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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。
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)
V0:发酵罐中的装液量(米3)
ψ:装液系数(~)
(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=~,h1=~,h2=~
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/.℃)
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’)。

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/. ℃
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/. ℃)
A:常数,在水温为20℃时,
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/)
Dm:罐外径(米)
本公式适应范围:喷淋密度在100~1500公斤/。
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