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，故供其生存和代谢的生产设备也各不相同。

不论厌氧或通风发酵设备，除满足微生物培养的工艺要求外，还得考虑材质要求及加工制造难易程度等因素。

• 第一节　酒精发酵设备及计算
• 第二节　啤酒发酵设备及计算

酒精发酵罐应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

还要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。

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检修的人孔等。

罐底装有排料口和排污口；大型罐为便于维修清洗，常在近罐底也装人孔。

罐身上下部装有取样口和温度计接口。

部件：二氧化碳气体出口、压力表、料液和酒母入口、人孔、冷却水出/入口、温度计、内冷却蛇管、取样、发酵液和污水排出口。

• 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：罐外壁冷却面积不足，故罐内装冷却蛇管，或采用罐内蛇管 + 罐外壁喷洒的联合冷却装置。
• 此外也有罐外列管式喷淋冷却，冷却均匀、效率高。

部件：冷却水入/出口、温度计、罐内蛇管、喷淋水收集槽。

大型酒精发酵罐采用水力喷射洗涤装置。

部件：洗涤水入口、洗涤剂入口、旋转喷头/喷水管(R为喷管弯曲半径、d为喷孔直径)、罐内蛇管。

发酵罐全容积的计算：

式中 V—发酵罐全容积(米³)；V₀—装液量(米³)；φ—装液系数，一般取 0.85~0.90。

带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为：

式中 D—罐直径；H—圆柱部分高度；h₁—罐底高度；h₂—盖高度(米)。

通常：H=1.1~1.5D，h₁=0.1~0.4D，h₂=0.05~0.1D。

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)。

按传热基本方程式确定：

式中 F—冷却面积(米²)；Q—总发酵热(焦耳/小时)；K—传热总系数(焦耳/米²·小时·℃)；Δtm—对数平均温度差(℃)。

微生物在厌氧发酵过程中的总发酵热，由三部分组成：

• 生物合成热 Q₁
• 蒸发热损失 Q₂
• 罐壁向周围散失的热损失 Q₃

Q₁：按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值计算。在发酵最旺盛时测小型试验箱冷却水进出口温度和单位时间耗水量，得放热量 Q₁′：

由 Q₁′ 扩大到生产罐：Q₁ = Q₁′·V/V′。

Q₂：一般取 Q₁ 的 5%~6% 左右。

Q₃：由对流和辐射组成，可查阅相关手册。

式中 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(℃)。

传热总系数可由两部分组成：

• 发酵液到蛇管壁的传热分系数 α₁
• 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 分两种情况计算。若采用蛇管冷却、以水为冷却剂：

α₂—蛇管传热分系数(千焦/米²·小时·℃)；A—常数，水温20℃时取6.45；ρ—水密度(公斤/米³)；ω—管内水流速(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)。

适用范围：喷淋密度在 100~1500 公斤/米·小时。

某酒精工厂：每发酵罐进料量 24吨/小时，每 4小时 盛满一罐，发酵周期 72小时，冷却水初、终温分别为 20℃ 和 25℃，罐内采用蛇管冷却。求：

1. 发酵罐结构尺寸
2. 罐数
3. 冷却水耗量
4. 冷却面积和冷却装置主要结构尺寸

(糖化醪密度为 1076 公斤/米³)。

每24小时加料罐数 n = 24/4 = 6。

发酵罐容积（装料系数取 0.9）：

圆柱形器身、锥形底盖，比例关系：H=1.2D，h₁=h₂=0.1D。

解得 D ≈ 4.7(米)。

则 H=1.2D=5.6米；h₁=h₂=0.1D=0.47米。

(r—罐半径)。全罐表面积 F = F₁+F₂+F₃ = 118(米²)。

式中 G—每罐发酵醪量(公斤)；S—糖度降低百分值(%)；q—每公斤糖发酵放出的热量(焦耳)；Q₁′—主发酵期每小时糖度降低1度所放出的热量(焦耳)。

(tW—壁温，tB—环境温度)。

假定罐壁不包扎保护层，壁温最高 35℃，夏季平均温度取 32℃。αc=α对+α辐，算得 αc = 8 千卡/米²·小时·℃ = 33.5 千焦/米²·小时·℃。

主发酵期控制发酵液温度 tF = 30℃，冷却水进出口 t₁=20℃，t₂=25℃。

蛇管选水、煤气输送钢管，规格 53/60毫米，横截面积 0.785×0.053² = 0.0022米²。罐内同心装两列蛇管同时进冷却水：

蛇管圈直径取 3米，A=6.45，算得 α₂ = 1.45×10⁴ 千焦/米²·小时·℃；α₁ 取 2700。

(188—钢管导热系数；1/16750—管壁水污垢层热阻)。

两列蛇管总长 L = F/(π·dcP) = 33/(3.14×0.056) = 188米。

每圈长 l = √[(πdP)² + hP²]，蛇管圈间距 hP取0.15米：l = √[(3.14×3)²+0.15²] = 9米。

总圈数 NP = L/l = 188/9 ≈ 20；两列蛇管总高 H = (NP−1)·hP = (20−1)×0.15 = 2.85(米)。

传统啤酒发酵设备由分别设在发酵间的发酵池和贮酒间内的贮酒罐组成。

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。

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)。

图：内径6000，总高16110，标注上中下三段冷却夹套位置及锥底排酵母口(部件1~7)。

外筒体蝶形或拱形盖、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)和高度(H)是主要特性参数：单酿罐 D:H=1:1~2；两罐法发酵罐 D:H=1:3~4，贮酒罐 D:H=1:1~2(也用直径3~4m卧式罐贮酒)。增加H利于加速发酵，降低H利于自然澄清。

锥底角：发酵罐取排出角 73~75°(酵母自然沉降最有利、比表面积最小摩擦力最小)；贮酒罐沉淀少，主要考虑材料利用，常取锥角 120~150°。

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；发酵时产生的 H₂S、SO₂ 对铁材料会造成氧化还原腐蚀。

先进 C.C.T 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 −3~−4℃)蒸发后压力 1.0~1.2MPa，换热片需耐高压、制作困难。

国内多用低温低压(−3℃、0.03MPa)液态冷媒在半圆管、弧形管夹套或米勒板式夹套内流动换热。

发酵罐冷却夹套一般分三段：上段距发酵液面 15cm 向下排列，中段距支撑裙座 15cm 向上排列，锥底段尽可能接近排酵母口向上排列。

图右：三段夹套 + 温度指示器。

绝热层材料应：导热系数低、体积质量低、吸水小、不易燃。

常用上述两种绝热材料：聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料，厚度 150~200mm；膨胀珍珠岩、矿渣棉因吸水性大需加厚至 200~250mm。

外防护层一般用 0.7~1.5mm 合金铝板或 0.5~0.7mm 不锈钢板，瓦楞型板更受欢迎。

• 上中下三段冷却介质进口位置下装智能型铂温度传感器。
• 圆筒形下部装可清洗取样阀。
• 罐顶部应有安全阀、真空破坏阀。
• 液面上 150mm 装有 CIP装置。
• 还应装视镜、灯镜、空气和二氧化碳排出管等。
• 锥底有直径 500mm 的快开人孔；单酿罐应有深入锥底 800~1200mm 的出酒管、排酵母底阀及四通视镜。

图1-5-25：锥底角 76°，出酒管 φ140mm、排酵母管、蝶阀 φ100mm。

• 加速发酵：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。
• 可依赖 CIP自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到保证。

• 罐体较高、酵母沉降层厚，酵母泥使用代数低(只能用 5~6代)。
• 贮酒时澄清困难(尤其用非凝聚性酵母)，过滤必须强化。
• 单酿发酵时，罐壁与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。

C.C.T 的计算与酒精发酵罐相同，主要包括：

• 罐的容积及尺寸
• 罐数的确定
• 冷却面积的计算