第五章第五章 厌氧发酵设备厌氧发酵设备 发酵设备是生物工厂中最主要的设备，发酵设备必须具有适宜微生物生长和形成产物的各种条件，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高产量。因此发酵设备必须具备微生物生长的基本条件。例如：需要维持合适的培养温度，要求有不同程度的无菌度，结构应尽可能简单，便于灭菌和清洗。由于微生物主要分嫌气和好气两大类，故发酵设备也分为两大类：嫌气发酵设备和通风发酵设备。嫌气发酵设备常用于酒精、啤酒、丙酮、丁醇等嫌气发酵产品的生产。其特点是在发酵过程中不需通入氧气或空气，有时需通入二氧化碳或氮气等惰性气体以保持罐内正压，防止染菌。酒精发酵罐和啤酒发酵罐是最常见的嫌气发酵设备，本章以其为例重点介绍。第一节 酒精发酵罐一、酒精发酵罐的结构及操作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，目前大多数工厂都采用密闭式发酵罐。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。密闭式酒精发酵罐的缺点是结构较复杂、造价较贵。酒精发酵罐罐身为圆柱形，罐顶和罐底均为锥形或碟形。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。为了便于维修和清洗，对于大型酒精发酵罐。往往在近罐底也设有人孔。酒精发酵罐的结构酒精发酵罐的结构发酵罐的冷却装置，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。此外，也有采用罐外列管式喷淋冷却的方法。酒精发酵罐工作时，罐内不同高度的发酵液中二氧化碳含量有所不同，发酵液中形成一个二氧化碳含量的浓度梯度。一般罐底液层气泡密集程度较高，发酵液相对密度小。罐上部液层二氧化碳气泡密集程度较低，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，拖曳力和液体上浮的提升力相结合则构成气体搅拌作用，使罐内发酵液不断循环混合和热交换。因此，酒精发酵罐一般不配置机械搅拌器。但当发酵罐容量较大，罐内产生的二氧化碳气量较少时可配置侧向搅拌器。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。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。它是借喷水管两端喷嘴以一定的喷出速度喷射时形成的反作用力，使喷水管自动旋转，在旋转过程中，喷水管内的洗涤水由喷水孔均匀喷洒在罐壁、罐顶和罐底上，从而达到水力洗涤的目的。水力喷射洗涤装置2、酒精发酵罐的尺寸3、酒精发酵罐的操作（1）操作注意事项进料前，要对设备、管道、管件彻底灭菌。接种时，严格按照无菌操作的规程操作，以免带入杂菌。 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，避免延长发酵周期、菌种衰老或降低产品得率。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。 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。对于间歇发酵，发酵结束出罐后，对发酵罐彻底灭菌。（2）酒精异常发酵及产生原因和处理方法酸度增高，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。糖化剂或酵母染菌；发酵温度偏高。预防和处理方法：注意发酵罐、管道、阀门、泵等的清洗和灭菌；消除死角；保证糖化剂和酵母质量；控制发酵温度。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。二、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。二、酒精连续发酵设备尽管连续发酵具有上述优点，但在实际生产中,连续发酵仍未能全部代替间歇发酵，原因是：长期连续发酵生产中，遇到了微生物的突变和杂菌污染问题，出现了发酵液在连续流动过程中的不均匀性和丝状菌在管道中的流动困难，以及对微生物动态方面的活动规律还缺乏足够的认识等。酒精连续发酵的方式是从最初的单罐连续发酵发展到多罐的串联连续发酵。目前，我国的糖蜜原料制酒精及淀粉质原料制酒精的连续发酵生产是采用多罐串联连续发酵。二、酒精连续发酵设备1、糖蜜原料制酒精的连续发酵设备该流程由9个发酵罐组成，酵母和糖蜜同时连续流加入1号罐内，并依次流经各罐，最后从9号罐排出。除了在酒母槽通入空气之外，在1号罐内也同样通入适量的空气，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，则储存于每罐的发酵液，先从末罐按逆向顺序依次排出，入蒸馏塔蒸馏。而空罐则依次进行清洗灭菌待用。二氧化碳则由各罐罐顶排入总汇集罐，再送往二氧化碳车间，进行综合利用。糖蜜原料制酒精的连续发酵设备糖蜜原料制酒精的连续发酵设备按目前的流程装置和工艺条件，连续发酵周期可达20d左右，甚至更长。发酵过程中，如发酵液中维持酵母数在（0.6-1）亿个Ml,发酵只需32h，发酵液中酒精含量可达9%-10%,发酵率约为85%，二、酒精连续发酵设备2、淀粉质原料制酒精的连续发酵设备该流程由11个发酵罐组成，借连通管将各互相连接，糖化醪和液曲混合液同时连续平行流入前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。各发酵罐都是密闭的，各罐底均有和总排污管相连接的排污支管，该管和蒸汽管相通，以便消毒和杀菌。为尽可能减少染菌的概率，发酵罐和管道、管件以及阀门等都必须严格地进行消毒和杀菌。连续发酵系统中，冷却装置面积满足酵母对数生长期的降温，维持恒定的发酵温度。第二节 啤酒发酵罐近年来，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1500m3。大型化的目的是：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。啤酒发酵容器的变迁过程，大概可分为三个方面：一是发酵容器材料的变化；二是开放式发酵容器向密闭式转换。三是密闭容器的演变。容器的材料由陶器向木材、水泥、金属材料演变。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。小规模生产时一般用开放式，上面没有盖子，对发酵的管理、泡沫形态的观察和发酵液浓度的测定等比较方便。随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器已开始大型化，并为密闭式。密闭式最大问题是发酵时被气泡带到表面的泡盖的处理，开放发酵便于撇取，密闭容器人孔较小，难以撇取，可用吸取法分离泡盖。对于密闭容器，原来是在开放式长方形容器上面加穹形盖子的密闭发酵罐槽，后过渡到用钢板、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。这种罐是20世纪初期瑞士的奈坦（Nathan）发明的所以又称奈坦式发酵罐。常见的大容量发酵罐有圆筒体锥底发酵罐、联合罐、朝日罐和塔式发酵罐等。一、圆筒体锥底发酵罐1、特点（1）优点锥底罐是密闭罐，既可做发酵罐，又可做储酒罐。也可用二氧化碳洗涤，除去生青气味，促进啤酒的成熟。同时，由于可采取加压、升温的操作，生产灵活性大，可以缩短发酵周期。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，也可置于室外以节约冷库面积，降低投资费用。有自动清洗设备，染菌机会少，有利于无菌操作。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，在加压密闭条件下，二氧化碳溶解较好，啤酒的泡沫较好，泡持性有所改善。易于实现自动化。（2）缺点及改进措施酒液澄清慢，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。解决办法是采用高速离心机分离酵母。主发酵时产生大量泡沫，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。使用菌种与高泡的产生也有关系，特别是菌种使用的前几代，因发酵力强，甚至降低麦芽汁含氧量也难以克服高泡问题，此时应适当减少酵母添加量或采取加压发酵以控制高泡。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。改进措施是：尽量控制罐的高度，以缩小浓度差，也可在罐的中部装设出酒口，以改善酒的质量。2、结构锥底罐用不锈钢板制成，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，为了强化传热，夹套可采用螺旋管带或带形蛇管。罐中、下部还装有取样和温度计接管。罐底可装有净化的二氧化碳充气管。2、结构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：(26)均可取得良好的发酵效果,但一般罐体不宜过高,特别在未设酵母离心机的情况下更不宜过高，不然，酵母沉降困难，影响过滤。按国内目前设备情况，控制直径与圆筒高度之比在D:H=1：(24)是恰当的。锥底角度一般采用60-85以有利于酵母的排除。容量通常根据糖化麦芽汁产量的总体积，再加20%容量体积做发酵时泡沫空间，一般是12-15h充满一罐。容量扩大10倍，建造费用只增加4-5倍。清洗系统大型发酵罐和储酒设备的机械洗涤，现在多使用自动清洗系统，简称CIP系统（clean in place），系统设有碱液罐、热水罐、甲醛溶液罐和循环用的管道和泵。洗涤剂可以反复使用，浓度不足时可以调整。使用时先将50-80热碱液（3-5%NaOH），用泵经管道送往发酵罐，储酒罐中的高压旋转不锈钢喷头，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。洗涤后碱液流回储槽，每次循环时间应不少于5min，而后再分别用泵送热水、清水、甲醛液、按工艺要求交替清洗二、联合罐联合罐，又称通用罐。在发酵生产上的用途与锥形罐相同，既可做发酵罐，又可做储酒罐，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。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，因其表面积与容量之比较小，罐的造价较低。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。由于冷却夹套在中上部，上部酒液冷却后，密度增加，沿罐壁下降，底部酒液从罐中心上升，形成对流，使罐内温度均匀。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，酒液运动使底部出口处的酵母浓度增加，便于回收。三、朝日罐朝日罐又称朝日单一酿槽，它是1972年日本朝日啤酒公司试制成功的前发酵和后发酵合一的室外大型发酵罐，解决了沉淀困难，缩短了储藏啤酒的成熟期。（1）优点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。 利用酵母离心机分离酵母，可以解决酵母沉淀慢的缺点。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，排除啤酒中的生味物质，加速啤酒的后熟。（2）缺点：动力消耗大，冷耗稍多。四、啤酒连续发酵设备啤酒的连续发酵是20世纪初开始研究，20世纪50年代逐渐发展成工业化的一种快速发酵方法。特点是采用较高的温度，保持旺盛的酵母层，麦汁发酵周期短。已投入生产使用的连续发酵方法有塔式连续发酵和多罐式连续发酵。啤酒酵母的絮凝性能及沉淀能力是影响发酵的两个重要因素，进行塔式连续发酵需要采用高絮凝性的酵母，使用固定化啤酒酵母进行连续发酵的研究效果较好，前景乐观。1. 多罐式啤酒连续发酵多罐式啤酒连续发酵有三罐式、四罐式连续发酵流程。三罐式流程是将经过杀菌、冷却的麦芽汁，通过柱式供氧器充氧，流向两个带有搅拌器发酵罐5中!加入酵母，搅拌均匀，保持21发酵1013h，当麦芽糖消耗2/3时，经发酵罐5发酵的啤酒和酵母混合液，借液位差溢流入发酵罐6中，24 保温发酵，最后流入酵母分离罐7，在罐内被冷却到5，自然沉降的酵母从罐底部排出，二氧化碳从罐上部排出，成熟啤酒从侧管溢流到储酒罐中储存，成熟后过滤灌装。这种连续发酵流程规模已扩大到每天生产啤酒能力为2585t，在产品质量上、理化指标和传统发酵啤酒没有明显区别，但动力消耗较大。2. 塔式啤酒连续发酵塔式连续发酵罐是英国APV公司20世纪60 年代设计的，又称APV塔式连续发酵罐。塔式连续发酵开始时，先分批加入经处理的无菌麦芽汁，无菌麦芽汁从塔底进入，经塔内多孔板折流，使麦芽汁均匀地分布到塔内各截面。麦芽汁在塔内一边上升，一边发酵，直至满塔为止。培养并使其达到要求的酵母浓度梯度后，用泵连续泵入麦芽汁。必须控制好麦芽汁在塔内的流速，流速低，发酵度高，但产量少。流速过高，溢流的啤酒发酵度不足，并会将酵母带出，使发酵过程受阻。麦芽汁开始流速较慢，1周后，可达全速操作。连续发酵过程中，须经常从塔底通入二氧化碳，以保持酵母柱的疏松度。流出的嫩啤酒，经过酵母分离器后，再经薄板换热器冷却至-1，然后送入储酒罐内，经过充二氧化碳后，储存4d，即可过滤包装出厂。