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

1、超節(jié)能超高溫全自動培養(yǎng)基連續(xù)滅菌系統(tǒng)河北科技大學徐親民q_中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會柳州會議20132022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會柳州2設(shè)計背景設(shè)計背景 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，造成嚴重的大氣污染。 隨著一次能源價格的增長，作為二次能源的蒸汽價格也不斷增長。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)會柳州3設(shè)計原理（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。 以上兩項合計，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)會柳州4設(shè)計原理（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)會柳州5設(shè)計思路 實際上，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，同時最大限度地利用余熱，并強化保溫，減少散熱損失。2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會柳州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轉(zhuǎn)速高壓噴射器至發(fā)酵罐輔助配料罐回流計算機控制系統(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熱后進入高壓噴射器，將蒸汽吸入并壓縮成高壓飽和水，與預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的時間流過保溫維持器，然后返回高效換熱器冷卻，進入事先空罐滅菌的發(fā)酵罐或無菌物料儲罐，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)會柳州8滅菌過程的自動控制 本系統(tǒng)實施智能自動控制，控制單元能依據(jù)蒸汽壓力的變化及該壓力對應的所能達到的溫度，智能確定不同的滅菌溫度和相應的滅菌時間，并通過變頻泵予以精細控制，即蒸汽壓力偏低時會相應地降低滅菌溫度和培養(yǎng)基流速，延長滅菌時間；而蒸汽壓力偏高時會相應地提高滅菌溫度和培養(yǎng)基流速，縮短

5、滅菌時間，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)會柳州10節(jié)能效果的分析計算預熱溫度的計算預熱溫度的計算 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，對應此熱焓的飽和水溫度為124.8，此即為物料的預熱溫度。 2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會柳州11節(jié)能效果的分析計算升溫所需熱量及蒸汽消耗量的計算升溫所需熱量及蒸汽消耗量的計算 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)提供這一升溫熱量所需的0.4 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90%以上。 2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會柳州12節(jié)能效果的分析計算顯熱與潛熱對加熱貢獻的比較顯熱與潛熱對加熱貢獻的比較 以上計算是設(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。 其中顯熱的貢獻為(2747.5-2733.1)0.03 = 0.432 kJ/kg，潛熱的貢獻為21440.03 = 64.32 kJ/kg。 兩者相比較，顯熱的貢獻率為0.7%，而潛熱的貢獻率為99.3%。 2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會柳州13實際使用效果 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)會柳州14實際使用效果的計算 不考慮不同溫度下飽和水比熵的差異，可近似計算節(jié)能效果如下：127.3 129

9、.0272100%89.6%139.5 140.2272 這一結(jié)果與理論計算數(shù)據(jù)十分吻合！2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會柳州15其他效果的分析（一）實施用冷料冷卻熱料的自身冷卻，冷卻溫度可達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。全自動計算機智能控制，可節(jié)省人工，提高勞動生產(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，沒有大的負荷高峰，不對鍋爐負載造成沖擊，相應地可降低鍋爐容量。2022-3-9中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會柳州16其

10、他效果的分析（二）易于按工藝要求實現(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)同時進行液化和滅菌，而不需要另外增加設(shè)備。運轉(zhuǎn)時噪聲低（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)會柳州17其他效果的分析（三）物料在系統(tǒng)中的各個部位流速均勻，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)中不會因過熱而結(jié)垢，更不會造成堵塞，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)可大幅度縮短反應器滅菌、冷卻所占用的時間，甚至可在放料后無菌保壓情況下，不