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 。
