第四章厌氧发酵设备

第四章厌氧发酵设备酒精发酵设备啤酒发酵设备连续发酵4.1酒精发酵设备酒精发酵设备包括酒母培养罐和酒精发酵罐酒精发酵从操作上分有：间歇发酵、半连续发酵、连续发酵。不论间歇还是连续，都是在一定数量的发酵罐中进行的。发酵罐的制作材料，经过了木制、水泥、钢材的发展经历。发酵罐的体积大小，依据产量，大小不一。过去小的有1m3，现在大的到了4200m3。4.1.1酒母罐通常酒母培养又分小酒母培养和大酒母培养，培养小酒母的设备称小酒母罐，培养大酒母设备的称大酒母罐。一般大酒母罐体积是发酵罐的1/10，小酒母罐体积是大酒母罐的1/10。为了简化培养，小酒母多采用分割培养，可以连续分割4-7天，现在厂家多用活性干酵母做种子接入小酒母培养。工厂一般用两个小酒母罐就可满足生产要求。酒母罐结构小酒母罐和大酒母罐结构相似，只是体积大小不同，一般的酒母罐由圆柱体和锥形底组成，内设搅拌装置和蛇形管冷却装置。酒母培养一般不进行通风培养，不进行通风培养的酒母罐，圆柱体的高径比小，在0.5-1，且罐顶是平形的，通风培养的酒母罐高径比大，罐顶为碟形或椭圆形。圆柱体直径D圆柱体高H圆锥体高hH/D=0.5-1_h/D=0.1~0.15分割半连续发酵。在发酵罐上部罐与罐设置连通管，有阀门控制流出，将主发酵的醪液分割出一部分给下一罐做种子，糖化醪再补给主发酵罐，发酵结束蒸馏，依次循环。4.1.2发酵罐1）发酵罐结构直径D圆柱体高H锥底高h1锥顶高h2H=(1.1-1.5)Dh1=(0.1-0.5）Dh2=(0.05-0.1)D小型发酵罐，罐内安装蛇管作冷却用。大型发酵罐，在罐外利用螺旋板换热器冷却。2）发酵罐体积计算Vo–发酵罐装液体积（m3）V-发酵罐容积（不计锥顶体积）（m3）φ–装满系数（0.9~0.95）)3(4431412122hHDhDHDVoVVVo大小决定三个因素：（1）日产酒精量；（2）发酵成熟醪酒精含量；（3）每天投满发酵罐的个数。假若，年产50000吨酒精（95%（v/v））年工作日330天，发酵成熟醪酒精含量10%（v/v），24小时投满3个发酵罐，求发酵罐体积，发酵罐直径。计算：95%（v/v）=92.41%（w/w）10%（v/v）=8.01%（w/w）)(63393.06.588)(6.588%01.81%993330%41.9250000330mVVmVVoo取H=1.3D；h1=0.4Dh2=0.05D23130.4633()(1.3)43436338.25()0.7851.433nVDHDDm圆整取D=8.4(m)H=1.3×8.25=10.725(m)h1=0.4×8.25=3.3(m)圆整取D=8.2（m)H=11(m)h1=3.3(m)233.30.7858.2(11)638.7()3Vm3）发酵罐个数计算间歇发酵n-24小时投满的发酵罐个数；t-发酵周期，一般取72小时工厂一般取10个发酵罐，就是按一个班（一班8小时工作制）投满一个发酵罐，发酵周期72小时，一个备用罐设计的。连续发酵现在连续发酵一般用5或6个罐串联，过去用9-11个串联。124ntN•酒精连续发酵•酒精连续发酵源于半连续发酵•1933年国外就用糖蜜原料进行酒精半连续发酵，采用的技术是对酵母回收利用，在利用的过程酸处理。•操作要点：发酵终了醪液送入酵母分离机，分离相当醪液7%的酵母乳，将母乳送到酵母处理槽加硫酸至pH3，酸化6小时，然后与糖蜜稀释液一起混合进发酵罐。该技术传到巴西，所有的酒精工厂都利用。糖化醪CO2目前我国酒精生产发酵罐状况1996年黑龙江华润酒精有限公司10个1500m3斜底发酵罐，分两条线生产，生产能力24万吨/年。发酵罐总高15m，直径11m，斜底角度3℃1997年五粮液酒厂上了年产5万吨优级食用酒精生产线，设计了12个650m3锥底发酵罐。1998年哈尔滨酿酒总厂设计的年产2万吨酒精生产线有500m3发酵罐6个，发酵罐总高15m，其中上封头1m，圆柱高11m，锥底高3m，罐径7.2m，选用A3（10-14）mm钢板制作。发酵罐的冷却皆用螺旋板换热器外循环冷却。5)发酵冷却面积计算Q1–酒精发酵产生热量；Q2–CO2带走热量；Q3–热辐射。Q1=mSqm–发酵罐装发酵液质量（kg)S–主发酵期，糖度降低百分值（1%）。q–一公斤糖发酵酒精产生的热量（146.6千卡/kg）mtKQA321QQQQQ2一般取酒精发酵热的5%；考虑到换热最大符合（夏天生产）Q3=0。（146.6千卡/小时=613kJ/h)3500001061370%4240211/33030.511110kJh主发酵温度32℃，冷却水温度20℃，出水温度25℃，发酵醪冷却温度27℃平均温差：7℃24240211189.373200QAmKt•醪液循环量:4240211225423/225.4/4.180.95225.40.231()36000.7851.52254002012.3()3600102GKghThDmkW管道直径：4.2啤酒发酵设备4.2.1传统啤酒发酵设备传统发酵，前发酵用发酵槽（发酵池)，一般发酵7天左右，发酵糖至4度进入后发酵，后发酵是在发酵罐内进行的，后发酵一般在30-45天，一般是一批糖化麦汁对应一个发酵槽，一个发酵槽对应一个发酵罐。在发酵槽内设有蛇管冷却，后发酵靠表面冷却，前发酵和后发酵均靠室内冷排控制温度。发酵槽纵截面发酵槽横截面后发酵罐（卧式）前后发酵室立面示意图从以上可看出传统发酵有以下特点：1）前发酵在开口的发酵槽内进行，因此前发酵室要求卫生条件很高。2）发酵室要求隔热，造价高。3）发酵槽、发酵罐数量多，操作强度大。总之传统发酵造价高，建啤酒厂投资大。1）结构：有椭圆封头和圆柱体及圆锥底形成。H/D=3－4锥角60o罐顶设有洗涤器，罐壁有四组冷却带。4.2.2新型大罐发酵（露天发酵罐）2）冷却面积计算：（KJ/h)mtKQAtqSVQ243)发酵罐个数计算：N=Zt+14.3连续发酵（微生物细胞连续培养)连续发酵原理及优缺点微生物细胞生长动力学微生物间歇培养单级连续发酵两级串联连续发酵带细胞循环的单级连续发酵连续发酵应用及控制要点连续发酵优缺点优点：免去了菌种的扩大培养，提高了发酵速度，提高了设备利用率，简便了操作。缺点：如果感染杂菌，会造成很大损失，对要求无菌程度高的不能应用连续发酵。微生物细胞生长动力学动力学方程dtdXXXdtdX1monod方程SKSsmax1)延滞期μ=02)加速期0＜μ＜μmax3)对数期μ=μmax4)减速期SKSsmax微生物间歇培养㏑(X/Xo)t延滞期加速期对数期减速期平衡期如左图所示：V–发酵罐（生物反应器）有效容积（L）F–培养基体积流量（L/h）；So–底物初始浓度（g/L）；S-发酵罐内底物浓度（g/L）；X-发酵罐内菌体浓度（g/L）；X0-初始接种菌体浓度（g/L）；单级连续发酵（培养）VμxSFSoXoFSX生长比速率与稀释率的关系发酵罐浓度视为均一开始接入微生物细胞（连续进料后不再加入)，当连续稳定进料一定时间后，对细胞平衡：生长量=排出量VμX=FX令：D-稀释率（h-1）即：μ=DVFDVF稀释率是人为控制的，因此在连续发酵过程生长比速率可以人为控制。连续发酵的必要条件D＜μmax当D＞μmax，发酵就发生“冲出”现象。底物浓度（S）与稀释率的关系：DDKSSKSDssmaxmax菌体相对基质得率系数Yx/s菌体浓度与稀释率的关系微生物细胞生产强度与稀释率的关系SXYsx/)()(max//DDKSYSSYXsosxosxDXPx菌体浓度（X）、底物浓度（S）、生产强度（Px）与稀释率（D）的关系作图如下：D(h-1)DoptXDXSDXXSDc从上图看出：1）微生物细胞生产强度(生长速率）（DX）随着稀释率（D）增大而增大。2）稀释率在一定范围内变化，细胞浓度（X）和底物浓度（S）变化很小。3）稀释率增大到一定程度时，微生物细胞冲出，罐内菌体浓度为零，底物浓度等于初始浓度，此时的稀释率称临界值（DC）。4）对细胞生产强度而言，有一个最佳稀释率（D0pt），即细胞生产强度最高。5）稀释率越小，底物浓度越低，细胞产率越高（转化率高）。单罐连续发酵（培养），当转化率要求不高时，可以使用。如果既要转化率高，又要细胞生产强度高，单罐连续发酵就满足不了这个条件。如何设计才能使转化率和生产强度都高？用多级串联连续就能解决这个问题，一般用两个罐就可满足生产要求，第一个罐用作提高生产强度，第二个罐用作提高转化率。两级串联连续发酵（培养）假定：V1=V2=VFSoXoμ1X1V1S1μ2X2V2S2FS2X2FS1X1连续稳定时，Xo=0对第一个罐细胞平衡：1111111DVFFXVX2221211221212212222221)1()1(DDDXXVVXXDXXVFFXVXFX对第二个罐细胞平衡：两罐串联与单罐连续发酵时间的对比假定用两个罐串联续发酵，第一个罐的菌体浓度为第二个罐的0.85倍。即：X1=0.85X2两罐与单罐排出的底物浓度相等，即：S2=S单罐发酵时间用τ表示:两罐发酵时间用τm表示：D12111DDm3.015.015.015.0;85.0)1(11112221221211212121mmXXDDXXDD单罐连续培养(细胞循环)FXXVFX)1(1FSX2FSoμXVSαFSX1（1+α）FSXαFSX1对菌体平衡发酵罐培养系统菌体平衡细胞浓缩分离系统菌体平衡21)1(FXFXFXFSX2FSoμXVSαFSX1（1+α）FSXαFSX1DXXXXDXXVFFXXV1222221XXX细胞循环连续发酵讨论循环与不循环相比：在转化率和发酵罐体积不变时，可提高生产能力。在生产能力和发酵罐体积不变时，可提高转化率（底物浓度Cs降低）在生产能力和转化率一定时，可减小设备体积。如果细胞不浓缩，D=μ，对CSTR无意义。生产能力的提高在于提高了发酵罐中的细胞浓度。连续发酵应用及控制要点污水厌氧连续发酵上流式厌氧污泥床反应器（UASB）•天冠集团实施酒精清洁生产，大力发展循环经济综合利用，从酒精糟液中提取饲料后，用排出的清液生产沼气。过去，处理沼气消化液，需加药再经过板框分离，成本较高。为降低污水处理费用，公司引进当今先进的厌氧生物处理技术，新上一个3000立方米的UASB一级厌氧发酵罐，发酵液经过三相分离器，使其中的沼气、污泥、消化液分开，处理能力大，处理效果好。该技术的成功应用，为高浓度有机废水的处理，探索出了一条新路。•为了进一步降低污水处理费用，2004年，天冠集团投资近300万元，在原来UASB技术的基础上，自行设计建成一个5000立方米的UASB二级发酵罐，经过一级处理后的消化液，再进入二级发酵罐处理。经过一年多的运行，各项技术指标均达到了预期目标。污水好氧连续发酵清液曝气池污泥沉淀池污泥循环泵污水污泥压缩空气曝气池俯视图举例：例1：日产120KL无水酒精，4个30KL酵母罐，1个25KL硫酸罐，15个100KL发酵罐，1个10KL糖蜜溶解罐，1个100KL醪液备用罐。3台离心分离机。设备总容积：1770KL例270年代用糖蜜连续酒精发酵，用2个发酵罐，罐径5m，高8.6m，总容积170m3，将6T废糖蜜稀释22KL，将pH调到5，灭菌。送到发酵罐，稳态后在第一、二个罐共停留时间10.5小时，第二个罐流出的醪液分离的酵母流入第一个罐，连续运行两周后，回收的酵母在pH2下浸泡1小时后再用。酒精度，第一个罐6.1，第二个罐8.4，pH