發(fā)酵連續(xù)滅菌冷卻系統(tǒng)的節(jié)能改進(jìn)設(shè)計(jì)

戚飛飛（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江 杭州 310012）

以發(fā)酵工程為核心內(nèi)容的生物技術(shù)在不斷發(fā)展，隨著生化技術(shù)的提高和生化產(chǎn)品需求量的不斷增加，發(fā)酵工程趨向大型化、高效化和自動化，對規(guī)模化的生產(chǎn)工藝操作提出了更高的要求。

作為發(fā)酵生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，培養(yǎng)基的滅菌方法總的可分為兩大類：一類是實(shí)罐消毒滅菌，另一類是連續(xù)消毒滅菌。相對于實(shí)罐消毒滅菌，連續(xù)消毒滅菌是在有流速的狀態(tài)下進(jìn)行，滅菌溫度較高，時間較短，對培養(yǎng)基原材料中的營養(yǎng)成分破壞較少，有利于發(fā)酵生產(chǎn)獲得高產(chǎn)，又可以節(jié)約大量的蒸汽和冷凝水。同時，發(fā)酵周期中所利用的輔助時間縮短，發(fā)酵罐可以在較短時間內(nèi)循環(huán)安排進(jìn)罐，有利于大規(guī)模的發(fā)酵生產(chǎn)。隨著連續(xù)滅菌工藝使用日趨廣泛，完善連續(xù)滅菌的工藝流程是很有必要的，關(guān)于發(fā)酵連續(xù)滅菌系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)也成為一個頗有意義的研究課題。

1 連續(xù)滅菌的工藝流程

培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌，就是將配制好的經(jīng)預(yù)熱的培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐輸送的同時進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以達(dá)到連續(xù)滅菌的目的。其工藝流程見圖1。

滅菌前經(jīng)蒸汽預(yù)熱的培養(yǎng)基溫度為60℃左右，滅菌后培養(yǎng)基溫度為130℃左右，

經(jīng)維持滅菌后需要將其冷卻至培養(yǎng)溫度，冷卻介質(zhì)一般應(yīng)采用低溫水和循環(huán)水。如果連續(xù)滅菌系統(tǒng)具有足夠的傳熱面積和合適的冷卻介質(zhì)，能夠及時地將熱量帶出并進(jìn)行回用，不僅能夠降低系統(tǒng)的耗冷量，同時可以大幅減少培養(yǎng)基預(yù)熱和加熱所需的蒸汽耗量。改進(jìn)后的連續(xù)滅菌工藝流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的連續(xù)滅菌工藝流程示意圖

圖2所示的是一種對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后連續(xù)滅菌工藝流程。主要改進(jìn)點(diǎn)為：

（1）增加板式交換器進(jìn)行冷熱培養(yǎng)基之間的熱交換。在同一換熱器內(nèi)用冷培養(yǎng)基對熱培養(yǎng)基進(jìn)行冷卻，同時冷培養(yǎng)基回收了熱培養(yǎng)基的所有余熱而被預(yù)熱；

（2）板式冷卻器采用自來水作為冷卻介質(zhì)，產(chǎn)生的熱水用于配料和清洗，實(shí)現(xiàn)熱量回用。

滅菌后的培養(yǎng)基溫度為130℃，而滅菌前經(jīng)預(yù)熱后的培養(yǎng)基溫度為60℃左右，通過板式交換器冷熱物料進(jìn)行熱交換后，可使滅菌后培養(yǎng)基溫度降低至80℃～90℃，而需要消毒的培養(yǎng)基升溫至100℃～110℃，噴射加熱器再將100℃～110℃的培養(yǎng)基加熱至130℃，板式冷卻器通過自來水將消毒后80℃～90℃的培養(yǎng)基冷卻至50℃左右，熱交換后的自來水用于配料，減少培養(yǎng)基預(yù)熱加入的的蒸汽量。

2 連續(xù)滅菌過程的熱量回用計(jì)算

2.1 工藝參數(shù)

以公稱容積為125t的發(fā)酵罐為例，裝料系數(shù)為0.8，以連續(xù)滅菌一個發(fā)酵罐所需培養(yǎng)基（即一缸）計(jì)算。發(fā)酵培養(yǎng)基基礎(chǔ)料的配制體積取發(fā)酵罐容積的60％，連續(xù)滅菌系統(tǒng)物料的流量為30t/h，配料溫度為60℃，物料連續(xù)滅菌溫度為130℃，料液經(jīng)連續(xù)滅菌后進(jìn)發(fā)酵罐的溫度為40℃。每連續(xù)滅菌一缸培養(yǎng)基的量：125×0.8×0.6=60t

連續(xù)滅菌過程時間：60/30=2h

配料按90％的水量配比，每一缸配料用水量：125×0.8×0.6×0.9=54t

2.2 連續(xù)滅菌冷卻系統(tǒng)熱量衡算

（1）板式交換器

根據(jù)熱量平衡，按熱損失8％考慮：

由于是同一物料之間的熱量交換，

Q=0.92qv1p1Cp1（T1-T2）=qv2p2Cp2（t2-t1）

qv1=qv2，ρ1＝ρ2，Cp1＝Cp2，

上式可以簡化為：

已知T1＝130℃，t1＝60℃，

選擇t2＝100℃，

可得T2=86.5℃

已知qv1=qv2＝30m3/h

ρ1＝ρ2＝1000kg/m3，

Cp1＝Cp2＝4.18kJ/kg·℃

計(jì)算可得Q1=5.02×106kJ/h

根據(jù)

可得Δtm＝28.2℃

已知：板式換熱器K取1500W/m2·℃=5400kJ/h·m2·℃，qv1=qv2＝30m3/h，ρ1＝ρ2＝1000kg/m3，Cp1＝Cp2＝4.18kJ/kg·℃。根據(jù)

當(dāng)系數(shù)取0.85，可得板式交換器換熱面積：F1=38.94m2

（2）板式冷卻器

根據(jù)熱量平衡，按熱損失8％考慮：

Q=0.92qv1p1Cp1（T2-T3）=qv3p3Cp3（t4-t3）

已知T2＝86.5℃，T3＝40℃，t3＝20℃，t4＝60℃，qv1＝30m3/h

ρ1＝ρ2＝1000kg/m3，

Cp1＝Cp2＝4.18kJ/kg·℃

計(jì)算可得：Q2=5.36×106kJ/h

Δtm＝23.10℃

生成60℃熱水量：qv3＝32.09m3/h，

板式冷卻器換熱面積：F2=50.55m2

按一缸培養(yǎng)基計(jì)算，連續(xù)滅菌2h，可以生成60℃熱水64.18t，能夠滿足配料所需的54t用水量。可回用熱量為：5.36×106×2=1.07×107kJ。

3 節(jié)能效果計(jì)算

3.1 耗用蒸汽量

（1）噴射加熱器耗用蒸汽量

用0.6MPa（表壓）蒸汽加熱，根據(jù)熱量平衡可以得到加熱蒸汽的用量為

式中：FM--培養(yǎng)基流量，m3/s

S--加熱蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s

ρ--培養(yǎng)基的密度，kg/m3

C，Cw--培養(yǎng)基和冷凝水的比熱容，J/（Kg·℃）

t，tp--培養(yǎng)基的出口和進(jìn)口溫度，℃

λ--加熱蒸汽的熱焓，J/kg

K--安全系數(shù)，可取1.2

已知：FM=30m3/h=8.33×10-3m3/s，t=130℃，ρ=1000kg/m3，λ=2763.8×103J/kg，

C=1kcal/（kg·℃）=4.18×103J/kg·℃，

Cw=0.539kcal/（kg·℃）=2.25×103J/kg·℃，

連續(xù)滅菌工藝改進(jìn)前tp=60℃

S=1.18kg/s=4.26t/h

連續(xù)滅菌工藝改進(jìn)后tp=100℃

S=0.51kg/s=1.83t/h

按一缸培養(yǎng)基計(jì)算，連續(xù)滅菌工藝改進(jìn)后可以節(jié)約蒸汽量：

（4.26-1.83）×2=4.86t

（2）配料預(yù)熱耗用蒸汽量

連續(xù)滅菌工藝改進(jìn)前，用0.6MPa（表壓）蒸汽將料液從20℃預(yù)熱到60℃，汽化潛熱為494.57kcal/kg，60℃飽和水的比焓為59.98kcal/kg。根據(jù)熱量平衡，一缸培養(yǎng)基60t配料預(yù)熱耗用蒸汽量約為S’=4t

連續(xù)滅菌工藝改進(jìn)后，用自來水冷卻滅菌后的培養(yǎng)基，生成60℃熱水，直接用于配料，預(yù)熱蒸汽只用于連續(xù)滅菌系統(tǒng)啟動時，用量可以忽略。

連續(xù)滅菌改進(jìn)后每缸培養(yǎng)基連續(xù)滅菌耗用蒸汽量為3.66t，相對于老工藝減少8.86t，可節(jié)約70％左右。

按每日投料兩缸次、全年工作日按300天計(jì)算，全年可節(jié)約蒸汽：

8.86×2×300=5316t

3.2 耗冷量

連續(xù)滅菌工藝改進(jìn)前，板式冷卻器通常利用循環(huán)水或低溫水將培養(yǎng)基溫度冷卻，按冷卻介質(zhì)上水與回水5℃溫差計(jì)算，冷卻水耗用量為：

W=30×（86.5-40）/5=279t/h

按一缸培養(yǎng)基計(jì)算，連續(xù)滅菌2h，冷卻水耗用量為558t

連續(xù)滅菌工藝改進(jìn)后，采用64.18t自來水冷卻培養(yǎng)基，生成60℃熱水，用于配料和清洗。

按每日投料2缸次、全年工作日按300天計(jì)算，

全年可回用熱量：

1.07×107×2×300=6.42×109kJ

4 結(jié)束語

一項(xiàng)好的工藝，它的優(yōu)點(diǎn)總是在不斷探索中得以體現(xiàn)，它的缺點(diǎn)也總是在不斷改進(jìn)中得以克服。冷卻系統(tǒng)改進(jìn)后的連續(xù)滅菌工藝在利用冷熱物料之間的熱量交換來利用余熱的基礎(chǔ)上，利用自來水冷卻熱物料，形成的熱水作為配料用水，有效地實(shí)現(xiàn)了熱量回用，具有顯著的節(jié)約蒸汽、降低耗冷量的效果，是一個比較理想的節(jié)能的培養(yǎng)基連續(xù)滅菌工藝。

［1］劉振宇.發(fā)酵工程技術(shù)與實(shí)踐［M］.上海：華東理工大學(xué)出版社，2007：37-44.

［2］中國石化集團(tuán)上海工程有限公司編.化工工藝設(shè)計(jì)手冊-4版［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：400-403.

［3］劉守強(qiáng).生物發(fā)酵連續(xù)消毒過程的改進(jìn)［J］.發(fā)酵科技通訊，2008，37（4）：44-45.

［4］蔡軍.發(fā)酵培養(yǎng)基連續(xù)滅菌及冷卻控制系統(tǒng)［J］.發(fā)酵科技通訊，2000，29（3）：30-31.