生物工程設(shè)備 第三章 嫌氣發(fā)酵設(shè)備

1、第三章 嫌氣發(fā)酵設(shè)備 第一節(jié)第一節(jié) 酒精發(fā)酵設(shè)備酒精發(fā)酵設(shè)備 1 酒精發(fā)酵罐酒精發(fā)酵罐 2 酒精發(fā)酵罐設(shè)計(jì)酒精發(fā)酵罐設(shè)計(jì) 第二節(jié)第二節(jié) 啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備 1 啤酒前后發(fā)酵設(shè)備及其計(jì)算啤酒前后發(fā)酵設(shè)備及其計(jì)算 2 新型啤酒發(fā)酵設(shè)備新型啤酒發(fā)酵設(shè)備 3 CIP清洗系統(tǒng)清洗系統(tǒng) 第三節(jié)第三節(jié) 連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵 1 連續(xù)發(fā)酵時(shí)間的確定連續(xù)發(fā)酵時(shí)間的確定 2 連續(xù)發(fā)酵理論罐數(shù)的確定連續(xù)發(fā)酵理論罐數(shù)的確定 3 連續(xù)發(fā)酵流程連續(xù)發(fā)酵流程酒精發(fā)酵罐：酒精發(fā)酵罐：筒體：圓柱形，筒體：圓柱形， 底蓋頂蓋：碟形，錐形底蓋頂蓋：碟形，錐形組成：組成： 人孔人孔 視鏡視鏡 二氧化碳回收管二氧化碳回收管 罐頂：罐

2、頂： 進(jìn)料管進(jìn)料管 接種管接種管 測量儀器接口管，壓力表測量儀器接口管，壓力表 罐身：罐身： 取樣口取樣口 溫度計(jì)接口溫度計(jì)接口 罐底：罐底： 排料口排料口 排污口排污口酒精發(fā)酵設(shè)備v 酒精發(fā)酵罐酒精發(fā)酵罐發(fā)酵的冷卻：發(fā)酵的冷卻：中小型發(fā)酵罐中小型發(fā)酵罐：灌頂噴水淋于罐外壁表面：灌頂噴水淋于罐外壁表面大型發(fā)酵罐：大型發(fā)酵罐：罐內(nèi)冷卻蛇管罐內(nèi)冷卻蛇管 罐內(nèi)蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻裝置罐內(nèi)蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻裝置v 洗滌裝置洗滌裝置:水力噴射洗滌系統(tǒng)水力噴射洗滌系統(tǒng)酒精發(fā)酵設(shè)備酒精發(fā)酵設(shè)備酒精發(fā)酵設(shè)備v 酒精發(fā)酵罐的計(jì)算酒精發(fā)酵罐的計(jì)算發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)尺寸的確定發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)尺寸的確定 帶有錐形底、蓋的

3、圓柱形發(fā)酵罐全容積為帶有錐形底、蓋的圓柱形發(fā)酵罐全容積為: :式中式中 V發(fā)酵罐的代表容積（發(fā)酵罐的代表容積（m3）；）；V0進(jìn)入發(fā)酵罐的發(fā)酵液量（進(jìn)入發(fā)酵罐的發(fā)酵液量（m3） 裝液系數(shù)，裝液系數(shù)， 一般取一般取=0.850.900VV 334212hhHDV發(fā)酵罐全容積按下列計(jì)算發(fā)酵罐全容積按下列計(jì)算: :酒精發(fā)酵設(shè)備v 酒精發(fā)酵罐的計(jì)算酒精發(fā)酵罐的計(jì)算罐體高度、底、蓋高度和罐徑的尺寸關(guān)系：罐體高度、底、蓋高度和罐徑的尺寸關(guān)系：DhDhDH1 . 005. 014. 01 . 05 . 11 . 121D酒精發(fā)酵設(shè)備v 酒精發(fā)酵罐的計(jì)算酒精發(fā)酵罐的計(jì)算發(fā)酵罐罐數(shù)的確定發(fā)酵罐罐數(shù)的確定 對于間

4、歇發(fā)酵，發(fā)酵罐罐數(shù)可按下式計(jì)算：對于間歇發(fā)酵，發(fā)酵罐罐數(shù)可按下式計(jì)算：124ntN式中式中N發(fā)酵罐個(gè)數(shù)；發(fā)酵罐個(gè)數(shù)； n 每每24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行加料單發(fā)酵罐數(shù)目；小時(shí)內(nèi)進(jìn)行加料單發(fā)酵罐數(shù)目； t 一次發(fā)酵周期所需時(shí)間，一次發(fā)酵周期所需時(shí)間，h 發(fā)酵罐冷卻面積的計(jì)算可按傳熱基本方程式來確定，即：發(fā)酵罐冷卻面積的計(jì)算可按傳熱基本方程式來確定，即：酒精發(fā)酵設(shè)備酒精發(fā)酵設(shè)備v 酒精發(fā)酵罐的計(jì)算酒精發(fā)酵罐的計(jì)算 發(fā)酵罐冷卻面積計(jì)算發(fā)酵罐冷卻面積計(jì)算mTKQA式中式中 A A冷卻面積（冷卻面積（m m2 2） ; ;Q總的發(fā)酵熱（總的發(fā)酵熱（J/h） ； K傳熱總系數(shù)（傳熱總系數(shù)（J/m2 .h) ；Tm對數(shù)

5、平均溫度差對數(shù)平均溫度差生物合成熱生物合成熱Q1, 蒸發(fā)損失熱蒸發(fā)損失熱Q2， 罐壁向周圍散失的熱損失罐壁向周圍散失的熱損失Q3酒精發(fā)酵設(shè)備 總的發(fā)酵熱總的發(fā)酵熱Q321QQQQ 對數(shù)平均溫度差對數(shù)平均溫度差Tm2121ln)()(TTTTTTTTTFFFFm 傳熱總系數(shù)傳熱總系數(shù)K 冷卻水耗量的計(jì)算冷卻水耗量的計(jì)算)(12TTCQWpBRDDAK77. 11186. 47 . 08 . 02酒精發(fā)酵設(shè)備酒精發(fā)酵設(shè)備例題例題 某酒精工廠，每發(fā)酵罐的進(jìn)料量為某酒精工廠，每發(fā)酵罐的進(jìn)料量為24t/h，每，每4h裝滿一罐，發(fā)酵裝滿一罐，發(fā)酵周期為周期為72h，冷卻水的初、終溫分別為，冷卻水的初、終溫

6、分別為20和和25，若罐內(nèi)采用蛇，若罐內(nèi)采用蛇管冷卻，試確定發(fā)酵罐的罐數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸、冷卻水耗量、冷卻面管冷卻，試確定發(fā)酵罐的罐數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸、冷卻水耗量、冷卻面積和冷卻裝置的主要結(jié)構(gòu)尺寸。（糖化醪密度為積和冷卻裝置的主要結(jié)構(gòu)尺寸。（糖化醪密度為1076kg/m3)解：解： (1) 確定發(fā)酵罐個(gè)數(shù)確定發(fā)酵罐個(gè)數(shù)19124726124ntN6424n酒精發(fā)酵設(shè)備 (2) 確定發(fā)酵罐體積及結(jié)構(gòu)尺寸確定發(fā)酵罐體積及結(jié)構(gòu)尺寸)m(1000.910761000424VV20 發(fā)酵罐體積發(fā)酵罐體積 發(fā)酵罐幾何尺寸發(fā)酵罐幾何尺寸選取結(jié)構(gòu)尺寸比例：H = 1.2D，h1 h20.1Dh2Dh1H)32 . 02

7、. 1 (785. 0100)3131(4V2212DDDhhHD則mDhhmDHmD47. 01 . 06 . 52 . 17 . 421 發(fā)酵罐表面積發(fā)酵罐表面積(圓柱體表面積圓柱體表面積A1和罐底、罐頂表面積和罐底、罐頂表面積A2、 A3）22221232211847. 035. 235. 214. 3826 . 57 . 414. 3mhRRAAmDHA酒精發(fā)酵設(shè)備 (3) 冷卻面積和冷卻裝置主要結(jié)構(gòu)尺寸冷卻面積和冷卻裝置主要結(jié)構(gòu)尺寸mTKQA 總的發(fā)酵熱總的發(fā)酵熱Q321QQQQ）（BWCTTAKQQQmsqQ341251102%51046 .418%11000424)/(1068.

8、 3102 . 1)3235(5 .331185 .331001007 . 1543444hkJQQTTTTcTTkkKBWBWBWC輻對 冷卻水耗量冷卻水耗量 ）(2 . 725302030ln25302030ln)()(2121TTTTTTTTTFFFFm 對數(shù)平均溫度差對數(shù)平均溫度差Tm）（h/kg176002025186. 41068. 3)(512TTCQWpB酒精發(fā)酵設(shè)備傳熱總系數(shù)傳熱總系數(shù)K值值)m/s(12. 11000)053. 0(785. 036002176002w47 . 08 . 021045. 177. 11186. 4RDDAK19321675011880035.

9、 0270011450011 K 冷卻面積冷卻面積)m(5 .262 . 719321068. 325mTKQA酒精發(fā)酵設(shè)備 冷卻裝置主要結(jié)構(gòu)尺寸冷卻裝置主要結(jié)構(gòu)尺寸列管總長度L)m(1492/ )06. 0053. 0(14. 35 .26CPDAL每圈蛇管長度l)m(915. 0314. 32222PPhDl蛇管總?cè)?shù))m(179149lLNP蛇管總高度)m(4 . 2) 1(PPhNH酒精發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒釀造工藝啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備 啤酒發(fā)酵容器的發(fā)展啤酒發(fā)酵容器的發(fā)展1.發(fā)酵容器材料的變化發(fā)酵容器材料的變化: 木材木材-水泥水泥-金屬金屬2.開放式向密閉式轉(zhuǎn)換開

10、放式向密閉式轉(zhuǎn)換3.密閉容器的發(fā)展密閉容器的發(fā)展 大型的啤酒發(fā)酵罐大型的啤酒發(fā)酵罐奈坦罐、聯(lián)合罐、朝日罐奈坦罐、聯(lián)合罐、朝日罐 前發(fā)酵設(shè)備前發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備A前發(fā)酵槽前發(fā)酵槽 啤酒前、后發(fā)酵設(shè)備及計(jì)算啤酒前、后發(fā)酵設(shè)備及計(jì)算啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備 前發(fā)酵設(shè)備前發(fā)酵設(shè)備前發(fā)酵室前發(fā)酵室 啤酒前、后發(fā)酵設(shè)備及計(jì)算啤酒前、后發(fā)酵設(shè)備及計(jì)算啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備 前發(fā)酵槽的計(jì)算前發(fā)酵槽的計(jì)算 啤酒前、后發(fā)酵設(shè)備及計(jì)算啤酒前、后發(fā)酵設(shè)備及計(jì)算 (1) 發(fā)酵槽數(shù)目的確定發(fā)酵槽數(shù)目的確定ntN tZnN (2) 前發(fā)酵槽體積的確定前發(fā)酵槽體積的確定0ZVV (3) 前發(fā)酵槽冷卻面積計(jì)算前

11、發(fā)酵槽冷卻面積計(jì)算mTKQA啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備臥式后發(fā)酵槽臥式后發(fā)酵槽立式后發(fā)酵槽立式后發(fā)酵槽 后發(fā)酵設(shè)備后發(fā)酵設(shè)備 啤酒前、后發(fā)酵設(shè)備及計(jì)算啤酒前、后發(fā)酵設(shè)備及計(jì)算啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備 后發(fā)酵槽的計(jì)算后發(fā)酵槽的計(jì)算 啤酒前、后發(fā)酵設(shè)備及計(jì)算啤酒前、后發(fā)酵設(shè)備及計(jì)算SVVN (1) 后發(fā)酵槽數(shù)目的確定后發(fā)酵槽數(shù)目的確定 (2) 后發(fā)酵槽全體積的確定后發(fā)酵槽全體積的確定SVV 0啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備 新型啤酒發(fā)酵設(shè)備新型啤酒發(fā)酵設(shè)備 圓筒體錐底發(fā)酵槽圓筒體錐底發(fā)酵槽 圓筒體錐底立式發(fā)酵罐圓筒體錐底立式發(fā)酵罐（簡稱錐形罐（簡稱錐形罐 ）。這種設(shè)備）。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于能縮短發(fā)酵時(shí)間的

12、優(yōu)點(diǎn)在于能縮短發(fā)酵時(shí)間, ,而且具有生產(chǎn)上的靈活性，而且具有生產(chǎn)上的靈活性，適合于生產(chǎn)各種類型啤酒的適合于生產(chǎn)各種類型啤酒的要求。目前，錐形發(fā)酵罐成要求。目前，錐形發(fā)酵罐成為國內(nèi)外啤酒工廠使用較多為國內(nèi)外啤酒工廠使用較多的設(shè)備。的設(shè)備。啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備HH0D60H/D = 1.56:1 錐形罐的幾何尺寸錐形罐的幾何尺寸H0/D = 0.866 新型啤酒發(fā)酵設(shè)備新型啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備 新型啤酒發(fā)酵設(shè)備 錐形罐的冷卻裝置錐形罐的冷卻裝置 新型啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備 錐形罐錐形罐 新型啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備 聯(lián)合罐聯(lián)合罐 新型啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備 朝日罐朝日罐優(yōu)點(diǎn)：可加速啤酒

13、的成熟。發(fā)酵時(shí)罐的裝量達(dá)96，提高設(shè)備利用率，減少了排除酵母時(shí)發(fā)酵液的損失。缺點(diǎn)：動(dòng)力消耗大。 新型啤酒發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵設(shè)備 CIP清洗系統(tǒng)清洗系統(tǒng)預(yù)沖洗預(yù)沖洗堿預(yù)洗堿預(yù)洗中間清洗中間清洗固定噴頭噴洗固定噴頭噴洗清水沖洗清水沖洗酸沖洗酸沖洗堿噴洗堿噴洗連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵 間歇發(fā)酵：操作簡單，發(fā)酵周期長，發(fā)酵罐數(shù)多，設(shè)間歇發(fā)酵：操作簡單，發(fā)酵周期長，發(fā)酵罐數(shù)多，設(shè)備利用率低。備利用率低。 連續(xù)發(fā)酵：培養(yǎng)液濃度和代謝產(chǎn)物含量相對穩(wěn)定，發(fā)連續(xù)發(fā)酵：培養(yǎng)液濃度和代謝產(chǎn)物含量相對穩(wěn)定，發(fā)酵周期短，設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率高，易于自動(dòng)化生產(chǎn)。酵周期短，設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率高，易于自動(dòng)化生產(chǎn)。 連續(xù)發(fā)酵存在的問題

14、：連續(xù)發(fā)酵存在的問題：（1）微生物的突變）微生物的突變（2）污菌）污菌（3）混合均勻度）混合均勻度（4）絲狀菌的輸送）絲狀菌的輸送發(fā)酵罐數(shù)確定的理論依據(jù)： 1）若發(fā)酵產(chǎn)物的形成和微生物的生長是同時(shí)進(jìn)行的，即雙）若發(fā)酵產(chǎn)物的形成和微生物的生長是同時(shí)進(jìn)行的，即雙邊發(fā)酵，按化學(xué)劑量關(guān)系，最低要用一個(gè)發(fā)酵罐邊發(fā)酵，按化學(xué)劑量關(guān)系，最低要用一個(gè)發(fā)酵罐 2）若代謝產(chǎn)物的形成和微生物的生長明顯分為兩個(gè)階段，）若代謝產(chǎn)物的形成和微生物的生長明顯分為兩個(gè)階段，因此時(shí)需要兩個(gè)不同的培養(yǎng)條件，所以至少要兩只發(fā)酵罐因此時(shí)需要兩個(gè)不同的培養(yǎng)條件，所以至少要兩只發(fā)酵罐 3）若菌體生長和代謝產(chǎn)物的形成很難明顯區(qū)分，且各階段

15、）若菌體生長和代謝產(chǎn)物的形成很難明顯區(qū)分，且各階段的培養(yǎng)條件又各不相同，則需要幾個(gè)罐串聯(lián)進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵的培養(yǎng)條件又各不相同，則需要幾個(gè)罐串聯(lián)進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵 圖解法：圖解法： 多罐連續(xù)發(fā)酵須滿足的條件：多罐連續(xù)發(fā)酵須滿足的條件： 輸出量輸出量=輸入量輸入量+生長量生長量即：即： 或或?qū)ι鲜?，斜率對上式，斜率D=q/V，截距，截距Xn-1對第一罐，對第一罐，Xn=Xn-1第一罐物料平衡過原點(diǎn)第一罐物料平衡過原點(diǎn)dtdXVqXqXnnn11nnnXXDdtdX連續(xù)發(fā)酵 連續(xù)發(fā)酵時(shí)間的確定連續(xù)發(fā)酵時(shí)間的確定0ln1tNO1V1X1V2X2NO2FS1X1FS2X22122111XXXm連續(xù)發(fā)酵 連續(xù)發(fā)酵理

16、論罐數(shù)的確定連續(xù)發(fā)酵理論罐數(shù)的確定AabcXdX/dtX1X2X3斜率D 物料平衡方程式：)(dd1nnnXXDtX例：不同釜數(shù)的比較例：不同釜數(shù)的比較1. 應(yīng)用串聯(lián)全混釡?zhǔn)椒磻?yīng)器進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，假設(shè)各釡的容積和操作溫度相同，已知在該溫度下的速率常數(shù)為K0.92h1，原料進(jìn)料速率V010m3/h，要求最終轉(zhuǎn)化率為0.90，試計(jì)算當(dāng)串聯(lián)釜數(shù)N分別為1、2、3、4、5、10、50和100時(shí)的反應(yīng)器總體積，如果采用間歇操作，不考慮輔助生產(chǎn)時(shí)間條件下的體積是多少？解：應(yīng)用多釜串聯(lián)計(jì)算式得 Vi/V0=V/NV0N（個(gè)數(shù)） 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值下得總體積值下得總體積對間歇操作：2.503hV2.5031025.03m3討論：1. 串聯(lián)得釜數(shù)串聯(lián)得釜數(shù)N越多，所需反應(yīng)器的體積越小，越多，所需反應(yīng)器的體積越小，當(dāng)當(dāng)N50時(shí)已接近時(shí)已接近BSTR所需體積。所需體積。 2. 在在N5時(shí)，增加串聯(lián)釜數(shù)的效果不明時(shí)，增加串聯(lián)釜數(shù)的效果不明顯，且顯，且N越大，效果越小。越大，效果越小。N（個(gè)數(shù)） 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成熟發(fā)酵醪成熟發(fā)酵醪糖糖蜜蜜酒酒母母123456789連續(xù)發(fā)酵 酒精連續(xù)發(fā)酵流程酒精連續(xù)發(fā)酵流程淀粉質(zhì)原料制酒精連續(xù)發(fā)酵流程連續(xù)發(fā)酵 酒精連續(xù)發(fā)酵流程酒精連續(xù)發(fā)酵流程連續(xù)發(fā)酵1