第九章厌氧发酵设备 发酵设备是发酵工厂中主要的设备,它提供了一个适应微生物生命活动和生物 代谢的场所。 由于微生物分厌氧和通风两大类,故供微生物生存和代谢的生产设备也就各不 相同。 不论厌氧或通风发酵设备,除了满足微生物培养所必要的工艺要求外,还得考 虑材质的要求以及加工制造难易程度等因素。 本章主要讲述的内容 第一节酒精发酵设备及计算 、酒精发酵设备的基本要求 1,满足酒精发酵的工艺要求 2,满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件。 (1)将发酵产生的热量及时移走 (2)有利于发酵液的排出,设备的清洗、维修以及设备制造安装方便等问 二、酒精发酵罐的结构 1,基本结构 酒精发酵罐筒体为圆柱形。底盖和顶盖均为碟形或锥形的立式金属容器。罐顶 装有废汽回收管,进料管,按种管,压力表、各种测量伩表接口管及供观察淸洗和 检修罐体内部的人孔等。罐底装有排料口和排污口对于大型发酵罐,为了便于维修」 和清洗,往往在近罐底也装有人孔。罐身上下部装有取样口和温度计接口。 体出料搜和酒 压力表 酒精发酵罐的结构示意图
第九章 厌氧发酵设备 发酵设备是发酵工厂中主要的设备，它提供了一个适应微生物生命活动和生物 代谢的场所。 由于微生物分厌氧和通风两大类，故供微生物生存和代谢的生产设备也就各不 相同。 不论厌氧或通风发酵设备，除了满足微生物培养所必要的工艺要求外，还得考 虑材质的要求以及加工制造难易程度等因素。 本章主要讲述的内容 第一节 酒精发酵设备及计算 一、酒精发酵设备的基本要求 1，满足酒精发酵的工艺要求； 2，满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件。 （1）将发酵产生的热量及时移走； （2）有利于发酵液的排出，设备的清洗、维修以及设备制造安装方便等问 题。 二、酒精发酵罐的结构 1，基本结构 酒精发酵罐筒体为圆柱形。底盖和顶盖均为碟形或锥形的立式金属容器。罐顶 装有废汽回收管，进料管，按种管，压力表、各种测量仪表接口管及供观察清洗和 检修罐体内部的人孔等。罐底装有排料口和排污口对于大型发酵罐，为了便于维修 和清洗，往往在近罐底也装有人孔。罐身上下部装有取样口和温度计接口。 酒精发酵罐的结构示意图
2,发酵罐的冷却装置 根据发酵的大小不同,酒精发酵罐通常采用以下冷却装置: (1)中小型发酵罐:多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却 (2)大型发酵罐:由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求,所以,罐内装有冷 却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。 (3)也有采用罐外列管式喷琳冷却的方法,此法具有冷却发酵液均匀、冷却效 率高等优点。 冷却水入口 冷却水出口 温度计 冷却水入口 喷淋水 酒精发酵罐冷却装置示意图 3,发酵罐的洗涤装置 大型酒精发酵罐通常采用水力喷射洗涤装置。 川 酒精发酵罐洗涤装置的结构示意图
2，发酵罐的冷却装置 根据发酵的大小不同，酒精发酵罐通常采用以下冷却装置： （1）中小型发酵罐：多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却； （2）大型发酵罐：由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，所以，罐内装有冷 却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。 （3）也有采用罐外列管式喷琳冷却的方法，此法具有冷却发酵液均匀、冷却效 率高等优点。 酒精发酵罐冷却装置示意图 3，发酵罐的洗涤装置 大型酒精发酵罐通常采用水力喷射洗涤装置。 酒精发酵罐洗涤装置的结构示意图
三、酒精发酵罐的计算 1,发酵罐结构尺寸的确定 (1)发酵罐全容积的计算 式中:V:发酵罐的全容积(米3) Vo:发酵罐中的装液量(米3) ψ:装液系数(一般取0.85~0.90) (2)带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为: =D2(H+3+3) 式中D:罐的直径(米) H:罐的圆柱部分高度(米) h:罐底高度(米) h2:盖高度(米) 通常:H=1.1~1.5D,h=0.1~0.4D,h2=0.05-0.1D 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=2+1 式中N:发酵罐个数(个) n:每24小时内进行加料的发酵罐数 t:发酵周期(小时) 3,发酵罐冷却面积的计算 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定,即: F 式中F:冷却面积(米2) Q:总的发酵热(焦耳小时) K:传热总系数(焦耳米2小时℃) △tm:对数平均温度差(℃) (1)总发酵热的估算 微生物在厌氧发酵过程中总的发酵热,一般由生物合成热Q1,蒸发热损失Q2, 罐壁向周围散失的热损失Q3等三部分热量所组成。即: Q=Q1-(Q2+Q3) Q1的估算 按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值来计算 计算方法:在发酵最旺盛时,测定小型试验箱冷却水的进出口温度和单位时间 内的耗水量,从而得出其放热量(Q13)。 g1=WCp(t2-41)
三、酒精发酵罐的计算 1，发酵罐结构尺寸的确定 （1）发酵罐全容积的计算： 式中：V：发酵罐的全容积（米 3） V0：发酵罐中的装液量（米 3） ψ：装液系数（一般取 0.85~0.90） （2）带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为： 式中 D：罐的直径(米) H：罐的圆柱部分高度(米) h1：罐底高度(米) h2：盖高度(米) 通常：H=1.1~1.5D，h1=0.1~0.4D，h2=0.05~0.1D 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： 式中 N：发酵罐个数（个） n：每 24 小时内进行加料的发酵罐数 t：发酵周期（小时） 3，发酵罐冷却面积的计算 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即： 式中 F：冷却面积(米 2 ) Q：总的发酵热(焦耳/小时) K：传热总系数(焦耳/米 2 .小时.℃) Δtm：对数平均温度差(℃) （1）总发酵热的估算 微生物在厌氧发酵过程中总的发酵热，一般由生物合成热 Q1，蒸发热损失 Q2， 罐壁向周围散失的热损失 Q3 等三部分热量所组成。即： Q= Q1 -（ Q2 + Q3 ） Q1 的估算 按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值来计算 计算方法：在发酵最旺盛时，测定小型试验箱冷却水的进出口温度和单位时间 内的耗水量，从而得出其放热量（Q1’）。 V0 V = ( ) 3 3 2 4 D H h1 h2 V = + + 1 24 = + nt N K tm Q F =
由Q1扩大到生产罐,则生产罐的Q1为 Q2一般取Q1的5%6%左右。 Q这部分热量由对流和辐射组成,可查阅相关手册。 (2)对数平均温度差Δtm的计算 △ (F-11)(1F一 F-2 t:主发酵时的发酵温度(℃) t:冷却水进口温度(℃) t2:冷却水出口温度(℃) (3)传热总系数K值的确定 传热总系数可由两部分组成 ①发酵液到蛇管壁的传热分系数α ②从冷却管壁到冷却水的传热系数α2 αI一般依据生产经验数据或直接测定为准,对酒精发酵液而言,其αn值可取 2300-2700千焦/米2小时.℃ a2可分为两种情况计算 若采用蛇管冷却,以水为冷却剂: 4.186A 20)0.8 (1+1.77) a2:蛇管的传热分系数(千焦米2小时.℃) A:常数,在水温为20℃时,可取645 p:水的密度(公斤/米3) ω:蛇管内水的流速(米秒) d:蛇管直径(米) R:蛇管圈半径(米) 若采用罐外壁喷淋冷却,则α2为: 167G04 G:喷淋密度(公斤/米.小时) Dm:罐外径(米) 本公式适应范围:喷淋密度在100~1500公斤/米小时 计算举例 某酒精工厂,每发酵罐的进料量为24吨/小时,每4小时盛满一罐,发酵周期
由 Q1’扩大到生产罐，则生产罐的 Q1 为： Q2 一般取 Q1 的 5%~6%左右。 Q3 这部分热量由对流和辐射组成，可查阅相关手册。 （2）对数平均温度差Δtm 的计算 tF：主发酵时的发酵温度（℃） t1：冷却水进口温度（℃） t2：冷却水出口温度（℃） （3）传热总系数 K 值的确定 传热总系数可由两部分组成： ①发酵液到蛇管壁的传热分系数α1 ②从冷却管壁到冷却水的传热系数α2 α1 一般依据生产经验数据或直接测定为准，对酒精发酵液而言，其α1 值可取 2300~2700 千焦/米 2 .小时. ℃ α2 可分为两种情况计算： 若采用蛇管冷却，以水为冷却剂： α2：蛇管的传热分系数（千焦/米 2 .小时. ℃） A：常数，在水温为 20℃时，可取 6.45 ρ：水的密度（公斤/米 3） ω：蛇管内水的流速（米/秒） d：蛇管直径（米） R：蛇管圈半径（米） 若采用罐外壁喷淋冷却，则α2 为： G：喷淋密度（公斤/米.小时） Dm：罐外径（米） 本公式适应范围：喷淋密度在 100~1500 公斤/米.小时。 三、计算举例 某酒精工厂，每发酵罐的进料量为 24 吨／小时，每 4 小时盛满一罐，发酵周期
为72小时,冷却水的初、终温分别为20e℃和25ε℃,若罐内采用蛇管冷却,试确 定:发酵罐的结构尺寸,罐数,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1076公斤/米3) l,发酵罐的个数和结构尺寸的确定 n 按题意 所以 N 6×72 1 发酵罐容积: 24×4×1000 1076×0.9 100(米3) 0.9——发酵罐的装料系数 2,冷却面积和冷却装置主要结构尺寸的确定 发酵罐采用圆柱器身,底和顶为锥型盖,选取结构尺寸的比例关系如下: H=1.2Dh2=l1=01D 卩=0.785D2(H+4+h 100:1512D 02D D=4,(米) 则 H=1,2D=5,6(米) h1=h2=0,1D=0.47(米) 由发酵罐的基本结构尺寸,可确定全罐表面积,鲽体圆柱部分表面积F1和罐底、罐 高表面积F2F8分别为 F1=DH=3.14X47×5.6 =82(米2) F2=F3=xr y r2+/2 =3.14×235V(2.35)2+(0,47) =18(米2) 的半径(米) 所以全罐表面积F=F1+F2+F 118米)
为 72 小时，冷却水的初、终温分别为 20¢ªC 和 25 ¢ªC，若罐内采用蛇管冷却，试确 定：发酵罐的结构尺寸，罐数，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 1076 公斤／米 3 )。 l，发酵罐的个数和结构尺寸的确定 2，冷却面积和冷却装置主要结构尺寸的确定 发酵罐采用圆柱器身，底和顶为锥型盖，选取结构尺寸的比例关系如下：