的发酵工艺而有所不同。,若作为前酵和贮酒两用，就应以贮洒时,CO,2,含量为,依据，

26、所需的耐压程度要稍高于单用于前酵的罐。,?,根据英国设计法则,Bs5500(1976),的规定：如大罐的,工作压力为,x,磅平方英寸，则设计时用的罐压力,是,x(1,十,10,),。,?,当压力达到罐的设计压力时，安全阀应开始开启。,安全阀最大的工作压力是设计压力加,10,罐内真空,?,罐内真空主要是系列的发酵罐在密闭条件下转,罐或进行内部清洗时造成的。,?,大型发酵罐放料的速度很快造成一定的负压。,?,罐内留存一部分,CO,2,气体，在进行清洗时，,CO,2,有被除去的可能，所以也可能造成真空。,?,大型真空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

27、平衡。,?,罐内,CO,2,的除去量可根据进入的清洗液的碱含,量算出，并进一步计算出需要进入罐内的空气,量。,罐内的对流与热交换,?,发酵罐中发酵液的对流主要依靠其中,CO,2,的作,用。在整个锥形罐的发酵液中形成一个,CO,2,含,量的梯度。,?,比重较小的发酵液具有上浮的提升力。而且在,发酵时上升的二氧化碳气泡对周围的液体具有,一种拖曳力,?,由于拖曳力和提升力结合后所造成的气体搅拌,作用，使罐的内容物得到循环，促进了发酵液,的混合相热交换。,?,冷却操作时啤酒温度的变化也会引起罐的内容,物的对流循环。,2.,联合罐,?,是一种具有较浅锥底的大直径,(,高径比为,1,：,1,1,3),发酵

28、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罐。,?,结构：主体是一圆柱体，是由,7,层,1.2m,宽的钢,板组成。总的表面积是,378m,3,，总体积,765m,3,。,?,联合罐是由带人孔的薄壳垂直圆柱体、拱形顶,及有足够斜度以除去酵母的锥底所组成。,?,锥底的形式可与浸麦槽的锥底相似。,?,联合罐的基础是一钢筋混凝土圆柱体，其外壁,约,3m,高，,20cm,厚。,?,基础圆柱体壁上部的形状是按照罐底的斜度来,确定的。有,30,个铁锚均匀地分埋入圆

29、柱体壁中，,并与罐焊接。圆柱体与罐底之间填入坚固结实,的水泥沙浆，在填充料与罐底之间留,25.4cm,厚,的空心层以绝缘。,3.,朝日罐,?,前发酵和后发酵合一的室外大型发酵罐,?,朝日罐是用,4,6mm,的不绣钢板制成的斜底圆,柱型发酵罐。,?,其高度与直径比为,1:1-2:1,?,外部设有冷却夹套，冷却夹套包围罐身与罐底。,外面用泡沫塑料保温,?,内部设有带转轴的可动排油管，用来排出酒液，,并有保持酒液中,CO,2,含量均一的作用。,朝日罐特点,?,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

30、用循环泵把发酵液抽出又送回去。,?,优点：,?,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,酵浓接触时间，促进发酵液中乙醛和双乙酰的,还原，减少其含量。,啤酒循环的操作,?,啤酒循环的目的是为了回收酵母，降低酒温，,控制下酒醉母浓度和排除啤酒中的生味物质。,?,（,1,）第一次循环是在主发酵完毕的第,8,天，发,酵液由离心机分离酵母后经薄板换热器降温返,回发酵耀，循环时间为,7h,。,?,（,2,）待后酵到,4h,时进行第二次循环，使酵母,浓度

31、进一步降低，循环时间为,4-12h,。,?,如果要求缩短成熟期，可缩短循环时间。当第,二次循环时酵母由于搅动的关系，发酵液中酵,母浓度可能回升，这有利于双乙酰的还原和生,味物质的排除。,?,（,3,）若双乙酰含量高，或生味物质较显著，,可在第,10,天进行第三次循环操作。,?,利用朝日罐进行一罐法生产啤酒的优点,是：,?,可加速啤酒的成熟,?,后酵时罐的装量可达,96,，提高了设备,利用率,?,减少了排除酵母时发酵液的损失,?,缺点是动力消耗较大。,（三）,CIP,清洗系统,?,啤酒发酵罐的容量正在逐步增大，这类,发酵罐大部分安装在室外，原来的清洗,方法已不适用，必须采用自动化的喷洗,装置。,

32、?,采用较多的是,CIP,清洗系统。,?,所谓,CIP,系统，是,clean,in,place,的简称，,意即内部清洗系统。,?,由于大罐建在室外，所以连接的管道要长而且,主管的管径必然要大，,一般为,150mm,。,?,如果在大罐中加澄清剂，会在罐底形成沉渣层，,故在罐的出料处设一沉渣阻挡器,?,同时为了能放尽罐底的存液，出料处应是一双,重出口。,?,沉于罐底的沉渣固形物具有一定的经济价值，,应该回收，所以在洗罐时要尽可能少用水冲出,沉渣，以免稀释。,?,啤酒进出站是供嫩啤酒,(,麦汁,),进入管、啤酒输,出管及清洗液返回管之间的联结，它位于,?,罐出口底下，可用,U,形管在啤酒进出管与清洗

33、,液返回管之间进行任意联结。,?,通气管的出口应在低于罐出口的位置，由橡皮,管与清洗液返回管线相联结。,?,CIF,循环单位设在酒库内，包括微型开关,(,控制,清洗液的进出,),、控制盘、,CIP,供应泵、污水泵、,水箱。,?,控制盘通过仪表来控制清洗液的温度、,水位及罐的充满与放空等程序。,?,清洗液进出阀和通气管上的通气阀的控,制与,CIP,系统的控制装置是有关系的，所,以可在清洗操作开始前先将通气阀开启。,?,清洗液返回管线的位置是在通气管末端,之下，这样可以在,CIP,清洗操作时保证通,气管也能得到有效的清洗。,?,通气阀位置应在罐内的清洗液的液位之,上，可防止清洗后由于罐的冷却而造成

34、,真空，因为它可以无阻地补入空气。,?,通气管下部还具有压力调节阀。,?,CIP,消洗工作程序是自动控制进行的，从,控制盘上可以通过仪表记求下温度、压,力及时间等参数。,清洗程序,?,(1),预冲洗：在罐底的沉渣放了一半之后进行，,每次预冲洗的时间为,30,秒，进行,10,次，是通过,回转喷嘴进行的，每次冲洗之后要有,30,秒的排,?,泄时间，主要排去底部的沉渣。,?,(2),在箱底被冲干净后，用足量的水充入,CIP,的,供应及返回管线，改变系统进行碱预洗，自动,地将清洗剂加入供水中，使清洗剂成为一种氯,化,了,的,碱,性,洗,涤,剂,，,其,总,碱,度,在,3000,一,3300ppm,之间

35、，用这种碱液循环,16,分钟。在此,期间,CIP,供应泵吸引端注入蒸汽，使清洗液温,度维持在,32,左右。,?,(3),中间冲洗：用,CIP,循环单位的水罐来的,清水进行,4,分钟冲洗。,?,(4),从气动器来的空气流入罐顶的固定喷,头，然后进行三次清水的喷冲，每次,30,秒，从罐顶沿罐的四周冲洗下来。,?,(5),进,行,碱,喷,冲,：,用,总,碱,度,为,3500-,4000ppm,的氯化了的碱液进行喷冲，碱液,的温度为,32,左右，喷冲循环,15,分钟。,?,(6),用清水冲洗，将残留于罐表面及管线,中的碱液冲洗干净。,?,(7),最后用酸性水冲洗循环，以中和残留,的碱性，放走洗水，使罐

36、保持弱酸状况。,至此完成了全部清洗过程。,?,进行大型增清洗工作的关键设备是喷嘴,?,(1),固定喷嘴，位于罐的上部,;,?,(2),回转喷嘴，位于罐的下部。,啤酒的连续发酵罐种类,?,1,两个搅拌罐和一个酵母分离罐串联起来，加,入酒花的麦芽汁流加入第一个搅拌罐，经发酵后，,成熟啤酒从分离罐中流出。这种流程已达到日产,100m,2,的规模。,?,2,由数个高度,6,9m,的塔式发酵罐串联起来，,附加一些酵母分离和啤酒贮藏设备。,?,还有一个由主发酵塔和一个发酵塔组成，发酵周,期,40,、,50,小时，连续发酵两个月，各项经济指标,均优于间歇法。,三、丙酮,丁醇发酵罐,?,生产丙酮、丁醇的发酵罐

37、比酒精发酵罐,高，罐身需承受高压，罐壁较厚，用钢,板制成。顶盖和底部采用球形封头，罐,内表面平整光滑，无内部件，采用表面,喷淋冷却。种子罐采用夹套冷却。,第三节,通风发酵罐,一、机械搅拌发酵罐,?,机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。,?,它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充,分混合促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生,物生长繁殖、发酵所需要的氧气。,发酵罐的基本条件,?,（,1,）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，,氧的利用率较高。,?,（,2,）发酵罐能承受一定的压力。,?,（,3,）要保证发酵液必须的溶解氧。,?,（,4,）发酵罐应具有足够的冷却面积。,?,（,5,）发酵罐内应尽量

38、减少死角，避免藏垢积,污，灭菌能彻底，避免染菌。,?,（,6,）搅拌器的轴封应严密，防病量减少泄漏。,二、发酵罐罐体的,尺寸比例,?,Di=1/3d,?,H0=2Di,?,B=0.1D,ha=0.25D,?,S=3Di,?,C=Di,发酵罐,三、发酵罐的结构,?,1,、,罐体,?,2,、,搅拌器和挡板,?,3,、,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,三、发酵罐的结构,?,罐体,：由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，,材料为碳钢或不锈钢，对于大型发酵罐可用衬,不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢,板厚为,2

39、-3,毫米。,?,为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消,或实消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力,为,2.5,公斤,/,厘米,2,（绝对压力）。,搅拌器,?,搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种,?,其作用是打碎气泡，使氧溶解于醪液中，从搅,拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗,也最大，弯叶次之，箭叶最小。,?,为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用,螺栓联成整体。,通用发酵罐的搅拌桨类型,?,（,1,）通用发酵罐的搅拌桨最广泛使用的是平,叶涡轮搅拌桨，国内采用的大多数是六平叶式，,其各部分尺寸比例已规范化。,这种搅拌桨具有很大的循环液体输送量，,功率消耗大。因此特别适用于丝状菌发酵。

40、,?,（,2,）船用螺旋搅拌器，它具有比涡轮桨更为,强烈的轴向流动，但是氧传递效率低。,?,（,3,）振动混合器，尽管可以提供较高的氧传递,效率，但剪切力较低。,?,（,4,）多棒搅拌桨，已用于粘稠的丝状链霉菌发,酵的发酵罐中。这种搅拌桨具有较好的剪切分散,能力和较低的功率消耗，在整个发酵过程中功率,变化相对涡轮桨要小的多。,?,（,5,）气体导入式搅拌器，是由一个空心的搅拌,桨组成，安装在空心的搅拌轴上。搅拌桨上至少,有一个暴露在液体中的开口。由于搅拌桨转动，,开口处的压力随之减少，使导入的气体沿着搅拌,轴向下流动。它适应于低粘度的发酵液。,?,消泡装量,?,消泡方式有两种：一是加入化学消泡

41、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；,?,第二种方式，即机械消泡。机械消泡装置主要有,四种。,?,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。,?,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。,?,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。,?,第四种是刮板式消泡器，它安装于发酵罐的排,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,1000,1450,rpm,，泡沫迅速被,打碎

42、，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。,挡,板,?,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。,?,通常挡板宽度取（,0.1-0.12,）,D,，装设,4-6,块即,可满足全挡板条件。,?,所谓“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。要达到全挡板,条件必须满足下式要求：,?,D,罐的直径（,mm,）,?,Z,挡板数,?,W,挡板宽度（,mm,）,?,竖立的列管，排管，也可以起挡板作用，故一,般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡板。,?,（但冷却管为盘管时，则应设挡板。）挡板的,长度自液面起到罐底为止

43、。,?,挡板与罐壁之间的距离为（,1/51/9,）,W,，避免,形成死角，防止物料与菌体堆积,。,联轴器及轴承,?,大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用,联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。,?,常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小型的发,酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂,直，中心线对正。,?,为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内装有底,轴承，而大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和,中间轴承的水平位置应能适当调节。,?,罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑,料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。,?,轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的,0.4-0.7%,，以,适应温度差的变化。,?,罐内轴

44、承接触处的轴颈极易磨损，尤其是底轴,承处的磨损更为严重，可以在与轴承接触处的,轴上增加一个轴套，用紧固螺钉与轴固定，这,样仅磨损轴套而轴不会磨损，检修时只要更换,轴套就可以了。,变速装置,?,试验罐采用无级变速装置，发酵罐常用的变速,装置有三角皮带伸展动，圆柱或螺旋圆锥齿轮,减速装置，其中以三角皮带变速传动效率较高，,但加工，安装精度要求高。,?,采用变极电动机作阶段变速，即在需氧高峰时,采用高转速，而在不需较高溶解氧的阶段适当,降低转速。这样，发酵产率并不降低，而动力,消耗则有所节约。,?,自动化程度较高的发酵罐，采用可控硅变频装,置，根据溶氧测定仪连续测定发酵液中溶解氧,浓度的情况，并按照

45、微生物生长需要的耗氧及,发酵情况，随时自动变更转速，这种装置进一,步节约了动力消耗，并可相应提高发酵产率，,但其装置颇为复杂,。,空气分布装置,?,空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气,均匀分布。,?,分布装置的形式有单管及环形管等。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,40mm,，并且空气分,散效果较好。,?,若距离过大，空气分散效果较差。该距离可根据,溶氧情况适当调整，空气由分布管喷出上升时，,被搅拌器打碎成小气泡，并与醪液充分混合，增,加了气液传质效果。,?,通常通风管的空气流速取,20,米,/,秒。为了防止吹,管吹入的空气直接喷击罐底，

46、加速罐底腐蚀，,在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。,可延长罐底寿命。,?,通风量在,0.020.5ml/sec,时，气泡的直径与空气,喷口直径的,1/3,次方成正比。也就是说，喷口直,径越小，气泡直径也越小。因而氧的传质系数,也越大。但是生产实际的通风量均超过上述范,围，因此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口,直径无关。,轴,封,?,轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加,以密封，防止泄露和污染杂菌。常用的轴封有,填料函轴封和端面轴封两种。,?,填料函轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料,压盖和压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密,封的效果。,?,安装在旋转轴与设备之间的部件，它的作用是,

47、阻止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设,备之处泄漏,冷却装置,?,5M3,以下发酵罐一般采用夹套冷却。大型发酵,罐采用列管冷却（四至八组）。带夹套的发酵,罐罐体壁厚要按外压计算,即,3.5Kg/,厘米,2,（绝,对压力）,?,夹套内设置螺旋片导板，来增加换热效果，同,时对罐身起加强作用。冷却列管极易腐蚀或磨,损穿孔，最好用不锈钢制造。,发酵罐装料容积,?,发酵罐装料容积：在一般情况下，装料高度取,罐圆柱部分高度，但须根据具体情况而定。采,用有效的机械消涣装置，可以提高罐的装料量。,搅拌器轴功率的计算,?,1,、求搅拌雷诺准数,?,2,、在不通气条件下一只圆盘弯叶涡轮搅拌器,的输入搅拌功率,?

48、,3,、在不通气条件下两只圆盘弯叶涡轮搅拌器,的输入搅拌功率,?,4,、求通气条件下两只圆盘弯叶涡轮搅拌器的,输入搅拌功率,?,5,、选用电机,标准通用式发酵罐,?,通用式发酵罐是最广泛应用的深层好气培养设,备,。,?,在工业生产中，尤其是制药工业中，使用得最,广泛的就是通用式发酵罐。,?,这种发酵绕既具有机械搅拌装置，又具有压缩,空气分布装置。发酵罐的搅拌轴既可置于发酵,罐的顶部，也可置于其底部，其高径比为,2:1-,6:19,?,有关的重要因素是氧传递效率，功率输入、,混合质量，搅拌桨形式和发酵罐的几何比例等。,自吸式发酵罐,?,它与通用发酵罐的主要区别是：有一个特殊,的搅拌器，搅拌器由转

49、子和定子组成；没有,通气管。,?,具有转子和定子的搅拌器的吸气原理：,浸在发酵液中的转子迅速旋转，液体和空,气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘。这时，,转子中心处形成负压,，转子转速愈大，所造成,的负压也愈大。由于转子的空膛与大气相通，,发酵罐外的空气通过过滤器不断地被吸入，随,即甩向叶轮外缘，再通过异向叶轮使气液均匀,分布甩出。转子的搅拌，又使气液在叶轮周围,形成强烈的混合流，空气泡被粉碎，气液充分,混合。,自吸式发酵罐的搅拌器,回转翼片式自吸搅拌器；,喷射式自吸搅拌器；,具有转子和定子的自吸搅拌器。,气泡塔式发酵罐,?,塔式发酵罐系一直立长圆筒，筒内安装孔板，有的,还在罐内安装搅拌器，罐壁

50、四周装挡板。与分批的,机械搅拌发酵罐类似，有的塔顶横截面扩大，供以,降低流速，截留液体夹带的悬浮物。发酵液和空气,可以并流，也可逆流。,?,罐的特点是：罐身高，高径比为,6,；土霉素等生产,用的设备，高径比达到,7,。由于液位高，空气利用,率高，节省空气约,5,，节省动力约,30,，但底部,存在沉淀现象；温度高时降温较难。,现代发酵罐的大型化给,STF,带来,系列难以克服的困难,?,要大于,1000kW,的机械搅拌；,?,大量的冷却水和排除热量；,?,能量的均匀分布；,?,溶解氧、碳源和其它营养与,pH,控制等,.,带升式发酵罐,?,带升式发酵罐也称为气流搅拌发酵罐，不用机,械搅拌，借通风起到