工学第四章厌氧发酵设备课件

4、嫌气发酵设备 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、分割半连续发酵、连续发酵。 l间歇发酵 每罐发酵都加入新的酒母，酒母培养和酒 精发酵都是间歇操作。 l半连续发酵 指酒母连续培养，酒精间歇发酵。 l分割半连续发酵 是将发酵罐在发酵主期分割出一部分发酵液给 另一个发酵罐做酒母，依次轮回。 l连续发酵 酒母扩大培养和酒精发酵都是连续的。 4.1.1酒母培养罐 通常酒母培养又分小酒母培养和大酒母培养， 一般大酒母培养罐体积是发酵罐的1/10，小酒母罐 体积是大酒母罐的1/10。 以前酒母采用逐级扩大培养； 固体试管液体试管小三角瓶大三角瓶卡式 罐小酒母大酒母 为了简便实验室的酒母扩大培养，小酒母 采用分割培养，可以连续分割一个礼拜，现 在厂家多用活性干酵母做种子接入小酒母培 养。 小酒母罐和大酒母罐结构相似，都是对 酒母的扩大培养。 圆柱体直径D 圆柱体高H 圆锥体高h H/D=1 h/D=0.10.15 分割半连续发酵，不设酒酒母培养罐（应 用活性干酵母后），在发酵罐上部罐与罐设 连通管，有阀门控制流出。 4.1.2发酵罐 1）发酵结构 直径D 圆柱体高H 锥低高h1 锥顶高h2 H=(1.11.5)D h1=(0.10.3）D h2=(0.050.1) D 发酵醪冷却有内蛇 管冷却和外循环冷却。 2）发酵罐体积计算 Vo 发酵罐装液体积（m3） V -发酵罐溶积（不计锥顶体积）（m3） 装满系数（0.90.95） 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。 解：95%（v/v）=92.41%（v/v） 10%（v/v）=8.01%（v/v） 取H=1.3D； n1 = 0.15D n2 =0.05D 圆整取D=8.4(m) H=1.38.4=10.92(m) n1 =0.068.4=0.504(m) 圆整取H=11(m) h1=0.5(m) 3）发酵罐个数计算 l 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。 l 连续发酵 现在连续发酵一般用6个罐串联，过去用911个串联。 在连续发酵一节详讲。 糖化醪 CO2 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 =mSq m 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（146.6k卡/kg） 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。 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3045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。 发酵酵槽纵截面 发酵槽横截面 后发酵罐（卧式） 前后发酵室示意图 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=34 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) 3)发酵罐个数计算： N=Zt 4.3连续发酵（微生物细胞连续培养) l 连续发酵原理及优缺点 l微生物细胞生长动力学 l微生物间歇培养 l单级连续发酵 l两级串联连续发酵 l带细胞循环的单级连续发酵 l连续发酵应用及控制要点 l微生物细胞生长动力学 n 动力学方程 nmonod方程 1)延滞期 = 0 2)加速期 0max 3)对数期 = max 4)减速期 (X/Xo) t 延 滞 期 加 速 期 对 数 期 减 速 期 平 衡 期 l微生物间歇培养 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） ； Vx S l单级连续发酵（培养） F So Xo F S X n生长比与速率稀释率的关系 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 VX=FX 令： D- 稀释率（h-1） 即：=D 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。 n连续发酵的必要条件 Dmax 当Dmax，发酵就发生“冲出”现象。 n底物浓度（S）与稀释率的关系： n 菌体相对基质得率系数Yx/s n 菌体浓度与稀释率的关系 n 微生物细胞生产强度与稀释率的关系 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) Dopt X DX S DX X S Dc 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。 l两级串联连续发酵（培养） 假定： V1=V2=V F So Xo 1X1V1 S1 2X2V2 S2 F S2 X2 F S1 X1 连续稳定时，Xo=0 对第一个罐细胞平衡： 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 单罐发酵时间用表示: 两罐发酵时间用m表示： l单罐连续培养(细胞循环) F S X2 F So XV S F S X1 （1+）F S X F S X1 l对菌体平衡 u发酵罐培养系统菌体平衡 u细胞浓缩分离系统菌体平衡 n细胞循环连续发酵讨论 循环与不循环相比： u在转化率和发酵罐体积不变时，可提高生产能力 。 u在生产能力和发酵罐体积不变时，可提高转化率 （S降低） u在生产能力和转化率一定时，可减小设备体积。 u如果细胞不浓缩， D =，对CSTR无意义。 u生产能力的提高在于提高了发酵罐中的细胞浓度 。 l连续发酵应用及控制要点 n 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。 n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 n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，将酵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。 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2 70年代用糖蜜连续酒精发酵，