生物工程设备 第三章 嫌气发酵设备

1、第三章 嫌气发酵设备 第一节第一节 酒精发酵设备酒精发酵设备 1 酒精发酵罐酒精发酵罐 2 酒精发酵罐设计酒精发酵罐设计 第二节第二节 啤酒发酵设备啤酒发酵设备 1 啤酒前后发酵设备及其计算啤酒前后发酵设备及其计算 2 新型啤酒发酵设备新型啤酒发酵设备 3 CIP清洗系统清洗系统 第三节第三节 连续发酵连续发酵 1 连续发酵时间的确定连续发酵时间的确定 2 连续发酵理论罐数的确定连续发酵理论罐数的确定 3 连续发酵流程连续发酵流程酒精发酵罐：酒精发酵罐：筒体：圆柱形，筒体：圆柱形， 底盖顶盖：碟形，锥形底盖顶盖：碟形，锥形组成：组成： 人孔人孔 视镜视镜 二氧化碳回收管二氧化碳回收管 罐顶：罐

2、顶： 进料管进料管 接种管接种管 测量仪器接口管，压力表测量仪器接口管，压力表 罐身：罐身： 取样口取样口 温度计接口温度计接口 罐底：罐底： 排料口排料口 排污口排污口酒精发酵设备v 酒精发酵罐酒精发酵罐发酵的冷却：发酵的冷却：中小型发酵罐中小型发酵罐：灌顶喷水淋于罐外壁表面：灌顶喷水淋于罐外壁表面大型发酵罐：大型发酵罐：罐内冷却蛇管罐内冷却蛇管 罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置v 洗涤装置洗涤装置:水力喷射洗涤系统水力喷射洗涤系统酒精发酵设备酒精发酵设备酒精发酵设备v 酒精发酵罐的计算酒精发酵罐的计算发酵罐结构尺寸的确定发酵罐结构尺寸的确定 带有锥形底、盖的

3、圆柱形发酵罐全容积为带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为: :式中式中 V发酵罐的代表容积（发酵罐的代表容积（m3）；）；V0进入发酵罐的发酵液量（进入发酵罐的发酵液量（m3） 装液系数，装液系数， 一般取一般取=0.850.900VV 334212hhHDV发酵罐全容积按下列计算发酵罐全容积按下列计算: :酒精发酵设备v 酒精发酵罐的计算酒精发酵罐的计算罐体高度、底、盖高度和罐径的尺寸关系：罐体高度、底、盖高度和罐径的尺寸关系：DhDhDH1 . 005. 014. 01 . 05 . 11 . 121D酒精发酵设备v 酒精发酵罐的计算酒精发酵罐的计算发酵罐罐数的确定发酵罐罐数的确定 对于间

4、歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：124ntN式中式中N发酵罐个数；发酵罐个数； n 每每24小时内进行加料单发酵罐数目；小时内进行加料单发酵罐数目； t 一次发酵周期所需时间，一次发酵周期所需时间，h 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：酒精发酵设备酒精发酵设备v 酒精发酵罐的计算酒精发酵罐的计算 发酵罐冷却面积计算发酵罐冷却面积计算mTKQA式中式中 A A冷却面积（冷却面积（m m2 2） ; ;Q总的发酵热（总的发酵热（J/h） ； K传热总系数（传热总系数（J/m2 .h) ；Tm对数

5、平均温度差对数平均温度差生物合成热生物合成热Q1, 蒸发损失热蒸发损失热Q2， 罐壁向周围散失的热损失罐壁向周围散失的热损失Q3酒精发酵设备 总的发酵热总的发酵热Q321QQQQ 对数平均温度差对数平均温度差Tm2121ln)()(TTTTTTTTTFFFFm 传热总系数传热总系数K 冷却水耗量的计算冷却水耗量的计算)(12TTCQWpBRDDAK77. 11186. 47 . 08 . 02酒精发酵设备酒精发酵设备例题例题 某酒精工厂，每发酵罐的进料量为某酒精工厂，每发酵罐的进料量为24t/h，每，每4h装满一罐，发酵装满一罐，发酵周期为周期为72h，冷却水的初、终温分别为，冷却水的初、终温

6、分别为20和和25，若罐内采用蛇，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。（糖化醪密度为积和冷却装置的主要结构尺寸。（糖化醪密度为1076kg/m3)解：解： (1) 确定发酵罐个数确定发酵罐个数19124726124ntN6424n酒精发酵设备 (2) 确定发酵罐体积及结构尺寸确定发酵罐体积及结构尺寸)m(1000.910761000424VV20 发酵罐体积发酵罐体积 发酵罐几何尺寸发酵罐几何尺寸选取结构尺寸比例：H = 1.2D，h1 h20.1Dh2Dh1H)32 . 02

7、. 1 (785. 0100)3131(4V2212DDDhhHD则mDhhmDHmD47. 01 . 06 . 52 . 17 . 421 发酵罐表面积发酵罐表面积(圆柱体表面积圆柱体表面积A1和罐底、罐顶表面积和罐底、罐顶表面积A2、 A3）22221232211847. 035. 235. 214. 3826 . 57 . 414. 3mhRRAAmDHA酒精发酵设备 (3) 冷却面积和冷却装置主要结构尺寸冷却面积和冷却装置主要结构尺寸mTKQA 总的发酵热总的发酵热Q321QQQQ）（BWCTTAKQQQmsqQ341251102%51046 .418%11000424)/(1068.

8、 3102 . 1)3235(5 .331185 .331001007 . 1543444hkJQQTTTTcTTkkKBWBWBWC辐对 冷却水耗量冷却水耗量 ）(2 . 725302030ln25302030ln)()(2121TTTTTTTTTFFFFm 对数平均温度差对数平均温度差Tm）（h/kg176002025186. 41068. 3)(512TTCQWpB酒精发酵设备传热总系数传热总系数K值值)m/s(12. 11000)053. 0(785. 036002176002w47 . 08 . 021045. 177. 11186. 4RDDAK19321675011880035.

9、 0270011450011 K 冷却面积冷却面积)m(5 .262 . 719321068. 325mTKQA酒精发酵设备 冷却装置主要结构尺寸冷却装置主要结构尺寸列管总长度L)m(1492/ )06. 0053. 0(14. 35 .26CPDAL每圈蛇管长度l)m(915. 0314. 32222PPhDl蛇管总圈数)m(179149lLNP蛇管总高度)m(4 . 2) 1(PPhNH酒精发酵设备啤酒发酵设备啤酒酿造工艺啤酒发酵设备啤酒发酵设备啤酒发酵设备 啤酒发酵容器的发展啤酒发酵容器的发展1.发酵容器材料的变化发酵容器材料的变化: 木材木材-水泥水泥-金属金属2.开放式向密闭式转换开

10、放式向密闭式转换3.密闭容器的发展密闭容器的发展 大型的啤酒发酵罐大型的啤酒发酵罐奈坦罐、联合罐、朝日罐奈坦罐、联合罐、朝日罐 前发酵设备前发酵设备啤酒发酵设备啤酒发酵设备A前发酵槽前发酵槽 啤酒前、后发酵设备及计算啤酒前、后发酵设备及计算啤酒发酵设备啤酒发酵设备 前发酵设备前发酵设备前发酵室前发酵室 啤酒前、后发酵设备及计算啤酒前、后发酵设备及计算啤酒发酵设备啤酒发酵设备 前发酵槽的计算前发酵槽的计算 啤酒前、后发酵设备及计算啤酒前、后发酵设备及计算 (1) 发酵槽数目的确定发酵槽数目的确定ntN tZnN (2) 前发酵槽体积的确定前发酵槽体积的确定0ZVV (3) 前发酵槽冷却面积计算前

11、发酵槽冷却面积计算mTKQA啤酒发酵设备啤酒发酵设备卧式后发酵槽卧式后发酵槽立式后发酵槽立式后发酵槽 后发酵设备后发酵设备 啤酒前、后发酵设备及计算啤酒前、后发酵设备及计算啤酒发酵设备啤酒发酵设备 后发酵槽的计算后发酵槽的计算 啤酒前、后发酵设备及计算啤酒前、后发酵设备及计算SVVN (1) 后发酵槽数目的确定后发酵槽数目的确定 (2) 后发酵槽全体积的确定后发酵槽全体积的确定SVV 0啤酒发酵设备啤酒发酵设备 新型啤酒发酵设备新型啤酒发酵设备 圆筒体锥底发酵槽圆筒体锥底发酵槽 圆筒体锥底立式发酵罐圆筒体锥底立式发酵罐（简称锥形罐（简称锥形罐 ）。这种设备）。这种设备的优点在于能缩短发酵时间的

12、优点在于能缩短发酵时间, ,而且具有生产上的灵活性，而且具有生产上的灵活性，适合于生产各种类型啤酒的适合于生产各种类型啤酒的要求。目前，锥形发酵罐成要求。目前，锥形发酵罐成为国内外啤酒工厂使用较多为国内外啤酒工厂使用较多的设备。的设备。啤酒发酵设备啤酒发酵设备HH0D60H/D = 1.56:1 锥形罐的几何尺寸锥形罐的几何尺寸H0/D = 0.866 新型啤酒发酵设备新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备 新型啤酒发酵设备 锥形罐的冷却装置锥形罐的冷却装置 新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备 锥形罐锥形罐 新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备 联合罐联合罐 新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备 朝日罐朝日罐优点：可加速啤酒

13、的成熟。发酵时罐的装量达96，提高设备利用率，减少了排除酵母时发酵液的损失。缺点：动力消耗大。 新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备 CIP清洗系统清洗系统预冲洗预冲洗碱预洗碱预洗中间清洗中间清洗固定喷头喷洗固定喷头喷洗清水冲洗清水冲洗酸冲洗酸冲洗碱喷洗碱喷洗连续发酵连续发酵 间歇发酵：操作简单，发酵周期长，发酵罐数多，设间歇发酵：操作简单，发酵周期长，发酵罐数多，设备利用率低。备利用率低。 连续发酵：培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，发连续发酵：培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，发酵周期短，设备利用率和生产效率高，易于自动化生产。酵周期短，设备利用率和生产效率高，易于自动化生产。 连续发酵存在的问题

14、：连续发酵存在的问题：（1）微生物的突变）微生物的突变（2）污菌）污菌（3）混合均匀度）混合均匀度（4）丝状菌的输送）丝状菌的输送发酵罐数确定的理论依据： 1）若发酵产物的形成和微生物的生长是同时进行的，即双）若发酵产物的形成和微生物的生长是同时进行的，即双边发酵，按化学剂量关系，最低要用一个发酵罐边发酵，按化学剂量关系，最低要用一个发酵罐 2）若代谢产物的形成和微生物的生长明显分为两个阶段，）若代谢产物的形成和微生物的生长明显分为两个阶段，因此时需要两个不同的培养条件，所以至少要两只发酵罐因此时需要两个不同的培养条件，所以至少要两只发酵罐 3）若菌体生长和代谢产物的形成很难明显区分，且各阶段

15、）若菌体生长和代谢产物的形成很难明显区分，且各阶段的培养条件又各不相同，则需要几个罐串联进行连续发酵的培养条件又各不相同，则需要几个罐串联进行连续发酵 图解法：图解法： 多罐连续发酵须满足的条件：多罐连续发酵须满足的条件： 输出量输出量=输入量输入量+生长量生长量即：即： 或或对上式，斜率对上式，斜率D=q/V，截距，截距Xn-1对第一罐，对第一罐，Xn=Xn-1第一罐物料平衡过原点第一罐物料平衡过原点dtdXVqXqXnnn11nnnXXDdtdX连续发酵 连续发酵时间的确定连续发酵时间的确定0ln1tNO1V1X1V2X2NO2FS1X1FS2X22122111XXXm连续发酵 连续发酵理

16、论罐数的确定连续发酵理论罐数的确定AabcXdX/dtX1X2X3斜率D 物料平衡方程式：)(dd1nnnXXDtX例：不同釜数的比较例：不同釜数的比较1. 应用串联全混釡式反应器进行一级不可逆反应，假设各釡的容积和操作温度相同，已知在该温度下的速率常数为K0.92h1，原料进料速率V010m3/h，要求最终转化率为0.90，试计算当串联釜数N分别为1、2、3、4、5、10、50和100时的反应器总体积，如果采用间歇操作，不考虑辅助生产时间条件下的体积是多少？解：应用多釜串联计算式得 Vi/V0=V/NV0N（个数） 1 2 3 4 5 10 50 100 V（m3） 97.8 47.0 37

17、.6 33.8 31.8 28.1 25.6 25.3 可得各可得各N值下得总体积值下得总体积对间歇操作：2.503hV2.5031025.03m3讨论：1. 串联得釜数串联得釜数N越多，所需反应器的体积越小，越多，所需反应器的体积越小，当当N50时已接近时已接近BSTR所需体积。所需体积。 2. 在在N5时，增加串联釜数的效果不明时，增加串联釜数的效果不明显，且显，且N越大，效果越小。越大，效果越小。N（个数） 1 2 3 4 5 10 50 100 V（m3） 97.8 47.0 37.6 33.8 31.8 28.1 25.6 25.3 CO2成熟发酵醪成熟发酵醪糖糖蜜蜜酒酒母母123456789连续发酵 酒精连续发酵流程酒精连续发酵流程淀粉质原料制酒精连续发酵流程连续发酵 酒精连续发酵流程酒精连续发酵流程连续发酵1