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

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(xué)徐親民q_xu@中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會柳州會議·201311/1/20221中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州設(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(yán)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%。11/1/20222中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州設(shè)計原理（一）1千克150℃(0.38MPa)的飽和蒸汽冷卻到140℃所釋放的熱量為12千焦。1千克140℃(0.26MPa)的飽和蒸汽凝結(jié)成140℃的高壓飽和水所釋放的熱量為2142千焦。以上兩項(xiàng)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。11/1/20223中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州設(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℃（0.38MPa）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。11/1/20224中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州設(shè)計思路實(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，同時最大限度地利用余熱，并強(qiáng)化保溫，減少散熱損失。11/1/20225中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州系統(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算機(jī)控制系統(tǒng)配料罐止逆閥11/1/20226中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州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35~40s的時間流過保溫維持器，然后返回高效換熱器冷卻，進(jìn)入事先空罐滅菌的發(fā)酵罐或無菌物料儲罐，最后將輔助配料罐中的少量清水泵入以清洗本系統(tǒng)。11/1/20227中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州滅菌過程的自動控制本系統(tǒng)實(shí)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(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)的滅菌時間，并通過變頻泵予以精細(xì)控制，即蒸汽壓力偏低時會相應(yīng)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(yīng)地提高滅菌溫度和培養(yǎng)基流速，縮短滅菌時間，從而確保滅菌效果的穩(wěn)定和可靠。11/1/20228中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州節(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0.4MPa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：0.4MPa飽和蒸汽的溫度為151.8℃，比焓為2747.5kJ/kg；140℃飽和蒸汽的比焓為2733.1kJ/kg，蒸發(fā)潛熱為2144.0kJ/kg；20℃、30℃和140℃飽和水的比焓分別為：83.86、125.66和589.11kJ/kg。11/1/20229中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州節(jié)能效果的分析——計算預(yù)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=440.28kJ/kg用此熱量加熱20℃的冷料，所積聚的熱焓為：440.28+83.85=524.14kJ/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。

11/1/202210中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州節(jié)能效果的分析——計算升溫所需熱量及蒸汽消耗量的計算物料由124.8℃升溫至140℃所需的熱量為：589.11-524.14=64.97kJ/kg設(shè)提供這一升溫?zé)崃克璧?.4MPa蒸汽為xkg/kg，則可列出以下代數(shù)方程式：(2747.5-2733.1)x+2144x=64.97解方程得x=0.03kg/kg，即每滅菌1kg物料，只需消耗0.03kg的0.4MPa飽和蒸汽。與目前絕大多數(shù)發(fā)酵生產(chǎn)廠家0.3kg/kg以上的蒸汽消耗比較，蒸汽節(jié)約率可達(dá)90%以上。11/1/202211中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州節(jié)能效果的分析——計算顯熱與潛熱對加熱貢獻(xiàn)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=0.432kJ/kg，潛熱的貢獻(xiàn)為21440.03=64.32kJ/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%。11/1/202212中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州實(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27139.5~140.2127.3~129.040.911/1/202213中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州實(shí)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：這一結(jié)果與理論計算數(shù)據(jù)十分吻合！11/1/202214中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州其他效果的分析（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℃）短時間（≤40s）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(jī)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（0.38~0.42MPa），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。11/1/202215中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州其他效果的分析（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)同時進(jìn)行液化和滅菌，而不需要另外增加設(shè)備。運(yùn)轉(zhuǎn)時噪聲低（＜70dB），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。11/1/202216中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州其他效果的分析（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(diǎn)和面，可確保不串料，不相互污染。11/1/202217中國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會·柳州其他效果的分析（四）使用本連續(xù)滅菌系統(tǒng)可大幅度縮短反應(yīng)器滅菌、冷卻所占用的時間，甚至可在放料后無菌保壓情況下，不經(jīng)清洗、滅菌，立即進(jìn)行培養(yǎng)基連續(xù)滅菌給料，從而大幅度提高反應(yīng)器周轉(zhuǎn)率、勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)量，并進(jìn)一步減少蒸汽消耗