第三章 发酵与酿造的主要设备
一、原料处理设备
二、固体发酵设备
三、机械搅拌通风发酵罐 (生物反应器 )
四、空气净化系统
五、培养基灭菌系统
六、产物分离与提取设备一、原料处理设备
(一 )原料粉碎设备
在发酵与酿造过程中,为了加速蒸煮,糖化,
发酵的反应速度,对于使用的固体原料,常需将其粉碎 。 使大块固体物料破碎成小块物料的操作,通常称为粉碎,而使小块物料进一步粉碎为粉末状物料,则称为磨碎或研磨 。
在生产过程中,粉碎的效果好坏,不仅直接反映出粉碎操作的合理性和经济性,而且会间接影响到蒸煮,糖化,发酵的效果 。 工厂中,均采用某种形式的机械方法,达到固体物料粉碎的目的 。
粉碎的方法,根据操作作用力的不同可区分为四种,① 挤压； ② 冲击； ③ 磨碎； ④ 劈碎 。 无论是哪一种作用力,假如所施加的外力没有超过物料的弹性强度,则物料产生弹性变形,外力除掉后,
物料恢复到原来情况 。 加入施加的外力稍超过物料的破碎强度,则物料即被粉碎 。 物料表面通常具有不规则的形状,因此外力首先作用在突出点上,产生局部的应力,破碎后应力分散,作用点发生变化 。 粉碎过程是在极短的时间里进行的非常复杂的过程,揭开全部真正的粉碎机理是以后进一步开展的工作 。
选择粉碎物料的方法,必须根据物料的物理性质,大小,粉碎的程度等,应特别注意物料的硬度和破裂性 。 对坚硬和脆性的物料,
挤压和冲击很有效；对韧性物料剪切力作用较好；对方向性物料则以劈碎为宜 。 但不论哪一种粉碎,很少单独使用其中的一种方法,
而是几种方法的组合,使粉碎更加有效 。
1.锤式粉碎机 锤式粉碎机是利用快速旋转的锤刀对物料进行冲击粉碎,广泛用于各种中等硬度物料的中碎与细碎作业 。 由于各种脆性物料的抗冲击性较差 。 因此,这种粉碎机特别适用于脆性物料 。
图 3-1锤式粉碎机筛网 2.轴 3.锤刀 4.冲击板 5.机壳
锤式粉碎机如图 3-1,主轴上有钢质圆盘或方盘转子,盘上装有可拆换的锤刀 。 锤刀可以自由摆动 。 当主轴经 800～ 2500r/min在密封的机壳内旋转时,刀片在各个不同的位置上,能够以很大的冲击力将物料粉碎 。 加入到粉碎机中的物料,首先与锯齿形的冲击板撞击,已经被粉碎的物料,通过机壳上的格栅网孔排出 。 未被粉碎的物料,被筛网阻截,再次受锤力冲击粉碎 。 如遇有坚硬不能粉碎的物料,由于锤刀是活动地悬挂在盘上,可以摇动而让开,可避免损伤机器,当然锤刀要受到较大的磨损,甚至损坏筛网 。 如遇有坚硬的物料,可再次或多次冲击粉碎 。 粉碎的物料,连续穿过机内的筛网排出 。 为了避免堵塞,除将筛网孔做成上小下大的锥形孔外,被粉碎的物料含水量不应超过
10%～ 15%。
锤式粉碎机可作粗碎或细碎,这是它的优点 。 此外,
还具有单位产品的能量消耗低,体积紧凑,结构简单,生产能力高等特点 。 它的主要缺点是,当粉碎较坚硬的物料时,锤刀磨损得较快 。
锤刀是锤式粉碎机的主要零件,它的型式尺寸,决定于物料尺寸性质 。 机壳中的筛网有不同的规格,
视被碎物料的性质,种类和粉碎的要求而异 。 筛网的尺寸对产品的颗粒大小及粉碎机生产能力有很大的影响,视不同的要求选用适宜的筛网 。 锤刀与筛网间的径向间隙是可以调节的,一般为 5～ 10mm。
粗筛一般用钢丝构成,或在金属板上钻圆孔,方孔或长方孔 。 细筛除用钢丝外,还可用钢板 。 酒精厂锤式粉碎机筛孔直径,一般为 1.5mm,中心距离为
2.5～ 3.5mm。
2.辊式粉碎机 辊式粉碎机广泛应用于粉碎颗状物料的中碎或细碎的作业,主要工作机件是两个直径相同的圆柱状辊筒,
如图 4-21所示,两个辊筒以相同的圆柱状辊筒,如图 3-2所示 。
图 3-2 二辊式粉碎机
1.弹簧 2.物料 3.滚筒 4.机座
两个辊筒以相反的方向旋转,产生挤压力和剪力将物料粉碎 。 辊筒表面有光面和带波纹的两种,物料从辊筒间的空隙加入 。 两辊筒间的距离称为开度 。
凡物料颗粒小于开度的,可经空隙漏出 。 当要求产品较细时,可提高辊筒表面的圆周速度,达 8～
10r/min,也可使两辊筒间有 15%～ 20%的转速差,
这样可增加粉碎度 。 两个辊筒,有一个辊筒的轴承是固定的,另一个辊筒是可以移动的,这样可调节辊筒的开度 。 另外在可移动的轴承上,还装有弹簧 。
因此,当物料中混有较大块或硬的物料时,弹簧能稍微移动一点,使大块或硬的物料得以通过,以免使辊筒表面受到损伤 。
啤酒厂麦芽粉碎机常使用四辊式,物料经上面第一对辊粉碎后,经一对叶辊的打击,使麦芽皮壳中的粉粒被震出,再经第二对辊粉碎 。
四辊粉碎比两辊粉碎稍有改进 。 但是如图 4-22
的四辊粉碎是不经济的,因为在第一以辊上已经被粉碎的细粉,没有必要再经过第二对辊筒进行再次粉碎 。 这不仅造成动力上的消耗,而且由于有细粉的存在,还妨碍了在第二对辊子的有效操作 。 为此,对四辊粉碎机进行改革 。
目前在实际生产中,常使用五辊粉碎机 。
(二 )原料输送设备
1.气流输送 气流输送是利用强烈的空气流沿管道流动,把悬浮在气流中的物料输送至目的 。 气流输送可用于输送大麦,大米,麦芽等松散物料 。
气流输送的优点是设备简单,占地面积小,输送能力和输送距离可调性大,易于实现自动化 。 它的主要缺点是能耗较大,不适于输送潮湿黏稠的物料 。
根据设备组合情况,气流输送装置可分为真空式和压力式 。 一般来说,当从几个不同的地方向一个卸料点送料时,真空输送系统最适合；而当从一个加料点向几个不同的目的地送料时,压力输送系统较适合 。
2.机械输送 机械输送是靠机械装置来输送物料,其优点在于能耗小,而且可以输送不适于气流输送的大块物料和潮湿物料 。 输送机械主要有带式输送机,斗式提升机,螺旋输送机等 。 其中具体分类及输送能力和功率计算可参考,发酵设备,等资料,带式输送结构比较简单,
下面是常用的斗式提升机进料和卸料图 。
二、固体发酵设备
固体发酵历史悠久,长期以来,白酒的酿造一直采用固体发酵,主要设备有曲盘,帘子,厚层通风制曲设备等 。 厚层通见制曲设备是 20世纪 50年代发展起来的,它是在保持固体发酵优点的基础上加以改进,以适应大规模业生产需要的一种固体培养方法 。
三、机械搅拌通风发酵罐 (生物反应器 )
发酵罐是工业发酵常用设备中最重要、
应用最广泛的设备，是连接原料和产物的桥梁，也是多种学科的交叉点。在发酵罐中，通过产物的合成，廉价的原料升了值，因此可以说发酵罐是发酵工业的心脏。发酵罐的定义是，为一个特定生物化学反应的操作提供良好而满意环境的容器
发酵罐伴随着微生物发酵工业的发展已历经
300年。早在 17世纪，人们已用带有温度计和热交换器的 1500L的木制容器来制备乙醇和酒。
1900— 1940年出现了 200m3的钢质发酵罐，在面包酵母发酵中开始使用空气分布器和机械搅拌装置。 1940— 1960年，第一个大规模工业生产青霉素的工厂于 1944年 1月 30日在美国的 Terr
Haute投资，其发酵罐的体积是 54m3；抗生素工业的兴起引起发酵工业一场变革，机械搅拌、
通风、无菌操作、纯种培养等一系列技术开始完善起来，并出现耐高温在线连续测定的 pH电极和溶氧电极，开始利用计算机进行发酵过程控制。 1960— 1979年机械搅拌通风发酵罐容积增大到 80～ 150m3，由于大规模生产单细胞蛋白的需要而出现了压力循环和压力喷射型发酵罐，计算机开始在发酵工业上得到广泛应用
1979年以后,随着生物工程和技术的迅猛发展,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 。
对发酵罐的严密性,运行可靠性的要求越来越高,发酵的计算机控制和自动化的实际运用已相当普遍 。 pH电极,溶氧电极,溶解二氧化碳电极等在线检测在国外已相当成熟 。
同时现代发酵工业为了获取更大的经济利益,
发酵罐更加趋于大型化：废水处理 2700m3，
单细胞蛋白 1500m3,啤酒 320m3,柠檬酸
200m3,面包酵母 20m3,抗生素 200m3,干酪
20m3,酸乳 10m3。
生物工程，尤其是基因工程的迅速发展，
以及治理环境的迫切需要，使发酵罐的形状、操作原理和方法都发生了较大的变化，就连术语“发酵罐”也常被称之为“生化反应器”。尽管如此，发酵工业上最常用的还是通风搅拌罐、压力循环发酵罐、带超滤膜的发酵罐等。
(一 )发酵罐的类型
各种不同类型的发酵罐都可用于大规模的生化反应过程,它们在设计,制造和操作方面的精密程度,取决于某一产品的生物化学反应过程对发酵罐的要求 。 发酵罐的分类有以下几种：
1.按微生物生长代谢需要分类 这种方法将发酵罐分成好气和厌气两大类。抗生素、酶制剂、
酵母、氨基酸、维生素等产品是好气发酵罐中进行的；丙酮、丁醇、酒精、啤酒、乳酸采用厌气发酵罐。它们的主要差别是由于对无菌空气的需求不同，前者需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的体积氧传递系数 KLα，
后者则不需要通气。
2.按照发酵设备特点分类 可以分为机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐 。 前者包括循环式,如伍式发酵罐,
文氏管发酵罐,文氏管发酵罐以及非循环式的通风发酵罐和自吸式发酵罐 。 后者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,500L以下的实验室发酵罐,500～ 5000L是中试发酵罐,5000L以上是生产规模的发酵罐 。
4.按微生物生长环境分类 发酵罐内存在两种系统,即悬浮生长系统和支持生长系统 。 一般说来,大多数发酵罐都有这两种系统 。 悬浮生长系统中的微生物细胞是浸泡在培养液中且伴随着培养液一起流动；在支持生长系统中,微生物细胞生长在与培养液接触的界面形成一层薄膜,然而实际上悬浮生长系统的容器内壁上和上部的罐壁上也会生长着一层菌体膜,在支持生长系统中也有菌体分散在培养液之中 。
5.按操作方式分类 可分为批发酵和连续发酵,但并不是所有的发酵罐可以同时适用于这两种发酵系统 。 批发酵时,发酵工艺条件随营养液的消耗和产物的形成而变化 。 每批发酵结束,要放罐清洗和重新灭菌,再开始新一轮的发酵 。 批发酵系统是非稳定态的过程 。 连续发酵时,新鲜营养液连续流加入发酵罐内,
同时产物连续地流出发酵罐 。
批发罐的主要优点是污染杂菌的比例小,操作灵活性强,可用来进行几种不同产品的生产 。
其缺点是发酵罐的非生产停留时间所占比重大,
非稳态工艺过程的设计和操作困难 。 连续发酵的主要的优点是可连续运行几个月的时间,非生产时间很短；缺点是容易染菌,它适用于不易染菌的产品如丙酮,丁醇,酒精,啤酒发酵等 。 连续发酵还有以下一些优点：
(1)较高的底物转化系数 。
(2)具有较高的反应体积速率,这是由于它允许在发酵初期有较高的底物浓度,因此最终底物浓度也高 。
(3)不同级数的发酵罐的条件可以不同 (如 pH、
温度,通气量等 ),特别是底物浓度和加料速度可以变化,以获得较高的经济利益 。
6.其他类型 一个新型的超滤发酵罐已开始在未来发酵中崭露头角。在进行时，
成熟的发酵液通过一个超滤膜使产物能透过膜进行提取，酶可以通过管道返回发酵罐继续发酵，新鲜的底物可以源源不断地加入罐内
(二 )通风式发酵罐
1,标准通风式发酵罐 通风式发酵罐是最广泛应用的深层好气培养设备 。 图 4-25表示的是常用的发酵罐各部分的比例尺寸,它常用于面包酵母,抗生素及氨基酸的生产中,有关的重要因素是氧传递效率,功率输入,混合质量,搅拌浆形式和发酵罐的几何比例等 。
发酵罐最重要的几何比例是 D ｉ /Dt,H/Dt,Ds/Di，
Db/Dt,(Di为搅拌浆直径,Dt为罐体直径,H 为罐体高度,Ds为搅拌浆到罐低的距离,Db为挡板的宽度 )；
还有搅拌浆的叶轮直径和各部分的比例。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，共各部分尺寸比例已规范化。
这种搅拌桨具有很大的循环液输送量，功率消耗大，
因此特别适用于丝状菌的发酵，如青霉素发酵等，其最大叶端速度范围是 3～ 8m/s。
2.改良通风式发酵罐 几种改良通风式发酵罐是：
(1)瓦尔德夫发酵罐,它装有一种独特的消泡装置 。
(2)一种带有上下两个分离搅拌器的发酵罐 。 上搅拌采用螺旋桨,用以加强轴向流动；下搅拌采用涡轮桨分散气体,可以提高氧传递效率 。 这种设计方法充分发挥了这两种搅拌桨的各自特长 。
(3)完全填充反应器是一种比通气搅拌罐能更有效地提高氧传递效率的发酵罐 。 它混合时间短,即使对十分黏稠的液体也有同样效果 。 它还消除了罐顶的空间,空气在罐内的滞留时间比通气搅拌罐长 。
改良型通风式发酵虽然有一些改进，但是它的实际应用却远没有通风发酵广泛。
3.搅拌装置 发酵罐的搅拌装置包括机械搅拌和非机械搅拌。通风发酵的搅拌装置包括电动机、传动装置、搅拌轴、轴密封装置和搅拌桨。机械搅拌的目的是迅速分散气泡和混合加入物料。一个搅拌桨要同时达到这两个目的，有时是矛盾的。例如，达到混合功能需要大直径的搅拌器和采用低转速运转，而提高分散气泡效果则需要多叶片、小直径和大的转速。
电动机输入功率决定于搅拌桨形式和其他发酵罐部件 。 发酵罐内常安装 4块挡板以增加混合,传热和传质效率 。 挡板之宽度为发酵罐直径的 10%～ 12%，
挡板越宽则混合效果越好 。 搅拌功率的计算一直作为发酵罐设计和放大的一个重要课题 。 它是指搅拌桨输入发酵液的功率,即搅拌桨在转动时为克服发酵液阻力所作的功率,有时被称为轴功率 。
通气条件下非牛顿流体搅拌功率的计算常用 Michel-
Miller公式
式中：,
———与流体黏度有关的系数；
——通气功率,kW；
——不通气功率,kW； ——搅拌器直径,m；
—— 通气量,L/min。 ——搅拌转速,r/min；
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4.通气 在好气深层发酵罐中,来自无菌空气系统的压缩空气通过空气分布器射入发酵罐内,分布器有单孔管式和多孔管式 。 安装方式各异,一般安装在最下面一档搅拌器的下方,但都要注意防止气孔被发酵液中的菌体或固体颗粒堵塞 。
有的空气分布器带有放水结构,使放罐后没有发酵液残留在管子里 。
通气速度以满足微生物发酵的需要为准,
在使溶氧在临界氧深度之上 。 它决定于系统的设计和操作 。 空气流速的上限速度是空气能有效地被搅拌桨分散,这和搅拌桨形式和转速有关 。
表示非牛顿流体的氧传递的关系式如下 。 是表示发酵罐通气搅拌效率的体积氧传递系数 。
式中,——经验常数,随搅拌器的形式而改变,
一般由实验测定；
——单位体积发酵液实际消耗的功率 (在通气情况下 )；
——空气直线速度,m/h；
——FA发酵液表观黏度,kg.s/m2;
——指数,与搅拌器和空气分布器的形式有关,
一般由实验测定 。
(三 )自吸式发酵罐
自吸式发酵如图 4-26所示,它与通用发酵罐的主要区别是,① 有一个特殊的搅拌器,搅拌器由转子和定子组成； ② 没有通气管 。
自吸式发酵罐的搅拌器有几种：①回转翼片式自吸搅拌器；②喷射式吸搅拌器；③具有转子和定子的自吸搅拌器。
(四 )液提式发酵罐
早期发酵工业曾出现过许多不同类型的发酵罐,
然而近几十年来通气搅拌罐已成为标准型发酵了 。
由于某一发酵产品固定的和可变的成本是随工厂生产规模的增大而减少的,因此现代发酵罐的大型化给通气搅拌罐带来一系列难以克服的困难,这就是：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,碳源和其他营养与 pH控制等 。 由于这些困难的出现,以后就发展起在经济上,工艺上,
生物因素等方面比 STF更先进的新型生化反应器 。 例如英国的 ICI公司采用,压力循环发酵罐,
生产单细胞蛋白,容积达 26000m3,污水处理工厂,发酵罐高 30m,直径 26m。
图 4-27和图 4-28是具有外循环冷却的气升环流发酵罐和 Franckowaik气升环流发酵结构。
(五 )气提式发酵罐
空气压缩机是气提式发酵罐的重要组成部分,
它的效率决定于它的形式,如旋转压缩机
η=80%～ 90%,活塞压缩机 η=74%～ 90%,涡轮压缩机 η=75%～ 80%。
压缩空气通过空气分布器进入液体后,最初形成的气泡是由液体剧烈翻动来分散的,所以气泡分散程度决定于功率消耗速率 。 如果塔式反应器是小的,通气分布器显著影响两相的性质 。
四、空气净化系统
微生物在繁殖和耗氧发酵过程中都需要氧气,通常以空气作为氧源 。 空气中含有各式各样的微生物,
这些微生物随着空气进入培养液,在适宜的条件下,
它们会大量繁殖,消耗大量的营养物质,以及产生各种代谢产物,干扰甚至破坏预定发酵的正常进行,
使发酵产品的效价降低,产量下降,甚至造成发酵彻底失败等严重事故 。 因此,空气的除菌就成为耗氧发酵工程上的一个重要环节 。 除菌的方法很多,
如过滤除菌,热杀菌,静电除菌,辐射杀菌等,但各种方法的除菌效果,设备条件,经济条件各不相同 。 所需的除菌程度根据发酵工艺要求而定,既要达到除菌效果,又要尽量简化除菌流程,以减少设备投资和正常运转的动力消耗 。
空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。
(一 )辐射杀菌
从理论上来说,声能,高能阴极射线,X射线,
γ射线,β射线,紫外线等都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用 。 但具体的杀菌机理研究比较少,
了解得较多的是紫外线,它在波长为 226.5～
328.7mm时杀菌效力最强,通常用于无菌室,
医院手术室等空气对流不大的环境下杀菌 。 但杀菌效率较低,杀菌时间较长,一般要结合甲醛蒸气消毒或苯酚的喷雾等来保证无菌室的无菌程度 。
(二 )热杀菌
热杀菌是有效,可靠的杀菌方法,但是如果采用蒸汽或电热来加热大量的空气,
以达到杀菌目的,则需要消耗大量的能源和增设大量的换热设备,这是十分不经济的 。
利用空气压缩时放出的热量进行杀菌的实用流程如图 4-29所示 。
(三 )静电除尘法
静电除尘法已广泛应用,虽然它的除尘效果不很高,
一般在 85%～ 99%之间,但由于它消耗能量小,使用得当,每处理 1000m3 的空气每小时只需电 0.2 ～
0.8kW。 空气的压头损失小,一般只在 39～ 196Pa，
设备也不大 。 常用于超净工作台,超净工作室所需无菌无尘空气的第一次除尘,配合高效过滤器使用 。
静电除尘是利用静电引力来吸咐带电粒子而达到除菌除尘的目的 。 悬浮于空气中的微生物,微生物孢子大多带有不同的电荷,没有带电荷的微粒在进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒,但对于一些直径很小的微粒,它们所带的电荷很小,当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散运动的动量时,则微粒就不能被吸咐而沉降,
所以静电除尘对很小的微粒较低 。
(四 )过滤除菌法?
过滤除菌是目前发酵工业中经济实用的空气除菌方法,
它是采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微生物,而取得无菌空气,常用的过滤介质有棉花,活性炭或玻璃纤维,有机合成纤维,有机和无机烧结材料等等 。
由于被过滤的气溶胶中微生物的粒子很小,一般只有
0.5～ 2μm,而过滤介质的材料一般孔径都大于微粒直径的几倍到几十倍,因此,过滤机理比较复杂 。 同时,由于空气在压缩过程中带入的油雾和水蒸汽冷凝的水雾影响,使过滤的因素变化更多 。 当过滤介质孔隙小于或被过滤的微粒直径时,通常称为绝对过滤 。 随着工业的发展,过滤介质逐渐由天然材料棉花过滤到玻璃纤维,细玻璃纤维和其他浇结材料的过滤介质及微孔超滤膜的绝对过滤 。 目前,在许多发酵工厂运用膜材质进行空气除菌,获得了较好的效果 。
五、培养基灭菌系统
发酵生产要求纯种培养，不仅斜面、种子和培养基以及发酵罐、管道须经灭菌除去各种杂菌，而且在需氧发酵中通入的空气也须经除菌处理，只有这样才能确保生产不受杂菌污染。稍有不慎，杂菌进入发酵体系，与生产菌争夺营养物，轻则引起产品产量锐减，质量降低，后处理困难；重则整个培养液变质，成吨培养基报废，经济损失严重；特别是污染上噬菌体，严重的会引起工厂倒闭。因此，生产前对设备管道要进行严格的清洗、灭菌，发酵生产中使用的培养基和通入的空气，也必须预先严格灭菌。培养基灭菌的方法有加压蒸汽灭菌、常压湿热灭菌、干热灭菌、辐射灭菌、细菌滤器过滤除菌、
化学试剂消毒等法。但大规模工来最常用的是加热蒸汽灭菌，此法又分为间歇法和连续法
(一 )培养基灭菌的流程
图 4-30所示为培养液连续灭菌流程 。 糖液经配料后由调浆缸放出,加入约 0.01%
消泡剂,用连消泵送入连消塔底端,料液被加热到灭菌温度 383～ 403K,由顶部注出,进入维持罐,维持 8～ 25min,由维持罐上部侧面流出,维持罐内最后的培养液由底部排尽,经喷淋冷器冷却到发酵温度 。
图 4-32为喷射加热连续灭菌流程 。 蒸汽直接喷入培养液,因此培养液急速上升到预定灭菌温度,在此温度下的保温时间由保温段管子的长度来保证 。 灭菌后培养液通过一膨胀阀进入真空冷却器急速冷却 。
由喷射加热,管道维持,真空冷却组成的连续灭菌流程,由于受热时间短,所以可把温度升高到 413K而不引起培养液的严重破坏 。 此流程能保证培养液先进先出,避免过热或灭菌不透现象 。 真空系统要求严格密封,以免重新污染 。
图 4-32为薄板换热器连续灭菌流程 。 培养基在设备中同时完成预热,,灭菌及冷却过程,蒸汽加热使培养液的温度升高,经维持段保温一段时间,然后在薄板换热器的另一段冷却 。 虽然加热和冷却生培养液所需时间比使用喷射式连续灭菌稍长,但灭菌周期则比间歇灭菌小很多,由于生培养基的预热过程即灭菌培养基的冷却过程,所以节约了蒸汽及冷却水量 。
六、产物分离与提取设备
(一 )过滤与离心分离设备
在发酵和酿造工业中,液固分离是极为重要的一个单元操作,从原料的处理到产品的提取,精制等都涉及到悬浮液的分离问题 。 根据悬浮液性质的不同,其分离方法也不同,分离方法基本上有三种,即沉降,过滤和离心分离 。
如果将悬浮液放在一设备中加以静置,经过一段时间以后,悬浮的颗粒便沉降于底部,这种分离方法叫沉降 。 由于它利用的是重力,故又叫重力沉降 。
啤酒厂的麦芽法冷却澄清槽就是利用重力沉降方法使澄清麦芽法和冷却凝固物分离 。 利用重力分离悬浮液的特点是能量消耗少,但沉降速度慢,设备庞大 。 因此,这种分离方法多用于处理量较大,固体量少,颗粒大的混合液,在发酵工厂用得不多 。
如果将悬液加到一个装有过滤介质的容器中,那么液体将通过过滤介质,而悬浮固体则被截留在介质之上,这种分离两相混合物的方法叫做过滤 。 根据推动力的不同,过滤有常压过滤,加压过滤,真空过滤和离心过滤之分 。 前三种过滤可统称为压力差过滤 。
1.常压过滤 它是靠悬浮液的液位差来进行过滤的,
推动力的大小由液位高决定,麦芽法过滤槽和沙滤即属此类设备 。 因为这种方法推动力不大,所以过滤缓慢,生产能力低 。 但由于设备简单,滤液质量稳定,所以对于生产能力不大厂的或固体含量小而易过滤的悬浮液仍然采用 。
2.加压过滤 它是利用压缩空气或往复泵,离心泵等输送悬浮液所形成的压力作为过滤的推动力,一般可为 (29～ 49)× 104Pa。 在待过滤悬浮液中,固形物含量为 50%左右,而要求滤液较清亮的情况下都可采用这种方法过滤 。 由于加压过滤的推动力大,所以过滤速度快,适用于滤液黏度大,颗粒度细,可压缩性的各类物料,如发酵液的除菌便可用此法 。
板框过滤机,气压式过滤机和加压叶片过滤机等都属于这一种 。 板框过滤机用的历史较长,直到现在不少发酵工厂仍普遍使用 。
3.真空过滤 在过滤介质的滤液一侧建立适当的真空,
以增大推动力,压力差通常不超过 8.34× 104Pa,使滤液通过过滤介质,固体微粒滤机,真空叶片过滤机等,可用于某些发酵液如柠檬酸发酵液的除菌处理 。
4.离心过滤 利用高速旋转转动所产生的离心作为过滤的推动力,使悬浮液中固体颗粒与液体分离 。 对于固体含量较高的物料更为有效,某些发酵产品,如味精,柠檬酸,葡萄糖等含晶状固体的悬浮液脱水多用此法 。 此类设备有三足式离心机等,锥兰式离心机,活塞浆冲卸料离心机等 。 对于一些高度分散的悬浮液或悬浊液 (由两种重度相近的液体组成 ),如酵母液和氨基酸发酵液的菌体分离可用高速离心机或超高速离心机,如酵母分离机,管式离心机等 。
发酵工厂应用的过滤设备种类繁多,但各类设备均对物料适应性有一定限制,必须根据过滤介质和对滤液要求的不同而选用不同过滤设备 。
(二 )干燥设备
工业发酵的固体产品,如味精,酶制剂,柠檬酸,酵母等,都需要进行干燥,以除去物料中的水分,使产品方便保存与运输 。 按热源和供热方式不同,干燥方法有下面几种：
1.空气干燥 利用加热后的热空气,将热量带入干燥器并传给物料 。 这种方法主要是利用对流传热方式向湿物料供热,使物料中的水分汽化,
形成水蒸气同时被空气带走,故空气既是载热体,也是载湿体,这种方法获得最广泛的应用,
如气流干燥,沸腾干燥,喷雾干燥等均属于这类 。
2.加热而传热干燥 利用物料与热表面接触的方法传热冷湿物料,即接触干燥法 。 在此情况下,必须用空气带走从物料中汽化的水分,故空气是载湿体,如真空干燥等 。
3.红外线干燥 利用红外线辐射作用热源,
向湿物料供热 。 根据其辐射的波长而分为近红外和远红外,物质分子运动频率和分子的吸收大多在远红外区,干燥效果比一般的红外灯发射的近红外线得多 。 这种干燥法优点是安全,卫生,干燥速度快,但耗电量较大 。
4.冷冻升华干燥 将物料冷冻至冰点以下,使水分结冰,然后在较高的真空度下,使冰直接升华为水蒸汽而除去 。 由于在低温下干燥,故可以保存被干燥物料原有特性,但操作费用较高 。
5.微波干燥 在微波电磁场的作用下,使物料内部的极性分子产生振动,振动的能量使被干燥物料发热,从而达到水分汽化除去的目的 。 目前微波干燥技术在食品工业中已经应用,它具有设备简单,便于自动化,热能利用率高,干燥时间短,产品质量高等优点 。 缺点是投资和耗电量高,要采取防止电磁波泄漏措施,否则对人体健康有损害 。
(三 )蒸馏设备
酒精蒸馏设备是酒精生产中的重要设备之一,它的性能影响产品质量,生产能力,蒸馏率和消耗定额等 。 因此,近二十几年来,国内外都十分重视蒸馏塔器的研究,设计,造型和革新等工作,以适应酒精工业迅速发展的需要 。 下面以酒精蒸馏设备流程为例介绍一下蒸馏设备 。
1.单塔式酒精连续蒸馏流程 单塔式酒精连续蒸馏流程只有一个蒸馏塔,该塔分上下两段,下段为提馏段,主要是把醪液中的绝大部分酒精蒸馏出来,它适用于对成品质量要求与浓度要求不高的工厂,
一般国外生产浓度为 88%(V)的粗酒精时常用单塔蒸馏流程 。 我国酒精工厂一般都不采用这种工艺流程 。
2.双塔式酒精连续精馏流程 双塔式酒精连续精馏流程由精馏塔两个塔组成，粗馏塔相当于提馏段，把酒精从成熟醪中分离出来成为稀酒精，稀酒精再进入精馏塔精制成为成品，从粗馏塔来的稀酒精进入精馏塔有两种方式：一种叫气相连塔，即粗馏塔顶上升的酒精蒸气直接进入精馏塔；另一种叫液相连塔，即粗馏塔顶上升的酒精蒸气冷凝成为液体再流进精馏塔。
气相连塔热效应好，可以节约蒸汽消耗，缺点是两塔直接联通其中一个压力稍有波动，就互相影响。液相连塔由于酒精蒸气经过冷凝可以排除部分初级杂质，对分离杂质能起一定作用，
含初级杂质较多的糖蜜酒精成熟醪的精馏多采用之，但消耗蒸汽和冷却水较多
3.多塔式酒精连续馏流程 由于双塔式酒精连续精馏流程只有两个塔,成品酒精质量还达不到精馏酒精标准 。 多塔式酒精连续精馏流程有三个以上的塔 。 它是以三塔式流程为基础,根据产品质量的特殊要求而增设一个以上的塔 。 如为了加强抽提杂醇油,则在精馏塔后增设杂醇油塔,或为了进一步排除挥发性杂质,
则在精馏塔后增设后馏塔 。 但一般不超过 4个塔为原则,否则颇不经济 。
各流程中各塔的任务和要求不同,因此,
各塔的塔板类型和高度都有差异 。
一、原料处理设备
二、固体发酵设备
三、机械搅拌通风发酵罐 (生物反应器 )
四、空气净化系统
五、培养基灭菌系统
六、产物分离与提取设备一、原料处理设备
(一 )原料粉碎设备
在发酵与酿造过程中,为了加速蒸煮,糖化,
发酵的反应速度,对于使用的固体原料,常需将其粉碎 。 使大块固体物料破碎成小块物料的操作,通常称为粉碎,而使小块物料进一步粉碎为粉末状物料,则称为磨碎或研磨 。
在生产过程中,粉碎的效果好坏,不仅直接反映出粉碎操作的合理性和经济性,而且会间接影响到蒸煮,糖化,发酵的效果 。 工厂中,均采用某种形式的机械方法,达到固体物料粉碎的目的 。
粉碎的方法,根据操作作用力的不同可区分为四种,① 挤压； ② 冲击； ③ 磨碎； ④ 劈碎 。 无论是哪一种作用力,假如所施加的外力没有超过物料的弹性强度,则物料产生弹性变形,外力除掉后,
物料恢复到原来情况 。 加入施加的外力稍超过物料的破碎强度,则物料即被粉碎 。 物料表面通常具有不规则的形状,因此外力首先作用在突出点上,产生局部的应力,破碎后应力分散,作用点发生变化 。 粉碎过程是在极短的时间里进行的非常复杂的过程,揭开全部真正的粉碎机理是以后进一步开展的工作 。
选择粉碎物料的方法,必须根据物料的物理性质,大小,粉碎的程度等,应特别注意物料的硬度和破裂性 。 对坚硬和脆性的物料,
挤压和冲击很有效；对韧性物料剪切力作用较好；对方向性物料则以劈碎为宜 。 但不论哪一种粉碎,很少单独使用其中的一种方法,
而是几种方法的组合,使粉碎更加有效 。
1.锤式粉碎机 锤式粉碎机是利用快速旋转的锤刀对物料进行冲击粉碎,广泛用于各种中等硬度物料的中碎与细碎作业 。 由于各种脆性物料的抗冲击性较差 。 因此,这种粉碎机特别适用于脆性物料 。
图 3-1锤式粉碎机筛网 2.轴 3.锤刀 4.冲击板 5.机壳
锤式粉碎机如图 3-1,主轴上有钢质圆盘或方盘转子,盘上装有可拆换的锤刀 。 锤刀可以自由摆动 。 当主轴经 800～ 2500r/min在密封的机壳内旋转时,刀片在各个不同的位置上,能够以很大的冲击力将物料粉碎 。 加入到粉碎机中的物料,首先与锯齿形的冲击板撞击,已经被粉碎的物料,通过机壳上的格栅网孔排出 。 未被粉碎的物料,被筛网阻截,再次受锤力冲击粉碎 。 如遇有坚硬不能粉碎的物料,由于锤刀是活动地悬挂在盘上,可以摇动而让开,可避免损伤机器,当然锤刀要受到较大的磨损,甚至损坏筛网 。 如遇有坚硬的物料,可再次或多次冲击粉碎 。 粉碎的物料,连续穿过机内的筛网排出 。 为了避免堵塞,除将筛网孔做成上小下大的锥形孔外,被粉碎的物料含水量不应超过
10%～ 15%。
锤式粉碎机可作粗碎或细碎,这是它的优点 。 此外,
还具有单位产品的能量消耗低,体积紧凑,结构简单,生产能力高等特点 。 它的主要缺点是,当粉碎较坚硬的物料时,锤刀磨损得较快 。
锤刀是锤式粉碎机的主要零件,它的型式尺寸,决定于物料尺寸性质 。 机壳中的筛网有不同的规格,
视被碎物料的性质,种类和粉碎的要求而异 。 筛网的尺寸对产品的颗粒大小及粉碎机生产能力有很大的影响,视不同的要求选用适宜的筛网 。 锤刀与筛网间的径向间隙是可以调节的,一般为 5～ 10mm。
粗筛一般用钢丝构成,或在金属板上钻圆孔,方孔或长方孔 。 细筛除用钢丝外,还可用钢板 。 酒精厂锤式粉碎机筛孔直径,一般为 1.5mm,中心距离为
2.5～ 3.5mm。
2.辊式粉碎机 辊式粉碎机广泛应用于粉碎颗状物料的中碎或细碎的作业,主要工作机件是两个直径相同的圆柱状辊筒,
如图 4-21所示,两个辊筒以相同的圆柱状辊筒,如图 3-2所示 。
图 3-2 二辊式粉碎机
1.弹簧 2.物料 3.滚筒 4.机座
两个辊筒以相反的方向旋转,产生挤压力和剪力将物料粉碎 。 辊筒表面有光面和带波纹的两种,物料从辊筒间的空隙加入 。 两辊筒间的距离称为开度 。
凡物料颗粒小于开度的,可经空隙漏出 。 当要求产品较细时,可提高辊筒表面的圆周速度,达 8～
10r/min,也可使两辊筒间有 15%～ 20%的转速差,
这样可增加粉碎度 。 两个辊筒,有一个辊筒的轴承是固定的,另一个辊筒是可以移动的,这样可调节辊筒的开度 。 另外在可移动的轴承上,还装有弹簧 。
因此,当物料中混有较大块或硬的物料时,弹簧能稍微移动一点,使大块或硬的物料得以通过,以免使辊筒表面受到损伤 。
啤酒厂麦芽粉碎机常使用四辊式,物料经上面第一对辊粉碎后,经一对叶辊的打击,使麦芽皮壳中的粉粒被震出,再经第二对辊粉碎 。
四辊粉碎比两辊粉碎稍有改进 。 但是如图 4-22
的四辊粉碎是不经济的,因为在第一以辊上已经被粉碎的细粉,没有必要再经过第二对辊筒进行再次粉碎 。 这不仅造成动力上的消耗,而且由于有细粉的存在,还妨碍了在第二对辊子的有效操作 。 为此,对四辊粉碎机进行改革 。
目前在实际生产中,常使用五辊粉碎机 。
(二 )原料输送设备
1.气流输送 气流输送是利用强烈的空气流沿管道流动,把悬浮在气流中的物料输送至目的 。 气流输送可用于输送大麦,大米,麦芽等松散物料 。
气流输送的优点是设备简单,占地面积小,输送能力和输送距离可调性大,易于实现自动化 。 它的主要缺点是能耗较大,不适于输送潮湿黏稠的物料 。
根据设备组合情况,气流输送装置可分为真空式和压力式 。 一般来说,当从几个不同的地方向一个卸料点送料时,真空输送系统最适合；而当从一个加料点向几个不同的目的地送料时,压力输送系统较适合 。
2.机械输送 机械输送是靠机械装置来输送物料,其优点在于能耗小,而且可以输送不适于气流输送的大块物料和潮湿物料 。 输送机械主要有带式输送机,斗式提升机,螺旋输送机等 。 其中具体分类及输送能力和功率计算可参考,发酵设备,等资料,带式输送结构比较简单,
下面是常用的斗式提升机进料和卸料图 。
二、固体发酵设备
固体发酵历史悠久,长期以来,白酒的酿造一直采用固体发酵,主要设备有曲盘,帘子,厚层通风制曲设备等 。 厚层通见制曲设备是 20世纪 50年代发展起来的,它是在保持固体发酵优点的基础上加以改进,以适应大规模业生产需要的一种固体培养方法 。
三、机械搅拌通风发酵罐 (生物反应器 )
发酵罐是工业发酵常用设备中最重要、
应用最广泛的设备，是连接原料和产物的桥梁，也是多种学科的交叉点。在发酵罐中，通过产物的合成，廉价的原料升了值，因此可以说发酵罐是发酵工业的心脏。发酵罐的定义是，为一个特定生物化学反应的操作提供良好而满意环境的容器
发酵罐伴随着微生物发酵工业的发展已历经
300年。早在 17世纪，人们已用带有温度计和热交换器的 1500L的木制容器来制备乙醇和酒。
1900— 1940年出现了 200m3的钢质发酵罐，在面包酵母发酵中开始使用空气分布器和机械搅拌装置。 1940— 1960年，第一个大规模工业生产青霉素的工厂于 1944年 1月 30日在美国的 Terr
Haute投资，其发酵罐的体积是 54m3；抗生素工业的兴起引起发酵工业一场变革，机械搅拌、
通风、无菌操作、纯种培养等一系列技术开始完善起来，并出现耐高温在线连续测定的 pH电极和溶氧电极，开始利用计算机进行发酵过程控制。 1960— 1979年机械搅拌通风发酵罐容积增大到 80～ 150m3，由于大规模生产单细胞蛋白的需要而出现了压力循环和压力喷射型发酵罐，计算机开始在发酵工业上得到广泛应用
1979年以后,随着生物工程和技术的迅猛发展,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 。
对发酵罐的严密性,运行可靠性的要求越来越高,发酵的计算机控制和自动化的实际运用已相当普遍 。 pH电极,溶氧电极,溶解二氧化碳电极等在线检测在国外已相当成熟 。
同时现代发酵工业为了获取更大的经济利益,
发酵罐更加趋于大型化：废水处理 2700m3，
单细胞蛋白 1500m3,啤酒 320m3,柠檬酸
200m3,面包酵母 20m3,抗生素 200m3,干酪
20m3,酸乳 10m3。
生物工程，尤其是基因工程的迅速发展，
以及治理环境的迫切需要，使发酵罐的形状、操作原理和方法都发生了较大的变化，就连术语“发酵罐”也常被称之为“生化反应器”。尽管如此，发酵工业上最常用的还是通风搅拌罐、压力循环发酵罐、带超滤膜的发酵罐等。
(一 )发酵罐的类型
各种不同类型的发酵罐都可用于大规模的生化反应过程,它们在设计,制造和操作方面的精密程度,取决于某一产品的生物化学反应过程对发酵罐的要求 。 发酵罐的分类有以下几种：
1.按微生物生长代谢需要分类 这种方法将发酵罐分成好气和厌气两大类。抗生素、酶制剂、
酵母、氨基酸、维生素等产品是好气发酵罐中进行的；丙酮、丁醇、酒精、啤酒、乳酸采用厌气发酵罐。它们的主要差别是由于对无菌空气的需求不同，前者需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的体积氧传递系数 KLα，
后者则不需要通气。
2.按照发酵设备特点分类 可以分为机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐 。 前者包括循环式,如伍式发酵罐,
文氏管发酵罐,文氏管发酵罐以及非循环式的通风发酵罐和自吸式发酵罐 。 后者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,500L以下的实验室发酵罐,500～ 5000L是中试发酵罐,5000L以上是生产规模的发酵罐 。
4.按微生物生长环境分类 发酵罐内存在两种系统,即悬浮生长系统和支持生长系统 。 一般说来,大多数发酵罐都有这两种系统 。 悬浮生长系统中的微生物细胞是浸泡在培养液中且伴随着培养液一起流动；在支持生长系统中,微生物细胞生长在与培养液接触的界面形成一层薄膜,然而实际上悬浮生长系统的容器内壁上和上部的罐壁上也会生长着一层菌体膜,在支持生长系统中也有菌体分散在培养液之中 。
5.按操作方式分类 可分为批发酵和连续发酵,但并不是所有的发酵罐可以同时适用于这两种发酵系统 。 批发酵时,发酵工艺条件随营养液的消耗和产物的形成而变化 。 每批发酵结束,要放罐清洗和重新灭菌,再开始新一轮的发酵 。 批发酵系统是非稳定态的过程 。 连续发酵时,新鲜营养液连续流加入发酵罐内,
同时产物连续地流出发酵罐 。
批发罐的主要优点是污染杂菌的比例小,操作灵活性强,可用来进行几种不同产品的生产 。
其缺点是发酵罐的非生产停留时间所占比重大,
非稳态工艺过程的设计和操作困难 。 连续发酵的主要的优点是可连续运行几个月的时间,非生产时间很短；缺点是容易染菌,它适用于不易染菌的产品如丙酮,丁醇,酒精,啤酒发酵等 。 连续发酵还有以下一些优点：
(1)较高的底物转化系数 。
(2)具有较高的反应体积速率,这是由于它允许在发酵初期有较高的底物浓度,因此最终底物浓度也高 。
(3)不同级数的发酵罐的条件可以不同 (如 pH、
温度,通气量等 ),特别是底物浓度和加料速度可以变化,以获得较高的经济利益 。
6.其他类型 一个新型的超滤发酵罐已开始在未来发酵中崭露头角。在进行时，
成熟的发酵液通过一个超滤膜使产物能透过膜进行提取，酶可以通过管道返回发酵罐继续发酵，新鲜的底物可以源源不断地加入罐内
(二 )通风式发酵罐
1,标准通风式发酵罐 通风式发酵罐是最广泛应用的深层好气培养设备 。 图 4-25表示的是常用的发酵罐各部分的比例尺寸,它常用于面包酵母,抗生素及氨基酸的生产中,有关的重要因素是氧传递效率,功率输入,混合质量,搅拌浆形式和发酵罐的几何比例等 。
发酵罐最重要的几何比例是 D ｉ /Dt,H/Dt,Ds/Di，
Db/Dt,(Di为搅拌浆直径,Dt为罐体直径,H 为罐体高度,Ds为搅拌浆到罐低的距离,Db为挡板的宽度 )；
还有搅拌浆的叶轮直径和各部分的比例。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，共各部分尺寸比例已规范化。
这种搅拌桨具有很大的循环液输送量，功率消耗大，
因此特别适用于丝状菌的发酵，如青霉素发酵等，其最大叶端速度范围是 3～ 8m/s。
2.改良通风式发酵罐 几种改良通风式发酵罐是：
(1)瓦尔德夫发酵罐,它装有一种独特的消泡装置 。
(2)一种带有上下两个分离搅拌器的发酵罐 。 上搅拌采用螺旋桨,用以加强轴向流动；下搅拌采用涡轮桨分散气体,可以提高氧传递效率 。 这种设计方法充分发挥了这两种搅拌桨的各自特长 。
(3)完全填充反应器是一种比通气搅拌罐能更有效地提高氧传递效率的发酵罐 。 它混合时间短,即使对十分黏稠的液体也有同样效果 。 它还消除了罐顶的空间,空气在罐内的滞留时间比通气搅拌罐长 。
改良型通风式发酵虽然有一些改进，但是它的实际应用却远没有通风发酵广泛。
3.搅拌装置 发酵罐的搅拌装置包括机械搅拌和非机械搅拌。通风发酵的搅拌装置包括电动机、传动装置、搅拌轴、轴密封装置和搅拌桨。机械搅拌的目的是迅速分散气泡和混合加入物料。一个搅拌桨要同时达到这两个目的，有时是矛盾的。例如，达到混合功能需要大直径的搅拌器和采用低转速运转，而提高分散气泡效果则需要多叶片、小直径和大的转速。
电动机输入功率决定于搅拌桨形式和其他发酵罐部件 。 发酵罐内常安装 4块挡板以增加混合,传热和传质效率 。 挡板之宽度为发酵罐直径的 10%～ 12%，
挡板越宽则混合效果越好 。 搅拌功率的计算一直作为发酵罐设计和放大的一个重要课题 。 它是指搅拌桨输入发酵液的功率,即搅拌桨在转动时为克服发酵液阻力所作的功率,有时被称为轴功率 。
通气条件下非牛顿流体搅拌功率的计算常用 Michel-
Miller公式
式中：,
———与流体黏度有关的系数；
——通气功率,kW；
——不通气功率,kW； ——搅拌器直径,m；
—— 通气量,L/min。 ——搅拌转速,r/min；
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4.通气 在好气深层发酵罐中,来自无菌空气系统的压缩空气通过空气分布器射入发酵罐内,分布器有单孔管式和多孔管式 。 安装方式各异,一般安装在最下面一档搅拌器的下方,但都要注意防止气孔被发酵液中的菌体或固体颗粒堵塞 。
有的空气分布器带有放水结构,使放罐后没有发酵液残留在管子里 。
通气速度以满足微生物发酵的需要为准,
在使溶氧在临界氧深度之上 。 它决定于系统的设计和操作 。 空气流速的上限速度是空气能有效地被搅拌桨分散,这和搅拌桨形式和转速有关 。
表示非牛顿流体的氧传递的关系式如下 。 是表示发酵罐通气搅拌效率的体积氧传递系数 。
式中,——经验常数,随搅拌器的形式而改变,
一般由实验测定；
——单位体积发酵液实际消耗的功率 (在通气情况下 )；
——空气直线速度,m/h；
——FA发酵液表观黏度,kg.s/m2;
——指数,与搅拌器和空气分布器的形式有关,
一般由实验测定 。
(三 )自吸式发酵罐
自吸式发酵如图 4-26所示,它与通用发酵罐的主要区别是,① 有一个特殊的搅拌器,搅拌器由转子和定子组成； ② 没有通气管 。
自吸式发酵罐的搅拌器有几种：①回转翼片式自吸搅拌器；②喷射式吸搅拌器；③具有转子和定子的自吸搅拌器。
(四 )液提式发酵罐
早期发酵工业曾出现过许多不同类型的发酵罐,
然而近几十年来通气搅拌罐已成为标准型发酵了 。
由于某一发酵产品固定的和可变的成本是随工厂生产规模的增大而减少的,因此现代发酵罐的大型化给通气搅拌罐带来一系列难以克服的困难,这就是：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,碳源和其他营养与 pH控制等 。 由于这些困难的出现,以后就发展起在经济上,工艺上,
生物因素等方面比 STF更先进的新型生化反应器 。 例如英国的 ICI公司采用,压力循环发酵罐,
生产单细胞蛋白,容积达 26000m3,污水处理工厂,发酵罐高 30m,直径 26m。
图 4-27和图 4-28是具有外循环冷却的气升环流发酵罐和 Franckowaik气升环流发酵结构。
(五 )气提式发酵罐
空气压缩机是气提式发酵罐的重要组成部分,
它的效率决定于它的形式,如旋转压缩机
η=80%～ 90%,活塞压缩机 η=74%～ 90%,涡轮压缩机 η=75%～ 80%。
压缩空气通过空气分布器进入液体后,最初形成的气泡是由液体剧烈翻动来分散的,所以气泡分散程度决定于功率消耗速率 。 如果塔式反应器是小的,通气分布器显著影响两相的性质 。
四、空气净化系统
微生物在繁殖和耗氧发酵过程中都需要氧气,通常以空气作为氧源 。 空气中含有各式各样的微生物,
这些微生物随着空气进入培养液,在适宜的条件下,
它们会大量繁殖,消耗大量的营养物质,以及产生各种代谢产物,干扰甚至破坏预定发酵的正常进行,
使发酵产品的效价降低,产量下降,甚至造成发酵彻底失败等严重事故 。 因此,空气的除菌就成为耗氧发酵工程上的一个重要环节 。 除菌的方法很多,
如过滤除菌,热杀菌,静电除菌,辐射杀菌等,但各种方法的除菌效果,设备条件,经济条件各不相同 。 所需的除菌程度根据发酵工艺要求而定,既要达到除菌效果,又要尽量简化除菌流程,以减少设备投资和正常运转的动力消耗 。
空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。
(一 )辐射杀菌
从理论上来说,声能,高能阴极射线,X射线,
γ射线,β射线,紫外线等都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用 。 但具体的杀菌机理研究比较少,
了解得较多的是紫外线,它在波长为 226.5～
328.7mm时杀菌效力最强,通常用于无菌室,
医院手术室等空气对流不大的环境下杀菌 。 但杀菌效率较低,杀菌时间较长,一般要结合甲醛蒸气消毒或苯酚的喷雾等来保证无菌室的无菌程度 。
(二 )热杀菌
热杀菌是有效,可靠的杀菌方法,但是如果采用蒸汽或电热来加热大量的空气,
以达到杀菌目的,则需要消耗大量的能源和增设大量的换热设备,这是十分不经济的 。
利用空气压缩时放出的热量进行杀菌的实用流程如图 4-29所示 。
(三 )静电除尘法
静电除尘法已广泛应用,虽然它的除尘效果不很高,
一般在 85%～ 99%之间,但由于它消耗能量小,使用得当,每处理 1000m3 的空气每小时只需电 0.2 ～
0.8kW。 空气的压头损失小,一般只在 39～ 196Pa，
设备也不大 。 常用于超净工作台,超净工作室所需无菌无尘空气的第一次除尘,配合高效过滤器使用 。
静电除尘是利用静电引力来吸咐带电粒子而达到除菌除尘的目的 。 悬浮于空气中的微生物,微生物孢子大多带有不同的电荷,没有带电荷的微粒在进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒,但对于一些直径很小的微粒,它们所带的电荷很小,当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散运动的动量时,则微粒就不能被吸咐而沉降,
所以静电除尘对很小的微粒较低 。
(四 )过滤除菌法?
过滤除菌是目前发酵工业中经济实用的空气除菌方法,
它是采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微生物,而取得无菌空气,常用的过滤介质有棉花,活性炭或玻璃纤维,有机合成纤维,有机和无机烧结材料等等 。
由于被过滤的气溶胶中微生物的粒子很小,一般只有
0.5～ 2μm,而过滤介质的材料一般孔径都大于微粒直径的几倍到几十倍,因此,过滤机理比较复杂 。 同时,由于空气在压缩过程中带入的油雾和水蒸汽冷凝的水雾影响,使过滤的因素变化更多 。 当过滤介质孔隙小于或被过滤的微粒直径时,通常称为绝对过滤 。 随着工业的发展,过滤介质逐渐由天然材料棉花过滤到玻璃纤维,细玻璃纤维和其他浇结材料的过滤介质及微孔超滤膜的绝对过滤 。 目前,在许多发酵工厂运用膜材质进行空气除菌,获得了较好的效果 。
五、培养基灭菌系统
发酵生产要求纯种培养，不仅斜面、种子和培养基以及发酵罐、管道须经灭菌除去各种杂菌，而且在需氧发酵中通入的空气也须经除菌处理，只有这样才能确保生产不受杂菌污染。稍有不慎，杂菌进入发酵体系，与生产菌争夺营养物，轻则引起产品产量锐减，质量降低，后处理困难；重则整个培养液变质，成吨培养基报废，经济损失严重；特别是污染上噬菌体，严重的会引起工厂倒闭。因此，生产前对设备管道要进行严格的清洗、灭菌，发酵生产中使用的培养基和通入的空气，也必须预先严格灭菌。培养基灭菌的方法有加压蒸汽灭菌、常压湿热灭菌、干热灭菌、辐射灭菌、细菌滤器过滤除菌、
化学试剂消毒等法。但大规模工来最常用的是加热蒸汽灭菌，此法又分为间歇法和连续法
(一 )培养基灭菌的流程
图 4-30所示为培养液连续灭菌流程 。 糖液经配料后由调浆缸放出,加入约 0.01%
消泡剂,用连消泵送入连消塔底端,料液被加热到灭菌温度 383～ 403K,由顶部注出,进入维持罐,维持 8～ 25min,由维持罐上部侧面流出,维持罐内最后的培养液由底部排尽,经喷淋冷器冷却到发酵温度 。
图 4-32为喷射加热连续灭菌流程 。 蒸汽直接喷入培养液,因此培养液急速上升到预定灭菌温度,在此温度下的保温时间由保温段管子的长度来保证 。 灭菌后培养液通过一膨胀阀进入真空冷却器急速冷却 。
由喷射加热,管道维持,真空冷却组成的连续灭菌流程,由于受热时间短,所以可把温度升高到 413K而不引起培养液的严重破坏 。 此流程能保证培养液先进先出,避免过热或灭菌不透现象 。 真空系统要求严格密封,以免重新污染 。
图 4-32为薄板换热器连续灭菌流程 。 培养基在设备中同时完成预热,,灭菌及冷却过程,蒸汽加热使培养液的温度升高,经维持段保温一段时间,然后在薄板换热器的另一段冷却 。 虽然加热和冷却生培养液所需时间比使用喷射式连续灭菌稍长,但灭菌周期则比间歇灭菌小很多,由于生培养基的预热过程即灭菌培养基的冷却过程,所以节约了蒸汽及冷却水量 。
六、产物分离与提取设备
(一 )过滤与离心分离设备
在发酵和酿造工业中,液固分离是极为重要的一个单元操作,从原料的处理到产品的提取,精制等都涉及到悬浮液的分离问题 。 根据悬浮液性质的不同,其分离方法也不同,分离方法基本上有三种,即沉降,过滤和离心分离 。
如果将悬浮液放在一设备中加以静置,经过一段时间以后,悬浮的颗粒便沉降于底部,这种分离方法叫沉降 。 由于它利用的是重力,故又叫重力沉降 。
啤酒厂的麦芽法冷却澄清槽就是利用重力沉降方法使澄清麦芽法和冷却凝固物分离 。 利用重力分离悬浮液的特点是能量消耗少,但沉降速度慢,设备庞大 。 因此,这种分离方法多用于处理量较大,固体量少,颗粒大的混合液,在发酵工厂用得不多 。
如果将悬液加到一个装有过滤介质的容器中,那么液体将通过过滤介质,而悬浮固体则被截留在介质之上,这种分离两相混合物的方法叫做过滤 。 根据推动力的不同,过滤有常压过滤,加压过滤,真空过滤和离心过滤之分 。 前三种过滤可统称为压力差过滤 。
1.常压过滤 它是靠悬浮液的液位差来进行过滤的,
推动力的大小由液位高决定,麦芽法过滤槽和沙滤即属此类设备 。 因为这种方法推动力不大,所以过滤缓慢,生产能力低 。 但由于设备简单,滤液质量稳定,所以对于生产能力不大厂的或固体含量小而易过滤的悬浮液仍然采用 。
2.加压过滤 它是利用压缩空气或往复泵,离心泵等输送悬浮液所形成的压力作为过滤的推动力,一般可为 (29～ 49)× 104Pa。 在待过滤悬浮液中,固形物含量为 50%左右,而要求滤液较清亮的情况下都可采用这种方法过滤 。 由于加压过滤的推动力大,所以过滤速度快,适用于滤液黏度大,颗粒度细,可压缩性的各类物料,如发酵液的除菌便可用此法 。
板框过滤机,气压式过滤机和加压叶片过滤机等都属于这一种 。 板框过滤机用的历史较长,直到现在不少发酵工厂仍普遍使用 。
3.真空过滤 在过滤介质的滤液一侧建立适当的真空,
以增大推动力,压力差通常不超过 8.34× 104Pa,使滤液通过过滤介质,固体微粒滤机,真空叶片过滤机等,可用于某些发酵液如柠檬酸发酵液的除菌处理 。
4.离心过滤 利用高速旋转转动所产生的离心作为过滤的推动力,使悬浮液中固体颗粒与液体分离 。 对于固体含量较高的物料更为有效,某些发酵产品,如味精,柠檬酸,葡萄糖等含晶状固体的悬浮液脱水多用此法 。 此类设备有三足式离心机等,锥兰式离心机,活塞浆冲卸料离心机等 。 对于一些高度分散的悬浮液或悬浊液 (由两种重度相近的液体组成 ),如酵母液和氨基酸发酵液的菌体分离可用高速离心机或超高速离心机,如酵母分离机,管式离心机等 。
发酵工厂应用的过滤设备种类繁多,但各类设备均对物料适应性有一定限制,必须根据过滤介质和对滤液要求的不同而选用不同过滤设备 。
(二 )干燥设备
工业发酵的固体产品,如味精,酶制剂,柠檬酸,酵母等,都需要进行干燥,以除去物料中的水分,使产品方便保存与运输 。 按热源和供热方式不同,干燥方法有下面几种：
1.空气干燥 利用加热后的热空气,将热量带入干燥器并传给物料 。 这种方法主要是利用对流传热方式向湿物料供热,使物料中的水分汽化,
形成水蒸气同时被空气带走,故空气既是载热体,也是载湿体,这种方法获得最广泛的应用,
如气流干燥,沸腾干燥,喷雾干燥等均属于这类 。
2.加热而传热干燥 利用物料与热表面接触的方法传热冷湿物料,即接触干燥法 。 在此情况下,必须用空气带走从物料中汽化的水分,故空气是载湿体,如真空干燥等 。
3.红外线干燥 利用红外线辐射作用热源,
向湿物料供热 。 根据其辐射的波长而分为近红外和远红外,物质分子运动频率和分子的吸收大多在远红外区,干燥效果比一般的红外灯发射的近红外线得多 。 这种干燥法优点是安全,卫生,干燥速度快,但耗电量较大 。
4.冷冻升华干燥 将物料冷冻至冰点以下,使水分结冰,然后在较高的真空度下,使冰直接升华为水蒸汽而除去 。 由于在低温下干燥,故可以保存被干燥物料原有特性,但操作费用较高 。
5.微波干燥 在微波电磁场的作用下,使物料内部的极性分子产生振动,振动的能量使被干燥物料发热,从而达到水分汽化除去的目的 。 目前微波干燥技术在食品工业中已经应用,它具有设备简单,便于自动化,热能利用率高,干燥时间短,产品质量高等优点 。 缺点是投资和耗电量高,要采取防止电磁波泄漏措施,否则对人体健康有损害 。
(三 )蒸馏设备
酒精蒸馏设备是酒精生产中的重要设备之一,它的性能影响产品质量,生产能力,蒸馏率和消耗定额等 。 因此,近二十几年来,国内外都十分重视蒸馏塔器的研究,设计,造型和革新等工作,以适应酒精工业迅速发展的需要 。 下面以酒精蒸馏设备流程为例介绍一下蒸馏设备 。
1.单塔式酒精连续蒸馏流程 单塔式酒精连续蒸馏流程只有一个蒸馏塔,该塔分上下两段,下段为提馏段,主要是把醪液中的绝大部分酒精蒸馏出来,它适用于对成品质量要求与浓度要求不高的工厂,
一般国外生产浓度为 88%(V)的粗酒精时常用单塔蒸馏流程 。 我国酒精工厂一般都不采用这种工艺流程 。
2.双塔式酒精连续精馏流程 双塔式酒精连续精馏流程由精馏塔两个塔组成，粗馏塔相当于提馏段，把酒精从成熟醪中分离出来成为稀酒精，稀酒精再进入精馏塔精制成为成品，从粗馏塔来的稀酒精进入精馏塔有两种方式：一种叫气相连塔，即粗馏塔顶上升的酒精蒸气直接进入精馏塔；另一种叫液相连塔，即粗馏塔顶上升的酒精蒸气冷凝成为液体再流进精馏塔。
气相连塔热效应好，可以节约蒸汽消耗，缺点是两塔直接联通其中一个压力稍有波动，就互相影响。液相连塔由于酒精蒸气经过冷凝可以排除部分初级杂质，对分离杂质能起一定作用，
含初级杂质较多的糖蜜酒精成熟醪的精馏多采用之，但消耗蒸汽和冷却水较多
3.多塔式酒精连续馏流程 由于双塔式酒精连续精馏流程只有两个塔,成品酒精质量还达不到精馏酒精标准 。 多塔式酒精连续精馏流程有三个以上的塔 。 它是以三塔式流程为基础,根据产品质量的特殊要求而增设一个以上的塔 。 如为了加强抽提杂醇油,则在精馏塔后增设杂醇油塔,或为了进一步排除挥发性杂质,
则在精馏塔后增设后馏塔 。 但一般不超过 4个塔为原则,否则颇不经济 。
各流程中各塔的任务和要求不同,因此,
各塔的塔板类型和高度都有差异 。
