超节能超高温全自动培养基连续灭菌系统

1、超节能超高温全自动培养基连续灭菌系统河北科技大学徐亲民q_中国发酵产业协会柳州会议20132022-3-9中国发酵产业协会柳州2设计背景设计背景 发酵产品直接生产成本中蒸汽成本约占5%，其中的80%消耗于培养基灭菌。 蒸汽是仅次于电力的第二大能源。 我国的工业用蒸汽绝大多数来源于煤炭的燃烧，造成严重的大气污染。 随着一次能源价格的增长，作为二次能源的蒸汽价格也不断增长。与20年前相比，增长率超过100%。2022-3-9中国发酵产业协会柳州3设计原理（一） 1千克150(0.38 MPa)的饱和蒸汽冷却到140所释放的热量为12千焦。 1千克140(0.26 MPa)的饱和蒸汽凝结成140的高

2、压饱和水所释放的热量为2142 千焦。 以上两项合计，1千克150的饱和蒸汽可将4.24千克水由20加热到140。反过来就是将1千克水由20加热到140理论上需消耗150的饱和蒸汽0.24千克。2022-3-9中国发酵产业协会柳州4设计原理（二） 如果将余热加以利用，则1千克140的高压饱和水冷却到30可释放465千焦的热量，可将1千克水由20加热到130。 随后再将1千克130的水加热到140需要43千焦的热量，那么理论上将1千克20 的水加热到140只需消耗150（0.38 MPa）的饱和蒸汽0.02千克。 如果换热效率为90%，则将1千克水由20加热到140实际蒸汽消耗为0.022千克。

3、2022-3-9中国发酵产业协会柳州5设计思路 实际上，大多数生物发酵厂家将1kg培养基由20加热到140的蒸汽消耗约为0.25kg，其中有90%以上的蒸汽作为乏汽排放掉了以及作为余热浪费掉了。 因此，要节省灭菌的蒸汽消耗，必须尽可能使蒸汽在培养基中凝结，充分释放潜热，最大限度减少乏汽排放，同时最大限度地利用余热，并强化保温，减少散热损失。2022-3-9中国发酵产业协会柳州6系统构成过滤器蒸汽保温维持器换热器浓浆泵温度、压力反馈控制泵马达转速高压喷射器至发酵罐辅助配料罐回流计算机控制系统配料罐止逆阀2022-3-9中国发酵产业协会柳州7灭菌流程 配料罐中的物料经浓浆泵泵入高效换热器，由灭菌后

4、的热物料在高效换热器中预热后进入高压喷射器，将蒸汽吸入并压缩成高压饱和水，与预热后的物料瞬间混合并加热至140左右的灭菌温度，再以3540 s的时间流过保温维持器，然后返回高效换热器冷却，进入事先空罐灭菌的发酵罐或无菌物料储罐，最后将辅助配料罐中的少量清水泵入以清洗本系统。 2022-3-9中国发酵产业协会柳州8灭菌过程的自动控制 本系统实施智能自动控制，控制单元能依据蒸汽压力的变化及该压力对应的所能达到的温度，智能确定不同的灭菌温度和相应的灭菌时间，并通过变频泵予以精细控制，即蒸汽压力偏低时会相应地降低灭菌温度和培养基流速，延长灭菌时间；而蒸汽压力偏高时会相应地提高灭菌温度和培养基流速，缩短

5、灭菌时间，从而确保灭菌效果的稳定和可靠。 2022-3-9中国发酵产业协会柳州9节能效果的分析原理 在密闭的连续灭菌系统中，物料与高压饱和水混合后亦处于高压饱和状态，因此，可根据饱和热焓的变化来计算本系统在工作过程中的能量消耗。 设冷料温度20，灭菌温度140，高效换热器的换热效率95%，冷却温度30，使用0.4 MPa的饱和蒸汽。并设物料与水的焓熵性质相同。 查饱和水蒸汽焓熵表得：0.4 MPa饱和蒸汽的温度为151.8，比焓为2747.5 kJ/kg；140饱和蒸汽的比焓为2733.1 kJ/kg，蒸发潜热为2144.0 kJ/kg；20、30和140饱和水的比焓分别为：83.86、125

6、.66和589.11 kJ/kg。 2022-3-9中国发酵产业协会柳州10节能效果的分析计算预热温度的计算预热温度的计算 140高温的物料冷却至30，可供利用的有效热量为：(589.11-125.66)0.95 = 440.28 kJ/kg 用此热量加热20的冷料，所积聚的热焓为：440.28+83.85 = 524.14 kJ/kg 查饱和水蒸汽焓熵表，对应此热焓的饱和水温度为124.8，此即为物料的预热温度。 2022-3-9中国发酵产业协会柳州11节能效果的分析计算升温所需热量及蒸汽消耗量的计算升温所需热量及蒸汽消耗量的计算 物料由124.8升温至140所需的热量为：589.11-52

7、4.14 = 64.97 kJ/kg 设提供这一升温热量所需的0.4 MPa蒸汽为x kg/kg，则可列出以下代数方程式：(2747.5-2733.1) x + 2144 x = 64.97 解方程得x = 0.03 kg/kg，即每灭菌1 kg物料，只需消耗0.03 kg的0.4 MPa饱和蒸汽。与目前绝大多数发酵生产厂家0.3 kg/kg以上的蒸汽消耗比较，蒸汽节约率可达90%以上。 2022-3-9中国发酵产业协会柳州12节能效果的分析计算显热与潜热对加热贡献的比较显热与潜热对加热贡献的比较 以上计算是设定蒸汽先由151.8降温至140释放显热，然后在高压下凝结释放潜热，在这一过程中无乏

8、汽排放而得出的结果。 其中显热的贡献为(2747.5-2733.1)0.03 = 0.432 kJ/kg，潜热的贡献为21440.03 = 64.32 kJ/kg。 两者相比较，显热的贡献率为0.7%，而潜热的贡献率为99.3%。 2022-3-9中国发酵产业协会柳州13实际使用效果 本连续灭菌系统在河北某生物化工公司实际使用中监测获得以下数据：料液灭菌前温度灭菌和保温维持温度范围预热后温度范围冷却后平均温度27139.5140.2127.3129.040.92022-3-9中国发酵产业协会柳州14实际使用效果的计算 不考虑不同温度下饱和水比熵的差异，可近似计算节能效果如下：127.3 129

9、.0272100%89.6%139.5 140.2272 这一结果与理论计算数据十分吻合！2022-3-9中国发酵产业协会柳州15其他效果的分析（一）实施用冷料冷却热料的自身冷却，冷却温度可达40以下，从而节省大量冷却水，并避免因冷却水产生水垢而降低换热器的传热效果。高温（139）短时间（40 s）灭菌，可显著减少营养物质的损失，提高培养基品质和生物发酵产量。全自动计算机智能控制，可节省人工，提高劳动生产率和操作质量。对蒸汽压力要求不高（0.380.42 MPa），蒸汽消耗量小，且消耗均衡，没有大的负荷高峰，不对锅炉负载造成冲击，相应地可降低锅炉容量。2022-3-9中国发酵产业协会柳州16其

10、他效果的分析（二）易于按工艺要求实现某些营养物质（如葡萄糖、氨基酸、维生素、磷酸盐、铵盐等）的分开灭菌，灭菌后再混合，以降低这些不稳定营养成分在高温下相互作用造成的营养破坏，而不需要另外增加设备。对于含有淀粉、玉米粉、大米粉、木薯粉、地瓜粉等在灭菌前需要事先液化的物料，可使用本系统同时进行液化和灭菌，而不需要另外增加设备。运转时噪声低（70 dB），对人的听力无不良影响。结构紧凑，占地面积小，相应地操作面也小，方便操作，也易于保温。 2022-3-9中国发酵产业协会柳州17其他效果的分析（三）物料在系统中的各个部位流速均匀，不存在不流通和存料死角，使用完毕可完全排空。蒸汽与物料不通过间壁传热，因而物料在系统中不会因过热而结垢，更不会造成堵塞，可减少拆卸和清洗的频率（每半年至一年一次）。换热器和保温维持器可开启的密封板结构使清洗十分方便。冷、热料通道之间无焊接或垫料密封连接点和面，可确保不串料，不相互污染。 2022-3-9中国发酵产业协会柳州18其他效果的分析（四）使用本连续灭菌系统可大幅度缩短反应器灭菌、冷却所占用的时间，甚至可在放料后无菌保压情况下，不