第九章 厌氧发酵设备 发酵设备是发酵工厂中主要的设备，它提供了一个适应微生物生命活动和生物代谢的场所。 由于微生物分厌氧和通风两大类，故供微生物生存和代谢的生产设备也就各不相同。 不论厌氧或通风发酵设备，除了满足微生物培养所必要的工艺要求外，还得考虑材质的要求以及加工制造难易程度等因素。 本章主要讲述的内容 第一节 酒精发酵设备及计算 一、酒精发酵设备的基本要求 1，满足酒精发酵的工艺要求； 2，满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件。 （1）将发酵产生的热量及时移走； （2）有利于发酵液的排出，设备的清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。 二、酒精发酵罐的结构 1，基本结构 酒精发酵罐筒体为圆柱形。底盖和顶盖均为碟形或锥形的立式金属容器。罐顶装有废汽回收管，进料管，按种管，压力表、各种测量仪表接口管及供观察清洗和检修罐体内部的人孔等。罐底装有排料口和排污口对于大型发酵罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。罐身上下部装有取样口和温度计接口。 酒精发酵罐的结构示意图 2，发酵罐的冷却装置 根据发酵的大小不同，酒精发酵罐通常采用以下冷却装置： （1）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； （2）大型发酵罐：由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，所以，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。 （3）也有采用罐外列管式喷琳冷却的方法，此法具有冷却发酵液均匀、冷却效率高等优点。 酒精发酵罐冷却装置示意图 3，发酵罐的洗涤装置 大型酒精发酵罐通常采用水力喷射洗涤装置。 酒精发酵罐洗涤装置的结构示意图 三、酒精发酵罐的计算 1，发酵罐结构尺寸的确定 （1）发酵罐全容积的计算： 式中：V：发酵罐的全容积（米3） V0：发酵罐中的装液量（米3） ψ：装液系数（一般取0.85~0.90） （2）带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为： 式中 D：罐的直径(米) H：罐的圆柱部分高度(米) h1：罐底高度(米) h2：盖高度(米) 通常：H=1.1~1.5D，h1=0.1~0.4D，h2=0.05~0.1D 2，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： 式中 N：发酵罐个数（个） n：每24小时内进行加料的发酵罐数 t：发酵周期（小时） 3，发酵罐冷却面积的计算 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即： 式中 F：冷却面积(米2) Q：总的发酵热(焦耳/小时) K：传热总系数(焦耳/米2.小时.℃) Δtm：对数平均温度差(℃) （1）总发酵热的估算 微生物在厌氧发酵过程中总的发酵热，一般由生物合成热Q1，蒸发热损失Q2， 罐壁向周围散失的热损失Q3等三部分热量所组成。即： Q= Q1 -（ Q2 + Q3 ） Q1的估算 按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值来计算 计算方法：在发酵最旺盛时，测定小型试验箱冷却水的进出口温度和单位时间内的耗水量，从而得出其放热量（Q1’）。  由Q1’扩大到生产罐，则生产罐的Q1为：  Q2一般取Q1的5%~6%左右。 Q3这部分热量由对流和辐射组成，可查阅相关手册。 （2）对数平均温度差Δtm的计算  tF：主发酵时的发酵温度（℃） t1：冷却水进口温度（℃） t2：冷却水出口温度（℃） （3）传热总系数K值的确定 传热总系数可由两部分组成： ①发酵液到蛇管壁的传热分系数α1 ②从冷却管壁到冷却水的传热系数α2 α1一般依据生产经验数据或直接测定为准，对酒精发酵液而言，其α1值可取2300~2700千焦/米2.小时. ℃ α2可分为两种情况计算： 若采用蛇管冷却，以水为冷却剂：  α2：蛇管的传热分系数（千焦/米2.小时. ℃） A：常数，在水温为20℃时，可取6.45 ρ：水的密度（公斤/米3） ω：蛇管内水的流速（米/秒） d：蛇管直径（米） R：蛇管圈半径（米） 若采用罐外壁喷淋冷却，则α2为：  G：喷淋密度（公斤/米.小时） Dm：罐外径（米） 本公式适应范围：喷淋密度在100~1500公斤/米.小时。 三、计算举例 某酒精工厂，每发酵罐的进料量为24吨／小时，每4小时盛满一罐，发酵周期为72小时，冷却水的初、终温分别为20￠aC和25 ￠aC，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1076公斤／米3)。 l，发酵罐的个数和结构尺寸的确定 2，冷却面积和冷却装置主要结构尺寸的确定 发酵罐采用圆柱器身，底和顶为锥型盖，选取结构尺寸的比例关系如下： （2）冷却水耗量的计算 （3）对数平均温度差的计算 （4）传热总系数K值的确定 （5）冷却面积和主要尺寸的确定 第二节 啤酒发酵设备及计算 传统的啤酒发酵设备是由分别设在发酵间的发酵池和贮酒间内的贮酒罐组成的。目前圆筒体锥底罐（C.C.T)在露天大罐工艺中使用最为普遍．简称露天锥形发酵罐。 一、设备的结构特点 C．C．T发酵最大特点在于大型化，容积从100~600m3(国内也有60m3小型的)。 1，设备的外型特点 外简体蝶形或拱形盖，锥形体底，罐筒体壁和锥底有各种形式的冷却夹套。 筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数。对单酿罐一般是D：H＝1：1~2。对两罐法的发酵罐D：H＝1：3~4，对两罐法的贮酒罐D：H＝1：1~2，也有采用直径为3~4m的卧式圆简体罐作贮酒罐。增加H有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄清。   啤酒发酵罐的结构示意图 发酵罐锥底角，考虑到发酵中酵母自然沉降最有利，取排出角为73~75°(一定体积沉降酵母在锥底中占有最小比表面积时摩接力最小)，对于贮酒罐，因沉淀物很少，主要考虑材料利用率常取锥角为120~150。 2，罐材料 大型C．C．T均采用碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成。啤酒是酸性液体，能造成铁的电化学腐蚀，啤酒发酵时产生的H2S、SO2对铁材料会造成氧化还原腐蚀。 不锈钢是一种含铬较多的合金，它之所以能够抗腐蚀，原因在于其表面能形成铬含量高、化学性质稳定的氧化层。铬钢中常加入镍、铝、钛、锰等元素，可以改善耐腐蚀性和工艺性能。啤酒厂(包括发酵罐)常用的是8Crl8Ni的不锈钢。提高铬、镍、钼含量可增加抗腐蚀性。 3，冷却夹套 先进的C．C．T均采用换热片式(爆炸成型)一次性冷媒直接蒸发式换热，一次性冷媒(如氨蒸发温度为-3~-4℃)蒸发后的压力在1.0MPa~1.2MPa，也就是说换热片需耐高压，制作困难。国内大多用低温低压(-3℃、0．03MPa)液态冷媒在半圆管、弧形管的夹套，或米勒板式夹套内流动换热。 冷却夹套的发酵罐或单酿罐内一般分成三段，上段距发酵液面15cm向下排列，中段在筒体的下部距支撑裙座15cm向上排列，锥底段尽可能接近排酵母口，向上排列。 啤酒冰点温度可按如下经验式计算：   C.C.T冷却面积分布 由于啤酒冰点温度为-2.0~-2.7℃。为了防止啤酒在罐内局部结冰，冷媒温度应在-3℃左右。国内常用20％~30％酒精水溶液，国内更多用20％丙二醇水溶液为二次冷媒。一次冷媒常用NH3。 罐体冷却面积由复杂传热计算求得。冷媒移走热量由三部分组成：发酵罐环境(露天)太阳的辐射热和环境传导热；啤酒发酵时，糖的有氧呼吸和厌氧发酵热；啤酒降温(0.4℃／h)放热。 啤酒发酵最大放热量为0.15g糖/h产生的热量。啤酒冷却(从+5℃-0℃)最大放热(0.3℃/h)并不重叠，而且由于降温放热大，实际计算是由第一部分和第三部分组成。 对于单酿C．C．T发酵，一次冷媒直接蒸发冷却，冷却面积(F)：发酵啤酒体积(V)＝F/V＝0.25~0.30，用二次冷媒冷却FV＝0.35~0.40。 4，隔热层和防护层 绝热层材料应具有：导热系数低、体积质量低、吸水小、不易燃等特性。啤酒C．C．T常用如下材料：绝热材料聚酰氨树脂，可现场喷涂发泡，施工方便，价格中等，但易燃。自熄式聚苯乙烯泡沫塑料是最佳绝热材料，但价格贵。采用上述两种绝热材料只需厚度150~200mm。膨胀珍珠岩粉和矿渣棉价格低，因吸水性大需增加厚度200~250mm。 外防护层一般采用0.7~1.5mm厚的合金铝板或0.5~0.7mm的不锈钢板，特别是瓦楞型板更受欢迎。 5，罐主要附件  C．C．T底部结构 在上中下三段冷却介质进口位置下装智能型铂温度传感器。在圆筒形下部装可清洗取样阀。温度传感器和取样管均需深入罐中300mm。罐顶部应有安全阀、真空破坏阀，CIP执行机构应装在液面上150mm。还应装上视镜、灯镜、空气和二氧化碳排出管等装置。 锥底有直径500mm的快开入孔。如做单酿罐应具有深入锥底800~1200mm的出酒管和排酵母底阀及四通视镜。 二、圆筒体锥底发酵罐发酵的优点 1，加速发酵 C．C．T发酵和传统发酵相比，由于发酵基质(麦汁)和酵母对流获得强化，可加速发酵。 C．C．T发酵由于罐高度要大于传统5~10倍，发酵液对流的三个推动力得到强化。①发酵罐底部产生CO2汽泡上升，对发酵液拖曳力大。②在发酵阶段，由于底部酵母细胞浓度大于罐上部，底部糖降快，酒精生成快，造成罐上、下部间密度差而造成对流。②在发酵时控制罐下部温度高于上部(差1~2℃)，由于温差引起热对流，特别在发酵后期第一、二推动力减小后，温差对流更能发挥作用。 在C．C．T发酵技术中，主发酵结束不排酵母，全部酵母参于后发酵中VDK的还原，特别是凝聚性差的酵母，发酵液有高浓度酵母参于VDK还原，大大缩短了还原时间。发酵温控自由，可以灵活采用各种温度(大多较高温度)下VDK的还原，更可以缩短后发酵周期。 传统发酵酿造周期，低温发酵需50d以上，快速发酵需25~30d，而C．C．T发酵如单酿罐发酵，酿造周期一般为16~22d，如两罐法发酵一般20~30d，即酿造周期可缩短1/3~1/2倍。可大幅度减少罐数，节省投资。 2，厂房投资节省 传统发酵必须在有绝热层的冷藏库内发酵和贮酒。C．C．T发酵可以大部分或全部在户外，而且罐数、罐总容积减少，厂房投资节省。 3，冷耗节省 C．C．T发酵冷却是直接冷却发酵罐和酒液，而且冷却介质在强制循环下，传热系数高。传统发酵和贮酒，冷量多消耗在冷却厂房、空气、操作人员和机器(如泵、电动机)、发酵罐支座等。根据计算和测定，C．C．T发酵比传统可节省40%~55%冷耗。 4，发酵罐清洗、消毒 传统发酵罐和贮酒罐基本上依赖人工清洗和消毒，根本无法实现自动化程序化。C．C．T发酵可依赖CIP自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到保证。 当然C．C．T发酵也有弱点。由于罐体比较高，酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般比传统低(只能使用5~6代)；贮酒时，澄清比较困难(特别在使用非凝聚性酵母)，过滤必须强化；若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要5~7d以上，短期贮酒不能保证温度一致。 四、圆筒体锥底发酵罐的计算（自学） 1，罐的容积及尺寸 2，罐数的确定 3，冷却面积的计算