生物工程设备3第三章嫌气发酵设备课件.ppt

1、“课堂展示与讨论课课堂展示与讨论课”通知通知 基本要求：报告主题：某生物制品发酵设备与工艺控制PPT不少于25分钟准备问题：35个讨论：10-15分钟总结:5分钟考核：参与展示、回答问题同学计入平时成绩名额：4人，自主报名或推荐第三章第三章 嫌气发酵设备嫌气发酵设备u发酵设备是发酵工厂中主要的设备，它提供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长代谢的场了一个适应微生物生命活动和生长代谢的场所。所。u由于微生物分由于微生物分厌氧和通风两大类，和通风两大类，故供微生故供微生物生存和代谢的生产设备也就各不相同。物生存和代谢的生产设备也就各不相同。u不论厌氧或通风发酵设备，

2、除了满足微生物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。要求以及加工制造难易程度等因素。本章主要内容本章主要内容第一节第一节 酒精发酵设备酒精发酵设备第二节第二节 啤酒发酵设备啤酒发酵设备第三节第三节 连续发酵设备连续发酵设备第一节第一节 酒精发酵设备酒精发酵设备 满足酒精发酵的工艺要求 满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件 将发酵产生的热量及时移走 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。一、酒精发酵罐的结构一、酒精发酵罐的结构1.基本结构基本结构 酒精发酵罐筒体为

3、圆柱形 底盖和顶盖均为碟形或锥形的 立式金属容器 罐顶装有废气回收管，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2.发酵罐的冷却装置发酵罐的冷却装置 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；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。此外，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。酒精罐内装有却蛇管酒精罐内装有却蛇管3.发酵罐的洗涤装置

4、发酵罐的洗涤装置u大型酒精发酵罐采用水力喷射洗涤装置；大型酒精发酵罐采用水力喷射洗涤装置；u水力喷射水力喷射：开孔46mm 与水平呈20o夹角，洗涤压力0.60.8MPa，4856r/min，5min可完成洗涤作业。二、酒精发酵罐的计算二、酒精发酵罐的计算1.发酵罐结构尺寸的确定发酵罐结构尺寸的确定u发酵罐全容积的计算：发酵罐全容积的计算：带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为2.发酵罐罐数的确定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：u传统发酵设备：传统发酵设备：在室内，产量较小，分为：前酵设备(主发酵)：敞口发酵槽 钢筋水泥，内贴瓷砖，防渗处

5、理。后发酵设备：密闭发酵罐 立式和卧式，碳钢涂料u 现代发酵设备：现代发酵设备：立式圆柱锥形罐(锥形罐)、朝日罐 联合罐 不锈钢 容量大型化 （优点：（优点：啤酒质量一致；罐数少，易管理，设备投资相应减少。啤酒质量一致；罐数少，易管理，设备投资相应减少。）第二节第二节 啤酒发酵设备啤酒发酵设备 啤酒前/后发酵设备u传统的啤酒发酵设备是由分别设在发酵间的发酵池（槽）发酵池（槽）和贮酒间内的贮酒罐贮酒罐组成的。啤酒作坊啤酒作坊前發酵池前發酵池前发酵槽前发酵槽u结构特点：结构特点：槽底部有坡度易排水；距槽底1015cm嫩啤酒 排出管；可拆卸；罐内有冷却蛇管，一般每m3发酵液需0.2m2 的冷却面积。

6、管内通冰水 制冷剂（一般用液氨）。前发酵槽数目的计算前发酵槽数目的计算:l 在一个发酵槽可容纳一次麦芽质量的前提下，发酵槽的数在一个发酵槽可容纳一次麦芽质量的前提下，发酵槽的数目可按下式计算：目可按下式计算：l若单个发酵槽可容纳糖化一次麦芽汁量的整倍数，则发酵槽若单个发酵槽可容纳糖化一次麦芽汁量的整倍数，则发酵槽 的数目可按下式计算：的数目可按下式计算：u前发酵槽体积的计算前发酵槽体积的计算:前发酵槽体积的确定：考虑泡沫空间，计算糖化一次麦汁的量，即可 确定发酵槽的总体积V：Vo糖化一次麦汁量糖化一次麦汁量 Z一个发酵槽容纳一次麦汁的倍数。一个发酵槽容纳一次麦汁的倍数。装液系数，取装液系数，取

7、0.80.85 3OZVVm后发酵槽后发酵槽u 后发酵槽又称储酒罐储酒罐，作用是完成嫩啤酒继续发酵，饱和二氧化碳，促进啤酒的稳定、澄清和成熟。其容量应和啤酒过滤设备能力匹配。u结构特点结构特点：材料材料:以前用以前用A3钢板钢板,内涂防腐层内涂防腐层.也有用铝板也有用铝板 现多用复合钢板现多用复合钢板 圆筒形金属容器：卧式和立式圆筒形金属容器：卧式和立式储酒罐的形式储酒罐的形式传统储酒罐u后发酵槽数目的计算：后发酵槽数目的计算：若选定每个后发酵槽的容量后，根据后发酵槽的总有效容若选定每个后发酵槽的容量后，根据后发酵槽的总有效容积，可确定后发酵槽数目（积，可确定后发酵槽数目（N）：l 后发酵槽的

8、有效容积，主要根据啤酒的年产量、后发酵槽的有效容积，主要根据啤酒的年产量、啤酒的品种、贮酒期啤酒的品种、贮酒期(酒龄酒龄)确定确定u后发酵槽的全体积计算：后发酵槽的全体积计算：若已知每个后发酵槽的有效体积若已知每个后发酵槽的有效体积(Vs)和该槽的装填和该槽的装填系数，则可以确定后发酵槽的全体积系数，则可以确定后发酵槽的全体积(V0)：现代啤酒发酵设备u目前圆筒体锥底罐在露天大罐工艺中使用最为普遍简称露天锥形发酵罐。巴氏消毒成品包装熟啤酒生啤一、圆筒体锥底罐圆筒体锥底罐 又简称锥形罐又简称锥形罐l 最大特点在于大型化，容积从最大特点在于大型化，容积从 100-600 M3(国内也有小型国内也有

9、小型60 M3)l 应用最广泛应用最广泛l 能缩短发酵时间，且具有生产上的能缩短发酵时间，且具有生产上的灵活性灵活性。l 造价最高造价最高 1.锥形罐锥形罐的外型特点的外型特点l 外筒体蝶形或拱形盖，锥形体底外筒体蝶形或拱形盖，锥形体底，罐筒体壁和锥底装有各种形式的冷却夹套。l 筒体直径筒体直径(D)和筒体高度和筒体高度(H)是主要特性是主要特性参数参数。对单酿罐一般是D：H1：12;对两罐法的发酵罐D：H1：34，对两罐法的贮酒罐D：H1：12,也有采用直径为34m的卧式圆简体罐作贮酒罐。增加高度（H）有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄清。l 发酵罐锥底角发酵罐锥底角:考虑到发酵中酵母

10、自然沉降最有利，取排出角为7375(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).l 贮酒罐锥底角贮酒罐锥底角:因沉淀物很少，主要考虑材料利用率常取锥角为120150。2.罐材料罐材料l 大型锥形罐均采用碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成。l 啤酒是酸性液体，能造成铁的电化学腐蚀，啤酒发酵时产的H2S、SO2对铁材料会造成氧化还原腐蚀。3.冷却夹套冷却夹套 先进的锥形罐均采用换热片式(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1.0MPa1.2MPa，也就是说换热片需耐高压。发酵罐或单酿罐内的冷却夹套一般分成三段，上段距发酵液面15cm向下排列

11、，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。4.隔热层和防护层隔热层和防护层 隔热层材料隔热层材料应具有：导热系数低、体积质量低、吸水小、不易燃等特性。啤酒锥形罐隔热层常用如下材料：聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料，采用上述两种绝热材料只需厚度150200mm。膨胀珍珠岩粉和矿渣棉价格低，因吸水性大需增加厚度200250mm。l外防护层：外防护层：一般采用0.71.5mm厚的合金铝板或0.50.7mm的不锈钢板，特别是瓦楞型板更受欢迎5.罐主要附件罐主要附件 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。罐顶部应有安全阀

12、、真空破坏阀。在液面上150mm 装有CIP装置。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的快开人孔。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。啤酒锥形罐的优点啤酒锥形罐的优点 加速发酵，锥形发酵罐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。厂房投资节省。冷耗节省。锥形发酵罐发酵可依赖CIP自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到保证。6.圆筒体锥底发酵罐的优缺点圆筒体锥底发酵罐的优缺点啤酒锥形罐的缺点啤酒锥形罐的缺点l 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56代)；l 贮酒时

13、，澄清比较困难(特别在使用非凝聚性酵母)，过滤必须强化；l 若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要57d以上，短期贮酒不能保证温度一致。二、联合罐二、联合罐 又称通用罐又称通用罐（适用前酵后酵或多罐法（适用前酵后酵或多罐法/一罐法）一罐法）l 结构特点结构特点（1）浅锥底、大直径发酵罐）浅锥底、大直径发酵罐 （高径比（高径比:1:11.3）（2）罐体耐压）罐体耐压 （0.0703MPa）（3）材料）材料:普通钢板普通钢板+涂料涂料 或不锈钢或不锈钢 用途：与发酵罐相同，既用于前后发酵，用途：与发酵罐相同，既用于前后发酵，也能用于多罐法及一罐法生产。也能用于多罐法及一罐法生产。主体：是

14、一个圆柱体。由带人孔的薄壳垂主体：是一个圆柱体。由带人孔的薄壳垂直圆柱体，拱形顶有足够斜度、锥底所组直圆柱体，拱形顶有足够斜度、锥底所组成；罐体采用厚的保温层。成；罐体采用厚的保温层。搅拌：可用机械搅拌，也可以通过对罐搅拌：可用机械搅拌，也可以通过对罐 体体的精心设计达到同样的搅拌作用。的精心设计达到同样的搅拌作用。三、朝日罐三、朝日罐 又称朝日单一酿槽（前酵后酵合一的室外大型发酵罐）l 高径比12:1l 罐材:46mm不锈钢板l 主要特点：（1）利用离心机回收酵母（2）薄板换热器控制温度（3）利用循环泵抽送发酵液(4)发酵时罐的装量达，提高设备利用率。CIP清洗系统清洗系统 CIP系统是Cl

15、ean In Place的简称，即内部清洗系统（自动化的喷洗装置）内部清洗系统（自动化的喷洗装置）。下图是两个容积为800m3，安装在室外的发酵罐的CIP清洗系统的联接流程。CIP清洗系统流程清洗系统流程CIP清洗系统清洗系统啤酒罐内胆啤酒罐 啤酒罐外部小型啤酒发酵车间小型发酵车间小型试验车间銅製糖化鍋精美的糖化室德国德国慕尼黑皇家啤酒屋.武汉新天地武汉新天地-海归博士后打造正统德国巴伐利亚啤酒屋海归博士后打造正统德国巴伐利亚啤酒屋-邬红华第三节第三节 连续发酵设备连续发酵设备u连续发酵：连续发酵：在发酵罐内连续不断的流加培养液，同时又连续不断的排除发酵液，使发酵罐内微生物一直维持在生长加速期

16、，同时又降低了代谢产物的积累，缩短了发酵周期，提高了设备的利用率，这种发酵方式称为连续发酵。u 优点：优点：（1）培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，从而保证产品质量的和产量的稳定；（2）发酵周期短，设备利用率和产量较高，节省人力和物力以及生产管理稳定，便于自动化生产等优点。一、酒精连续发酵流程一、酒精连续发酵流程 上世纪5070年代开始,首先在糖蜜原料实现连续发酵,然后是淀粉原料酒精连续发酵。连续发酵可持续时间连续发酵可持续时间20d 发酵液酵母数维持发酵液酵母数维持0.61.0亿亿/ml时时,发酵周期发酵周期34h。发酵液酒精含量发酵液酒精含量 达到达到9%10%,发酵率发酵率85%淀粉质原

17、料连续发酵工艺流程淀粉质原料连续发酵工艺流程淀粉质原料连续发酵流程淀粉质原料连续发酵流程(1)(1)操作开始：糖液及酵母同时加入操作开始：糖液及酵母同时加入1-31-3罐至满，停止加酵母，继续加糖液，开底部阀使罐至满，停止加酵母，继续加糖液，开底部阀使发酵液流入发酵液流入4 4号，号，4 4号流入号流入5 5号，至号，至9 9号结束，周期号结束，周期3232小时，小时，1010、1111号为贮存计量罐，轮号为贮存计量罐，轮用。用。(2)(2)操作结束：换罐（换种），停止流加糖液，关操作结束：换罐（换种），停止流加糖液，关1 1号二氧化碳阀，泵转入号二氧化碳阀，泵转入2 2号，号，1 1号消毒并

18、号消毒并加新种新料重新开始，加新种新料重新开始，1 1号满时，号满时，2 2号经泵排尽并消毒好，号经泵排尽并消毒好，1 1号流入号流入2 2号，如止下去，号，如止下去，2020天换种一次。天换种一次。(3)(3)1-31-3号罐为流加罐，始终处于主发酵状态，在这一阶段中酵母处增殖阶段，并同时随号罐为流加罐，始终处于主发酵状态，在这一阶段中酵母处增殖阶段，并同时随着发酵醪中的淀粉和糊精继续被糖化而后几个罐则起后发酵的作用。着发酵醪中的淀粉和糊精继续被糖化而后几个罐则起后发酵的作用。1010、1111号为计量号为计量罐。罐。u连续发酵流程：连续发酵流程：塔式塔式和多罐式和多罐式u使用连续发酵的啤酒

19、厂使用连续发酵的啤酒厂：新西兰啤酒厂（三罐和四罐）新西兰啤酒厂（三罐和四罐）英国英国 （塔式罐）（塔式罐）上海啤酒厂上海啤酒厂 （塔式罐）（塔式罐）u连续发酵缺点：连续发酵缺点：双乙酰含量高双乙酰含量高微生物变异微生物变异 染菌染菌二、啤酒连续发酵流程二、啤酒连续发酵流程u塔式连续发酵是上世纪塔式连续发酵是上世纪6060年年 代英国代英国APVAPV公司开始设计公司开始设计,又称又称APVAPV连续发酵流程连续发酵流程u右图为啤酒塔式连续发酵流程右图为啤酒塔式连续发酵流程 主要设备：塔式发酵罐主要设备：塔式发酵罐 塔身直径塔身直径1.8m,高高15m 塔底锥角塔底锥角60 罐容积罐容积45 M

20、3国内某厂啤酒塔式发酵罐国内某厂啤酒塔式发酵罐 冷却：将麦芽汁冷却到冷却：将麦芽汁冷却到20-2120-21；装量：装量：1 1号发酵罐号发酵罐26 m26 m3 3，2 2号发酵罐号发酵罐26 m26 m3 3，3 3号分离罐号分离罐14m14m3 3；麦汁流速：每小时麦汁流速：每小时2.4 m2.4 m3 3；温度：温度：1 1号号21 21，2 2号号2424，3 3号号3-73-7；麦汁停留时间：每罐停留时间麦汁停留时间：每罐停留时间10-13h10-13h；酵母浓度：酵母浓度：1 1号号5.45.4*10107 7个个 /ml/ml，2 2号号6 6*10107 7个个/ml/ml，3 3号号2 2*10107 7个个 /ml/mlpHpH：1 1号号4.04.0，2 2号号3.93.9u 三罐式啤酒连续发酵流程三罐式啤酒连续发酵流程本章总结本章总结1.酒精发酵罐的主要结构特点酒精发酵罐的主要结构特点2.现代啤酒发酵设备的主要类型现代啤酒发酵设备的主要类型3.圆筒体锥底发酵罐的主要结构特点圆筒体锥底发酵罐的主要结构特点4.圆筒体锥底发酵罐的优缺点圆筒体锥底发酵罐的优缺点