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1、第七章发酵设备 主讲人 刘萍 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口的坑 发酵罐系统 一个优良的发酵罐
2、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200m3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 1
3、960 1979年 机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80 150m3 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
4、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 溶解二氧化碳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 利用和处理设备等 发酵罐工艺操作条件 1 温度 25 40 2 压力 0 1kg cm3 表压 3 灭菌条件 温度100 140
5、压力0 3kg cm3 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 m3 8 发酵热量 5000 20000kcal m3 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
6、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 3 按容积分类 一般认为5001以下的是实验室发酵罐 500 50001是中试发酵罐 50001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50m3 H Dt 1 2 罐
7、的上 下部都是锥形的 上部有物料口 冷却水口 CO2和气体出口 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 为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精 发酵罐宜采用密闭式 罐顶装有人孔 视镜及二氧化碳回收管
8、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 而且二氧化碳气体一旦末彻底排除 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
9、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120m3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
10、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5分钟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 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
11、 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 一船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量约为418 600J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
12、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 m3 n 24 4 6N 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
13、 由发酵罐的基本结构尺寸 可确定全罐表面积 罐体圆柱部分表面积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 ac 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 近年来 啤酒发酵设备向大型 室外 联
14、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
15、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
16、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
