1、第六章第六章 发酵生产设备发酵生产设备第一节第一节 厌氧（嫌气）发酵设备厌氧（嫌气）发酵设备 第二节第二节 好氧（通风）发酵设备好氧（通风）发酵设备 第三节第三节 连续式发酵的设备系统连续式发酵的设备系统第四节第四节 发酵设备的设计与放大发酵设备的设计与放大 第六章第六章 发酵生产设备发酵生产设备在发酵工程中的地位和作用在发酵工程中的地位和作用发酵工程中的发酵生产设备主要是指发酵罐，发酵罐又称发酵工程中的发酵生产设备主要是指发酵罐，发酵罐又称生物反应器或生化反应器，它在发酵过程中占据中心地位，生物反应器或生化反应器，它在发酵过程中占据中心地位，是现代生物技术产业化的关键设备。是现代生物技术产业
2、化的关键设备。发酵新技术和新产品的不断涌现（如：高密度培养新技术发酵新技术和新产品的不断涌现（如：高密度培养新技术和利用基因工程菌种发酵新产品），对发酵设备的要求越来和利用基因工程菌种发酵新产品），对发酵设备的要求越来越高。越高。一些交叉学科逐渐形成（如：化学工程和生物学交叉形成一些交叉学科逐渐形成（如：化学工程和生物学交叉形成了生化工程学科；生物学、化学和工程学交叉形成了生物技了生化工程学科；生物学、化学和工程学交叉形成了生物技术学科）对发酵设备的放大、发酵罐的研制及发酵过程的控术学科）对发酵设备的放大、发酵罐的研制及发酵过程的控制起着巨大的推动作用。制起着巨大的推动作用。历史与发展历史与发
3、展20世纪初，出现了世纪初，出现了200m3的钢质发酵罐，在面包酵母发酵的钢质发酵罐，在面包酵母发酵中开始使用空气分布器和机械搅拌装置。中开始使用空气分布器和机械搅拌装置。1944年，第一个大规模工业化生产青霉素的工厂投产，发年，第一个大规模工业化生产青霉素的工厂投产，发酵罐体积酵罐体积54m3，标志着发酵工业进入一个新的阶段。，标志着发酵工业进入一个新的阶段。随后，机械搅拌、通气、无菌操作、纯种培养等一系列技随后，机械搅拌、通气、无菌操作、纯种培养等一系列技术逐渐完善起来，并出现了耐高温在线连续测定的术逐渐完善起来，并出现了耐高温在线连续测定的pH电极电极和溶氧电极，开始利用计算机进行发酵过
4、程控制。和溶氧电极，开始利用计算机进行发酵过程控制。19601979年，机械搅拌通气发酵罐的容积增大到年，机械搅拌通气发酵罐的容积增大到80150m3，由于大规模生产单细胞蛋白的需要，出现了压力循，由于大规模生产单细胞蛋白的需要，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中得到广泛环和压力喷射型发酵罐，计算机开始在发酵工业中得到广泛应用。应用。1979年后，随着生物工程技术的迅猛发展，大规模细胞培年后，随着生物工程技术的迅猛发展，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商品养发酵罐应运而生。胰岛素、干扰素等基因工程的产品商品化，对发酵罐的严密性、运行可靠性的要求
5、越来越高。发酵化，对发酵罐的严密性、运行可靠性的要求越来越高。发酵过程的计算机控制和自动化应用已十分普遍。过程的计算机控制和自动化应用已十分普遍。pH电极、溶电极、溶氧电极、溶解氧电极、溶解C02电极等在线检测在国外已相当成熟。电极等在线检测在国外已相当成熟。实验室研究型发酵罐一般为实验室研究型发酵罐一般为150L，其中，其中1.210L的实验的实验室小型发酵罐可由玻璃制成。室小型发酵罐可由玻璃制成。 10L以上发酵罐由不锈钢材料以上发酵罐由不锈钢材料制成。制成。中试规模发酵罐一般中试规模发酵罐一般505000L。生产规模发酵罐趋于大。生产规模发酵罐趋于大型化（如：废水处理型化（如：废水处理2
6、700m3，单细胞蛋白，单细胞蛋白1500 m3，啤酒，啤酒600m3，柠檬酸，柠檬酸200m3）。）。 历史与发展历史与发展 l第一阶段第一阶段:1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。的温度和热交换仪器。l第二阶段第二阶段:1900-1940年，出现了年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。小型的发酵罐中。l第三阶段第三阶段:1940-1960年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种年，机械搅拌、通风，
7、无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。分离和纯化设备逐步实现商品化。l第四阶段第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的
8、发酵罐，它可以克服一些气体了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服一些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。用。l第五阶段第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐发酵工业提出了新的课题。于是，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。应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。 设备类型设备类型根据菌种生理特性：根据菌种生理特性：根据发酵培养基性质：根据发酵培养基性质：根据发酵培养基厚度
9、：根据发酵培养基厚度：根据工艺操作：根据工艺操作：厌氧（嫌气）发酵设备；厌氧（嫌气）发酵设备； 好氧（通风）发酵设备。好氧（通风）发酵设备。固体发酵设备；固体发酵设备； 液体发酵设备。液体发酵设备。浅层发酵设备；浅层发酵设备；深层发酵设备。深层发酵设备。分批式发酵设备；分批式发酵设备；连续式发酵设备。连续式发酵设备。 其中，好氧液体深层发酵设备在发酵工业中应用最多、其中，好氧液体深层发酵设备在发酵工业中应用最多、最广泛。最广泛。 在好氧液体深层发酵设备中，又有在好氧液体深层发酵设备中，又有机械搅拌通风发酵设机械搅拌通风发酵设备备（包括：循环式的伍式发酵罐和文氏管发酵罐、非循环式（包括：循环式的
10、伍式发酵罐和文氏管发酵罐、非循环式的通风式发酵罐和自吸式发酵罐）和的通风式发酵罐和自吸式发酵罐）和非机械搅拌通风发酵设非机械搅拌通风发酵设备备（包括：循环式的气提式发酵罐和液体式发酵罐、非循环（包括：循环式的气提式发酵罐和液体式发酵罐、非循环式的排管式发酵罐和喷射式发酵罐）。式的排管式发酵罐和喷射式发酵罐）。 目前，最新型的目前，最新型的超滤式发酵罐超滤式发酵罐已开始在发酵工业中崭露已开始在发酵工业中崭露头角，即成熟的发酵液通过一个超滤膜，使产物通过膜系统头角，即成熟的发酵液通过一个超滤膜，使产物通过膜系统进行分离提取，酶可以通过管道返回发酵罐继续发酵，新鲜进行分离提取，酶可以通过管道返回发酵
11、罐继续发酵，新鲜培养基可以连续加入罐内。培养基可以连续加入罐内。 第一节第一节 厌氧（嫌气）发酵设备厌氧（嫌气）发酵设备一一. 厌氧（嫌气）固体发酵设备厌氧（嫌气）固体发酵设备 二二. 厌氧（嫌气）液体发酵设备厌氧（嫌气）液体发酵设备 一一. . 厌氧固体发酵设备厌氧固体发酵设备 我国传统发酵工业中的白酒我国传统发酵工业中的白酒和黄酒的酿造均采用厌氧固和黄酒的酿造均采用厌氧固体发酵法，工艺独特，其主体发酵法，工艺独特，其主要设施设备包括：发酵室、要设施设备包括：发酵室、发酵槽（池）或发酵缸。发酵槽（池）或发酵缸。二二. 厌氧液体发酵设备厌氧液体发酵设备（一）（一）酒精发酵设备酒精发酵设备 酒精
12、发酵设备的变迁过程酒精发酵设备的变迁过程材料由木桶材料由木桶钢筋水泥发酵池（槽钢筋水泥发酵池（槽 ） 碳钢发酵罐（内刷防腐涂料）碳钢发酵罐（内刷防腐涂料） 不锈钢发酵罐。不锈钢发酵罐。发酵容器由开放式发酵容器由开放式密闭式。密闭式。密闭式的发酵容器由立式圆柱碟形发酵罐密闭式的发酵容器由立式圆柱碟形发酵罐立式圆柱锥形发酵罐立式圆柱锥形发酵罐立式立式圆柱斜底形发酵罐圆柱斜底形发酵罐 卧式圆柱形发酵罐。卧式圆柱形发酵罐。不同规模的生产企业采用的不同酒精发酵设备不同规模的生产企业采用的不同酒精发酵设备中小型酒精生产企业一般采用传统的中小型酒精生产企业一般采用传统的500m3以下的以下的立式圆柱碟形或锥
13、形立式圆柱碟形或锥形发酵罐发酵罐。大型酒精生产企业一般采用新型的大型酒精生产企业一般采用新型的500m3以上的以上的立式圆柱斜底形发酵罐。立式圆柱斜底形发酵罐。 500m3以上的发酵罐是以上的发酵罐是20世纪世纪90年代之后才逐渐发展起来的。目前，美国年代之后才逐渐发展起来的。目前，美国最大的最大的立式圆柱斜底形发酵罐，容积已达立式圆柱斜底形发酵罐，容积已达4200m3。而。而卧式圆柱形发酵罐卧式圆柱形发酵罐正在推广应用之中。正在推广应用之中。 1. 传统的酒精发酵设备传统的酒精发酵设备立式圆柱碟形或锥形发酵罐立式圆柱碟形或锥形发酵罐 （如图（如图6-1-1） 形状结构：形状结构：罐体为圆柱形
14、，顶盖和底盖为弧形或罐体为圆柱形，顶盖和底盖为弧形或锥形，圆柱体径高比为锥形，圆柱体径高比为1:22.5。在酒精发酵过程中，为了回收在酒精发酵过程中，为了回收CO2及及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。密闭式。罐顶装有人孔窥镜罐顶装有人孔窥镜7、 CO2回收管回收管4、进料管和接种管进料管和接种管6、压力表、压力表3、喷淋洗、喷淋洗涤水入口涤水入口5等。等。罐底装有发酵液和污水排出口罐底装有发酵液和污水排出口12、喷、喷淋水收集槽淋水收集槽10和喷淋水出口和喷淋水出口11。罐身上、下部装有取样口罐身上、下部装有取样口2和温度计和温度计接口接口9。对于大型发
15、酵罐，为了便于维修和清对于大型发酵罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐底装有人孔。洗，往往在近罐底装有人孔。图图6-1-1 酒精发酵罐酒精发酵罐 1-冷却水入口；冷却水入口；2-取样口；取样口；3-压力表；压力表；4-CO2气体出口气体出口;5-喷淋水入口；喷淋水入口；6-料液及酒母入口；料液及酒母入口；7-人孔；人孔；8-冷却水出口；冷却水出口；9-温度计；温度计；10-喷淋水收集槽；喷淋水收集槽；11-喷淋水出口；喷淋水出口；12-发酵液及污水排出口发酵液及污水排出口 发酵罐的冷却装置发酵罐的冷却装置对于中小型发酵罐，多采对于中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面用罐顶喷水淋于罐外壁表面
16、进行膜状冷却。进行膜状冷却。对于大型发酵罐，罐内装对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。蛇外壁喷洒联合冷却装置。蛇管冷却面积管冷却面积0.25m2/m3发酵发酵醪液。醪液。 为了避免发酵车间的潮湿为了避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部和和积水，要求在罐体底部和罐体四周装有集水槽。罐体四周装有集水槽。 图图6-1-1 酒精发酵罐酒精发酵罐 1-冷却水入口；冷却水入口；2-取样口；取样口；3-压力表；压力表；4-CO2气体出口气体出口;5-喷淋水入口；喷淋水入口；6-料液及酒母入口；料液及酒母入口；7-人孔；人孔；8-冷却水出口；冷却水出
17、口；9-温度计；温度计；10-喷淋水收集槽；喷淋水收集槽；11-喷淋水出口；喷淋水出口；12-发酵液及污水排出口发酵液及污水排出口发酵罐的洗涤（发酵罐的洗涤（如图如图6-1-2、图、图6-1-3）近年来，已逐渐采用水力喷淋洗涤装置，从而减少了劳近年来，已逐渐采用水力喷淋洗涤装置，从而减少了劳动强度，提高了生产效率。动强度，提高了生产效率。水力喷淋洗涤器是一根直立的喷水管，沿轴方向安装于水力喷淋洗涤器是一根直立的喷水管，沿轴方向安装于罐的中央，在垂直喷水管上按一定间距均匀钻有罐的中央，在垂直喷水管上按一定间距均匀钻有46mm的小孔，孔与水平呈的小孔，孔与水平呈20角。角。水平喷水管借助于活接头上
18、端和喷水总管相连，洗涤水水平喷水管借助于活接头上端和喷水总管相连，洗涤水压为压为0.60.8Mpa。水流在较高的压力下，由水平喷水管出。水流在较高的压力下，由水平喷水管出口处喷出，使其以口处喷出，使其以4856r/min的速度自动旋转，并以极大的速度自动旋转，并以极大的速度喷射到罐壁各处。而垂直喷水管也以同样的水流速的速度喷射到罐壁各处。而垂直喷水管也以同样的水流速度喷射到罐体四壁和罐底。因此，在度喷射到罐体四壁和罐底。因此，在5分钟内就可完成洗涤分钟内就可完成洗涤作业。作业。图图6-1-2 水力喷淋洗涤器水力喷淋洗涤器 图图6-1-3 水力喷淋洗涤装置水力喷淋洗涤装置 2. 现代大型酒精发酵
19、设备现代大型酒精发酵设备 立式圆柱斜底形发酵罐立式圆柱斜底形发酵罐（如图（如图6-1-4） 形状结构形状结构罐身呈圆柱形，罐底斜面与水平罐身呈圆柱形，罐底斜面与水平面成面成512，罐的径高比为，罐的径高比为1:1，罐容量可达罐容量可达30004200m3 。罐外设有冷却水夹层、保温层和罐外设有冷却水夹层、保温层和发酵醪液的循环装置；罐内设有发酵醪液的循环装置；罐内设有CIP （Clean In Place）原位清洗）原位清洗自动控制系统自动控制系统 ；罐顶为碟形或锥；罐顶为碟形或锥形，设有醪液入口、试镜、形，设有醪液入口、试镜、 CO2排出口、排出口、 CIP 清洗液入口；罐底清洗液入口；罐底
20、设有醪液入口和搅拌装置。设有醪液入口和搅拌装置。图图6-1-4 立式圆柱斜底形发酵罐立式圆柱斜底形发酵罐 特点特点 与传统的圆柱碟形或锥形发酵罐相比，具有以下优点：与传统的圆柱碟形或锥形发酵罐相比，具有以下优点：容量大，可达容量大，可达30004200m3 。 采用新型体外换热方法与设备，例如采用薄板冷却器通过采用新型体外换热方法与设备，例如采用薄板冷却器通过体外循环方式进行换热，以维持正常的发酵温度。体外循环方式进行换热，以维持正常的发酵温度。 无需高温蒸汽消毒灭菌，而是采用无需高温蒸汽消毒灭菌，而是采用CIP （Clean In Place）原位清洗自动控制系统原位清洗自动控制系统 ，即碱
21、洗、酸洗、清水洗涤即可，可，即碱洗、酸洗、清水洗涤即可，可节约大量能源节约大量能源 。基建费用降低。基建费用降低。（二）丙酮（二）丙酮丁醇发酵罐丁醇发酵罐丙酮丙酮丁醇发酵罐与酒精发酵罐类似，但比酒精发丁醇发酵罐与酒精发酵罐类似，但比酒精发酵罐高，罐身需要耐高压，罐壁较厚，用钢板制成。酵罐高，罐身需要耐高压，罐壁较厚，用钢板制成。由于灭菌要求较高，顶盖和底部采用球形封头，罐由于灭菌要求较高，顶盖和底部采用球形封头，罐内表面平整光滑。内表面平整光滑。采用表面喷淋冷却。采用表面喷淋冷却。（三）（三）啤酒发酵设备啤酒发酵设备 啤酒发酵设备的变迁过程啤酒发酵设备的变迁过程材料由木桶材料由木桶钢筋水泥发酵
22、池（槽钢筋水泥发酵池（槽 ） 碳钢发酵罐（内刷防腐涂料）碳钢发酵罐（内刷防腐涂料） 不锈钢发酵罐。不锈钢发酵罐。发酵容器由开放式发酵容器由开放式密闭式。密闭式。密闭式的发酵容器由密闭式的发酵容器由开放式开放式发酵池（槽发酵池（槽 ）上覆盖弓形盖）上覆盖弓形盖金属卧式圆柱形密闭式发酵罐金属卧式圆柱形密闭式发酵罐立式大型露天圆柱椎底形密立式大型露天圆柱椎底形密闭式发酵罐。闭式发酵罐。不同规模的生产企业采用的不同啤酒发酵设备不同规模的生产企业采用的不同啤酒发酵设备中小型啤酒生产企业一般采用传统啤酒发酵设备，即前发中小型啤酒生产企业一般采用传统啤酒发酵设备，即前发酵采用开放式的内刷防腐涂料的酵采用开放
23、式的内刷防腐涂料的钢筋水泥池（槽钢筋水泥池（槽 ），而后发），而后发酵采用立式或卧式的酵采用立式或卧式的内刷防腐涂料的碳钢内刷防腐涂料的碳钢密闭密闭贮酒灌。贮酒灌。大型啤酒生产企业一般采用现代啤酒发酵设备，即大型啤酒生产企业一般采用现代啤酒发酵设备，即立式大立式大型露天圆柱椎底形密闭不锈钢发酵罐，进行一罐法发酵。型露天圆柱椎底形密闭不锈钢发酵罐，进行一罐法发酵。啤酒发酵设备由传统型到现代型变迁中遇到的问题及对策啤酒发酵设备由传统型到现代型变迁中遇到的问题及对策去掉发酵醪泡盖问题去掉发酵醪泡盖问题 发酵醪泡盖系指前发酵结束后由发酵醪泡盖系指前发酵结束后由CO2带到发酵醪表面的带到发酵醪表面的由酒
24、花树脂、死酵母、多酚物质和由酒花树脂、死酵母、多酚物质和CO2组成的一种褐色粘稠组成的一种褐色粘稠状的物质。如果前发酵结束后，不及时撇去泡盖，则对酒体状的物质。如果前发酵结束后，不及时撇去泡盖，则对酒体风味产生严重不利影响。风味产生严重不利影响。 传统啤酒发酵由于采用开放式的内刷防腐涂料的传统啤酒发酵由于采用开放式的内刷防腐涂料的钢筋水钢筋水泥池（槽泥池（槽 ），所以，撇去泡盖很容易。），所以，撇去泡盖很容易。 而而现代啤酒发酵由于采用现代啤酒发酵由于采用立式大型露天圆柱椎底形密闭立式大型露天圆柱椎底形密闭不锈钢发酵罐，很难撇去泡盖。一般采用虹吸法撇去泡盖。不锈钢发酵罐，很难撇去泡盖。一般采用
25、虹吸法撇去泡盖。清洗灭菌问题清洗灭菌问题 啤酒发酵由于采用啤酒发酵由于采用立式大型露天圆柱椎底形密闭不锈钢立式大型露天圆柱椎底形密闭不锈钢发酵罐，进行一罐法发酵，目前大都采用发酵罐，进行一罐法发酵，目前大都采用CIP（Clean In Place）自动系统进行原位自动清洗和灭菌。）自动系统进行原位自动清洗和灭菌。 1. 啤酒发酵的传统设施与设备啤酒发酵的传统设施与设备 前发酵池（槽）与前发酵室、后发酵罐与后发酵室前发酵池（槽）与前发酵室、后发酵罐与后发酵室 （1）前发酵池（槽）与前发酵室）前发酵池（槽）与前发酵室 前发酵池（槽）（如图前发酵池（槽）（如图6-1-5） 传统的前发酵传统的前发酵池
26、（槽）池（槽）均置于发酵室内，大多为开口式，少数为密闭式均置于发酵室内，大多为开口式，少数为密闭式. 最常见的是钢筋混凝土制成的水泥最常见的是钢筋混凝土制成的水泥池（槽）。形状为长方形和正方形。池（槽）。形状为长方形和正方形。池（槽）内涂刷池（槽）内涂刷不饱和树脂、沥青石蜡或环氧树脂作为防腐层。不饱和树脂、沥青石蜡或环氧树脂作为防腐层。 池（槽）池（槽）底略有倾斜，以利排出酒液、酵母和废水。池（槽）一侧设有底略有倾斜，以利排出酒液、酵母和废水。池（槽）一侧设有嫩啤酒出酒阀，高出池嫩啤酒出酒阀，高出池（槽）（槽）底底1015cm，其高度可调节，以阻挡沉降，其高度可调节，以阻挡沉降酵母进入后发酵罐
27、；待嫩啤酒进入后发酵罐后，可拆去出口管头，可进酵母进入后发酵罐；待嫩啤酒进入后发酵罐后，可拆去出口管头，可进行酵母回收。行酵母回收。 为了维持发酵池（槽）内醪液的低温，在池（槽）中装有冷却蛇管或排为了维持发酵池（槽）内醪液的低温，在池（槽）中装有冷却蛇管或排管，冷却面积一般为管，冷却面积一般为0.2m2/m3发酵液，蛇管或排管中通入发酵液，蛇管或排管中通入02的冰水。的冰水。除了在发酵池（槽）内装有冷却蛇管或排管之外，还需在发酵室内配置除了在发酵池（槽）内装有冷却蛇管或排管之外，还需在发酵室内配置冷却排管或空调装置，使室内维持工艺要求的温度和湿度。冷却排管或空调装置，使室内维持工艺要求的温度和
28、湿度。图图6-1-5 前发酵池（槽）前发酵池（槽）1-发酵池（槽）体；发酵池（槽）体； 2-冷却水管；冷却水管； 3-出酒阀出酒阀 前发酵室（如图前发酵室（如图6-1-6，图，图6-1-7） 发酵室应具有良好的供排风系统和冷风循环系统。发酵室应具有良好的供排风系统和冷风循环系统。对于开口式发酵池（槽）的发酵室，室内不能积聚高浓度对于开口式发酵池（槽）的发酵室，室内不能积聚高浓度的的CO2，否则危害人体健康。所以，一般采用供排风系统和，否则危害人体健康。所以，一般采用供排风系统和空调设备，不断在室内补充空调设备，不断在室内补充10%的新鲜空气，并排出的新鲜空气，并排出CO2气气体，同时进行冷风循
29、环。既控制了室内体，同时进行冷风循环。既控制了室内CO2浓度，又保证了浓度，又保证了室内低温的工艺要求。室内低温的工艺要求。对于密闭式发酵池（槽）的发酵室，室内也设置供排风系对于密闭式发酵池（槽）的发酵室，室内也设置供排风系统和空调设备，除了补充新鲜空气并排出统和空调设备，除了补充新鲜空气并排出CO2之外，主要进之外，主要进行冷风循环，保证室内低温的工艺要求。行冷风循环，保证室内低温的工艺要求。图图6-1-6 前发酵室的供排风系统前发酵室的供排风系统1-风机；风机；2-空调室；空调室；3-前发酵池；前发酵池；4-冷空气通道冷空气通道;5-气流方向控制阀门；气流方向控制阀门；6-排风口；排风口；
30、7-保温墙；保温墙；8-操作台通道操作台通道 图图6-1-7 前发酵室的冷风循环系统前发酵室的冷风循环系统1-风机；风机；2-空调室；空调室；3-前发酵池；前发酵池；4-冷空气通道冷空气通道;5-气流方向控制阀门；气流方向控制阀门；6-排风口；排风口；7-保温墙；保温墙；8-操作台通道操作台通道发酵室四周墙壁和顶棚应有较好的绝热结构，发酵室四周墙壁和顶棚应有较好的绝热结构， 绝缘厚度绝缘厚度5cm。室内四周墙壁及发酵池（槽）外壁铺砌白瓷砖或红缸砖，再室内四周墙壁及发酵池（槽）外壁铺砌白瓷砖或红缸砖，再涂以暗淡的油漆。涂以暗淡的油漆。室内地面通道用防滑瓷砖铺设，并有一定斜度，便于废水排室内地面通
31、道用防滑瓷砖铺设，并有一定斜度，便于废水排出。出。顶棚呈倾斜或光滑弧面，避免冷却水滴入发酵池（槽）中。顶棚呈倾斜或光滑弧面，避免冷却水滴入发酵池（槽）中。室内空调不宜太高，单位体积发酵池（槽）应尽可能最大，室内空调不宜太高，单位体积发酵池（槽）应尽可能最大，以节省冷耗。以节省冷耗。 （2）后发酵罐与后发酵室）后发酵罐与后发酵室 后发酵罐（如图后发酵罐（如图6-1-8）又称贮酒灌，该设备主要完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和又称贮酒灌，该设备主要完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和CO2 ，促进啤酒，促进啤酒的稳定、澄清和成熟。的稳定、澄清和成熟。一般采用一般采用A3碳钢板材料制成的金属圆筒形的密闭罐，内刷防
32、腐涂料。碳钢板材料制成的金属圆筒形的密闭罐，内刷防腐涂料。有立式和卧式两种形式，大多采用卧式。有立式和卧式两种形式，大多采用卧式。由于后发酵的品温由室温控制，因此，后发酵罐内无需再安装冷却蛇管。由于后发酵的品温由室温控制，因此，后发酵罐内无需再安装冷却蛇管。由于发酵过程中需要饱和由于发酵过程中需要饱和CO2，所以，后发酵罐应耐压，所以，后发酵罐应耐压0.10.2MPa。罐身装有罐身装有人孔、取样阀、液位计、进出啤酒接口、人孔、取样阀、液位计、进出啤酒接口、 CO2放气阀、压缩空气放气阀、压缩空气接口、温度计、压力表、安全阀等。接口、温度计、压力表、安全阀等。根据工艺要求，后发酵室要比前发酵室维
33、持更低的发酵温度，一般为根据工艺要求，后发酵室要比前发酵室维持更低的发酵温度，一般为02，后发酵产生的发酵热借助室内低温将其带走。因此，贮酒室的建筑，后发酵产生的发酵热借助室内低温将其带走。因此，贮酒室的建筑结构和保温要求均不能低于前发酵室；而且需要安装冷却排管或安装空结构和保温要求均不能低于前发酵室；而且需要安装冷却排管或安装空调进行冷风循环。调进行冷风循环。图图6-1-8 后发酵罐后发酵罐 A. 卧式卧式 1-人孔；人孔；2-连通接头（排连通接头（排CO2等）；等）；3-取样旋塞；取样旋塞；4-啤酒放出阀；啤酒放出阀； 5-压力表和安全阀压力表和安全阀B.立式立式 1-压力调节装置；压力调
34、节装置；2-取样口；取样口； 3-人孔口；人孔口； 4-啤酒放出口啤酒放出口 后发酵室后发酵室又称贮酒室。根据工艺要求，后发酵室要比前发酵室维持更又称贮酒室。根据工艺要求，后发酵室要比前发酵室维持更低的发酵温度，一般为低的发酵温度，一般为02。因此，贮酒室的建筑结构和。因此，贮酒室的建筑结构和保温要求均不能低于前发酵室；而且需要安转冷却排管或安保温要求均不能低于前发酵室；而且需要安转冷却排管或安装空调进行冷风循环。装空调进行冷风循环。目前，先进的啤酒生产企业均将后发酵罐全部放置在隔热的目前，先进的啤酒生产企业均将后发酵罐全部放置在隔热的后发酵室内，维持一定的后发酵温度。毗邻的后发酵室外建后发酵
35、室内，维持一定的后发酵温度。毗邻的后发酵室外建有绝热保温的操作通道，通道内保持常温，开启发酵罐的管有绝热保温的操作通道，通道内保持常温，开启发酵罐的管道和阀门都接通至通道里，在通道内进行后发酵的调节和操道和阀门都接通至通道里，在通道内进行后发酵的调节和操作。后发酵室和通道相隔的墙壁上开有玻璃窥镜窗，以观察作。后发酵室和通道相隔的墙壁上开有玻璃窥镜窗，以观察后发酵室的情况。后发酵室的情况。 2. 啤酒发酵的现代设备啤酒发酵的现代设备 立式大型露天圆柱椎底形密闭不锈钢发酵罐立式大型露天圆柱椎底形密闭不锈钢发酵罐（如图（如图6-1-9） 形状结构形状结构发酵罐用不锈钢制成，置于室外。发酵罐用不锈钢制
36、成，置于室外。罐身呈圆柱形，罐底呈圆锥状，罐的锥体高度为总高度的罐身呈圆柱形，罐底呈圆锥状，罐的锥体高度为总高度的1/31/4，锥，锥角角7075，罐的径高比为，罐的径高比为1:3，罐容量，罐容量60m3600m3，工作压力，工作压力0.07Mpa。灌顶和罐身均装有人孔，便于观察和维修。灌顶装有压力表、安全阀、灌顶和罐身均装有人孔，便于观察和维修。灌顶装有压力表、安全阀、玻璃试镜、玻璃试镜、CO2排出口、加压及真空装置；罐内上部安装洗涤球，罐身排出口、加压及真空装置；罐内上部安装洗涤球，罐身外部装有取样管、温度计以及外部装有取样管、温度计以及24段冷却夹套和盘管，内通乙二醇或酒段冷却夹套和盘管
37、，内通乙二醇或酒精或液氨冷却。罐底装有净化的精或液氨冷却。罐底装有净化的CO2充气管，以在后发酵中进行充气管，以在后发酵中进行CO2的饱的饱和。锥底部设有一段冷却夹套和盘管，利于发酵后酵母的沉积。整个罐和。锥底部设有一段冷却夹套和盘管，利于发酵后酵母的沉积。整个罐体外部包扎聚氨酯泡沫塑料保温。体外部包扎聚氨酯泡沫塑料保温。 图图6-1-9 大型露天啤酒发酵罐大型露天啤酒发酵罐1-CO2排出口；排出口；2-洗涤管；洗涤管；3-冷却夹套；冷却夹套；4-加压装置；加压装置；5-人孔；人孔；6-发酵液面；发酵液面；7-冷却剂进口；冷却剂进口；8-冷冻剂出口；冷冻剂出口；9-温度控制器；温度控制器；10
38、-温度计；温度计；11-取样口；取样口；12-麦汁管；麦汁管；13-嫩啤酒管路；嫩啤酒管路； 14-酵母排出；酵母排出；15-洗涤剂管路洗涤剂管路特点特点锥底具有一段冷却夹套和盘管，便于前发酵结束后酵母的锥底具有一段冷却夹套和盘管，便于前发酵结束后酵母的沉降和回收。沉降和回收。 罐体具有罐体具有24段冷却夹套和盘管，可满足发酵降温需要。段冷却夹套和盘管，可满足发酵降温需要。 罐体本身为密闭罐，可进行罐体本身为密闭罐，可进行CO2的洗涤和回收。的洗涤和回收。 发酵过程中由于罐的高度而产生发酵过程中由于罐的高度而产生CO2梯度，可形成发酵液梯度，可形成发酵液自上而下或自下而上的对流。自上而下或自下
39、而上的对流。既可作为发酵罐，又可作为贮酒灌；前酵和后酵可在一罐既可作为发酵罐，又可作为贮酒灌；前酵和后酵可在一罐中进行，防止了传统工艺中前酵至后酵的中进行，防止了传统工艺中前酵至后酵的CO2损失，也避免损失，也避免了传统工艺中前发酵至后发酵与氧接触后双乙酰的回升，加了传统工艺中前发酵至后发酵与氧接触后双乙酰的回升，加速了啤酒的成熟。速了啤酒的成熟。罐的清洗、消毒均可采用罐的清洗、消毒均可采用CIP （Clean In Place）原位清洗）原位清洗自动控制系统自动控制系统 。第二节第二节 好氧（通风）发酵设备好氧（通风）发酵设备一一. 好氧（通风）固体发酵设备好氧（通风）固体发酵设备 （一）好
40、氧固体浅层发酵设备好氧固体浅层发酵设备（二）好氧固体深层发酵设备好氧固体深层发酵设备二二. 好氧（通风）液体发酵设备好氧（通风）液体发酵设备（一）好氧液体浅层发酵设备好氧液体浅层发酵设备（二）好氧液体深层发酵设备好氧液体深层发酵设备 一一. 好氧固体发酵设备好氧固体发酵设备好氧固体发酵的特点好氧固体发酵的特点：原料不经过复杂加工；发酵过程中，糖化与发酵同步进行，原料不经过复杂加工；发酵过程中，糖化与发酵同步进行，简化了工艺操作，节约了能源。简化了工艺操作，节约了能源。适合某些对水活度要求较低的微生物的发酵，也使发酵微适合某些对水活度要求较低的微生物的发酵，也使发酵微生物保持了自然生长状态，这也
41、是许多丝状真菌适宜采用好生物保持了自然生长状态，这也是许多丝状真菌适宜采用好氧固体发酵的原因之一。氧固体发酵的原因之一。对于纤维素酶、果胶酶、白僵菌、绿僵菌、苏云金芽孢杆对于纤维素酶、果胶酶、白僵菌、绿僵菌、苏云金芽孢杆菌、真菌毒素、脱落酸等，好氧固体发酵的产率比好氧液体菌、真菌毒素、脱落酸等，好氧固体发酵的产率比好氧液体深层发酵高得多。此外，像果胶酶、白僵菌的分生孢子不能深层发酵高得多。此外，像果胶酶、白僵菌的分生孢子不能在液体中繁殖，只适宜好氧固体发酵。在液体中繁殖，只适宜好氧固体发酵。由于高浓度底物发酵可产生高浓度产物，所以由于高浓度底物发酵可产生高浓度产物，所以产物的分离产物的分离提取
42、工艺简单可控提取工艺简单可控。甚至许多好氧固体发酵产品无需分离提。甚至许多好氧固体发酵产品无需分离提取，可直接烘干。既便于发酵产品的保藏运输，又无大量有取，可直接烘干。既便于发酵产品的保藏运输，又无大量有机废液的产生，可减少环境污染。机废液的产生，可减少环境污染。在好氧固体发酵中，无菌压缩空气通过固体层的阻力比通在好氧固体发酵中，无菌压缩空气通过固体层的阻力比通过液体层的阻力小，可节省耗能。过液体层的阻力小，可节省耗能。由于存在明显的气、液、固三相液面，可获得好氧液体发由于存在明显的气、液、固三相液面，可获得好氧液体发酵难以得到的发酵产物。酵难以得到的发酵产物。实现大规模工业化好氧固体发酵需要
43、解决的问题实现大规模工业化好氧固体发酵需要解决的问题 目前，限制大规模工业化好氧固体发酵的重要因素，就是目前，限制大规模工业化好氧固体发酵的重要因素，就是缺乏成缺乏成熟适用的反应器熟适用的反应器，这已成为一个世界性难题，需要解决的问题如下：，这已成为一个世界性难题，需要解决的问题如下：缺少好氧固体发酵反应器设计和放大的统一准则。缺少好氧固体发酵反应器设计和放大的统一准则。对适合固态发酵菌种的高产基因及其生物学特性仍知之甚少。对适合固态发酵菌种的高产基因及其生物学特性仍知之甚少。缺少好氧固体发酵完善的动力学模型。缺少好氧固体发酵完善的动力学模型。缺乏完善的自动控制和检测手段。缺乏完善的自动控制和
44、检测手段。许多生物过程的资料太少。许多生物过程的资料太少。多数好氧固态发酵反应器的设计与放大以及发酵控制通常只考虑宏多数好氧固态发酵反应器的设计与放大以及发酵控制通常只考虑宏观提供的最适条件（如：最适温度、最适观提供的最适条件（如：最适温度、最适pH值、最适通气量、最适值、最适通气量、最适含水量等），具有很大的局限性。含水量等），具有很大的局限性。研制新型好氧固体发酵反应器是今后发酵工程的方向研制新型好氧固体发酵反应器是今后发酵工程的方向现代发酵工程的发展方向是现代发酵工程的发展方向是高浓度、高粘度发酵过程高浓度、高粘度发酵过程，而，而高浓度、高粘度发酵过程的极限就是固体发酵。高浓度、高粘度发
45、酵过程的极限就是固体发酵。在好氧固体发酵中，由于氧的浓度梯度很大，致使发酵微在好氧固体发酵中，由于氧的浓度梯度很大，致使发酵微生物存在生长、对营养物质的吸收和代谢产物的分泌的生物存在生长、对营养物质的吸收和代谢产物的分泌的不均不均匀现象匀现象。研制新型高需氧量的研制新型高需氧量的固体发酵反应器固体发酵反应器是今后发酵工程的研是今后发酵工程的研究方向。究方向。 （一）（一）好氧固体浅层发酵设备好氧固体浅层发酵设备 1. 传统的好氧固体浅层发酵设施与设备传统的好氧固体浅层发酵设施与设备 自然通风固体浅层发酵设施与设备自然通风固体浅层发酵设施与设备设施与设备：包括：种曲室、曲盘或竹匾、种曲培养工具等
46、设施与设备：包括：种曲室、曲盘或竹匾、种曲培养工具等设施与设备。设施与设备。 已在已在“第四章第四章 发酵菌种及其扩大培养发酵菌种及其扩大培养”“五五.（一）（一）”中介绍中介绍 应用：应用：是传统发酵工业中制备种曲的设施与设备。是传统发酵工业中制备种曲的设施与设备。特点：特点：采用这种传统的好氧固体浅层发酵设备进行生产，采用这种传统的好氧固体浅层发酵设备进行生产，劳劳动强度高，易污染杂菌，发酵过程不易控制，占用面积大动强度高，易污染杂菌，发酵过程不易控制，占用面积大。 2. 新型的好氧固体浅层发酵设备新型的好氧固体浅层发酵设备 空气循环密闭箱式浅盘发酵反应器（空气循环密闭箱式浅盘发酵反应器（
47、如图如图6-2-1）结构：结构：类似于增加了空气循环的放大的密闭式生化培养箱。类似于增加了空气循环的放大的密闭式生化培养箱。应用：应用：已应用于生产，可较大规模生产如酶制剂、酒曲、酱已应用于生产，可较大规模生产如酶制剂、酒曲、酱油、食用菌、饲料添加剂等。油、食用菌、饲料添加剂等。特点：特点：料层薄，发酵过程通入调温调湿的空气，温湿度易控制，料层薄，发酵过程通入调温调湿的空气，温湿度易控制，不易污染杂菌。不易污染杂菌。占用面积较大。占用面积较大。图图6-2-1 空气循环密闭箱式浅盘发酵反应器空气循环密闭箱式浅盘发酵反应器1-浅盘室；浅盘室；2-水压阀；水压阀；3-紫外光管；紫外光管；4，8，13
48、-空气阀门；空气阀门；5，11-空气过滤器；空气过滤器；6-排气口；排气口；7-调湿器；调湿器；9-加热器；加热器；10-空气外循环管；空气外循环管；12-进气口；进气口；14-浅盘；浅盘；15-浅盘架浅盘架 （二）（二）好氧固体深层发酵设备好氧固体深层发酵设备 1. 传统的好氧固体深层发酵设施与设备传统的好氧固体深层发酵设施与设备 （1）机械搅拌通风制曲池与制曲室）机械搅拌通风制曲池与制曲室 （2）机械搅拌通风圆盘式制曲机与制曲室）机械搅拌通风圆盘式制曲机与制曲室 2. 新型的好氧固体深层发酵设施与设备新型的好氧固体深层发酵设施与设备 （1）固定床固体发酵反应器）固定床固体发酵反应器 一般的
49、一般的固定床固体发酵反应器固定床固体发酵反应器 新型的新型的固定床固体发酵反应器固定床固体发酵反应器 （2）流化床固体发酵反应器）流化床固体发酵反应器 （3）转鼓式固体发酵反应器）转鼓式固体发酵反应器 （4）挂盘式固体发酵反应器）挂盘式固体发酵反应器 （5）搅拌式固体发酵反应器）搅拌式固体发酵反应器 （6）压力脉动固体发酵反应器）压力脉动固体发酵反应器 （7）吸附载体固体发酵反应器）吸附载体固体发酵反应器 （二）（二）好氧固体深层发酵设备好氧固体深层发酵设备 1. 传统的好氧固体深层发酵设施与设备传统的好氧固体深层发酵设施与设备 （1）机械搅拌通风制曲池与制曲室机械搅拌通风制曲池与制曲室 机械
50、搅拌通风制曲池机械搅拌通风制曲池与与制曲室制曲室是传统发酵工业中制备生是传统发酵工业中制备生产用曲的设备与设施。产用曲的设备与设施。 已在已在“第四章第四章 发酵菌种及其扩大培养发酵菌种及其扩大培养”“五五.（二）（二）”中介绍中介绍 （2）机械搅拌通风圆盘式制曲机与制曲室（机械搅拌通风圆盘式制曲机与制曲室（如图如图6-2-2） 机械搅拌通风圆盘式制曲机与制曲室也是传统发酵工业机械搅拌通风圆盘式制曲机与制曲室也是传统发酵工业中制备生产用曲的设备与设施。它与机械搅拌通风制曲池与中制备生产用曲的设备与设施。它与机械搅拌通风制曲池与制曲室很相似，只是将制曲池改为圆盘式制曲机。制曲室很相似，只是将制曲
