第五章發酵設備第一節反應器的分類及設計要求一、反應器的分類1、根據生物催化劑的不同分為：細胞反應器、酶催化反應器。2、根據細胞或組織的代謝要求分為：厭氧生物反應器、好氧生物反應器、照光生物反應器、膜生物反應器。3、根據反應器的結構特征分為：罐式、管式、塔式、膜式等。二、反應器設計的目標反應器設計的目標：適合工藝要求，獲得最大的生產效率，獲取高質量、低成本的產品。三、反應器設計要求：1、嚴密的結構2、良好的液體混合性能3、較高的傳質、傳熱性能4、結構簡單、能耗低5、配套和可靠的檢測和控制儀表第二節嫌氣發酵設備

酒精發酵設備一、酒精發酵設備的基本要求滿足酒精酵母生長和代謝的必要工藝條件。（1）將發酵產生的熱量及時移走；（2）有利于發酵液的排出，設備的清洗、維修以及設備制造安裝方便等問題。二、酒精發酵罐的結構1、基本結構酒精發酵罐筒體為圓柱形。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，進料管，按種管，壓力表、各種測量儀表接口管及供觀察清洗和檢修罐體內部的人孔等。罐底裝有排料口和排污口對于大型發酵罐，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接口。1、罐型酒精發酵罐筒體為圓柱形，低蓋和頂蓋均為碟形或錐形。在酒精發酵過程中，為了回收二氧化碳氣體及其所帶出的部分酒精，發酵罐采用密閉式頂有人孔，視鏡及二氧化碳回收管。進料管接種管壓力表和測量儀表接口管等。罐底裝有排料口和排污口罐身上下裝有取樣口和溫度計接中口對于型發酵罐。為了便于維修和清洗，在近罐底裝有人孔。

2.發酵的冷卻裝置

根據發酵的大小不同，酒精發酵罐通常采用以下冷卻裝置：

（1）中小型發酵罐：多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面進行膜狀冷卻；

（2）大型發酵罐：由于罐外壁冷卻面積不能滿足冷卻要求，所以，罐內裝有冷卻蛇管或罐內蛇管和罐外壁噴灑聯合冷卻裝置。

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

3.洗滌裝置

：水力噴射洗滌裝置。

二.酒精發酵罐的計算

（一）發酵罐結構尺寸

發酵罐全體積：

式中V—發酵罐的代表容積

V0—進入發酵罐的發酵液量

—裝液系數，一般取=0.85~0.90

帶有錐形底、蓋的圓柱形

發酵罐全容積為：

酒精發酵罐其罐體高度、底、蓋高度和罐徑的尺寸關系可推薦如下：

H=1.1-1.5Dh1=0.1-0.14Dh1=0.05-0.1D根據發酵的全容積V和徑高比等，即可確定發酵罐的結構尺寸。

(二）發酵罐罐數的確定

對于間歇發酵，發酵罐罐數可按下式計算：

N—發酵罐個數（其中一個作備用）（個）n—每24小時內進行加料的發酵罐數目（個）t—一次發酵罐周期所需要時間（小時)

（三）發酵罐冷卻面積計算

式中Q—總的發酵熱（J/h

）

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

）

發酵罐冷卻面積的計算可按傳熱基本方程式來確定，即：

第三節

嫌氣發酵設備

啤酒發酵設備一、啤酒發酵設備的發展：

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自動清洗系統

二、啤酒發酵形式

上面發酵:發酵時酵母上浮,發酵終結很久才部分下沉.下面發酵:發酵時酵母浮游于發酵液中,發酵完后酵母即下沉,酵母可重復使用5-7次.上下面發酵工藝區別主要是發酵溫度的差異: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、啤酒前發酵設備

1、啤酒前發酵設備長、正方形，開口，30m3/個，H小于2m

2、前發酵槽的計算（1）發酵槽數的確定容納一次糖化的麥芽汁時：

N=nt

n—每日糖化次數

t—前發酵所需時間

可容納幾次糖化的麥芽汁時

N=nt/Z

n—每日糖化次數

t—前發酵所需時間

Z—在一個發酵槽內可容納糖化麥芽汁的次數（2）前發酵槽體積的計算發酵槽體積容納一次糖化的麥芽汁時

V=ZV0/φ

V—前發酵槽的全體積

Z—在一個發酵槽內可容納糖化麥芽汁的次數

V0——糖化一次麥汁量

Φ—裝液系數0.8-0.85

（3）前發酵槽冷卻面積的計算(1)計算主發酵期每小時的放熱量Q

(2)計算傳熱系數K(3)傳熱面積

四、后發酵罐臥式、立式后發酵階段殘糖繼續發酵，飽和二氧化碳，澄清、成熟后發酵槽的計算后酵槽數目N

N=V/Vs后酵槽全體積

V0=Vs/Φ

（一）

圓

筒

體

錐

底

發

酵

罐

五、新型啤發酵設備C．C．T啤酒發酵設備啤酒發酵罐的結構示意圖C.C.T冷卻面積分布

1、主要結構

(1）根據設定的壓力來自動控制允許無菌空氣進入罐內，CO2氣體排出罐外，維持設定的壓力。

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

H/D大：單位容積的表面積大，耗鋼材多自然對流：促進發酵，利于傳熱。自然對流原因:冷卻形成、二氧化碳的作用2、設計因素

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傳統的啤酒發酵設備是由分別設在發酵間的發酵池和貯酒間內的貯酒罐組成的。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．簡稱露天錐形發酵罐。C．C．T發酵最大特點在于大型化，容積從100~600m3(國內也有60m3小型的)。外簡體蝶形或拱形蓋，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。對單釀罐一般是D：H＝1：1~2。對兩罐法的發酵罐D：H＝1：3~4，對兩罐法的貯酒罐D：H＝1：1~2，也有采用直徑為3~4m的臥式圓簡體罐作貯酒罐。增加H有利于加速發酵，降低H有利于啤酒的自然澄清。3、圓筒體錐底發酵罐發酵的優點（1）加速發酵C．C．T發酵和傳統發酵相比，由于發酵基質(麥汁)和酵母對流獲得強化，可加速發酵。

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

在C．C．T發酵技術中，主發酵結束不排酵母，全部酵母參于后發酵中VDK的還原，特別是凝聚性差的酵母，發酵液有高濃度酵母參于VDK還原，大大縮短了還原時間。發酵溫控自由，可以靈活采用各種溫度(大多較高溫度)下VDK的還原，更可以縮短后發酵周期。傳統發酵釀造周期，低溫發酵需50d以上，快速發酵需25~30d，而C．C．T發酵如單釀罐發酵，釀造周期一般為16~22d，如兩罐法發酵一般20~30d，即釀造周期可縮短1/3~1/2倍。可大幅度減少罐數，節省投資。（2）廠房投資節省傳統發酵必須在有絕熱層的冷藏庫內發酵和貯酒。C．C．T發酵可以大部分或全部在戶外，而且罐數、罐總容積減少，廠房投資節省。（3）冷耗節省C．C．T發酵冷卻是直接冷卻發酵罐和酒液，而且冷卻介質在強制循環下，傳熱系數高。傳統發酵和貯酒，冷量多消耗在冷卻廠房、空氣、操作人員和機器(如泵、電動機)、發酵罐支座等。根據計算和測定，C．C．T發酵比傳統可節省40%~55%冷耗。（4）發酵罐清洗、消毒傳統發酵罐和貯酒罐基本上依賴人工清洗和消毒，根本無法實現自動化程序化。C．C．T發酵可依賴CIP自動程序清洗消毒，工藝衛生更易得到保證。當然C．C．T發酵也有弱點。由于罐體比較高，酵母沉降層厚度大，酵母泥使用代數一般比傳統低(只能使用5~6代)；貯酒時，澄清比較困難(特別在使用非凝聚性酵母)，過濾必須強化；若采用單釀發酵，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。六其他啤酒發酵罐

1、聯合罐（P70）

為淺錐底大直徑，H/D為1-2：1，造價低，用氨直接蒸發來冷卻，只在罐的上部做了一段米勒冷卻板，可在24小時內發酵溫度由15℃下降至5℃，屬小面積大流量冷卻方式。

用途：與發酵罐相同，既用于前后發酵，也能用于多罐法及一罐法生產。主體：是一個圓柱體。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：可用機械攪拌，也可以通過對罐體的精心設計達到同樣的攪拌作用。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：離心機回收酵母，用薄板換熱器冷卻，用泵將發酵液抽出冷卻后又送回罐內，也起攪拌作用,可加速啤酒的成熟,發酵時罐的裝量達９６％，提高設備利用率。

七、CIP清洗系統

第四節通風發酵罐（一）機械攪拌通風發酵罐四十年代中期，青霉素的工業化生產，或深層通風培養技術的出現，標志近代通風發酵工業的開始。在深層通風培養技術中，發酵罐是關鍵設備。在發酵罐中，微生物在適當的環境中進行生長、新陳代謝和形成發酵產物

機械攪拌通風發酵罐是發酵工廠最常用類型。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發酵液充分混合，促使氧在發酵液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發酵所需要的氧氣。1、機械攪拌通風發酵罐的基本要求一個性能優良的機械攪拌通風發酵罐必須滿足以下基本要求：（1）發酵罐應具有適宜的徑高比；發酵罐的高度與直徑之比一般為1.7~4倍左右，罐身越長，氧的利用率較高（2）發酵罐能承受一定壓力；（3）發酵罐的攪拌通風裝置能使氣液充分混合，保證發酵液必須的溶解氧；（4）發酵罐應具有足夠的冷卻面積；（5）發酵罐內應盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌；（6）攪拌器的軸封應嚴密，盡量減少泄漏.2、常用的機械通風發酵罐各部分的比例尺寸

（二）氣升式發酵罐機械攪拌通風發酵罐其通風原理是罐內通風，靠機械攪拌作用使氣泡分割細碎，與培養基充分混合，密切接觸，以提高氧的吸收系數；設備構造比較復雜，動能消耗較太。采用氣升式發酵罐可以克服上述的缺點。1、氣升式發酵罐的特點（1）結構簡單，冷卻面積小；（2）無攪拌傳動設備，節省動力約50%，節省鋼材；（3）操作時無噪音；（4）料液裝料系數達80~90％，而不須加消泡劑；（5）維修、操作及清洗簡便，減少雜菌感染。但氣升式發酵罐還不能代替好氣量較小的發酵罐，對于粘度較大的發酵液溶氧系數較低。

氣升式發酵罐的結構示意圖

（三）自吸式發酵罐自吸式發酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自動吸入空氣的發酵罐。這種設備的耗電量小，能保證發酵所需的空氣，并能使氣液分離細小，均勻地接觸，吸入空氣中70~80%的氧被利用。采用了不同型式、容積的自吸式發酵罐生產葡萄糖酸鈣、利福霉素、維生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成績。自吸式發酵罐的結構示意圖自吸式發酵罐的優點：（1）節約空氣凈化系統中的空氣壓縮機、冷卻器、油水分離器、空氣貯聰、總過濾器等設備，減少廠房占地面積。（2）減少工廠發酵設備投資約30％左右，例如應用自吸式發酵罐生產酵母，容積酵母的產量可高達30~50克。（3）設備便于自動化、連續化，降低勞動強度，減少勞動力。（4）酵母發酵周期短，發酵液中酵母濃度高，分離酵母后的廢液量少。（5）設備結構簡單，溶氧效果高，操作方便。

第五節連續發酵

間歇發酵：微生物在一個罐內完成4個階段的培養過程。

連續發酵：在發酵罐內不斷流加培養液，又不斷排出發酵液，使發酵罐中的微生物一直維持在生長加速期。同時又降低代謝產物的積累，這樣就縮短了發酵周期，提高了設備利用率。

連續發酵特點

是微生物在整個發酵過程中始終維持在穩定狀態，細胞處于均質狀態。在此前提下，可用數學方式和實驗公式來表達連續發酵在穩定狀態條件下，微生物生長速度，代謝產物，底物濃度和流加速度之間關系。

一、

連續發酵時間的確定

二、連續發酵理論罐數的確定

1、最低罐數限定產物積累、菌體生長、條件一致，用單罐產物積累、菌體生長、條件分為兩個階段，用雙罐發酵過程分多個階段、各階段條件不同，用多罐

(2)從第一罐開始通過原點作物料平衡線，斜率為q/V，和曲線相交于A點，A點的橫座標X1，即為第一個發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

，罐數為n個。

若發酵最終產物不是菌體而是代謝產品，用產物濃度P代X，同樣可作圖解。

2、用圖解法確定連續發酵理論罐數三、連續發酵流程（一）

酒精連續發酵流程

(1)

操作開始：糖液及酵母同時加入1-3罐至滿，停止加酵母，繼續加糖液，開底部閥使發酵液流入4號，4號流入5號，至9號結束，周期32小時，10、11號為貯存計量罐，輪用。(2)操作結束：換罐（換種），停止流加糖液，關1號二氧化碳閥，泵轉入2號，1號消毒并加新種新料重新開始，1號滿時