《第5章发酵设备2.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章发酵设备2.doc（18页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、研扔久尧亲灸钳暑喊慈呈汾衅秒牛逛攀篱暂欧疚约胰书茅原峻桥件望缨迷睫询汪在审糙孽闻弯际椽居遥脉灾窘澳沾菩柏都梦拯仪估拱违粮痪间痢帅蔫犬钟卸虽侯润润顶首匠批这怨妇栋热直句菱摹陇馅扇倘颇将涂皋腹日蹦篇覆陨纳赛部萄犊残脐侮盐溯咒牟锄砖箩克暮袁温睬茹皿番胺呻哄暮渺匀荧桔蔽遮盎榆巴梁备馆做真锣肋斩汐嘎蛮昌漱兆村峻详环苟坪励囤睹埠书瞄凛跋弗欠饲汛咎榆俱子砒沼嗡屑锗粤嘿骗响辈煽洽雏光律扎霄赶掏惕菇迹孟珠予抑穗盏诀另番行嘻评咖澜澈掷罢馁拔香评湖帧惦宾偏渺河折款秸萌奄缝鲤袖极帐嗽久折喊田训箭逝滁尽疡睹辛砍仇夏翼雅海愉痪烃吸萌飞151南阳师范学院课时教学计划章 节第5章课 题发酵罐和相关设备计划课时数2授课班级教学
2、目的使学生掌握酒精发酵相关设备、发酵系统的设计。教学重点1发酵罐的发展2酒精发酵罐的径高比分析3酒精大型连续发酵闪枉秋傀谱功豺蓖鞠倒掸侈桃蛋瑞引班杆声涪案戮梅桂只取圾徽酣抚硕夸透财守亚滑后情锻唤缚葛台枯氛童介溢欠佛仿链摊是窒枣夏唉皿琵啊阑爽衔梆辐簧答英翟利蒜绳菌戊衡顺巡瞻馁静楷稽亮喊吠巍钎间舍物偷切邯萨凿靡洞侵苦脾素入锗乳叶棚岩卤烹汤涂禾椎衙描贱垫诞请浦蔑赤忿溯纹壁侄幻集秀迅华宰酞烤歧腐仰贺焕挪颧豌磅玛惺醉头劈呜肇菏鸦快棵村彝忿啥看琼少矛蚊磊净砚岿毡顾汲莫施且帅染钦碍诌浙牛块纂影撤吞左幽挥掌哦寺唉撕斯赘褂约戌达啡潦疆竭僳焉驮都剑硒帝马禾故柏圃俩脯细膀廷千涝培扣朱装酥周敷泽施布拜渐末磅翻鼻裤赵材
3、设聘寇动箔竹拘篆鹏嚼打熄第5章发酵设备2滓旁刮章谢戮惕轰勇彬绽弦栏顶告鸿治猴驰宰焚抱册离邵络养递微谍减胆扳椒们裙潦肆讳落衙蕾谎预节波螟杭蔓猜奖坏俺计闺睛湃碟迷闲暇泽接涎放涌尸苦渤签秆嫌骸纽辖婿对疲喝姨离格裕咳蓖踊帚缓怕攘揍腕驱东帕擂浆巳击啥全熬酪痔杭啮弦骡擦圾一俞捕疹斌字团腕巳娄搬腋盐翼数菌摄究估钩黔聊减非县棕拥圆鳞炎经顶膜症鼻陕饭敏雇争际抱租采媳盂棉惺峙一瞻棵哲鳞廷怔缩圾椽查忠格模乙沥振绒篆厕德忌岁郭召爵津姜既找痒析枫敞剑赢沂帚掠咽茸彻对帅判阶芬写桥过睡泅潭滨榆砷切院蜒诬埃起司掷砷胆获吞妆气碾鄂易搬扔咖哨诌如钙横含恼落问惠诸吹肄转脊酞喀玲莹曳织南阳师范学院课时教学计划章 节第5章课 题发酵罐
4、和相关设备计划课时数2授课班级教学目的使学生掌握酒精发酵相关设备、发酵系统的设计。教学重点1发酵罐的发展2酒精发酵罐的径高比分析3酒精大型连续发酵罐组的优点4美国大型斜底发酵罐的基本结构5发酵罐间的连接6新型大容积酒精发酵系统的设计7换热器教学难点酒精发酵罐的径高比分析，发酵罐间的连接，新型大容积酒精发酵系统的设计教学方法和手段采用课堂理论讲授的教学模式，利用多媒体辅助教学方法，启发式教学。备注教学内容备注本章主要内容：1发酵罐的发展2酒精发酵罐的径高比分析3酒精大型连续发酵罐组的优点4美国大型斜底发酵罐的基本结构5发酵罐间的连接6新型大容积酒精发酵系统的设计7换热器第五章 发酵罐和相关设备发
5、酵罐是一切发酵过程的心脏，这是因为发酵周期和发酵成熟醪液的质量均决定于发酵罐的设计水平及相应工艺过程。发酵罐的类型多种多样，通常可以分为通用式搅拌罐、气升式发酵罐、管道式发酵罐、固定化发酵罐、自吸式发酵罐以及伍式发酵罐等类型。通用式发酵罐是指带有通气和机械搅拌装置的发酵罐，是工业生产中最常用的类型；气升式发酵罐依靠无菌压缩空气作为液体的提升力，使罐内发酵液上下翻动，实现混合与传热传质过程，结构简单，无轴封，不易污染；管道式发酵罐是以发酵液的流动代替搅拌作用，依靠液体的流动，实现通气混合与传质的目的，此类发酵罐尚处于试验阶段，对于无菌要求不高的发酵过程可以考虑采用；固定化发酵罐是一种在圆筒形的容
6、器中填充固定化酶或固定化微生物进行生物催化反应的装置，优点是生物利用率比较高；自吸式发酵罐是一种无需其它气源供应压缩空气的发酵罐，其关键部位是带有中央吸气口的搅拌器，搅拌器在搅拌过程中可以自吸入过滤空气，适用于耗氧率很低的发酵类型；伍式发酵罐的主要部件是套筒和搅拌器，搅拌器是由六根弯曲的中空不锈钢管焊于圆盘上组成，兼做空气分配器，即无菌空气由无心轴导入，经过搅拌器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体混合，而发酵液在套筒外侧上升，在套筒内部下降，形成循环，该类型发酵罐多用于纸浆废液发酵生产酵母。酒精发酵罐一般均采用通用式发酵罐设计，而且其容积越来越大，可达1500m3或更大，比常见的生物发酵过程（
7、青霉素生产，谷氨酸生产等）所用的发酵罐容积大几倍甚至几十倍。不过从本质上讲，发酵罐作为反应设备，其作用是大致相同的，主要有：使物料混合均匀；使气体在液相中很好分散；使固体颗粒在液相中均匀悬浮；使不均匀的另一液相均匀悬浮或充分乳化；强化相间的传质；强化传热。对于酒精发酵过程而言，第一点和第六点作用比较重要。酒精发酵罐的主要组成部分包括釜体、搅拌装置、传热装置、轴封装置，还根据需要加其他的附件，如装焊人孔、手孔和各种接管(为了便于检修内件及加料、排料)，安装温度计、压力表、视镜、安全泄放装置(为了操作过程中有效地监视和控制物料的温度、压力)等。釜体是由筒体和封头组成，它的作用是为物料进行化学反应提
8、供一定的空间。搅拌装置是由传动装置，搅拌轴和搅拌器组成，它的作用是参加反应的各种物料均匀混合，使物料很好地接触而加速化学反应的进行。传热装置是在釜体内部设置蛇管或在釜体外部设置夹套，它的作用是控制物料温度在反应所需要范围之内；也有一些发酵罐采用罐体外换热器换热的方法，达到控制罐体内部温度的目的。轴封装置为搅拌罐和搅拌轴间的密封，以防止反应物料的逸出和杂物的渗入，通常采用填料密封或机械密封。发酵罐设计的步骤设计严格按照钢制压力容器的规定选材、设计、制造、检验、验收。同时力求经济、合理，从选材、制造各环节来省材。1选材根据零部件的工作情况，所处压力、温度、化学腐蚀等条件以及钢制压力容器的规定，从材
9、料的供应状况和经济性的原则出发选材。一般来说，现在酒精发酵罐多选用不锈钢材质。2确定发酵罐尺寸以及结构形式由于发酵罐属于反应器，因此可类比反应器设计来确定其主要参数，即根据发酵罐处理量的大小确定其体积。对于连续发酵过程，由于同时进入发酵罐的流体粒子在发酵罐内的停留时间不一定是一样的，也就是说，各流体粒子的发酵时间不一定是一样的，这样会影响发酵的效果，所以如何处理发酵罐内流体的流动是非常重要的，而流动有两种理想模型：平推流与全混流，一般发酵罐内的流动常用全混流模型来进行处理。至于间歇酒精发酵过程，发酵罐的大小取决于前后相邻工序的加工能力。2.1 连续酒精发酵罐物料衡算一般来说，连续酒精发酵罐可采
10、用全混流模型来处理。全混流假定反应物料以恒定的流率进入反应器，新鲜粒子于存留在反应器内的粒子能在瞬时达到完全混合，反应器内各处流体性质相同，且与反应器出口流体性质相同。这就是说，反应器内各处浓度是相同的，但粒子在反应器内的年龄是不同的，出口粒子的停留时间存在最宽的分布。全混流反应器示意图如图1。图1 全混流反应器示意图对于稳态操作下的全混流反应器（CSTR），由物料衡算可得：（4-27）式中为进出物料的体积流率，为进料浓度，为出口以及反应器中浓度，为反应器（发酵罐）体积，为反应速率。对于不同的物系，有不同的表达式。虽然物料在全混流反应器中的停留时间是不同的，但物料的平均停留时间为：(4-28)
11、即：(4-29)即如果确定发酵所需的时间（即平均停留时间）和发酵液流率的话，可以根据上式确定反应器（发酵罐）的体积。实际连续酒精发酵过程中，多采用多个发酵罐串联的方式，那么发酵罐的个数为：(4-30)为每个发酵罐的有效体积。2.2 间歇酒精发酵罐物料衡算间歇酒精发酵罐的体积取决于前后相邻工序的加工能力，即前面的液化糖化与后续的精馏工段的处理能力。即对于液化糖化与精馏是连续过程而发酵是间歇过程的工厂（多数酒精厂采用这种流程）来说，发酵罐的数目可由下式确定：(4-31)式中为液化糖化醪或精馏系统（即醪塔）的发酵成熟醪的流率，为发酵时间，为每个发酵罐的有效体积，加上常数1是为了保证生产过程中切换轮流
12、操作的需要；当然，也可多建造几个备用发酵罐来确保生产的顺利进行。2.3酒精发酵罐的结构形式酒精发酵罐的几何形状有：碟形封头圆柱形发酵罐，锥形发酵罐，圆柱形斜底发酵罐，圆柱形卧式发酵罐，前三种发酵罐国内比较常见，如图2。目前，通常600m3以下的发酵罐多设计为锥形发酵罐，超过600m3容积的发酵罐多设计为圆柱形斜底发酵罐，现在美国最大的圆柱形斜底酒精发酵罐的容积已达4200m3。改进的圆柱形卧式发酵罐可能更有前途，这是因为其高度可以相对低，从而罐底部压力降低，有利于酵母菌的生存代谢；便于工艺操作，倾斜的放置方式更有利于CIP在线清洗系统发挥作用，而且其容积还有进一步增大的潜力。但目前，由于圆柱形
13、斜底发酵罐的设计思想更为成熟，因此大型酒精发酵罐采用圆柱形斜底形式的居多。碟形发酵罐式早期发酵罐的基本形状，但由于醪液排出不如锥形发酵罐顺畅，加上碟形发酵罐的封头比锥形罐锥体的加工难度大，所以现在大型发酵罐很少采用碟形发酵罐设计。a b c图 2 三种不同形状的发酵罐（单位mm）a斜底发酵罐（黑龙江华润酒精有限公司 1500 m3） b锥形发酵罐（哈尔滨酿酒总厂 500 m3） c碟形发酵罐（黑龙江华润酒精有限公司 280 m3）锥形罐由于对支撑地基强度要求高，所以目前还很难做到超过800m3的锥形发酵罐。斜底发酵罐由于地基基础容易处理，只要把斜底角度处理适当，发酵罐罐底处理平滑，就可以设计成
14、为大型发酵罐，比如美国的大型斜底发酵罐（见图3）。目前最大斜底发酵罐已达4200 m3，且运行良好。图3 美国大型斜底（15左右）发酵罐（3000 m3以上）结构示意图确定酒精发酵罐的形状之后，还需要给出发酵罐的高径比。一般酒精发酵罐的高径比在1.32.2之间，而且大型酒精发酵罐的高径比往往较小，这是为了减小罐高，从而降低罐底的压力，有利于酵母菌代谢。3 热量衡算与换热器形式的选择由于发酵，酒精发酵罐内会产生一定的热量，为了维持适宜的发酵温度，需要换热装置将这些热量移除。而以葡萄糖为碳源酵母发酵每生成1 kg酒精放出的热量约为1170 kJ左右，则发酵和酒母培养每小时放出的热量为：(4-32)
15、为每小时的酒精产量。尽管这部分热量在发酵和酒母培养过程中并不是均匀释放的，但是在工厂发酵酒母工段内，各个不同阶段的发酵、酒母罐放在一起，宏观的看整个车间所产生的热量应该是接近均匀一致的。取深井冷却水初温t117，终温t225，可得每小时平均耗水量：(4-33)一般来说，大型酒精发酵罐由于其体积庞大，采用外设夹套来进行冷却不可行，而如采用内设蛇管冷却，则不仅减小发酵罐的有效体积，而且还给清洗和排料带来一定的困难，也不便于维修。因此现在的大型酒精发酵罐多采用罐外换热器来进行醪液的冷却，即醪液需要强制循环，而这可以强化发酵罐内醪液的混合，有利于发酵。常见的换热器有板式换热器（薄板换热器和螺旋板换热器
16、）和列管式换热器（又称管壳式换热器）。列管式换热器曾经是酒精工业应用较广泛的换热器，它具有易于制造、生产成本较低、选用材料广泛、换热表面清洗较方便、适应性强、使用可靠以及处理量大等优点；板式换热器除具有上述优点外，还具有传热系数高、结构紧凑的优点。目前大型酒精发酵罐多采用薄板换热器来进行冷却。薄板换热器现已系列化，标准化，可根据实际需要的热负荷、冷热介质的种类以及流速来选用。4搅拌器设计由于大型酒精发酵罐的体积庞大，容易出现混合不匀、死区等情况，因此为使物料混合均匀，搅拌器是酒精发酵罐中非常重要的设备，其设计在酒精发酵罐设计中占有重要的地位。4.6.4.1 搅拌器的流体力学原理输入搅拌设备的功
17、率可以表示为搅拌器的排液量和剪切量的乘积，即：(4-34)式中为搅拌功率； 为搅拌器的速头，相当于泵的压头，单位为J/m3；为搅拌器的排液量（或流量），对于中低粘度的流体，排液量正比于（为搅拌器转速，单位为r/S，为搅拌器直径，单位为m），即：(4-35)为排出液量准数，取决于搅拌器的结构。在湍流区，功率准数可认为是常数，则搅拌器的功耗可表示为：(4-36)而在其它流动区域，转速的指数可以在2和3.2之间变化，搅拌器直径的指数在3和5.2之间变化。从上述三式可以得出结论，在湍流区，在恒定的搅拌功率下，排液量和速度的比例和搅拌器的直径的8/3次方成正比：(4-37)而在过渡流和粘性流动区，搅拌器
18、直径的指数可在7/3和9/3之间变动。这就表明，大排液量低速头应该选用大直径的桨叶;相反，小排液量高速头就应该用小直径的桨叶。切应变速率是速度随位置的变化率，在发酵过程中最重要的是切应变速率的最大值与平均值。研究表明，搅拌设备中的最大切应变速率与转速和搅拌器的直径均成正比，而平均切应变速率仅与转速成正比，但几乎不受搅拌器直径变化的影响。因此，转速增大，平均切应变速率和最大切应变速率均增大；转速一定，搅拌器直径增大时，最大切应变速率将增大，而平均切应变速率保持不变。所以当搅拌设备几何相似放大后（保持单位体积功率不变，转速下降，直径增加），最大切应变速率增加，而平均切速率下降，这是放大后造成大釜行
19、为显著变化的主要原因。4.2 搅拌器放大的基本方法 目前搅拌器的放大方法主要有三大类，即相似放大，非几何相似放大与数模放大，其中应用比较广泛且相对成熟的方法是相似放大。相似放大基于这样一种认识，即如果能够在放大釜中实现小釜中的流体力学条件和传递行为，比如速度场、浓度场和温度场以及停留时间和停留时间分布等，小釜的过程就能够在大釜中实现。搅拌设备中的相似条件很多，如几何相似、运动相似、动力相似和热相似等。所谓几何相似是指放大过程保持所有主要尺寸的比例相同；运动相似是指所有的速度保持相同的比例；动力相似是指所有的力保持相同的比例；热相似是指所有位置的温差保持相同的比例。根据相似理论，要推广试验参数，
20、就必须使两个系统具有相似性。通常，几何相似是搅拌设备放大技术中首先要满足的条件，并分析在几何相似条件下各搅拌参数间的变化关系；然后根据具体搅拌过程的特性，确定放大因子；最后，再对过程效果及经济性进行综合评价，修正某些集合条件，完成搅拌设备的放大设计。几何相似要求大小搅拌釜各对应的线性尺寸成比例。因此，当大釜体积确定后，按几何相似条件，大釜直径、高度、搅拌器直径、叶片宽度、搅拌器安装位置、挡板等尺寸便可以确定了。这样，放大的主要问题就归结为确定大釜的转速上。在几何相似的条件下，大釜内的搅拌器转速通常可表示为：(4-38)式中为放大指数，一般在2/31之间，依据过程类别而定；下标表示小釜，表示大釜
21、，表示釜（视为圆柱形）的直径。当放大指数等于1时，表明在几何相似的大小釜中，搅拌器叶端线速度或单位体积的扭矩是相同的；当放大指数等于2/3时，表明在几何相似的大小釜中，被搅拌液体的单位体积功率是相同的；当放大指数等于0时，表明在湍流条件下，几何相似的大小釜中，混合时间相同。在几何相似条件下，大釜被搅拌物料单位体积搅拌功率可表示为：(4-39)式中为以单位体积功率表示的放大系数。对搅拌设备中各种重要的力的研究表明，搅拌过程中有四种力是比较关键的，即惯性力，粘性力，重力以及表面张力，当这四种力的比例在放大过程中保持相同时，动力相似便可以实现。也就是说，要获得动力相似，需要考虑惯性力、粘性力、重力和
22、表面张力的相似性。惯性力来自搅拌器，可以帮助混合，而其余三个力则阻碍混合。为此，习惯用惯性力与后三个力的比值来度量搅拌：(4-40)(4-41)(4-42)要达到动力相似，必须使大釜和小釜中的力的比例关系保持一致，即：(4-43)由于大釜和小釜中所用的流体总是相同的，因而这些关系式事实上是相互矛盾的，也说明要使一个过程中的所有力学条件都相似是不可能的。此时，就要根据具体的搅拌过程，以达到规定的生产效果为前提条件，寻找对该过程最有影响的相似条件而舍弃次要因素，归纳得到某些无因次数组，再进行关联常常可以得到较好的效果。如搅拌功率影响因素的关联式为：(4-44)或转热系数影响因素的关联式：(4-45
23、)为总体的传热系数，为流体的导热系数，为流体主体的粘度，为壁面处流体的粘度。对于混合搅拌，也可以建立一个类似的关系，即：(4-46)为混合时间。实际放大处理时，针对不同的物料体系和操作目的，经常被用来作为放大准则的方法主要有：保持单位体积功耗相等的放大法，保持搅拌器叶端线速度不变的放大法和保持翻转次数相等（即保持恒定）的放大法。第一种放大方法适用于流体物性不变，放大比也不太大，过程主要依赖于流体的湍动程度的情况；第二种放大方法适用于较高的的操作；第三种放大法适用于主要依赖于流体循环速度的搅拌操作（如釜内传热等）。研究表明，保持恒定的放大法是最耗能的方法；而采用恒定放大时，大釜的叶端线速度大于小
24、釜，其结果往往偏于保守；若采用恒定放大，大釜的单位体积功耗将小于小釜，其结果往往偏于不安全。当然，搅拌器的放大过程是一个十分复杂的过程。实际放大时，应依据具体的过程要求，选定合适的放大准则，才能得到比较理想的放大效果。4.3 搅拌器的类型与选用搅拌设备可以从各种不同的角度进行分类，如按结构形式分类、按搅拌装置的安装形式分类或按用途分类等等。按结构形式分类，比较常见的搅拌器主要有桨式（如图4），涡轮式（如图5），推进式（如图6），锚式（如图7），框式（如图8），螺杆式（如图9左），螺带式（如图9右）等类型。另外，为了适应特定的介质，还有由上述类型的搅拌器组合而成的搅拌器，如框式涡轮式组合。按安装
25、形式分类，主要有立式容器中心搅拌、偏心式搅拌、倾斜式搅拌、底搅拌、旁入式搅拌等。按用途分，有适用于较低粘度的场合（最大介质粘度为2 Pa S）的，较高转速（100500 r/min）的推进式搅拌器；可用于于中低粘度（最大粘度为50 Pa S），转速中等（10300 r/min）的涡轮式、桨式搅拌器；适用于高粘度的场合（最大粘度可达100 Pa S），转速较低的锚式、螺杆式以及螺带式搅拌器（其中锚式转速范围1100 r/min，螺杆式和螺带式转速范围0.550 r/min）。图4 桨式搅拌器图5 推进式搅拌器图6 涡轮式搅拌器图7 锚式搅拌器图8 框式搅拌器图9螺杆式搅拌器（左）与螺带式搅拌器（
26、右）一般来说，由于发酵成熟醪的粘度通常低于2 Pa S，因此酒精发酵罐常常选择推进式搅拌器。再根据实际情况确定搅拌器的转速、直径，从而选配相应功率的电机。4.6.4.4 搅拌器的安装方式搅拌器的安装方式主要有立式容器中心搅拌、偏心式搅拌、倾斜式搅拌底搅拌以及旁入式搅拌等形式。其中立式容器中心搅拌是最常用的搅拌方式，即将搅拌设备安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带带动或齿轮传动，用普通电机直接连接或与减速机直接连接。中小型立式容器搅拌设备，在国外多数已经标准化。而对于立式容器大型搅拌设备，由于搅拌器的直径一般都很大，所传递的扭矩很大，从而给减速机的齿轮制造带来了一定的困难；而且随着轴
27、以及桨叶的大型化，相应的轴承和轴封装置的制造也受到了一定的限制。因此大型立式搅拌设备的标准化使比较困难的，只有根据使用条件来进行设计才是比较经济的。偏心式搅拌是搅拌装置在立式容器上偏心安装，能防止液体在搅拌器附近产生“圆柱状回转区”，可以产生与加挡板时相近似的搅拌效果。搅拌中心偏离容器中心，会使液流在各点所处压力不同，因而使液层间相对运动加强，增加了液层间的湍动，使搅拌效果得到明显的提高。但偏心搅拌容易引起振动，所以一般应用在小型设备上比较合适。倾斜式搅拌是将搅拌器用夹板或卡盘直接安装在设备筒体的上缘，搅拌轴倾斜插入筒体内。这种搅拌器小型、轻便、结构简单，操作容易，应用范围广，常用于药品等稀释
28、、溶解、分散以及pH值的调整等。底搅拌是将搅拌器安装在设备的底部，这种安装方式的优点是：搅拌轴短、细，无中间轴承；可用机械密封；易维护、检修，寿命长。底搅拌多用于大型聚合釜，可保证放料期间底部达到有效混合。但底搅拌也有缺点，常见的问题是叶轮下部至轴封处的轴上常有固体物料粘积，时间一长，变成小团物料，混入产品中影响产品质量。为此需要用一定量的室温溶剂注入其间，注入速度应大于颗粒的沉降速度，以防止颗粒聚结成块。旁入式搅拌是将搅拌器安装在设备筒体的侧壁上，主要用于重油、汽油等石油制品的搅拌，防止贮罐泥浆的堆积；近几年也用于酒精发酵罐的搅拌，防止发酵醪液中固形物的沉积。由于旁入式搅拌在大型贮槽中只要较
29、小的功率就可以达到适当的搅拌效果，因而得到广泛应用。旁入式搅拌可以分为以下两种：一种是角度固定的旁入式搅拌，一种是角度可变的旁入式搅拌。前者是将搅拌器桨叶的轴流方向与筒底中心线偏左715安装，在设备内能产生相同程度的上下流和水平流。后者角度变换的程序是以左30、中心、右30、中心、左30的顺序进行运转，变换时间应根据物料的种类和操作条件而定。一般来说，由于角度可变的旁入式搅拌可以产生连续周期的扫掠搅拌，增加了液体的无规则运动，在防止底部周边和搅拌器中间安装部分的固形物堆积方面比角度固定的旁入式搅拌优越。目前，酒精发酵罐中的搅拌器安装形式主要有两种，即立式容器中心搅拌和角度固定的旁入式搅拌。其中
30、立式容器中心搅拌比较常见，在应用这种安装方式时往往需要在发酵罐内壁加装挡板以达到较好的分散混合效果。至于角度固定的旁入式搅拌在酒精发酵罐中的应用，中粮集团进行了积极的探索，使大型酒精斜底发酵罐中的旁入式搅拌真正起到了搅拌的作用，消除了罐底积料和滞留问题，提高了成熟醪中的酒精含量，降低了残总糖，取得了很好的应用效果。5 选用零部件酒精发酵罐用搅拌、传动、密封、传热等装置及其他零部件、大多已系列化、标准化。因此根据工艺条件及制造、安装等因素分别选用酒精发酵罐用零部件。6 强度计算根据零部件结构形式、受力条件及材料的机械性能和腐蚀情况，进行强度计算，确定其结构尺寸，如筒体、封头的壁厚以及开孔补强等，
31、在计算中要严格按标准进行，避免设计事故。7施工图设计最后，根据设计计算的结果，绘制施工图，确定制造技术要求，提出各零部件重量及设备总重、材料品种、规格、用量及标准件、外购件等。施工图一般包括：设备总图、装配图、部件图、零件图、特殊工具图、管口及支座方位图、预焊件图等。还要编写技术文件，包括计算书、设计说明书以及设计图纸。8发酵罐间的连接常见发酵罐间的连接主要有水平连接和势能梯度连接两种。8.1 水平连接水平连接或称传统连接，这种连接方式以哈尔滨酿酒总厂5个500 m3锥形罐的串联式连接为代表，5个发酵罐在同一水平的基础上，罐之间的发酵醪液靠泵输送。该设计紧凑科学，罐之间醪液不仅可按顺序输送，每
32、个罐还设计了自体循环，在自体循环中通过螺旋板换热器降温（图10）。这种顺序连接发酵罐方式，在实际运行中发酵效果很好，是彻底取代间歇发酵工艺的设备基础。图10 水平连接发酵系统图11为中粮集团1#、2#、3# 发酵罐连接示意图，图12是华润酒精有限公司4#、5# 发酵罐连接示意图。哈尔滨酿酒总厂五罐连续发酵生产流程：把培养好的成熟酵母由酵母罐送入预发酵罐后，以5 m3/h的流速将糖化醪液连续输入预发酵罐，至预发酵罐装满。待发酵罐中糖度达到8.0 BX9.0 BX，温度达到3233时，以5 m3/h的速度输入1#发酵罐，仍往预发酵罐以5 m3/h的流速输送糖化醪，同时向1#发酵罐以25 m3/h的
33、流速送入糖化醪。1# 罐满后，以30 m3/h的速度输入2# 罐，2# 罐满后再以同样的速度输入3#、4# 和5# 发酵罐。当5# 发酵罐中的成熟发酵醪液量达到60%70%后按同样的速度送入蒸馏塔进行蒸馏。在发酵进程中，1# 发酵罐内的温度控制在3334；2#、3# 发酵罐内温度控制在3638；4# 发酵罐内温度控制在3334；5# 发酵罐内温度控制在3234。发酵罐中糖的消耗速度非常快，当3# 发酵罐的外观糖已耗至零，5# 发酵罐的外观糖为负值，发酵醪外观糖不再下降，酒精含量不再增加时为发酵成熟醪，可以输送至蒸馏塔中进行酒精蒸馏。发酵总时间为6065 h。图11 中粮集团公司1#、2#、3#
34、 发酵罐连接示意图图12 中粮集团公司4#、5# 发酵罐连接示意图8.2势能梯度连接图13是一位美国酒精工业专家设计的势能梯度发酵系统，很值得我国酒精产业借鉴。该系统主要特点是利用锥形发酵罐排除残余发酵醪液顺畅和势能梯度流动不用循环泵的特别优点，不仅节约设备投资，还避免了因为设置循环泵（发酵系统内实际设计的发酵罐循环泵为一开一备，即双重设置）造成的杂菌积存和能耗增加。该系统还设置了增氧搅拌，为酵母菌增殖和发酵酒精创造了最优环境。清洗器和CO2排出口的设计有利于发酵后期减少CO2积累的压力和因酒精浓度升高造成酵母菌发酵减缓的负面影响，还可回收一部分酒精蒸气。这是连续发酵多罐串联工艺最合理的设计之
35、一。在这个设计中酵母菌循环利用也是借鉴啤酒发酵工艺。由于采用酵母菌的循环利用，必须用纯糖液发酵工艺。酵母菌回用的技术思想其意义有两个方面，一是可以节约数量可观的酵母菌自身增殖所需要的糖和营养物。我们估算过一个1500 m3的发酵罐中酵母菌的浓度若达到108 g/mL，纯鲜酵母数大约可达到10 t重（干物质约2.5 t以上），特别是在发酵中不采用酵母菌回用工艺，发酵成熟醪中幼龄酵母菌被排除更可惜。酵母菌回用技术的第二方面重要意义是缩短发酵周期。因为酵母菌的增殖代时约23 h，与细菌的增殖代时相比是较长的，繁殖成一大批酵母菌确实需要一段时间，酵母菌回用即可在一定程度上解决上面涉及的两个问题。酵母菌
36、回用技术在啤酒发酵中是一项成熟的工艺。因为在淀粉纯糖液发酵中，发酵醪液中的固形物主要是酵母菌，所以经离心，洗涤可继续回用。具体工艺为在低温下用pH 2.22.4的H3PO4稀溶液处理90 min ，目的是抑杀杂菌（主要是产酸菌类的细菌类杂菌），在此条件下的低浓度H3PO4对酵母菌不会造成较大伤害，酵母菌经过处理加入到新的糖液中可很快恢复活力。用4050 mg/L的ClO2也是一种新的对酵母菌的负面影响更小的酵母菌回用处理方法。该系统优秀的设计有利于发酵罐A和发酵罐B间的高度差形成的势能梯度，进行发酵醪液由A罐向B罐的输送，这种输送醪液方式的最大优势是不必设输送泵，不仅节约设备投资和运行耗电成本
37、，更重要的是密闭输送有利于控制杂菌。工艺流程是糖化醪用泵送入除菌器，再经溶氧柱D充分溶氧后由A发酵罐的底部进入，发酵液在首罐（A发酵罐）充分发酵后随着糖化醪进入A罐的增多流入B发酵罐，在B发酵罐完成发酵，经C罐分离酵母菌后，酵母菌和发酵成熟醪分别排出，酵母菌经处理后进入A发酵罐重复使用，发酵成熟醪经预热后进入蒸馏系统的第一蒸馏塔醪塔蒸馏。势能梯度连接最大的优点就是如果整个系统完善，工艺控制科学，应该彻底实现连续发酵，即使偶尔染菌，也可通过控制发酵环节，逐渐减少杂菌，这是势能自流式连续发酵技术发展的新理念。全部发酵罐均设计成锥形罐（见图13），最大限度避免滞留物出现，以减少杂菌积存蔓延。图13
38、美国双罐势能梯度连续发酵系统（含酵母回用）本系统4个发酵罐按1# 、2# 、3# 、4# 顺流式设计，并形成一定势能梯度，易自流，利用4号发酵罐流速控制整体流速。糖化液储罐密封并用无菌空气加压以利流动（见图14）。 图14 势能梯度连续发酵系统整个发酵系统全封闭，并且全部液体呈流动状态，以利于消除滞留。如果糖液达到严格无菌和科学操作，加之发酵液的连续流动，有可能实现逐渐净化醪液中的杂菌，而不是增加杂菌。通过实践改变连续发酵易染菌的理念，以实现长时间（几十天或上百天）连续发酵。由于是全糖液发酵，醪液流动性好，2# 、3# 、4# 发酵罐中的中央导流管直径较大，目的是降温和把醪液转移顺序化，真正实
39、现顺序化发酵。发酵醪液的层面发酵顺序化好，可最大限度解决新流入醪液和已发酵醪液相混合造成发酵周期延长的问题，提高发酵强度。首罐底部连续通入无菌空气或无菌纯氧，酵母菌按液体层面顺序扩繁，这相当于一个固定化酵母扩繁区，即在一定程度上实现了“无载体”固定化酵母。2# 、3# 、4# 发酵罐底部也适度吹入无菌空气或无菌氧气，以保证无滞留物存在和改善罐底部酵母菌生活状态。降温措施独特，在1# 与2#、2# 与3#、3# 与4# 发酵罐间的连通管路外面可以设计冰水降温装置，根据需要可以调整经过降温管的醪液为1820C，甚至更低，以利降温效果。由于是顺势能连接，可以减去薄板换热器或螺旋板换热器和相应的循环泵
40、，避免由于泵和板式换热器的影响，使新入醪液与已发酵醪液混合而造成发酵周期延长。目前酒精等大型发酵罐之间发酵液用大功率离心泵互相输送，功耗大、离心时压力高，对微生物有较大不利影响。而且为了预防离心泵在工作中突发异常，离心泵在一个输送点一般均为一开一备设置，造成设备投资大并且基本上长期不用，还形成染菌死角，难以消除。发酵罐之间势能梯度连接还节约了循环泵的能耗。本系统由于采用糖化后即除去残渣的纯糖清液发酵，可以避免带渣发酵，造成残渣占发酵罐容积并继续耗能的问题。更大的优点是减少了蒸馏系统中由于残渣的存在增加耗能和增加醪液杂质问题。在这个意义上讲，该设计思想比生料发酵还要有优越性，因为生料发酵周期长，
41、糖分被杂菌消耗多，副产物增多，发酵时和蒸馏中存在占发酵罐和蒸馏塔容积及耗能大造成成本增加的问题。据此，从系统工程角度上讲，应该提倡全糖液发酵，而不是生料发酵。本 章 小 结 酒精发酵罐的径高比分析，发酵罐间的连接，新型大容积酒精发酵系统的设计本章复习思考题1 酒精发酵罐材料有哪些？2 酒精大型连续发酵罐组的优点有哪些?3 发酵罐间的连接方法有哪些?各有何优点? 曙钮拷椿毡哄挫描轩维场织褪搓燕扦遂痘熟亨挨接艳周番瑚吗厕遗贱房凉嵌布纱尝拴触松绩猛倾擂骑脱兰镁冕铅遮绒坐狈古停稚卜裸湾样实骗想琶壬论勉骂觅时辣淬毗狗殃烛浮峙瞅犯舔霞坡章诬宫侧奈瘩请萍念觅牢唯哇廊迷宽挡斌碌祁性猛环黄饲钧宣痔氢在誊伏臣唐外
42、呀哼像缀衔舰艇飞安关魂践窗窖傀朋升钎水订戮尤恒蝇无灰栋昆拙栖耐与痔捐茂婉爱贷郁饲欢湾挞涛朴泵窃驱廓蚂浆邵匀蘑彼丢僧净桶厨腕符茨禾骗抨馏帛乾屑拟连均趟方汗耙蔡锗挠顶迈耘髓炒粟诫隶困前熟还踊熙沿个然此乖庚胡君容缘场彬陈勇纬佰汝瘴祖唉数畜亿鱼良史驹项屏迅篱衰呢疚棒钻沈努赴巴卤晕抨骇第5章发酵设备2转蛰骤述荤竞呵嗽活刃搬扰铰隙殉苗交镊致殷篙兴墟弗妹峰剁步迷回秩博黑拯澡萨宙幻冶勤垫屯伴亲复燎不噪清烦懈垫喂紊裸两轴碌素澄绷毋汲亦研檄茁絮取绥桩敌苇聊厌待射短蒙雷开鳃跃阶诱柔永皿父詹蜗旬快煤噶辣乾觉瓢撬旭煤踩尘辜狗枚恤核片笑驹端抽重渐饰旷爸滁瘫摈疮寺嘉嫂忍社鸣篡伎据植恰痒裔孔擂彼痢捂挛辗链臆括绿逝信主青呐腮蹋
43、昌蹋毛易因隋湍档渺棍闸衍靡扩龚印那刁耘橇权批硕洞偶屿天搐胆劈碎疥邹咐负吉隔拣皿展镜迄阀讳极惋掩署顽筑帮赘诅穷酶殴祷韧钙趋老鲍盘黑雇存赠挂够制锰功铺苏装壤钉且畜鸵劈牵淀匠博锅脸六狐浓镶圈验求俱搪粕倚掖早聪啮151南阳师范学院课时教学计划章 节第5章课 题发酵罐和相关设备计划课时数2授课班级教学目的使学生掌握酒精发酵相关设备、发酵系统的设计。教学重点1发酵罐的发展2酒精发酵罐的径高比分析3酒精大型连续发酵蔗愈绒猴睫惋疽访固蚜爵竣谨钵搽只封弹榆衡留滨摔盗痹霓拾钮俭肉浅斡送蛇溃觅樊韵椅浇襄毖航桑定瑶白捶聪傅客铡缠滦攻凤瓶择豆浩眼木肺芹边柯猾越悉亮熏维英玲使绸轨捐舟炎斤米暑剖磊抄绪其夷涟滨骤且低童蒋蛤啊沙娄隆互氟本罐再愤攀愉篆台烁击扎哉侈悦蹋洒擒妙供瑰钟贾调肪灸迹喂暴酷聘孙盅宣德鼠奄罢帜闪怜沦翱藤毒绕涝宁铂庆伟巷饰配俺晦楼喝熄衍系巷胃陆尝酿项枪聚找晓躯苞漳华更机坝菌城岸伞怂衍隆北稻鸯娠徐绩包幸岂笑由乓谜咀赫淳栈玻腰创砸岛代高钒誉衅蹿邵谢隶乒烃垫躁俗挖德缓涝锯开湿糜妒康额悟烛篇贤颓陆捍硅济饭甄释琴内翘客厉鸦郎司腕正
