20万KL啤酒厂酵母扩培系统设计

20万KL啤酒厂酵母扩培系统设计研究生：导师：2006-9-14论文框架绪论酵母培养系统的设计扩培酵母的微生物检测酵母扩培系统的应用实例主要结论与展望1.绪论图1.1酵母沉降到锥形罐后的温度变化即便微生物管理较好，酵母没有受到微生物污染，但由于酵母粘度高，导热性差，加之发酵罐锥底降温和保温条件差，如果沉降酵母来不及回收，酵母内部温度甚至高达11℃，导致酵母活性和活力迅速下降，甚至造成酵母衰老死亡。酵母扩培是经常性技术工作因此，对于啤酒工厂来说，需要经常更换接种酵母，酵母扩培工作是经常性技术工作。酵母工艺对发酵的影响错误的酵母工艺将对啤酒生产带来许多影响：①发酵迟缓；②pH值下降缓慢，下降幅度小；③啤酒pH值上升；④微生物污染危险增加；⑤双乙酰含量升高，还原能力下降；⑥过滤困难与浊度升高的问题；⑦还原物质减少；⑧泡沫与口味稳定性下降；⑨啤酒带硫味和酵母味道，宽广的后苦味等。酵母培养模式长期以来，汉生氏发明的纯种培养模式一直运用于啤酒厂。这种模式包括三个阶段:第一个阶段：定期分离纯化保藏酵母菌种，保持酵母的高活力。这个阶段通常在实验室进行，也可以委托专门的实验室保藏单位进行。第二个阶段：需要在实验室阶段。取保藏啤酒酵母菌株斜面1环，接入10mL10oP无菌麦汁中。第三个阶段：扩大培养阶段，采用与发酵设备配套的酵母扩培设备，将酵母数量扩大培养到适合数量，供生产需要。酵母同步培养技术图1.3传统酵母培养方式和同步培育方式的比较酵母同步培养技术是一种比较先进的酵母培养技术，也称酵母同化技术。特点是：酵母细胞在生长繁殖阶段完全处在对数生长期，酵母生长繁殖基本一致，以保持酵母的高活性和高活力。酵母同步培养不是通过对接种麦汁进行额外处理，而是采用具有循环通风装置的培养罐，进行一罐或多罐培养工艺，可以实现追加麦汁进行生产，并可实现自动化控制。酵母扩培的技术要求一套好的酵母扩培系统还应该能够：⑴得到高活性酵母，并具有高的发酵性能；⑵减少接种初期的滞后期，以防止麦汁染菌；⑶酵母质量好，可重复回收利用；⑷干净的风味和口感；⑸好的泡沫稳定性。同普通的酵母培养系统相比较，好的酵母扩培系统不仅要能够保证关键工艺流程最优化，提高产品质量和操作安全性，还能降低设备投资和运行成本。现代扩培技术的新发展高浓酿造技术的应用越来越广泛，麦汁浓度也越来越高，发酵过程中的高渗透压和酒精毒性对酵母生理产生的影响在增加。在高浓酿造的新形式下进行酵母扩培，不仅需要解决麦汁的溶解氧问题，还需要解决酵母耐渗透压等新问题。图1.4阀阵的使用示意图2酵母培养系统的设计——从过程自动化到工艺完备性的实践设计主要参数要求单位扩培罐1扩培罐2扩培罐3有效容积hL530100全容积hL6.237125起始酵母浓度个细胞/mL2×1061.8×1061.8×106最终酵母浓度个细胞/mL60×10680×10690×106扩培步骤前的稀释度1:201:61:5扩培温度℃25-2020-1616-12杀菌剂温度℃100100--杀菌剂稀释度3030--达到最终酵母浓度的大约时间hr404040总的时间包括CIPhr44.044.044.0充氧流量m³/hr101010充氧持续时间s101010充氧第一天的断开时间min111充氧第二天的断开时间min0.50.50.5表2.1酵母扩培系统设计参数框架图图2.1酵母扩培的基本框图CIP系统酵母扩培系统卫生要求极为严格，清洗要求不同于其它酿造系统，需要设立独立的CIP站。对于扩培系统来说，主要使用热碱进行清洗、蒸汽消毒。CIP系统必须能够单独对扩培罐1、2和3进行清洗，在不妨碍其它操作的前提下，也能单独对管道和充氧系统进行清洗。CIP站设计还需要考虑洗球选择、阀门腔清洗、空气管路清洗等，不能产生任何清洗死角，另外需要CIP加热系统，不能产生泄漏等。麦汁的灭菌和接种有些观点认为，扩培酵母应该接入没有冷却的热麦汁。热麦汁在扩培罐中灭菌，温度一般为102-104℃，以保证麦汁无菌。也有观点认为，麦汁经过灭菌后，尤其采用较高的灭菌温度，麦汁将产生大量类黑素，营养受到破坏，对酵母生长繁殖不利，因此主张接入冷麦汁。根据招标书要求和该厂实际情况，作者采用三个扩培罐都设有单独加热和冷却系统。采用热麦汁直接接入到扩培罐中，一方面可以缩短麦汁再次灭菌时间，另一方面能提高灭菌麦汁质量。该系统可以通过酵母添加系统直接接入冷麦汁，这就是系统的柔性设计。麦汁在接入到扩培罐前，能够单独对从麦汁主管道到扩培罐管路进行CIP清洗，可以按要求数量接入麦，因此，在麦汁主管道上安装一只双座阀，一路直接到麦汁冷却器，一路走CIP和接入麦汁到扩培罐中。另外，在接入麦汁管路上安装流量计。成熟酵母可以方便地送到冷却麦汁主管路上。酵母接种系统和热麦汁接入系统相似，也使用一只双座阀，能够对从扩培系统到麦汁主管路的一段进行独立CIP洗涤，并能消除卫生死角。酵母的充氧技术从空气站来的空气虽然经过预处理，但不能满足酵母扩培系统对无菌空气的要求。因此，需要对压缩空气进行再次处理。一般经过二级处理，第一级是粗滤，采用0.45μm的空气过滤器，第二级是精滤，一般采用0.2μm过滤器。由于空气流动速度很快，0.2μm的空气过滤器对包括细菌在内的粒子的过滤效率很高。精滤过滤器还需要能够使用0.1MPa的蒸汽进行在线灭菌和再生。整个空气系统至少每周CIP清洗一次。麦汁充氧系统使用酵母扩培系统的CIP清洗。氧对酵母扩培的影响啤酒酵母是兼性好氧微生物。当酵母生长时，如果有氧存在，发酵就受到抑制，这就是巴斯德效应。但是，后来的研究发现，如果酵母接种到营养丰富的培养基时，比如麦汁浓度2%时，即使有氧存在，酵母仍然主要进行厌氧发酵，这就是Crabtree效应。对于普通麦汁培养基而言，这种效应甚至否定了巴斯德效应。最近几年的研究还表明，酵母培养过程中的某些因素，比如搅拌和混合的剪切力、氧的胁迫作用，以及CO2和酒精毒性，都会对酵母活力和啤酒质量产生影响。当然主要影响因素是充氧方式产生的剪切力和胁迫作用。充氧强度充氧量（mg/L）结果2缺乏氧气，倍增时间延长4缺乏氧气，倍增时间长15延长了好氧生长阶段，酵母完成好氧阶段是形成强烈泡沫10延长了好氧生长阶段，泡沫形成较少8延长了好氧生长阶段，泡沫形成得到控制表2.2不同充氧强度对酵母培养的影响100克糖中干酵母克数糖浓度（g/L）图2.2糖浓度和干酵母产量的关系图2.3酵母扩培系统的充氧装置“防混”管路系统酵母扩培系统的“防混”设计是指防止麦汁或酵母管路与CIP管路在物料流动时发生任何意义上的混合。因此，除了在设计时要严格保证两种管路不会发生短路外，比如可以使用跨接管，这样某个重要管路每次只可能流过麦汁、酵母培养液或CIP。为了强化系统的安全性，在跨接管路上还安装接近触点开关。如果发生人为误接，自动控制系统将发出警告，甚至导致系统停机。另外，对于与CIP、麦汁或酵母培养液接触的阀门，需要配有阀腔自动清洗装置。图2.4阀腔清洗装置的设计工艺流程计算图2.5酵母扩培罐的加热面积计算软件图2.6泵选型计算软件酵母扩培系统的PID图YPT1DN50DN502kl/1.5klGlycolGlycolWortCoolerWortSterileAirYeastPitchingHotWortDN65DN50DN50WaterDN50DN25DN25DN125DN65DN65DN50DN50CIPTank1klINJECTIONYEASTFLASKAir6barSteam4barDN50DN50YPT28kl/6kl2pcsToCondensateTank冷凝水回收冷凝水回收酵母添加热CIP回热麦汁麦汁冷却器酵母扩培罐1酵母扩培罐2YeastPitchingCIPRYeastPitchingCIPRDN50YPT3酵母扩培罐335kl/25klDN501000L/H120LDN15Contd.CausticAir6barDN25DN25图2.7酵母扩培系统的P&ID图自动控制和程序描述性语言（FDS）酵母扩培系统的所有控制元件放在一个不锈钢控制柜内，一台西门子OP27逻辑控制器用于操作和自动控制。这项工作主要由电器和自控工程师来完成，但是需要作者提供完善的FDS图。程序描述性语言（FunctionalDescriptionSpecification,FDS）是一种用来解释装备和仪表如何运行的语言，语言本身不像C语言等复杂，一般也并没有固定格式，只是供软件编程人员理解工艺和设备操作，以及系统控制过程的顺序等。造价计算任何项目都要有保证合理利润，这样才是一个成功的项目。作者供职的GEA公司，建立了一套完整的软件用于造价计算。只有在合理利润以上的项目才能获得批准并付诸实施。图2.8是酵母扩培系统造价测算表。经测算，该项目的利润在公司的合理利润范围以内，因此如期获得批准实施。图2.8酵母扩培系统费用测算表本章小结20万千升酵母扩培系统是个综合性工程，涉及到控制、工艺和设备的计算、设计、选型和采购。在该工程的设计中，作者将最新酵母工艺研究成果，包括酵母的同步培养，充氧设计等融入到设计中。3扩培酵母的微生物检测酵母主要评价指标评价酵母扩培系统好坏，主要是评价酵母质量的好坏，一般来说，至少应包括：①酵母密度，一般要求达到1×108个细胞/mL；②酵母活性和酵母活力；③好氧菌浓度；④厌氧菌浓度等。当然，不同啤酒生产厂家对啤酒酵母的评价体系可能差别较大，比如有些厂家还考察酵母的极限发酵度等。项目单位扩培罐1扩培罐2扩培罐3起始酵母浓度个细胞/mL1.8×10610×10617×106最终酵母浓度个细胞/mL82×10695×106110×106扩培步骤前的稀释度1:201:61:5扩培温度°C231814达到最终酵母浓度的大约时间H423838总的时间包括CIPh464242充氧流量m³/h101010好氧菌浓度个细胞/mL000厌氧菌浓度个细胞/mL000野生酵母浓度个细胞/mL000酵母活性％100100100酵母活力VT14.514.114表3.1酵母扩培系统主要评价指标结果酵母活性和活力活细胞对次甲基蓝具有还原性，而死细胞由于没有还原能力则被染上次甲基蓝的蓝色。这种方法快捷简便，一般可以在观测酵母形态和对酵母进行计数时同时进行。由于该公司原先没有酵母活力的检测计划，经推荐，该公司开始使用酸度滴定法（VT）测定酵母活力。图3.1酵母质量与活力VT值的关系本套扩培系统的酵母培养液主要处于同步生长阶段，经检测活性可达99%以上，活力通常在14以上，甚至可以达到15。污染菌检测好氧菌测定由于酵母扩培过程始终是通气培养过程，可能存在好氧菌污染。为了保证酵母的质量，通常需要检测酵母中醋酸菌、大肠杆菌等好氧菌。长期检测结果表明，该系统扩培各个阶段都没有检测出好氧菌。厌氧菌测定该公司长期使用MRS培养基，认为检测结果比较可靠。对酵母扩培的各个阶段进行微生物检测，均没有检出厌氧菌污染。该公司曾经使用PCR技术进行微生物检测，也没有检出厌氧菌。野生酵母测定长期对扩培阶段的酵母培养液进行野生酵母检测。结果表明，此阶段野生酵母污染数量为0。但是，该公司在啤酒发酵液和酵母泥中曾检测出几种野生酵母，至今仍在查找原因。本章小结20万千升酵母扩培系统投入使用以后，作者建立了评价酵母质量的多个微生物检测指标，包括酵母密度、酵母活性、酵母活力和微生物污染等。结果表明，使用该套酵母扩培系统后，最终酵母密度可达1.10×108个细胞/mL，酵母活性99%，酵母活力14VT，微生物污染(包括好氧菌、厌氧菌和野生酵母)均为0，酵母形态好，完全满足设计要求。4酵母扩培系统的应用实例表4.1本扩培系统和甲、乙两厂原系统的微生物检测比较项目单位本扩培系统甲厂原系统乙厂原系统最终酵母浓度个细胞/mL1.1×1089.0×1079.2×107扩培步骤前的稀释度1:51:61:6.5扩培温度°C141514达到最终酵母浓度的大约时间h384143充氧流量m³/h1099好氧菌浓度个细胞/mL000厌氧菌浓度个细胞/mL053野生酵母浓度个细胞