第六章 嫌气发酵设备

第六章嫌气发酵设备
第一节酒精发酵设备
一、对酒精发酵罐的要求
(1)及时移走热量; （2）有利于发酵液的排出；（3）便于设备的清洗，维修；（4）有利于回收二氧化碳。

二、酒精发酵罐结构
(1)罐体：圆柱形体，碟形或锥形底盖和顶盖。

灌顶装有人孔、视镜、二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。

罐底装有排料口和排污口，罐身上下部有取样口和温度计接口。

(2)冷却装置：中小型发酵罐采用灌顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；大型发酵罐，采用罐内装冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。

(3)洗涤：水力洗涤装置，由一根两头装有喷嘴的洒水管组成，两头喷水管弯成一定的弧度，喷水管上钻有一定数量的小孔，借活接头和固定供水管连接，喷水管两头喷嘴以一定速度喷出水而形成反作用力，使喷水管自动旋转，从而达到水力洗涤的目的。

高压水力喷射洗涤装置，一根直立的喷水管，安装于罐中央，在垂直喷水管上钻小孔，水平喷水管借活接头，上端和供水管，下端和垂直分配管连接。

水流在较高压力下，由水平喷水管出口处喷出，并以极大的速度喷射到罐壁，而垂直喷水管也以同样的水流速度喷射到罐体和罐底。

3
5
6
7
8
9
10
12
1
2图6-45 酒精发酵罐
1-冷却水入口 2-取样口 3-压力表 4-CO 2气体出口 5-喷淋水 6-料液及酒母入口 7-人孔 8-冷却水出口 9-温度计 10-喷淋水收集槽 11-喷淋水出口 12-发酵液及污水排出口
二、酒精发酵罐的计算 （一）发酵罐结构尺寸的确定 发酵罐全体积：ϕ
V V =
式中 0V ——进入发酵罐的发酵液量，m 3；
ϕ——装液系数，0.85~0.90。

带有锥形底、盖及圆柱形筒身的发酵罐：
D
h D h D H h h H D V 1.0~05.014.0~1.05.1~1.133421212===⎪⎭⎫ ⎝⎛
++=
π
式中 D ——罐的直径，m ；
H ——罐的圆柱部分高度，m ；
1h ——罐底高度，m ；
2h ——罐盖高度，m 。

根据发酵罐的全体积V 和高径比H/D 等，可确定发酵罐的结构尺寸。

(二)发酵罐罐数的确定
对于间歇发酵：发酵罐数目为
124
+=
nt
N 式中 N ——发酵罐个数，个；
n ——每24小时内进行加料的发酵罐数目，个；
t ——发酵周期所需要时间，h 。

（三）发酵罐的冷却面积的计算
发酵罐冷却面积的计算可按传热方程式来确定，即：
m
t K Q
F ∆=
式中 Q ——总的发酵热，J/h ；
K ——总传热系数，∙∙h m J 2/( ℃)；
m t ∆——对数平均温度差，℃
； F ——冷却面积，2m 。

1 总发酵热Q
Q=Q 1-(Q 2+Q 3)
式中Q1:生物合成热，
；
Q2:蒸发损失热， 5％－6％Q1 Q3:罐散热
2 对数平均温度差ΔTm
3 传热总系数K 的确定
1212
1
1111a a K =
+++K K
发酵液到蛇管的传热系数K1，一般计算时根据生产经验或直接测定为准，然而由于发酵液的组分和浓度等不同，其不同的发酵液K1值也有所不同，对于酒精而言可以取2300-2700KJ/m 2•h •℃。

从冷却管壁到冷却水的传热系数K 2，若采用蛇管冷却，水为冷却剂，则可以用如下公式计算。

若采用罐外喷淋冷却，则K 2为
:
上式适用的喷淋水密度为100-1500Kg/h
由于发酵液组分时常变化，且主发酵期醪液上下翻腾，传热情况较复杂，故k 值取经验值2
1600~2100/KJ m h C 。

4 冷却水耗量的计算
热平衡方程为
Q 发=Q 水=WC P （t 2-t 1）
()
12t t C Q W P -=
发
式中 W —冷却水耗量，kg/h
P C ——冷却水在平均温度的比热，2
1
2t t t m +=
时的比热 0J
Kg C
；
21,t t ——冷却水进出口温度，℃。

第二节啤酒发酵设备
近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展。

迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达1500吨。

大型化的目的主要有两方面：由于大型化，使啤酒的质量均一化；由于啤酒生产的罐数减少，使生产合理化，降低设备的投资。

啤酒发酵器的变迁过程，大概可分三个方向：①发酵容器材料的变化。

容器材料由陶瓷向木材→水泥→金属材料演变。

现在的啤酒生产，后两种材料都在使用。

②发酵方式改变，开放式向密闭式转变。

③密闭容器形状的演变，由长方形容器上面加穹形盖到圆拄性转变。

目前使用的大型发酵罐主要是立式罐，如奈坦罐，联合罐，朝日罐等。

由于发酵罐量的增大，清洗设备也有很大进步，大多采用CIP自动清洗系统。

一、啤酒发酵设备结构
（一）前发酵设备结构
大部分为开口式长方形和正方形。

制造材料：钢板、钢筋混凝土、也有用砖砌、外面抹水泥的发酵槽。

涂布一层特殊材料作为保护层。

如沥青蜡涂料、不饱和聚脂树脂、环氧树脂或其他特殊涂料等。

前发酵槽的底略有倾斜，利于废水排出，离槽底10~15cm处，伸出嫩啤酒放出管，该管为活动接管，平时可拆卸，所以伸出槽底的高度也可适当调节。

管口有个塞子，以挡住沉淀下来的酵母，避免酵母污染放出的嫩啤酒，使嫩啤酒放空后，可拆去啤酒出口管头。

酵母即从槽底该管口直接流出。

为了维持发酵槽内醪液的低温，在槽内装有冷却蛇管或排管，前发酵槽的冷却面积，根据经验对下面啤酒发酵罐每立方米发酵液约为0.2m2冷却面积。

蛇管内通入的冷水。

密闭式发酵槽具有回收二氧化碳，减少前发酵室内通风换气的耗冷量以及减少杂菌污染等机会的优点。

因此，这种密闭式发酵罐已日益被新建的啤酒厂采用。

除了在槽内装置冷却蛇管，维持一定的发酵温度外，也需在发酵室内配置冷却排管，维持室内低温。

但这种冷却排管耗金属材料多，占地面积大，且冷却效果差，故新建工厂多采用空调装置，使室内维持工艺要求的温度和湿度。

（二）前发酵设备的计算
1．发酵槽数目的确定
若一个发酵槽内可容纳一次糖化冷却麦汁的整数倍，那么发酵槽数目一般按以下公式计算：
t Z n N =
式中 n ——每日糖化次数；
t ——前发酵时间；
Z ——在一个发酵槽内容纳一次糖化麦芽汁量的整数倍。

由此可见，在一个发酵槽内容纳一次糖化麦芽汁量的前提下，发酵槽的数目仅仅取决于每日糖化次数和前发酵时间，而与生产量及生产的不平衡性无关。

2．前发酵槽容积
计算一次糖化麦汁量或其量的整数倍，同时适当考虑泡沫所占的空间。

即可确定前发酵槽的容积。

ϕ
ZV V =
式中 V ——前发酵槽的全容积，m2；
Z ——一个发酵槽中容纳糖化一次麦汁量的整倍数； V 0——糖化一次麦汁量，m2； Φ——装液系数，0.8~0.85。

也可按下式计算
()1.01+⋅⋅=Z G R V m3
式中 R ——产量系数，对120啤酒，R=5.6m3/吨原料，对100啤酒，R=6.7m3/吨原料；
G ——每次糖化用料总量，t
Z ——每池容纳一次糖化麦汁量的整倍数；
0.1——余隙空间，可取0.07，即7~10%。

3．发酵池冷却面积计算
啤酒发酵槽的冷却面积：
均
t K Q A ∆=
每公斤麦芽糖的酒精发酵的生成热：
KJ Q 8.61210003426
.209=⨯=
每立方米麦汁在发酵期间每小时放热量：
()
h
KJ
n q S Q 224-∆=
ρξ
式中S
∆——主发酵期间麦汁糖度降低的糖浓度差的百分数，%；
ξ——主发酵期间放热不平衡系数，1.3~1.5；
q——发酵1Kg麦芽糖的放热量，KJ/Kg；
2
-
n——猪发酵期间，麦汁实际需要冷却的天数；
n——发酵天数，对于间歇发酵的发酵期间其第一天和最后一天是不需冷却的；
ρ
——麦汁平均密度，
3
/m kg。

（三）后发酵设备结构
后发酵槽又称贮酒罐，该设备主要完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和二氧化碳，促进啤酒的稳定，澄清和成熟。

后发酵设备的工艺要求：贮酒室内要维持比前发酵室更低的温度，一般要求0~2℃，特殊要求达-2℃左右；后发酵过程残糖较低，发酵温和，产生发酵热较少，故槽内一般无须再装置冷却蛇管；后发酵的发酵热借室内低温将其带走，因此贮酒室的建筑结构和保温要求，均不能低于前酵室。

室内低温的维持，是借室冷却排管或通入冷风循环而得。

后者比前者应用更广。

后发酵槽是金属的圆筒形密闭容器，有卧式和立式。

工厂大多采用卧式。

由于发酵过程中需要饱和二氧化碳，所以后发酵槽应制成耐压0.1-0.2Mpa表面的容器。

后发酵槽槽身装有人孔、取样阀、进出啤酒接管、排出二氧化碳接管、压缩空气接管、温度计压力表和安全阀等附属装置。

后发酵槽的材料，近几年来采用碳钢与不锈钢压制的复合钢板制作酒槽。

该材料保证酒槽的安全、卫生和防腐性，并且造价比不锈钢的低。

为改善后酵的操作条件，较先进的啤酒厂将贮酒槽全部放置在隔热的贮酒室内，维持一定的后酵温度。

毗邻贮酒室外建有绝热保温的操作通道，通道内保持常温，开启发酵液的管道和阀门都接通到通道里，在通道内进行后发酵过程的调节和操作。

贮酒室和通道相隔的墙壁上开有一定直径和数量的玻璃窥察窗，便于观察后发酵室内部情况。

（四）后发酵槽的计算
若选定每个后酵槽的容量后，根据后发酵槽总的有效容积，可按下式确定后发酵罐的数目：
s V V N =
式中 N ——后发酵槽数目，个；
V ——后酵罐总的有效容积，m3；
V S ——每个后发酵槽的有效容积，m3。

已知每个后发酵槽的有效容积VS 和该槽的填料系数，则可以确定后发酵槽的全体积：
ϕS
V V =
式中
ϕ——装料系数，取0.9-0.95。

贮酒罐的容积随着生产发展逐渐扩大，在国内最小的多在10~15t ，最大的已有100~200t 。

二、啤酒大容量发酵罐 （一）圆柱体锥底发酵罐
罐的上部封头设有人孔、视镜、安全阀、压力表、二氧化碳排出口；如果采用二氧化碳为背压，为了避免用碱液清洗时形成负压，可以设置真空阀；锥体上部中央设不锈钢可旋转洗涤喷射器，具体位置要能使喷出水最有力地射到罐壁结垢最厉害的地方。

将已经灭菌的新鲜麦芽汁于酵母由底部进入罐内，发酵最旺盛时，使用全部冷却夹套，维持适宜的发酵温度。

冷媒多采用乙二醇或酒精溶液，也可以用氨作冷媒。

其优点是：能耗低，采用的管径小，生产费用可降低。

最终，沉积在锥底的酵母，可通过打开锥底阀排出。

CO 2由罐顶排出，在罐底装有净化CO 2的充气管，CO 2
从充气管的小孔吹入发酵液中，以便在发酵过程中饱和CO 2。

锥底角度60-120度，以70度为好，高径比1.5-6:1，常用3:1或4:1。

（二）联合罐
具有较浅锥底的大直径（高径比1:1-1.3）发酵罐，能在罐内进行机械搅拌，并具有冷却装置。

由带人孔的薄壳垂直圆柱体、拱形顶和有足够斜度以便沉降酵母排除的锥底组成。

罐顶可设安全阀，必要时设真空阀。

罐体采用聚尼烷作保温层，外加铝板。

既做发酵罐又可做贮酒罐。

冷却夹套只有一段，位于罐的中上部，上部酒液冷却后，沿罐壁下降，底部酒液从罐中心上升，形成自然对流。

为加强酒液的自然对流，在罐的底部加设一2CO 喷射环，同时挥发性物质被2CO 带走。

(三)朝日罐
斜底圆柱型发酵罐，高径比1:1-2:1。

特点：利用离心机回收酵母，利用薄板换热器控制发酵温度，利用循环泵把发酵液抽出又送回去。

三、CIP 清洗系统
大型发酵罐和贮酒设备的机械洗涤，现在普遍使用自动清洗系统。

改系统设有碱液、热水罐、甲醛溶液罐和循环用的管道和泵。

洗涤剂可以重复使用，浓度不够时可以添加。

使用时先将05080C 的热碱液用泵送往发酵罐，贮酒罐中高压旋转不锈钢喷头，压力不小于5(3.929.81)10a P ，使积垢在液流高压冲洗下迅速溶于洗涤剂内，达到清洁的效果。

洗涤后，碱液流回贮槽，每次循环时间不应少于5min ，而后，再分别用泵送热水，清水，甲醛液，按工艺要求交替清洗。