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1、食品机械与设备第十四食品机械与设备第十四章章第1页，共20页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 发酵设备的类型和基本构成发酵设备的类型和基本构成一、发酵设备的基本要求一、发酵设备的基本要求 发酵设备的发酵设备的功能功能是按照发酵过程的要求，保是按照发酵过程的要求，保证和控制各种发酵条件，主要是适宜微生物生长证和控制各种发酵条件，主要是适宜微生物生长和形成产物的条件，促进生物体的新陈代谢，使和形成产物的条件，促进生物体的新陈代谢，使之在低消耗下（包括原料消耗、能量消耗、人工之在低消耗下（包括原料消耗、能量消耗、人工消耗）获得较高的产量。消耗）获得较高的产量。第2页，共20页，编辑于2022年
2、，星期三二、发酵设备的分类二、发酵设备的分类1.根据发酵用培养基根据发酵用培养基：固体发酵设备及液体发酵设备。：固体发酵设备及液体发酵设备。3.根据发酵过程使用的生物体根据发酵过程使用的生物体：分为微生物反应器、酶反应器：分为微生物反应器、酶反应器和细胞反应器。和细胞反应器。固态发酵固态发酵是指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水下溶是指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水下溶性固态基质中，用一种或多种微生物的一个生物反应过程。性固态基质中，用一种或多种微生物的一个生物反应过程。液体发酵法液体发酵法是借助于液体介质来完成面团的发酵，即先将酵母置于液体介质是借助于液体介质来完成面
3、团的发酵，即先将酵母置于液体介质中，在液体中经几个小时的繁殖，制成发酵液，然后用发酵液与其他原辅料中，在液体中经几个小时的繁殖，制成发酵液，然后用发酵液与其他原辅料搅拌成面团。搅拌成面团。2.根据微生物类型根据微生物类型：分为嫌气和好气两大类。：分为嫌气和好气两大类。第3页，共20页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 嫌气发酵设备嫌气发酵设备 在生产酒精、白酒、啤酒等发酵产品时，微在生产酒精、白酒、啤酒等发酵产品时，微生物不需要氧气来完成发酵，使用嫌气发酵设生物不需要氧气来完成发酵，使用嫌气发酵设备。备。第4页，共20页，编辑于2022年，星期三一、间歇式发酵罐一、间歇式发酵罐 间歇式发酵
4、是指生长间歇式发酵是指生长缓慢期、加速期、平衡缓慢期、加速期、平衡期和衰落期期和衰落期四个阶段的微生物培养过程全部在一四个阶段的微生物培养过程全部在一个罐内完成。个罐内完成。利用酵母将糖转化为酒精时，要获得较高的利用酵母将糖转化为酒精时，要获得较高的转化率，除满足转化率，除满足酵母生长和代谢酵母生长和代谢的必要工艺条件的必要工艺条件外，还需要一定的外，还需要一定的生化反应时间生化反应时间，并移走在生化，并移走在生化反应过程中释放出的反应过程中释放出的生物热生物热，否则将影响酵母的，否则将影响酵母的生长和代谢产物的转化率。酒精发酵罐的结构必生长和代谢产物的转化率。酒精发酵罐的结构必须首先满足上述
5、工艺要求，还应有利于发酵液的须首先满足上述工艺要求，还应有利于发酵液的排出、设备清洗、维修以及设备制造安装方便。排出、设备清洗、维修以及设备制造安装方便。第5页，共20页，编辑于2022年，星期三间歇式酒精发酵罐间歇式酒精发酵罐 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-料液和酒母入口料液和酒母入口 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-发酵液和污水排出口发酵液和污水排出口第6页，共20页，编辑于2022年，星期三发酵罐水力洗涤装置
6、发酵罐水力洗涤装置 工作时，喷水管借工作时，喷水管借助于两头喷嘴处以一定助于两头喷嘴处以一定的速度喷出而形成的反的速度喷出而形成的反作用力自定旋转，在旋作用力自定旋转，在旋转过程中，洗涤水由喷转过程中，洗涤水由喷水孔排出而均匀喷洒在水孔排出而均匀喷洒在罐壁、罐顶、罐底上进罐壁、罐顶、罐底上进行罐的洗涤。行罐的洗涤。第7页，共20页，编辑于2022年，星期三发酵罐高压水力喷射洗涤装置发酵罐高压水力喷射洗涤装置 水流喷出时可使喷水流喷出时可使喷水管以水管以4856r/min的速的速度自动旋转，并高速喷度自动旋转，并高速喷射到罐体四壁和罐底，射到罐体四壁和罐底，垂直的分配管以同样的垂直的分配管以同样
7、的水流速度喷射到罐体四水流速度喷射到罐体四壁和罐底，一次洗涤过壁和罐底，一次洗涤过程约需程约需5min。1-洗涤剂进口洗涤剂进口 2-水平喷水管水平喷水管 2-垂直喷水管垂直喷水管第8页，共20页，编辑于2022年，星期三圆筒体锥形底啤酒发酵罐圆筒体锥形底啤酒发酵罐 1-麦汁与酵母进口麦汁与酵母进口 2-啤酒出口啤酒出口 3-冷媒进口冷媒进口 4-人口门人口门 5-冷媒出口冷媒出口 6-洗涤器洗涤器 7-人口人口 8-安全阀安全阀 9-排气阀排气阀 10-压力表压力表 11-取样口取样口 12-CO2入口入口第9页，共20页，编辑于2022年，星期三工作原理工作原理 罐身为圆筒结构，外部围护有
8、罐身为圆筒结构，外部围护有24段冷却夹套，用以段冷却夹套，用以维持适宜的发酵温度，在发酵最旺盛时，冷却夹套全部维持适宜的发酵温度，在发酵最旺盛时，冷却夹套全部投入使用，其中冷媒多采用乙二醇或酒精溶液。罐体外投入使用，其中冷媒多采用乙二醇或酒精溶液。罐体外设有良好的保温层，以减少冷量损耗。设有良好的保温层，以减少冷量损耗。为在啤酒后发酵过程中有饱和为在啤酒后发酵过程中有饱和CO2，罐底安装有净化，罐底安装有净化的的CO2充气管，经小孔吹入发酵液中。同时，为便于在充气管，经小孔吹入发酵液中。同时，为便于在罐中收集并回收罐中收集并回收CO2，罐内需要保持一定程度的正压状，罐内需要保持一定程度的正压状
9、态，并且在罐顶安装有压力表和安全阀。态，并且在罐顶安装有压力表和安全阀。已灭菌的新鲜麦芽汁及酵母由底部进口泵入罐内。已灭菌的新鲜麦芽汁及酵母由底部进口泵入罐内。发酵完成后最终沉积于锥体部分的酵母可通过底部阀门发酵完成后最终沉积于锥体部分的酵母可通过底部阀门排出，部分可留作下次使用。排出，部分可留作下次使用。第10页，共20页，编辑于2022年，星期三二、连续酒精发酵设备二、连续酒精发酵设备 通过在发酵罐内连续加入培养液和取出发通过在发酵罐内连续加入培养液和取出发酵液，可使发酵罐中的微生物一直维持在生长酵液，可使发酵罐中的微生物一直维持在生长加速期，同时降低代谢产物的积累，培养液浓加速期，同时降
10、低代谢产物的积累，培养液浓度和代谢产品含量相对稳定，微生物在整个发度和代谢产品含量相对稳定，微生物在整个发酵过程中即可始终维持在稳定状态，细胞处于酵过程中即可始终维持在稳定状态，细胞处于均质状态，这即为均质状态，这即为连续发酵技术连续发酵技术。第11页，共20页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 通风发酵设备通风发酵设备 通风发酵设备是好氧发酵使用的发酵反应通风发酵设备是好氧发酵使用的发酵反应器，主要包括酵母发酵罐、单细胞蛋白发酵罐、器，主要包括酵母发酵罐、单细胞蛋白发酵罐、氨基酸发酵罐、酶制剂发酵罐、抗生素发酵罐氨基酸发酵罐、酶制剂发酵罐、抗生素发酵罐等。等。第12页，共20页，编辑于2
11、022年，星期三一、自吸式发酵罐一、自吸式发酵罐 自吸式发酵罐是一种在搅拌过程中自行吸自吸式发酵罐是一种在搅拌过程中自行吸入空气的发酵罐，不需要配置空气压缩机或鼓入空气的发酵罐，不需要配置空气压缩机或鼓风机，广泛用于医药工业、醋酸工业、酵母工风机，广泛用于医药工业、醋酸工业、酵母工业等工业。采用不同类型、容积的发酵罐已能业等工业。采用不同类型、容积的发酵罐已能成功生产葡萄糖酸钙、维生素成功生产葡萄糖酸钙、维生素C、酵母、蛋白、酵母、蛋白酶等产品。酶等产品。第13页，共20页，编辑于2022年，星期三自吸式发酵罐自吸式发酵罐 1-皮带轮皮带轮 2-排气管排气管 3-消泡器消泡器 4-冷却排管冷却
12、排管 5-定子定子 6-轴轴 7-双端面轴封双端面轴封 8-联轴器联轴器 9-电机电机 10-转子转子 11-端面轴封端面轴封 第14页，共20页，编辑于2022年，星期三自吸式发酵罐自吸式发酵罐 转子在启动前，需要先用液体将其浸没，转子在启动前，需要先用液体将其浸没，在电机驱动其高速旋转时，液体因在电机驱动其高速旋转时，液体因离心力离心力而被而被甩向叶轮边缘，并在转子中心处形成负压。甩向叶轮边缘，并在转子中心处形成负压。在在负压作用下负压作用下，空气自动从转子中心处被吸入，空气自动从转子中心处被吸入，通过导向叶轮内腔甩出，而液体因转子外阔叶通过导向叶轮内腔甩出，而液体因转子外阔叶片被吸入并均
13、匀甩出，在转子外圆处被剪切成片被吸入并均匀甩出，在转子外圆处被剪切成细微的气泡并与循环的发酵液相遇，在湍流状细微的气泡并与循环的发酵液相遇，在湍流状态下混合、翻腾、扩散，在搅拌的同时完成了态下混合、翻腾、扩散，在搅拌的同时完成了充气。充气。第15页，共20页，编辑于2022年，星期三二、机械搅拌发酵罐二、机械搅拌发酵罐1-带轮带轮 2-轴承支撑轴承支撑 3-联轴器联轴器 4-轴封轴封 5-视镜视镜 6-取样口取样口 7-冷却水出口冷却水出口 8-夹套夹套 9-螺旋片螺旋片 10温度计接口温度计接口 11-轴轴 12-搅拌器搅拌器 13-底轴承底轴承 14-放料口放料口 15-冷水进口冷水进口
14、16-通风管通风管 17-热电偶接口热电偶接口 18-挡板挡板 19-接压力表接压力表 20-手孔手孔 21-电机电机 22-排气口排气口 23-取样口取样口 24-进料口进料口 25-压力表接口压力表接口 26-视镜视镜 27-手孔手孔 28-补料口补料口第16页，共20页，编辑于2022年，星期三工作原理工作原理 通过机械搅拌使发酵罐中溶解氧增多，体现通过机械搅拌使发酵罐中溶解氧增多，体现在三个方面：在三个方面：将空气进入初期的大气泡打碎成小气泡，将空气进入初期的大气泡打碎成小气泡，使气液界面面积增大，提高了体积溶氧系数；使气液界面面积增大，提高了体积溶氧系数；气泡经搅拌破碎后，上浮速度下
15、降，在搅气泡经搅拌破碎后，上浮速度下降，在搅拌形成的液流影响下，气泡由直线上浮变成曲拌形成的液流影响下，气泡由直线上浮变成曲线上浮，因运动路径的延长增加气体与液体间线上浮，因运动路径的延长增加气体与液体间接触时间，提高了空气中氧的利用率；接触时间，提高了空气中氧的利用率；在搅拌器作用下产生强烈的液相湍流，使在搅拌器作用下产生强烈的液相湍流，使得液膜厚度变薄，传质系数增大，从而获得较得液膜厚度变薄，传质系数增大，从而获得较大的体积溶氧系数。大的体积溶氧系数。第17页，共20页，编辑于2022年，星期三三、气升式发酵罐三、气升式发酵罐 空气由罐底进入后，通过罐内底部安装的空气由罐底进入后，通过罐内
16、底部安装的分散元件（如多孔板）分散成小气泡，在向上分散元件（如多孔板）分散成小气泡，在向上移动过程中与培养液混合进行供氧，最后经液移动过程中与培养液混合进行供氧，最后经液面与二氧化碳等一起释出。面与二氧化碳等一起释出。第18页，共20页，编辑于2022年，星期三（一）带升式发酵罐（一）带升式发酵罐 在发酵过程中，空气用喷嘴以在发酵过程中，空气用喷嘴以250300m/s高速喷入上升管。高速喷入上升管。由于喷嘴的作用空气泡被分割细由于喷嘴的作用空气泡被分割细碎，而与上升管的发酵液密切接碎，而与上升管的发酵液密切接触。因气体含量多、密度小，加触。因气体含量多、密度小，加上压缩空气的高速向上喷流动能，
17、上压缩空气的高速向上喷流动能，上升管内液体上升。同时，罐内上升管内液体上升。同时，罐内液体下降进入上升管下端，形成液体下降进入上升管下端，形成反复循环。在循环过程中，发酵反复循环。在循环过程中，发酵液不断地与空气气泡接触，供给液不断地与空气气泡接触，供给发酵所耗的溶解氧，使发酵正常发酵所耗的溶解氧，使发酵正常进行。进行。1-上升管上升管 2-空气管空气管 3-空气喷嘴空气喷嘴第19页，共20页，编辑于2022年，星期三（二）塔式发酵罐（二）塔式发酵罐 空气从空气分配器进空气从空气分配器进入后，经多孔筛板多次分入后，经多孔筛板多次分割，不断形成新的气液界割，不断形成新的气液界面，使空气泡一直能保持面，使空气泡一直能保持细小，液膜阻力下降，液细小，液膜阻力下降，液相氧的传递系数增大，提相氧的传递系数增大，提高了体积溶氧系数。另外，高了体积溶氧系数。另外，多孔筛板减缓了气泡的上多孔筛板减缓了气泡的上升速度，延长空气与液体升速度，延长空气与液体的接触时间，从而提高了的接触时间，从而提高了空气的利用率。空气的利用率。1-导流筒导流筒 2-筛板筛板 3-分配器分配器4、5-人孔人孔第20页，共20页，编辑于2022年，星期三