《工程设备》课件.ppt

1,第三章 嫌气发酵设备,2,酒精发酵设备 啤酒发酵设备 连续发酵设备,主要内容,3,一.酒精发酵设备,4,一）酒精发酵罐,5,二）水力洗涤装置,6,三）酒精发酵罐的计算,1.发酵罐结构尺寸的确定,带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全体积为:,V发酵罐的全体积（m3）；V0进入发酵罐的发酵液量（m3）装液系数，一般取=0.850.90,发酵罐全体积按下列计算:,7,罐体高度、底、盖高度和罐径的尺寸关系：,8,2.发酵罐罐数的确定,对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：,N 发酵罐个数；n 每24小时内进行加料的发酵罐数目；t 一次发酵周期所需时间，h,9,发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：,3.发酵罐冷却面积计算,A冷却面积（m2）;Q总的发酵热（J/h）；K传热总系数（J/m2.h)；Tm对数平均温度差,10,总的发酵热Q,对数平均温度差Tm,传热总系数K,冷却水耗量的计算,11,酒精发酵设备,例题,某酒精工厂，每发酵罐的进料量为24t/h，每4h装满一罐，发酵周期为72h，主发酵温度为30，冷却水的初、终温分别为20和25，最高壁温和气温分别为35 和32，若罐内采用蛇管冷却，试确定发酵罐的罐数、结构尺寸、冷却水耗量、冷却面积和冷却装置的主要结构尺寸。（糖化醪密度为1076kg/m3),解：,(1)确定发酵罐个数,12,(2)确定发酵罐体积及结构尺寸,发酵罐体积,发酵罐几何尺寸,选取结构尺寸比例：H=1.2D，h1 h20.1D,则,发酵罐表面积(圆柱体表面积A1和罐底、罐顶表面积A2、A3）,13,(3)冷却面积和冷却装置主要结构尺寸,总的发酵热Q,发酵罐表面积,14,冷却水耗量,对数平均温度差Tm,15,传热总系数K值,冷却面积,冷却水耗量（L/h）,6.45,16,冷却装置主要结构尺寸,蛇管总长度L,每圈蛇管长度l,蛇管总圈数,蛇管总高度,17,二.啤酒发酵设备,18,啤酒发酵工艺流程图,19,20,21,啤酒发酵设备,啤酒酿造工艺,22,23,24,啤酒发酵容器的变迁过程,1.发酵容器材料2.开放式向密闭式转换3.密闭容器的发展,大型的立式啤酒发酵罐,奈坦罐、联合罐、朝日罐,啤酒发酵设备的发展方向 大型化、室外化、联合化大型化的目的：使啤酒质量均一化；由于啤酒生产的罐数减少，使生产合理化，降低了主要设备的投资。,啤酒工业的发展趋势发酵设备的大型化和自动化，工艺上趋向于缩短生产周期,啤酒生产装备的影响要比其工艺的影响更大。,25,1.前发酵设备,开放式前发酵槽,一）传统的发酵设备及计算,由钢板或钢筋混凝土制成形式以长方形或正方形为主为防止腐蚀，需涂布环氧树脂或不饱和聚酯树脂作为防腐层底部略倾斜，距池底10-15cm处安装有出酒阀槽中装设冷却蛇管或排管，冷却面积0.2m2/m3密闭式发酵池具有回收二氧化碳，减少前发酵室通风换气的耗冷量以及减少杂菌污染机会的优点。主发酵池置于隔热良好、清洁卫生的发酵室内，采用空调设备。,26,置有开放式发酵槽的发酵室及供排风系统,置有密闭式发酵槽的发酵室及冷风循环系统,密闭式的优点？,27,2.主发酵槽的计算,(1)发酵槽数目的确定,(2)主发酵槽体积的确定,(3)主发酵槽冷却面积计算,Z:一个发酵槽可容纳的糖化一次麦芽汁量的整数倍,n:每天糖化的次数，t:前发酵的天数,V0:糖化一次麦芽汁量,28,卧式后发酵槽,立式后发酵槽,3.后发酵设备（贮酒罐）,人孔,连通接头（排CO2等）,取样口,啤酒放出阀,压力表和安全阀,压力调节装置,取样口,人孔,啤酒放出阀,后发酵槽又称贮酒罐，主要完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和二氧化碳，促进酒的稳定、澄清和成熟。贮酒室温度更低，贮酒罐内无需装设冷却蛇管。,29,4.后发酵槽的计算,(1)后发酵槽数目的确定,(2)后发酵槽全体积的确定,后发酵槽总的有效体积=后发酵液体的总体积,每个发酵槽的有效体积,30,二）新型啤酒发酵设备,1.圆筒体锥底发酵罐结构特点,碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成，底部锥形，广泛用于上面或下面啤酒生产。优点：容积大、占地少、设备利用率高、投资省，而且便于自动控制，所以已被广大啤酒厂家所使用，代替了冷藏库式的传统发酵。目前成为国内外啤酒工厂使用较多的设备。,奈坦罐,31,锥形罐的发酵方式,1、“两罐法”发酵-“前锥后贮”（1）主/前发酵在发酵罐中进行，而后发酵和贮酒阶段在贮酒罐中完成。（2）主/前发酵、后发酵在一个发酵罐中进行，贮酒阶段在贮酒罐中完成。2、“一罐法”发酵主/前发酵、后发酵、贮酒阶段都是在一个发酵罐内完成。“一罐法”发酵的优点：操作简单，在啤酒的发酵过程中不用倒灌，避免了在发酵过程中接触氧气的可能。罐的清洗方便，消耗洗涤水少、省时、节能，国内多数厂家都采用一罐法发酵工艺。,32,H/D=1.56:1 常用34:1,锥形罐设计时需考虑的主要因素1、锥形罐的几何尺寸,H0/D=0.866,罐内液位高度不仅影响发酵副产物的组成，同时影响酵母的活性和生理代谢。罐体的高度(40m)和径(10m)高比应根据发酵工艺要求确定,容器的形式：发酵设备造价、工艺发展,液位过高罐内静压大，并且导致CO2浓度梯度增大，从而影响酵母的活性和生理代谢。另外，罐体过高，发酵对流过强，降低啤酒质量。,33,2、罐压的要求,（1）罐的耐压要求：大型罐的CO2产生量很大，所以要考虑CO2的回收。为了从罐中收集CO2，就必须使罐内的CO2维持一定的压力，以克服气体收集系统的摩擦压头。另外，在啤酒的后熟和贮酒过程中需要达到CO2饱和状态。因此，啤酒发酵罐是一个耐压罐。罐的工作压力：应根据发酵工艺而定，单做主/前发酵的罐，耐压程度较低，如采用加压发酵工艺则应适当提高罐的耐压程度。若采用一罐法发酵，则耐压程度要稍高于单用于主/前发酵罐。安装安全阀的目的：防止发酵罐内压力高于发酵罐的耐压范围所产生的危险，安全阀门在罐内压力高于工作压力时能够自动开启释放压力，当罐内压力低于工作压力时则自动关闭。有配重式和弹簧式两种。,34,（2）防止罐内真空,罐内真空的产生原因：转罐：放料速度过快或背压偏低，有可能造成一定的负压。内部洗涤：由于罐的清洗溶液中含有碱性物质，能与罐内留存的CO2反应而除去CO2气体，因而造成真空。罐内真空的危害：大罐对真空敏感，较小的负压就会导致其外形的改变，负压造成的危险远比大罐超压要大。所以必须在罐顶安装真空安全阀。真空安全阀的作用：在罐内出现负压时允许空气进入罐内，以建立罐内外压力的平衡。,35,真空阀在正常压力或超压状态下，其通道是关闭的，在出现负压时，则通过压力传感器反馈给控制系统，控制系统下达指令，动作开关使真空阀打开，压缩空气进入维持罐内外的压力平衡。为防止真空阀被黏糊或冻结，真空阀与CIP清洗系统相连，其护盖内部有一特定的喷嘴。真空阀体呈圆球状，通道光滑，无卫生死角，便于清洗。3、锥形发酵罐的冷却 酵母在发酵过程中会产生生物热，为使发酵和后熟在设定的工艺温度下进行，必须进行冷却处理，锥形发酵罐的设计要考虑恰当的冷却工作负荷。,36,锥形罐的冷却装置,37,（1）冷却方式间接冷却方式：冷却剂是25%的乙醇或乙二醇水溶液，在氨制冷机的蒸发器箱中进行冷却，温度-5，采用水平流动的冷却管段，冷却剂以下进上出方式进入冷却管道。直接冷却方式：液氨直接在锥形罐的冷却夹套中蒸发并吸热，对发酵罐中的酒液进行降温。冷却剂的流动方式可采用半圆管的垂直流动式或水平流动式。液氨从上面经过分配管进入，向下流动，即上进下出。,38,（2）直接冷却方式的优点节约能源20%左右。直接蒸发的压缩机工作温度只需-5左右，而采用间接冷却方式时，压缩机需要在低得多的温度下进行，由此使制冷机的制冷能力偏低。另外，冷却剂液氨的输送量也少得多。需要的设备少。比间接冷却节省了液氨蒸发酒精水或乙二醇水，也减少了蒸发器。需要的绝热材料少，安装费用低。由于液氨流动量减少，则使用的管道直径变小，加之容器减少，降低了绝热材料的消耗，也节省了安装费用。,39,（3）采用直接冷却方式需要注意事项液氨具有刺激性臭味，在一定条件下可燃可爆，有毒性，在设计时必须考虑其安全性。液压工作压力较高，且渗透性很强，所以对发酵罐的夹套焊接质量要求也较高。采用直接冷却的关键技术是夹套的结构类型和焊接质量。,40,4、发酵液在发酵罐中的对流方式CO2的作用：由于容器较大，在锥形罐的发酵叶中形成CO2含量梯度。由于液体中存在气泡而使其相对密度降低。气泡密集程度高的罐底部液层，其相对密度小于气泡密度低的罐上部液层。于是相对密度小的发酵液就具有上浮的提升力。而且在发酵时上升的CO2气泡会对周围的液体具有拖拽力，由于拖拽力和提升力结合后所造成的气体搅拌作用，使罐的内容物得到循环，促进了发酵液的混合和热交换。冷却操作的影响：主发酵阶段：锥顶温度锥底温度，对流方向为温度高的啤酒向上流动，温度低的啤酒向下运动。冷贮阶段：锥底温度锥顶温度，对流方向为温度高的啤酒向下流动，温度低的啤酒向上运动。,41,2.联合罐（“Universal”型发酵罐，通用罐）,即可用于前、后发酵，也可用于多罐法和一罐法生产。适合多方面的需要，故又称之为通用罐钢板与混凝土制作的有较浅锥底的大直径（1:1-1.3）发酵罐，能在罐内进行机械搅拌，并具有冷却装置。不耐压，不锈钢板，15cm聚尼烷保温层且外覆铝板，为加强罐内流动，在罐中央设CO2注射圈。优点：可采用机械搅拌等，适合多方面的需要,42,3.朝日罐,4-6mm不锈钢板制作的斜底圆柱形发酵罐，工艺独特，安装有可动排液管，发酵中啤酒循环。优点：可加速啤酒的成熟；减少排出酵母时发酵液的损失；后酵时罐的装量达96，提高设备利用率。缺点：动力消耗大。,为什么？,43,三）CIP清洗系统(Clean In Place),预冲洗,44,三.连续发酵,45,间歇发酵：分批加料，微生物在一个罐内完成4个阶段的培养。发酵周期长，发酵罐数多，设备利用率低。,连续发酵：培养液和代谢产物连续流加和排出，微生物一直在指数期。发酵周期短，设备利用率和生产效率高，易于自动化生产。,46,一）酒精连续发酵流程,1.糖蜜制酒精连续发酵流程,47,2.淀粉质原料制酒精连续发酵流程,48,二）啤酒连续发酵流程,1、APV塔式连续发酵上面发酵流程：分批加入无菌麦汁-塔底进入，塔内多孔板折流-麦汁一边上升一边发酵，直至满塔为止。培养并使其达到酵母浓度梯度后，用泵连续泵入麦汁。必须控制麦汁在塔内的流速，流速低，发酵度高，但产量少；流速高，啤酒发酵度不足，酵母被带出。须经常从塔底通入CO2嫩啤酒经酵母分离器-薄板换热器冷却至-1度-贮酒罐-充CO2-过滤包装酵母自溶-氨基氮上升-塔底排出部分老酵母-继续发酵塔身三段夹套或盘管冷却圆柱体部分-沉降酵母的离析器-酵母浓度梯度-保持恒定的代谢状,49,国内塔式连续发酵,50,2.多罐式连续发酵,51,小 结,酒精发酵设备 酒精发酵罐结构 酒精发酵罐的计算 啤酒发酵设备 新型啤酒发酵罐 CIP清洗系统,连续发酵设备 酒精连续发酵 啤酒连续发酵,52,思考题,1.酒精发酵罐的罐数和冷却面积是如何计算的？2.CIP清洗系统的主要组成及清洗步骤是什么？3.试述啤酒塔式连续发酵的工艺流程。,