第四章厌氧发酵设备课件.ppt
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4、嫌气发酵设备、嫌气发酵设备4.1酒精发酵设备酒精发酵设备 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=1h/D=0.1~0.15 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h2H=(1.1~1.5)Dh1=(0.1~0.3）Dh2=(0.05~0.1) 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）φ –装满系数（0.9~0.95） 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 = 0.15Dn2 =0.05D 圆整取D=8.4(m)H=1.3×8.4=10.92(m)n1 =0.06×8.4=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9~11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 =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（146.6k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=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) 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动力学方程动力学方程 nmonod方程 1)延滞期延滞期μ= 02) 2)加速期加速期0＜μ＜μmax3 3) )对数期对数期μ= μmax4 4) )减速期减速期㏑(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）；VμxSl单级连续发酵（培养）单级连续发酵（培养）FSoXoFSX n生长比与速率稀释率的关系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)，当连续稳当连续稳定进料定进料一定时间后，对细胞平衡：生长量=排出量VμX=FX 令： D- 稀释率（h-1）即：μμ= =D 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 D＜μmax当D＞μmax，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菌体相对基质得率系数Yx/sn菌体浓度与稀释率的关系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)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。
l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：对第一个罐细胞平衡： 对第二个罐细胞平衡：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： l单罐连续培养(细胞循环)FSX2FSoμXVSαFSX1（1+α）FSXαFSX1l对菌体平衡对菌体平衡u发酵罐培养系统菌体平衡发酵罐培养系统菌体平衡u细胞浓缩分离系统菌体平衡细胞浓缩分离系统菌体平衡 n细胞循环连续发酵讨论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 =μ，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 曝气池俯视图曝气池俯视图 n酒精连续发酵酒精连续发酵 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酵母回收利用，在利用的过程酸处理酸处理。
操作要点：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，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，pH4.7~4.8，100Kg废糖蜜出28~29L酒精 糖化醪CO2发酵成熟醪酒精连续发酵酒精连续发酵 。
