发酵与酿造的主要设备

第三章发酵与酿造的主要设备•一、原料处理设备•二、固体发酵设备•三、机械搅拌通风发酵罐(生物反应器)•四、空气净化系统•五、培养基灭菌系统•六、产物分离与提取设备一、原料处理设备•(一)原料粉碎设备•在发酵与酿造过程中，为了加速蒸煮、糖化、发酵的反应速度，对于使用的固体原料，常需将其粉碎。使大块固体物料破碎成小块物料的操作，通常称为粉碎，而使小块物料进一步粉碎为粉末状物料，则称为磨碎或研磨。•在生产过程中，粉碎的效果好坏，不仅直接反映出粉碎操作的合理性和经济性，而且会间接影响到蒸煮、糖化、发酵的效果。工厂中，均采用某种形式的机械方法，达到固体物料粉碎的目的。•粉碎的方法，根据操作作用力的不同可区分为四种：①挤压；②冲击；③磨碎；④劈碎。无论是哪一种作用力，假如所施加的外力没有超过物料的弹性强度，则物料产生弹性变形，外力除掉后，物料恢复到原来情况。加入施加的外力稍超过物料的破碎强度，则物料即被粉碎。物料表面通常具有不规则的形状，因此外力首先作用在突出点上，产生局部的应力，破碎后应力分散，作用点发生变化。粉碎过程是在极短的时间里进行的非常复杂的过程，揭开全部真正的粉碎机理是以后进一步开展的工作。•选择粉碎物料的方法，必须根据物料的物理性质、大小、粉碎的程度等，应特别注意物料的硬度和破裂性。对坚硬和脆性的物料，挤压和冲击很有效；对韧性物料剪切力作用较好；对方向性物料则以劈碎为宜。但不论哪一种粉碎，很少单独使用其中的一种方法，而是几种方法的组合，使粉碎更加有效。•1.锤式粉碎机锤式粉碎机是利用快速旋转的锤刀对物料进行冲击粉碎，广泛用于各种中等硬度物料的中碎与细碎作业。由于各种脆性物料的抗冲击性较差。因此，这种粉碎机特别适用于脆性物料。图3-1锤式粉碎机筛网2.轴3.锤刀4.冲击板5.机壳•锤式粉碎机如图3-1，主轴上有钢质圆盘或方盘转子，盘上装有可拆换的锤刀。锤刀可以自由摆动。当主轴经800～2500r/min在密封的机壳内旋转时，刀片在各个不同的位置上，能够以很大的冲击力将物料粉碎。加入到粉碎机中的物料，首先与锯齿形的冲击板撞击，已经被粉碎的物料，通过机壳上的格栅网孔排出。未被粉碎的物料，被筛网阻截，再次受锤力冲击粉碎。如遇有坚硬不能粉碎的物料，由于锤刀是活动地悬挂在盘上，可以摇动而让开，可避免损伤机器，当然锤刀要受到较大的磨损，甚至损坏筛网。如遇有坚硬的物料，可再次或多次冲击粉碎。粉碎的物料，连续穿过机内的筛网排出。为了避免堵塞，除将筛网孔做成上小下大的锥形孔外，被粉碎的物料含水量不应超过10%～15%。•锤式粉碎机可作粗碎或细碎，这是它的优点。此外，还具有单位产品的能量消耗低、体积紧凑、结构简单、生产能力高等特点。它的主要缺点是，当粉碎较坚硬的物料时，锤刀磨损得较快。•锤刀是锤式粉碎机的主要零件，它的型式尺寸，决定于物料尺寸性质。机壳中的筛网有不同的规格，视被碎物料的性质、种类和粉碎的要求而异。筛网的尺寸对产品的颗粒大小及粉碎机生产能力有很大的影响，视不同的要求选用适宜的筛网。锤刀与筛网间的径向间隙是可以调节的，一般为5～10mm。粗筛一般用钢丝构成，或在金属板上钻圆孔、方孔或长方孔。细筛除用钢丝外，还可用钢板。酒精厂锤式粉碎机筛孔直径，一般为1.5mm，中心距离为2.5～3.5mm。•2.辊式粉碎机辊式粉碎机广泛应用于粉碎颗状物料的中碎或细碎的作业，主要工作机件是两个直径相同的圆柱状辊筒，如图4-21所示，两个辊筒以相同的圆柱状辊筒，如图3-2所示。图3-2二辊式粉碎机1.弹簧2.物料3.滚筒4.机座•两个辊筒以相反的方向旋转，产生挤压力和剪力将物料粉碎。辊筒表面有光面和带波纹的两种，物料从辊筒间的空隙加入。两辊筒间的距离称为开度。凡物料颗粒小于开度的，可经空隙漏出。当要求产品较细时，可提高辊筒表面的圆周速度，达8～10r/min，也可使两辊筒间有15%～20%的转速差，这样可增加粉碎度。两个辊筒，有一个辊筒的轴承是固定的，另一个辊筒是可以移动的，这样可调节辊筒的开度。另外在可移动的轴承上，还装有弹簧。因此，当物料中混有较大块或硬的物料时，弹簧能稍微移动一点，使大块或硬的物料得以通过，以免使辊筒表面受到损伤。•啤酒厂麦芽粉碎机常使用四辊式，物料经上面第一对辊粉碎后，经一对叶辊的打击，使麦芽皮壳中的粉粒被震出，再经第二对辊粉碎。•四辊粉碎比两辊粉碎稍有改进。但是如图4-22的四辊粉碎是不经济的，因为在第一以辊上已经被粉碎的细粉，没有必要再经过第二对辊筒进行再次粉碎。这不仅造成动力上的消耗，而且由于有细粉的存在，还妨碍了在第二对辊子的有效操作。为此，对四辊粉碎机进行改革。目前在实际生产中，常使用五辊粉碎机。•(二)原料输送设备•1.气流输送气流输送是利用强烈的空气流沿管道流动，把悬浮在气流中的物料输送至目的。气流输送可用于输送大麦、大米、麦芽等松散物料。气流输送的优点是设备简单，占地面积小，输送能力和输送距离可调性大，易于实现自动化。它的主要缺点是能耗较大，不适于输送潮湿黏稠的物料。•根据设备组合情况，气流输送装置可分为真空式和压力式。一般来说，当从几个不同的地方向一个卸料点送料时，真空输送系统最适合；而当从一个加料点向几个不同的目的地送料时，压力输送系统较适合。•2.机械输送机械输送是靠机械装置来输送物料，其优点在于能耗小，而且可以输送不适于气流输送的大块物料和潮湿物料。输送机械主要有带式输送机、斗式提升机、螺旋输送机等。其中具体分类及输送能力和功率计算可参考《发酵设备》等资料，带式输送结构比较简单，下面是常用的斗式提升机进料和卸料图。•二、固体发酵设备•固体发酵历史悠久，长期以来，白酒的酿造一直采用固体发酵，主要设备有曲盘、帘子、厚层通风制曲设备等。厚层通见制曲设备是20世纪50年代发展起来的，它是在保持固体发酵优点的基础上加以改进，以适应大规模业生产需要的一种固体培养方法。三、机械搅拌通风发酵罐(生物反应器)•发酵罐是工业发酵常用设备中最重要、应用最广泛的设备，是连接原料和产物的桥梁，也是多种学科的交叉点。在发酵罐中，通过产物的合成，廉价的原料升了值，因此可以说发酵罐是发酵工业的心脏。发酵罐的定义是，为一个特定生物化学反应的操作提供良好而满意环境的容器•发酵罐伴随着微生物发酵工业的发展已历经300年。早在17世纪，人们已用带有温度计和热交换器的1500L的木制容器来制备乙醇和酒。1900—1940年出现了200m3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。1940—1960年，第一个大规模工业生产青霉素的工厂于1944年1月30日在美国的TerrHaute投资，其发酵罐的体积是54m3；抗生素工业的兴起引起发酵工业一场变革，机械搅拌、通风、无菌操作、纯种培养等一系列技术开始完善起来，并出现耐高温在线连续测定的pH电极和溶氧电极，开始利用计算机进行发酵过程控制。1960—1979年机械搅拌通风发酵罐容积增大到80～150m3，由于大规模生产单细胞蛋白的需要而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上得到广泛应用•1979年以后，随着生物工程和技术的迅猛发展，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走上商品化。对发酵罐的严密性、运行可靠性的要求越来越高，发酵的计算机控制和自动化的实际运用已相当普遍。pH电极、溶氧电极、溶解二氧化碳电极等在线检测在国外已相当成熟。同时现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋于大型化：废水处理2700m3，单细胞蛋白1500m3，啤酒320m3，柠檬酸200m3，面包酵母20m3，抗生素200m3，干酪20m3，酸乳10m3。•生物工程，尤其是基因工程的迅速发展，以及治理环境的迫切需要，使发酵罐的形状、操作原理和方法都发生了较大的变化，就连术语“发酵罐”也常被称之为“生化反应器”。尽管如此，发酵工业上最常用的还是通风搅拌罐、压力循环发酵罐、带超滤膜的发酵罐等。•(一)发酵罐的类型•各种不同类型的发酵罐都可用于大规模的生化反应过程，它们在设计、制造和操作方面的精密程度，取决于某一产品的生物化学反应过程对发酵罐的要求。发酵罐的分类有以下几种：•1.按微生物生长代谢需要分类这种方法将发酵罐分成好气和厌气两大类。抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸、维生素等产品是好气发酵罐中进行的；丙酮、丁醇、酒精、啤酒、乳酸采用厌气发酵罐。它们的主要差别是由于对无菌空气的需求不同，前者需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的体积氧传递系数KLα，后者则不需要通气。•2.按照发酵设备特点分类可以分为机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐。前者包括循环式，如伍式发酵罐、文氏管发酵罐、文氏管发酵罐以及非循环式的通风发酵罐和自吸式发酵罐。后者包括循环式的气提式、液提式发酵罐以及非循环式的排管式和喷射式发酵罐。这两类发酵罐采用不同的手段使发酵罐内的气、固、液三相充分混合，从而满足微生物生长和产物形成对氧的需求。•3.按容积分类一般认为，500L以下的实验室发酵罐，500～5000L是中试发酵罐，5000L以上是生产规模的发酵罐。•4.按微生物生长环境分类发酵罐内存在两种系统，即悬浮生长系统和支持生长系统。一般说来，大多数发酵罐都有这两种系统。悬浮生长系统中的微生物细胞是浸泡在培养液中且伴随着培养液一起流动；在支持生长系统中，微生物细胞生长在与培养液接触的界面形成一层薄膜，然而实际上悬浮生长系统的容器内壁上和上部的罐壁上也会生长着一层菌体膜，在支持生长系统中也有菌体分散在培养液之中。•5.按操作方式分类可分为批发酵和连续发酵，但并不是所有的发酵罐可以同时适用于这两种发酵系统。批发酵时，发酵工艺条件随营养液的消耗和产物的形成而变化。每批发酵结束，要放罐清洗和重新灭菌，再开始新一轮的发酵。批发酵系统是非稳定态的过程。连续发酵时，新鲜营养液连续流加入发酵罐内，同时产物连续地流出发酵罐。•批发罐的主要优点是污染杂菌的比例小，操作灵活性强，可用来进行几种不同产品的生产。其缺点是发酵罐的非生产停留时间所占比重大，非稳态工艺过程的设计和操作困难。连续发酵的主要的优点是可连续运行几个月的时间，非生产时间很短；缺点是容易染菌，它适用于不易染菌的产品如丙酮、丁醇、酒精、啤酒发酵等。连续发酵还有以下一些优点：•(1)较高的底物转化系数。•(2)具有较高的反应体积速率，这是由于它允许在发酵初期有较高的底物浓度，因此最终底物浓度也高。•(3)不同级数的发酵罐的条件可以不同(如pH、温度、通气量等)，特别是底物浓度和加料速度可以变化，以获得较高的经济利益。•6.其他类型一个新型的超滤发酵罐已开始在未来发酵中崭露头角。在进行时，成熟的发酵液通过一个超滤膜使产物能透过膜进行提取，酶可以通过管道返回发酵罐继续发酵，新鲜的底物可以源源不断地加入罐内(二)通风式发酵罐•1.标准通风式发酵罐通风式发酵罐是最广泛应用的深层好气培养设备。图4-25表示的是常用的发酵罐各部分的比例尺寸，它常用于面包酵母、抗生素及氨基酸的生产中，有关的重要因素是氧传递效率、功率输入、混合质量、搅拌浆形式和发酵罐的几何比例等。•发酵罐最重要的几何比例是Dｉ/Dt，H/Dt，Ds/Di，Db/Dt，(Di为搅拌浆直径，Dt为罐体直径，H为罐体高度，Ds为搅拌浆到罐低的距离，Db为挡板的宽度)；还有搅拌浆的叶轮直径和各部分的比例。通用发酵罐的搅拌桨最广泛使用的是平叶涡轮搅拌桨，国内采用的大多数是六平叶式，共各部分尺寸比例已规范化。这种搅拌桨具有很大的循环液输送量，功率消耗大，因此特别适用于丝状菌的发酵，如青霉素发酵等，其最大叶端速度范围是3～8m/s。•2.改良通风式发酵罐几种改良通风式发酵罐是：•(1)瓦尔德夫发酵罐，它装有一种独特的消泡装置。•(2)一种带有上下两个分离搅拌器的发酵罐。上搅拌采用螺旋桨，用以加强轴向流动；下搅拌采用涡轮桨分散气体，可以提高氧传递效率。这种设计方法充分发挥了这两种搅拌桨的各自特长。•(3)完全填充反应器是一种比通气搅拌罐能更有效地提高氧传递效率的发酵罐。它混合时间短，即使对十分黏稠的液体也