超節(jié)能超高溫全自動(dòng)培養(yǎng)基連續(xù)滅菌系統(tǒng)

1、超節(jié)能超高溫全自動(dòng)培養(yǎng)基連續(xù)滅菌系統(tǒng)河北科技大學(xué)徐親民q_中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州會(huì)議20132022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州2設(shè)計(jì)背景設(shè)計(jì)背景 發(fā)酵產(chǎn)品直接生產(chǎn)成本中蒸汽成本約占5%，其中的80%消耗于培養(yǎng)基滅菌。 蒸汽是僅次于電力的第二大能源。 我國的工業(yè)用蒸汽絕大多數(shù)來源于煤炭的燃燒，造成嚴(yán)重的大氣污染。 隨著一次能源價(jià)格的增長，作為二次能源的蒸汽價(jià)格也不斷增長。與20年前相比，增長率超過100%。2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州3設(shè)計(jì)原理（一） 1千克150(0.38 MPa)的飽和蒸汽冷卻到140所釋放的熱量為12千焦。 1千克140(0.26 MPa)的飽和蒸汽凝結(jié)成140的高

2、壓飽和水所釋放的熱量為2142 千焦。 以上兩項(xiàng)合計(jì)，1千克150的飽和蒸汽可將4.24千克水由20加熱到140。反過來就是將1千克水由20加熱到140理論上需消耗150的飽和蒸汽0.24千克。2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州4設(shè)計(jì)原理（二） 如果將余熱加以利用，則1千克140的高壓飽和水冷卻到30可釋放465千焦的熱量，可將1千克水由20加熱到130。 隨后再將1千克130的水加熱到140需要43千焦的熱量，那么理論上將1千克20 的水加熱到140只需消耗150（0.38 MPa）的飽和蒸汽0.02千克。 如果換熱效率為90%，則將1千克水由20加熱到140實(shí)際蒸汽消耗為0.022千克。

3、2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州5設(shè)計(jì)思路 實(shí)際上，大多數(shù)生物發(fā)酵廠家將1kg培養(yǎng)基由20加熱到140的蒸汽消耗約為0.25kg，其中有90%以上的蒸汽作為乏汽排放掉了以及作為余熱浪費(fèi)掉了。 因此，要節(jié)省滅菌的蒸汽消耗，必須盡可能使蒸汽在培養(yǎng)基中凝結(jié)，充分釋放潛熱，最大限度減少乏汽排放，同時(shí)最大限度地利用余熱，并強(qiáng)化保溫，減少散熱損失。2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州6系統(tǒng)構(gòu)成過濾器蒸汽保溫維持器換熱器濃漿泵溫度、壓力反饋控制泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速高壓噴射器至發(fā)酵罐輔助配料罐回流計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)配料罐止逆閥2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州7滅菌流程 配料罐中的物料經(jīng)濃漿泵泵入高效換熱器，由滅菌后

4、的熱物料在高效換熱器中預(yù)熱后進(jìn)入高壓噴射器，將蒸汽吸入并壓縮成高壓飽和水，與預(yù)熱后的物料瞬間混合并加熱至140左右的滅菌溫度，再以3540 s的時(shí)間流過保溫維持器，然后返回高效換熱器冷卻，進(jìn)入事先空罐滅菌的發(fā)酵罐或無菌物料儲(chǔ)罐，最后將輔助配料罐中的少量清水泵入以清洗本系統(tǒng)。 2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州8滅菌過程的自動(dòng)控制 本系統(tǒng)實(shí)施智能自動(dòng)控制，控制單元能依據(jù)蒸汽壓力的變化及該壓力對應(yīng)的所能達(dá)到的溫度，智能確定不同的滅菌溫度和相應(yīng)的滅菌時(shí)間，并通過變頻泵予以精細(xì)控制，即蒸汽壓力偏低時(shí)會(huì)相應(yīng)地降低滅菌溫度和培養(yǎng)基流速，延長滅菌時(shí)間；而蒸汽壓力偏高時(shí)會(huì)相應(yīng)地提高滅菌溫度和培養(yǎng)基流速，縮短

5、滅菌時(shí)間，從而確保滅菌效果的穩(wěn)定和可靠。 2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州9節(jié)能效果的分析原理 在密閉的連續(xù)滅菌系統(tǒng)中，物料與高壓飽和水混合后亦處于高壓飽和狀態(tài)，因此，可根據(jù)飽和熱焓的變化來計(jì)算本系統(tǒng)在工作過程中的能量消耗。 設(shè)冷料溫度20，滅菌溫度140，高效換熱器的換熱效率95%，冷卻溫度30，使用0.4 MPa的飽和蒸汽。并設(shè)物料與水的焓熵性質(zhì)相同。 查飽和水蒸汽焓熵表得：0.4 MPa飽和蒸汽的溫度為151.8，比焓為2747.5 kJ/kg；140飽和蒸汽的比焓為2733.1 kJ/kg，蒸發(fā)潛熱為2144.0 kJ/kg；20、30和140飽和水的比焓分別為：83.86、125

6、.66和589.11 kJ/kg。 2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州10節(jié)能效果的分析計(jì)算預(yù)熱溫度的計(jì)算預(yù)熱溫度的計(jì)算 140高溫的物料冷卻至30，可供利用的有效熱量為：(589.11-125.66)0.95 = 440.28 kJ/kg 用此熱量加熱20的冷料，所積聚的熱焓為：440.28+83.85 = 524.14 kJ/kg 查飽和水蒸汽焓熵表，對應(yīng)此熱焓的飽和水溫度為124.8，此即為物料的預(yù)熱溫度。 2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州11節(jié)能效果的分析計(jì)算升溫所需熱量及蒸汽消耗量的計(jì)算升溫所需熱量及蒸汽消耗量的計(jì)算 物料由124.8升溫至140所需的熱量為：589.11-52

7、4.14 = 64.97 kJ/kg 設(shè)提供這一升溫?zé)崃克璧?.4 MPa蒸汽為x kg/kg，則可列出以下代數(shù)方程式：(2747.5-2733.1) x + 2144 x = 64.97 解方程得x = 0.03 kg/kg，即每滅菌1 kg物料，只需消耗0.03 kg的0.4 MPa飽和蒸汽。與目前絕大多數(shù)發(fā)酵生產(chǎn)廠家0.3 kg/kg以上的蒸汽消耗比較，蒸汽節(jié)約率可達(dá)90%以上。 2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州12節(jié)能效果的分析計(jì)算顯熱與潛熱對加熱貢獻(xiàn)的比較顯熱與潛熱對加熱貢獻(xiàn)的比較 以上計(jì)算是設(shè)定蒸汽先由151.8降溫至140釋放顯熱，然后在高壓下凝結(jié)釋放潛熱，在這一過程中無乏

8、汽排放而得出的結(jié)果。 其中顯熱的貢獻(xiàn)為(2747.5-2733.1)0.03 = 0.432 kJ/kg，潛熱的貢獻(xiàn)為21440.03 = 64.32 kJ/kg。 兩者相比較，顯熱的貢獻(xiàn)率為0.7%，而潛熱的貢獻(xiàn)率為99.3%。 2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州13實(shí)際使用效果 本連續(xù)滅菌系統(tǒng)在河北某生物化工公司實(shí)際使用中監(jiān)測獲得以下數(shù)據(jù)：料液滅菌前溫度滅菌和保溫維持溫度范圍預(yù)熱后溫度范圍冷卻后平均溫度27139.5140.2127.3129.040.92022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州14實(shí)際使用效果的計(jì)算 不考慮不同溫度下飽和水比熵的差異，可近似計(jì)算節(jié)能效果如下：127.3 129

9、.0272100%89.6%139.5 140.2272 這一結(jié)果與理論計(jì)算數(shù)據(jù)十分吻合！2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州15其他效果的分析（一）實(shí)施用冷料冷卻熱料的自身冷卻，冷卻溫度可達(dá)40以下，從而節(jié)省大量冷卻水，并避免因冷卻水產(chǎn)生水垢而降低換熱器的傳熱效果。高溫（139）短時(shí)間（40 s）滅菌，可顯著減少營養(yǎng)物質(zhì)的損失，提高培養(yǎng)基品質(zhì)和生物發(fā)酵產(chǎn)量。全自動(dòng)計(jì)算機(jī)智能控制，可節(jié)省人工，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和操作質(zhì)量。對蒸汽壓力要求不高（0.380.42 MPa），蒸汽消耗量小，且消耗均衡，沒有大的負(fù)荷高峰，不對鍋爐負(fù)載造成沖擊，相應(yīng)地可降低鍋爐容量。2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州16其

10、他效果的分析（二）易于按工藝要求實(shí)現(xiàn)某些營養(yǎng)物質(zhì)（如葡萄糖、氨基酸、維生素、磷酸鹽、銨鹽等）的分開滅菌，滅菌后再混合，以降低這些不穩(wěn)定營養(yǎng)成分在高溫下相互作用造成的營養(yǎng)破壞，而不需要另外增加設(shè)備。對于含有淀粉、玉米粉、大米粉、木薯粉、地瓜粉等在滅菌前需要事先液化的物料，可使用本系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行液化和滅菌，而不需要另外增加設(shè)備。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲低（70 dB），對人的聽力無不良影響。結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，相應(yīng)地操作面也小，方便操作，也易于保溫。 2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州17其他效果的分析（三）物料在系統(tǒng)中的各個(gè)部位流速均勻，不存在不流通和存料死角，使用完畢可完全排空。蒸汽與物料不通過間壁傳熱，因而物料在系統(tǒng)中不會(huì)因過熱而結(jié)垢，更不會(huì)造成堵塞，可減少拆卸和清洗的頻率（每半年至一年一次）。換熱器和保溫維持器可開啟的密封板結(jié)構(gòu)使清洗十分方便。冷、熱料通道之間無焊接或墊料密封連接點(diǎn)和面，可確保不串料，不相互污染。 2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)柳州18其他效果的分析（四）使用本連續(xù)滅菌系統(tǒng)可大幅度縮短反應(yīng)器滅菌、冷卻所占用的時(shí)間，甚至可在放料后無菌保壓情況下，不