厌氧发酵设备之欧阳物创编.docx

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厌氧发酵设备之欧阳物创编

4.6厌氧发酵设备

时间：

2021.02.07

命题人：

欧阳物

一、酒精发酵罐

厌氧发酵设备的特点是在发酵过程中不需通入氧气或空气，有时需通入二氧化碳或氮气等惰性气体以保持罐内正压，防止染菌，以及提高厌氧控制和提高醪液循环。

酒精发酵罐和啤酒发酵罐是最常见的厌氧发酵设备。

（一）酒精发酵罐的形式及构造

酒精厂所用的酒精发酵罐通常可分为密闭式和开放式两种。

密闭式酒精发酵罐的优点是：

可以防止杂菌感染，便于保温冷却及控制发酵温度，酒精产量多，损失少，可回收CO2，发酵率高；缺点是结构较复杂，造价较贵。

目前大多数厂都采用密闭式发酵罐。

密闭式酒精发酵罐有锥底和斜底之分，如图4-48所示。

酒精发酵罐罐身一般为圆柱形，罐顶采用锥形或碟形。

锥底酒精发酵罐如图4-49所示。

在大型酒精发酵罐内安装有冷却蛇管或纵横交错的直管，在罐顶外壁有一圈喷水冷却管，以利于维持发酵温度。

小型发酵罐通常只采用表面冷却。

酒精发酵罐的上部有顶盖及视镜，可观察发酵罐的表面现象。

进料管一般安装在罐的顶部，放料管安装在底部，二氧化碳排出管安装在罐顶部。

图4-48酒精发酵罐罐底形式

图4-49锥底酒精发酵罐

罐内常装有供加热杀菌用的直接蒸汽管。

大型酒精发酵罐的下部都开有人孔，以便工人进入罐内清洁及修理。

此外，在罐体的上、下段装有温度计及取样器，伸入罐内。

酒精发酵罐工作时，罐内不同高度的发酵液中CO2含量有所不同，发酵液中形成一个CO2含量的梯度，一般罐底CO2气泡密集程度较高，醪液相对密度小，罐上部液层CO2气泡密集程度较低，醪液相对密度大，于是相对密度小的底部发酵液就具有上浮的提升力，同时，上升的二氧化碳气泡对周围的液体也具有一种拖曳力，这拖曳力和液体上浮的提升力结合就构成气体搅拌作用，使罐内发酵液不断循环混合和热交换。

因此，酒精发酵罐一般不用配置机械搅拌器。

但当发酵罐体积较大，罐内产生的CO2气量较少时酒精发酵罐可配置侧向搅拌器，如图4-50所示。

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未彻底排除，工人入罐清洗就会发生中毒事故。

近年来，酒精发酵罐已逐步采用水力喷射洗涤装置，如图4-51所示，从而改善了工人的劳动强度和提高了操作效率。

水力洗涤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，喷水管借活络接头和固定供水管连接。

图4-50加装搅拌器的斜底酒精发酵罐

图4-51水力喷射洗涤装置

它是借喷水管两头喷嘴以一定的喷出速度而形成的反作用力，使水管自动旋转，在旋转过程中，喷水管内的洗涤水由喷水孔均匀喷洒在罐壁、罐顶和罐底上，从而达到水力洗涤的目的。

（二）酒精捕集器

在发酵过程中酒精蒸发损失量，一般为0.5％～0.8％。

为了收集这些随同CO2混合逸出的酒精蒸气，可在发酵车间内设置酒精捕集器回收酒精。

常用的酒精蒸气捕集器有填料式和泡盖式两种，其作用原理是：

利用酒精能易被水所吸收溶解的这一特性，当含有酒精的二氧化碳混合气与水接触时，其中所含的酒精蒸气很易被水吸收而成稀酒精溶液，从而达到回收的目的。

从酒精捕集器排出的稀酒液的浓度一般为1.5％～2.5％（质量分数）。

填料式酒精捕集器实际上就是一个填料吸收塔。

它是一个圆筒形的容器，内堆放一定厚度的填料层，所用的填料常为陶瓷环、玻璃或焦炭等，CO2以0.2～0.4m／s的速度经塔底的筛板（或栅板）上升，穿过填料层，与由塔顶喷淋而下的水接触，CO2气所携带之酒精蒸气被水吸收后变成稀酒液从塔底排出，被吸收了酒精的CO2气从塔顶排出。

填料或泡盖在捕集器的作用是增大气体与水之间的接触面积和接触时间。

（三）酒精连续发酵设备

酒精间歇式发酵的各个阶段全都在一个发酵罐内进行，其缺点是发酵周期长，管理分散，不便于自动化。

酒精连续发酵的新技术能较好地解决这些问题。

酒精连续发酵的方式是从最初的单罐连续发酵发展到多罐的串联连续发酵。

目前我国的糖蜜原料制酒精及淀粉质原料制酒精的连续发酵生产是采用多罐串联连续发酵。

1．糖蜜原料制酒精的连续发酵设备组合

图4-52是糖蜜制酒精的连续发酵流程，该流程由9个发酵罐组成，其容量视生产能力大小而定。

酵母和糖蜜同时连续流加入第一罐内，并依次流经各罐，最后从9号罐排出。

除了在酒母槽通入空气之外，在1号罐内也同样通入适量的空气，或增大酵母接种量，维持1号罐内工艺所要求的酵母数。

图4-52糖蜜制酒精连续发酵流程

连续发酵周期结束，则贮存于每罐的发酵液，先从末罐按逆向顺序依次排出，入蒸馏塔蒸馏。

而空罐则依次进行清洗灭菌待用。

为此，安装管路时，必须注意对各罐的轮换消毒。

二氧化碳则由各罐罐顶排入总汇集罐，再送往二氧化碳车间，进行综合利用。

2．淀粉质原料制酒精的连续发酵设备组合

图4-53是淀粉质原料制酒精连续发酵流程。

该流程由11个发酵罐组成，借连通管将各罐互相连接，糖化醪和液曲混合液同时连续平行流入前3罐。

在发酵过程中，发酵液由罐底流出，经连通管进入另一罐的上部，其余依次类推，最后流入最末的两罐计量，并轮流用泵送往蒸馏工段。

图4-53淀粉质原料制酒精连续发酵流程

发酵过程中所产生的二氧化碳气体借带有控制阀门的U形支管和总管相连，并引向液沫捕集器经分离除去泡沫后，再通过一个鼓泡式的水洗涤塔，经回收酒精后排入大气或二氧化碳综合利用车间。

各发酵罐都是密闭的，各罐底均有和总排污管相联接的排污支管，该管和蒸汽管相通，以便消毒和杀菌。

为尽可能减少染菌的几率，发酵罐和管道、管件以及阀门等都必须严格地进行消毒和杀菌。

连续发酵系统中，冷却装置面积满足酵母对数生长期的降温，维持恒定的发酵温度。

为了使连续发酵能稳定正常生产，酵母繁殖罐应能相继依次轮换。

只考虑一个罐是不恰当的，否则容易导致杂菌感染和残糖升高，从而使发酵条件恶化。

为使操作管理和控制方便，罐内装置自动清洗设备和适当配置自动仪表测量和记录是十分必要的。

二、啤酒发酵罐

（一）圆筒体锥底罐（简称锥底罐）

锥底罐是国内外广泛使用的设备。

其优点是：

（1）锥底罐是密闭罐，可作发酵罐，也可作贮酒罐，便于排放回收酵母，也可用二氧化碳洗涤，除去生青气味，促进啤酒的成熟。

同时，由于具备采取加压、升温的操作，生产灵活性大，可以缩短生产周期。

（2）本身有冷却夹套，容易控制发酵温度，可满足生产工艺要求。

尤其是锥底部分有冷却夹套，回收酵母方便，操作简单，卫生条件好。

图4-54圆筒体锥底罐

（3）有自动清洗设备，灭菌较彻底，杂菌污染机会少，有利于无菌操作，既节省生产费用，又降低了劳动强度。

（4）由于是加压密闭发酵，减少了酒花苦味质的损失，可降低酒花使用量的15％左右。

在加压密闭条件下，二氧化碳溶解较好，啤酒的泡沫较好，泡持性有所改善。

（5）自身有冷却装置，可以有效地控制发酵温度。

可置于室外以节约冷库面积。

结构较简单，投资费用较低。

（6）易于实现自动控制。

1．结构

锥底罐用不锈钢钢板制成，其结构如图4-54所示。

罐的上部封头设有人孔、视镜、安全阀、压力表、二氧化碳排出口；如果采用二氧化碳为背压，为了避免用碱液清洗时形成负压，可设置真空阀；罐体上部中央设不锈钢可旋转洗涤喷射器，具体位置要能使喷出水最有力地射到罐壁结垢最利害的地方。

圆筒体锥底罐本身设置冷却夹套进行冷却，其圆筒部分的冷却夹套一般分2～4段冷却，视罐体高度而定，圆锥部分根据要求设或不设冷却夹套。

冷却夹套是受压部件，加工工艺较复杂，制作费用较高。

如放置在露天，罐体保温绝热材料可采用聚氨酯泡沫塑料、脲醛泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料（要求自熄材料，以防止火灾）或膨胀珍珠岩矿棉等均可，厚100~200mm，具体厚度可根据当地气候选定。

如采用聚氨酯泡沫塑料作保温层，可采用直接喷涂，外层用水泥抹平；或采用成型的聚氨酯泡沫塑料进行敷装。

为了罐型美观和牢固，保温层外部可加设薄铝板外套，或镀锌铁板保护，外涂银粉。

大型发酵罐和贮酒设备的机械洗涤，现在多使用自动清洗系统，简称CIP系统（cleaninplace）、设有碱液罐、热水罐、甲醛溶液罐和循环用的管道和泵；洗涤剂可以反复使用，浓度不够时可以添加补充。

（二）大直径露天贮酒罐

大直径露天贮酒罐，又称通用罐，联合罐，既可作发酵罐，又可作贮酒罐，对缩短生产周期，节省投资和生产费用有显著效果。

大直径罐的直径与罐高之比远较圆筒体锥底罐为大。

由于罐的高度较低，耐压强度较低，适于作贮酒罐用。

大直径罐一般只要求贮酒保温，没有较大的降温要求，因而其冷却面积较锥底罐为小，安装基础也较前者简单。

图4-5554米3大直径贮酒罐结构示意图

大直径罐为直立圆柱形罐、顶部封头为椭球形或碟形、锥形或浅锥形底以便回收酵母等沉淀物和排除洗涤水。

因其表面积与容量之比较小，罐的造价较低，罐的中上部设有一段冷却夹套，采用乙二醇溶液或液氨冷却。

由于冷却夹套在中上部，当上部酒液冷却后，密度增加，沿罐壁下降，底部酒液从罐中心上升，形成对流，使罐内温度均匀。

为了加强酒液冷却时的自然对流，在罐的底部酵母层的上方设置一个二氧化碳喷射环，环上二氧化碳喷孔的孔径在1mm以下。

当二氧化碳在罐中心向上鼓泡时，酒液运动的结果，使底部出口处的酵母浓度增加，便于回收，同时挥发性物质被二氧化碳带走，二氧化碳可回收。

罐顶部设有自动清洗装置，在生产过程中被浸没在酒液中。

并设浮球带动一出酒管，滤酒时可以使上部澄清液先流出。

罐顶设安全阀，必要时设真空阀。

大直径罐材料、绝热层、过滤送酒装置、辅助设备及自动系统与锥底罐相同。

（三）啤酒的连续发酵设备

已投入生产使用的连续发酵方法有塔式连续发酵和多罐式连续发酵。

国外多罐式连续发酵多使用在上面发酵啤酒。

国内试验生产多用塔式连续发酵设备。

1．搅拌式多罐型啤酒连续发酵

以搅拌式多罐型啤酒连续发酵为例，其工艺和设备流程如图4-56所示。

搅拌式多罐型啤酒连续发酵操作过程为：

麦汁冷却后，送入0℃贮存罐贮存，使用前再经薄板换热器灭菌、冷却，使20～21℃冷麦汁进入倒置U形管充氧；顺次进入发酵罐Ⅰ、加入酵母，搅匀发酵，使发酵度达50％左右，即进入发酵罐Ⅱ，待发酵度达要求后，在酵母分离罐冷却，使酵母沉淀，酵母从罐底排出，CO2从罐上部排出，啤酒从侧管溢流，送入贮酒罐贮存，成熟后过滤灌装。

发酵罐多用不锈钢材料。

图4-56搅拌式三罐型啤酒连续发酵工艺流程

缺点是消耗动力大，耗冷量也大。

2．塔式连续发酵

塔式连续发酵开始时，先分批加入经处理的无菌麦芽汁。

无菌麦芽汁从塔底进入，经塔内多孔板折流，使麦芽汁均匀地分布到塔内各截面。

麦芽汁在塔内一边上升，一边发酵，直至满塔为止。

培养并使其达到要求的酵母浓度梯度后，用泵连续泵入麦芽汁。

必须控制好麦芽汁在塔内的流速，流速低，发酵度高，但产量少；流速过高，溢流的啤酒发酵度不足，并会将酵母带出（冲出），使发酵过程受阻。

图4-57塔式连续发酵生产啤酒流程

图4-58啤酒塔式发酵罐（单位：

mm）

连续发酵到一定时间后，酵母会发生自溶，死亡率增高，啤酒内氨基氮含量上升，此时，可在塔底排出部分老酵母，仍可继续进行发酵。

连续发酵过程中，须经常从塔底通入CO2，以保持酵母柱的疏松度。

发酵温度是通过塔身周围三段夹套或盘管的冷却来控制的。

塔顶的圆柱部分是沉降酵母的离析器装置，用以减少酵母随啤酒溢流而损失，使酵母浓度在塔身形成稳定的梯度，以保持恒定的代谢状态。

如麦汁流速过高时，酵母层会上移。

时间：

2021.02.07

命题人：

欧阳物