发酵罐的公用工程工艺计算探讨

摘

要：以某发酵工厂150m3发酵罐为例，利用发酵工艺的已知相关数据，对发酵过程中的一些公用工程介质，如冷冻水、循环水、蒸汽、压缩空气等进行了流量及管径计算，为发酵类工程项目的设计提供参考。关键词：发酵罐；公用工程；计算；管径；流量

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引言发酵罐是发酵工厂中最基本、最主要的设备，发酵罐是一种生化反应设备，为菌种提供适宜的温度、适当的通气搅拌条件，使菌种在液体培养基中大量繁殖及分泌所需产品。由于发酵产品不同、菌种不同，发酵的工艺要求也不尽相同。因此，发酵罐的工艺设计条件根据发酵过程的特点和要求而有所不同，但发酵罐的工艺设计基本方法是一样的。在发酵类工程项目的设计过程中，发酵罐的公用工程工艺计算关系到整个发酵生产车间的设计。由于发酵罐较多，每个发酵罐所需耗用的公用工程量也较大，如果在设计前没有进行较为准确的计算，将会导致车间的公用工程系统设计与实际相差较大，造成设计失误，影响项目最终质量。因此，发酵过程中各发酵罐的公用工程工艺计算就显得尤为重要。

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计算条件本文以某发酵工厂的150m3发酵罐为例，介绍发酵罐的公用工程工艺计算过程。发酵罐体积为150m3，内装发酵液120m3，发酵温度26℃，采用冷冻水（15～20℃）进行冷却；通气比为1:1，压缩空气进罐压力为0.20MPa（表压），空气进口温度40℃；采用0.3MPa蒸汽进行实罐灭菌，发酵罐采用内盘管进行传热；培养基采用实消的方式灭菌，并用循环水（32～42℃）对实消后的培养基进行降温处理。发酵产生的物质为抗生素，已知相关数据：发酵热量20MJ/（m3·h），内盘管传热系数K=450J/（m2·s·℃）。现分别计算该发酵罐的传热面积，冷冻水、循环水、蒸汽、压缩空气流量及管径等。

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公用工程工艺计算2.1

传热面积整个发酵过程传递的热量：Q=20×106×120=2.4×109

J/h。发酵温度26℃，通入冷冻水后，发酵罐盘管两端温差为：

△t1=26-15=11℃，△t2=26-20=6℃。采用15～20℃冷冻水系统将发酵热量带走进行降温处理，则平均温差△t：根据换热基本公式，得到换热面积

实际还要乘以一个1.2的系数，取该发酵罐的传热面积约为220m2。2.2

冷冻水流量及管径发酵过程产生的热量：Q=20×106×120=2.4×106

kJ/h，该热量通过冷冻水（15～20℃）系统将其冷却下来，则冷冻水流量W：式中

W——冷冻水流量，m3/h；

Q——发酵产生的热量，kJ/h；

Cp——水比热容，kJ/（kg·℃），取4.2；

△tm——冷冻水进出口温差，℃。现冷冻水流量W取120m3/h，冷冻水流速u=2m/s，则冷冻水管径冷冻水主管管径取DN150。在计算冷冻水流量时，需要特别说明的是，此处冷冻水温差为±5℃，有些情况下可能会利用±10℃的温差进行冷却，此时的流量就需要进行相应的调整。因此，在计算前，需要跟业主进行充分的沟通，熟悉厂区提供的各外部条件。2.3

循环水流量及管径发酵过程中实消后的培养基用循环水进行冷却降温，循环水温度为32～42℃，培养基体积为110m3，培养基实消后在发酵罐内的温度从120℃降到40℃，通入循环水后发酵罐盘管两端温差△t1=120-42=78℃，△t2=40-32=8℃，则：培养基温度从120℃降到40℃，该热量通过循环水降下来，培养基放出的热量Q1=C1m1（120-40），循环水吸收的热量Q2=C2m2（42-32），Q1=Q2，其中培养基与循环水比热容近似相等，发酵罐盛装培养基的质量m1=110m3，由C1m1（120-40）=C2m2（42-32），得到循环水在这段时间内的质量m2=110×80/10=880m3，冷却时间取3h，则循环水流量为880/3≈293m3/h，现循环水流速u取2m/s，根据公式循环水主管管径取DN200。与计算冷冻水流量相似，需要注意循环水的温差，温差不同得到的结果大相径庭，循环水降温的热量与培养基降温前后的温度有关。2.4

蒸汽流量及管径采用实消的方式对培养基进行灭菌。培养基总量为110m3，先在盘管内通蒸汽将培养基由25℃预热到70℃，然后直通蒸汽将110m3培养基由70℃加热到121℃，盘管传热系数K=450J/（m2·s·℃）。蒸汽温度t1=143℃，蒸汽压力0.3MPa，汽化热量514K/kg，开始加热（预热阶段）时培养基温度t2s=25℃，结束加热（预热阶段）时培养基温度t2f=70℃。预热阶段△t1=t1-t2s=143-25=118℃，△t2=t1-t2f=143-70=73℃，则：蒸汽耗量可用以下办法估算（不考虑散发热量），蒸汽耗量=培养基质量×培养基温差/汽化热量=110×103×（70-25）/514=9630kg。在实际操作过程中，加热时间比理论计算时间要长，取2h，则得到蒸汽流量为9630/2=4815kg/h。加长预热时间可以使蒸汽用量控制在一定范围内，减少瞬间用汽量。现蒸汽流速取25m/s，查阅化工工艺设计手册得到蒸汽进入盘管的主管管径取DN200。直通蒸汽阶段的蒸汽耗量一般为预热阶段的30%～50%，按照50%进行估算，则蒸汽流量为2400kg/h，蒸汽流速取25m/s，同样查阅化工工艺设计手册可得到直通蒸汽管管径取DN150。整个灭菌阶段的耗汽量为7.2t/h。2.5

压缩空气流量及管径150m3发酵罐的通气比1:1，标准情况下发酵罐的通气量为150m3/min，即2.5m3/s，压缩空气进罐温度40℃，压力0.20MPa（表压）。2.6

排气管管径发酵尾气经旋风分离器后，液体被排走，气体排放至室外屋面（在某些情况下尾气还需要经尾气吸收塔吸收后排放）。发酵过程中的排气管管径取值比进气管管径大一个型号，则排气管管径取DN300。2.7

出料管管径发酵罐放罐体积为120

m3，假设2

h内放完，发酵液流速取1.5

m/s，则发酵液输送泵流量为60

m3/h，则出料管管径取DN125。一批发酵液多长时间放完，跟具体情况有关，但计算方式是相同的思路。3

结语根据以上计算过程，单个150m3发酵罐的各公用工程介质主管管径就可以明确了。该150m3发酵罐换热面积为220m2；冷冻水主管管径为DN150；循环水主管管径为DN200；进盘管的蒸汽主管管径为DN200；蒸汽直通发酵罐内的主管管径为DN150；压缩空气进罐管径为DN250；排气管管径为DN300；发酵液出料管管径为DN125。需要说明的是，一个发酵车