岑文學(xué)陸飛浩

(1.寧波浩邦生物技術(shù)有限公司，浙江寧波 315040; 2.寧波星邦生化設(shè)備有限公司，浙江寧波 315040)

發(fā)酵用無菌壓縮空氣制備過程節(jié)能探討

岑文學(xué)1陸飛浩2

(1.寧波浩邦生物技術(shù)有限公司，浙江寧波 315040; 2.寧波星邦生化設(shè)備有限公司，浙江寧波 315040)

從節(jié)能的角度分析發(fā)酵無菌空氣制備過程各個環(huán)節(jié)，提出空氣壓力確定方法、壓縮機(jī)選型及流程配置建議、無菌空氣預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“5060”原則、設(shè)備及管路設(shè)計(jì)要點(diǎn)等，在滿足發(fā)酵工藝的前提下，實(shí)現(xiàn)減小過程阻力損失、降低能耗、減小運(yùn)行成本的目標(biāo)，以達(dá)到國家節(jié)能減排的要求。

空氣壓縮機(jī)；無菌空氣；換熱器；氣液分離器；相對濕度；膜過濾器；節(jié)能

Abstract:From the view point of energy saving, each procedure in the process of sterilized air preparation from fermentation was analyzed in this article. Moreover, the method of determining air pressure, the selection and disposition of compressors, “5060” principle used for the design of sterilized air pretreatment system and the highlights in equipment and pipeline design were also presented. It is indicated that with the premise of meeting the requirements of fermentation, the loss due to resistance, energy consumption and the cost can be reduced, so that the requirement of energy saving and emission reduction are reached.

Keywords:air compressor; sterilized air; heat exchanger; gas and liquid separator; relative humidity; membrane filter; energy saving

1 前言

正如人生存需要空氣，微生物好氣性發(fā)酵也需要持續(xù)的空氣供應(yīng)。其中常見的液態(tài)深層純種發(fā)酵，要求空氣是無菌的，并具有一定的壓力，以克服設(shè)備阻力和液層靜壓力。近幾年來，國內(nèi)一些發(fā)酵產(chǎn)品，如：抗生素原料藥、氨基酸、有機(jī)酸等生產(chǎn)規(guī)模越來越大，其中涉及的無菌空氣需求量非常龐大，總能耗也十分驚人，壓縮機(jī)原動機(jī)甚至采用10 kV高壓電機(jī)或?qū)Ｓ闷啓C(jī)。因此，分析無菌空氣的制備過程，如何以低耗能，最大限度地取得滿足生產(chǎn)需要的無菌空氣，對國家節(jié)能減排很有意義。

2 空氣壓縮機(jī)選型

2.1 壓力確定

空氣壓縮機(jī)的選型首先需確定出口壓力。由于出口壓力與壓縮機(jī)工作電流或動力蒸汽耗量正相關(guān)，因此，壓力確定的原則是“能低則低”，以利于節(jié)能，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。對冷卻效果良好的活塞式空氣壓縮機(jī)，若出口壓力從0.25 MPa降到0.2 MPa，約可節(jié)電8.6%，若冷卻效果差或無冷卻的單級離心機(jī)，節(jié)電可達(dá)15%左右。

出口壓力即是系統(tǒng)背壓，包括管道閥門與各種設(shè)備阻力損失、發(fā)酵罐液層靜壓及發(fā)酵罐上封頭內(nèi)壓（罐壓）等，其中可能產(chǎn)生阻力損失的設(shè)備包括儲氣罐、換熱器、分離器、過濾器、發(fā)酵罐進(jìn)氣處理裝置、發(fā)酵罐排氣處理裝置等。

對一般通風(fēng)帶攪拌發(fā)酵罐而言，如果空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型合理，進(jìn)發(fā)酵罐之前所有管路、設(shè)備阻力損失可以控制在0.02 MPa以內(nèi)，加上發(fā)酵罐靜壓和罐壓等，系統(tǒng)總壓力一般在0.15 MPa ～ 0.25 MPa之間。

壓力確定后，分解阻力損失目標(biāo)到各個設(shè)備，所有設(shè)備的設(shè)計(jì)在滿足工藝要求的前提下，均要以此目標(biāo)為控制原則。所以，在設(shè)備設(shè)計(jì)選型上應(yīng)預(yù)先考慮其阻力、能耗及總體效能。

2.2 壓縮機(jī)選型

可供選擇的發(fā)酵用空氣壓縮機(jī)常用有活塞式、離心式、螺桿式三種，其中活塞式適用中小流量，大流量時占地面積很龐大；離心式適用大流量，體積相對較小，0.2 MPa以下可采用離心鼓風(fēng)機(jī)的形式，無空氣冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單；而螺桿式由于空氣中含油，偶見廠家作為發(fā)酵工藝用氣設(shè)備，其最常用的是作為氣動自控系統(tǒng)的動力用，且常用壓力在0.6 MPa以上。各種型式發(fā)酵用空氣壓縮機(jī)相關(guān)性能對比分析如表1。

表1 各種型式發(fā)酵用空氣壓縮機(jī)相關(guān)性能對比

筆者認(rèn)為，對中小規(guī)模發(fā)酵，空壓機(jī)宜采用活塞式，若空氣總流量大于400 m3/min時，采用離心式壓縮機(jī)較合適；若投資總額控制較小，大規(guī)模發(fā)酵也可采用D系列活塞式空壓機(jī)，但需配套較大的占地面積；不建議采用螺桿式空壓機(jī)。

2.3 后冷卻器和儲氣罐配置問題

活塞式空壓機(jī)由于氣流有脈沖，應(yīng)該設(shè)置儲氣罐以作緩沖。過去認(rèn)為儲氣罐還可作為分離油水或保溫殺菌的設(shè)備，實(shí)際上，由于罐內(nèi)溫度高，析不出水，且空氣停留時間短，實(shí)際殺菌效果差，起不了作用。所以，對離心式或螺桿式壓縮機(jī)可去掉儲氣罐，少一臺設(shè)備，少了投資成本、降低了阻力，也降低了日后的運(yùn)行、管理成本。

后冷卻器是為了降低壓縮機(jī)出口空氣溫度而設(shè)置，與多級壓縮機(jī)組內(nèi)部必須設(shè)置的中間冷卻器不同。采購壓縮機(jī)時可不帶后冷卻器，因隨帶的后冷卻器所達(dá)到的空氣冷卻溫度，常和無菌空氣處理所要求的空氣冷卻溫度不對應(yīng)，系統(tǒng)還需配置冷卻器冷卻，而隨帶的后冷卻器阻力又較大。另外，考慮到壓縮機(jī)出口的高溫空氣可以作為加熱工藝用水的熱源，也可作為無菌空氣預(yù)處理系統(tǒng)中加熱濕空氣的熱源。從這點(diǎn)看，風(fēng)冷式螺桿機(jī)很不節(jié)能，其把壓縮產(chǎn)生的熱量直接排入了大氣，而未得到有效利用。

所以，冷卻設(shè)備的配置須納入整個系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)之中，采購壓縮機(jī)時無需購置后冷卻器。

2.4 壓縮機(jī)入口空氣處理

環(huán)境空氣質(zhì)量中有關(guān)固體顆粒物的指標(biāo)有兩項(xiàng)：空氣總懸浮顆粒物TSP（≤100 μm）和可吸入顆粒物PM10（≤10μm）。據(jù)2003年平均數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國西北部TSP在0.4 mg/m3左右，超過國家標(biāo)準(zhǔn)三級指標(biāo)，屬輕度污染。另據(jù)2008年寧夏環(huán)境公報(bào)，當(dāng)年出現(xiàn)大規(guī)模沙塵5次，TSP小時濃度高達(dá)16.2 mg/m3，PM10濃度高達(dá)7.6 mg/m3。

如果不經(jīng)處理，按100 m3/min的空氣流量計(jì)算，每年進(jìn)入壓縮機(jī)氣缸、螺桿或葉輪的固體顆粒物將有10 ～ 20 kg！將對設(shè)備造成嚴(yán)重磨損，尤其是高速旋轉(zhuǎn)的葉輪。

根據(jù)GB50029的規(guī)定，在夏熱冬暖地區(qū)，只有螺桿機(jī)或排氣量不大于10 m3/min的活塞式空壓機(jī)，其吸氣口可設(shè)置在室內(nèi)。大規(guī)模發(fā)酵工廠的空壓站需設(shè)置高空采風(fēng)管，避免低空集聚的污染物或被發(fā)酵排氣污染，同時，壓縮機(jī)入口前必須設(shè)置過濾裝置。國外Atlas-copco廠家要求入口過濾器達(dá)到對2μm以上顆粒99.97%的過濾精度。

國內(nèi)發(fā)酵企業(yè)在壓縮機(jī)入口空氣處理方面，采用不同介質(zhì)（如：無紡布袋、折疊式過濾紙芯等）過濾器去除塵埃顆粒，應(yīng)考慮足夠大的過濾面積及相應(yīng)的過濾精度，盡量降低空氣入口阻力。

3 無菌空氣預(yù)處理過程

由于空氣中的雜菌通常依附在塵埃、油霧、水霧等，純凈干空氣不適合雜菌的生存，因此，空氣除菌前有個預(yù)處理過程。無菌空氣預(yù)處理包括對空氣進(jìn)行冷卻、除水及雜質(zhì)、加熱以降低相對濕度的一系列過程。

3.1 處理的原則

如果除菌膜過濾器能承受150℃ ～ 200℃的高溫，并且過濾精度再提高一些，那就無需空氣預(yù)處理系統(tǒng)了，高溫干燥空氣直接除菌，再適當(dāng)降溫至40℃～60℃（一般仍在壓力露點(diǎn)以上）進(jìn)入發(fā)酵罐，那運(yùn)行成本將大大降低。實(shí)際上市場上還沒有此類產(chǎn)品。

或者說，無菌空氣預(yù)處理的原則是進(jìn)膜過濾器前有一個合適的溫度和較低的相對濕度，可簡稱為“5060”原則，即溫度一般控制在50℃以下，在此溫度下空氣進(jìn)入發(fā)酵罐，不致于對罐內(nèi)生產(chǎn)菌造成熱傷害或不致于加重發(fā)酵罐的冷卻負(fù)荷；相對濕度控制在60%以下，保證沒有水滴致使過濾介質(zhì)受潮而影響除菌效率、增加過濾阻力。即“5060”原則能移保證其相對濕度在過濾介質(zhì)除菌安全范圍內(nèi)，不影響除菌效率。

假設(shè)夏季環(huán)境氣溫30℃、相對濕度85%、氣壓0.1 MPa(A)，壓縮后壓力為0.22MPa，則壓力露點(diǎn)溫度為48℃，若冷卻到30℃，再升溫到42℃，其中不考慮阻力損失和氣液夾帶，則相對濕度為60%?？紤]加熱器后管道自然冷卻以及5%以內(nèi)的氣液夾帶，加熱溫差一般取15℃ ～ 20℃。

根據(jù)傳統(tǒng)空氣預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)慣例，并按上述氣象條件設(shè)計(jì)，如冷卻到15℃，氣液分離效率為80%，加熱后達(dá)到同樣的相對濕度60%，則溫度約42℃，對比本文前述參數(shù)，所需制冷能源消耗增加20%，加熱能源消耗增加150%，若空氣流量為100 m3/min，則需增加功率消耗約100 kW，折標(biāo)煤約100 t/a。

根據(jù)“5060”原則設(shè)計(jì)的無菌空氣預(yù)處理系統(tǒng)，已在包括氨基酸、有機(jī)酸、生物醫(yī)藥等多個發(fā)酵工程項(xiàng)目中成功運(yùn)行，取得了顯著的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 特例情況討論

再考慮阻力損失，一般總壓每降低10%，保持相同加熱后的相對濕度，加熱溫度約可降低2℃。若系統(tǒng)甲空壓機(jī)出口0.25 MPa，至加熱器后壓力為0.2 MPa，系統(tǒng)乙空壓機(jī)出口0.21 MPa，至加熱器后壓力同為0.2 MPa，甲系統(tǒng)加熱溫度可比乙系統(tǒng)降低3℃，但空壓機(jī)電耗增加約11%，顯然空壓機(jī)電耗增加的損失遠(yuǎn)大于空氣加熱費(fèi)用支出減少的得益。

我國北方有的發(fā)酵工廠在冬季，空氣從壓縮機(jī)出來后經(jīng)過長距離管道運(yùn)輸至發(fā)酵車間，冷卻器加熱器沒有運(yùn)行，僅經(jīng)過自然冷卻，進(jìn)入膜過濾器除菌，生產(chǎn)也沒有發(fā)現(xiàn)不正常。這說明，冬季氣候干燥，自然冷卻后空氣相對濕度仍較低，膜過濾器仍能正常工作。假設(shè)冬季環(huán)境氣溫5℃、相對濕度35%、氣壓0.1 MPa(A)，壓縮后壓力0.22 MPa，則壓力露點(diǎn)溫度8℃，當(dāng)溫度在15℃以上時，相對濕度仍不會超過60%。

3.3 關(guān)于冷干機(jī)的使用

冷干機(jī)是空氣冷凍干燥簡稱，通過壓縮機(jī)制冷，空氣冷卻至壓力露點(diǎn)溫度2℃ ～ 8℃。冷干機(jī)內(nèi)部包含2個空氣列管換熱器，分別是入口高溫空氣與出口低溫空氣的熱交換器和空氣與制冷劑的熱交換器，前者作用是高溫空氣的預(yù)冷也是冷濕空氣相對濕度的提升，后者作用是空氣深度冷卻，使之析出冷凝水。

從冷干機(jī)的原理可知，空氣在其中經(jīng)歷2次殼程、1次管程，阻力損失較大，一般在0.05 MPa以上。冷凝水排除依據(jù)的是慣性分離原理，氣液分離效率低，仍有大量細(xì)微液滴和液霧夾帶。還需指出的是，冷干機(jī)空氣進(jìn)口溫度一般要求在45℃以下，必須配置前置冷卻器。冷干機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，能耗相對較高。

因此，冷干機(jī)常與螺桿壓縮機(jī)等配套，應(yīng)用于氣動自控系統(tǒng)。為避免重復(fù)投資、簡化系統(tǒng)、降低運(yùn)行成本，冷干機(jī)不宜應(yīng)用在大生產(chǎn)發(fā)酵空氣系統(tǒng)中。

3.4 處理設(shè)備設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.4.1 冷卻器

根據(jù)冷卻溫度，空氣冷卻器冷卻介質(zhì)可用普通冷卻塔循環(huán)水，而不用冷水機(jī)組的低溫水或低溫地下水，以節(jié)約水資源、節(jié)約電能。由于相對液體和蒸汽，空氣對流傳熱系數(shù)很低，冷卻器包括加熱器應(yīng)采用具有空氣側(cè)強(qiáng)化傳熱措施的高效換熱元件，如：波紋管、翅片管等；由于空氣壓力較低，可走殼程，換熱介質(zhì)壓力較高走管程，以降低造價；為了減少空氣阻力損失，應(yīng)該淘汰普通管板式列管換熱器，其阻力損失約0.01 MPa，換熱效率低，而高效換熱器空氣在殼程呈直線、低速通過，阻力損失僅為0.001 ～ 0.003 MPa。

3.4.2 分離器

濕空氣冷卻至露點(diǎn)以下，將有冷凝水析出。在無菌空氣預(yù)處理過程中氣液分離是關(guān)鍵，直接影響進(jìn)除菌過濾器的空氣質(zhì)量，關(guān)系到加熱能耗高低和生產(chǎn)的穩(wěn)定性。氣液分離傳統(tǒng)設(shè)備有旋風(fēng)分離器、絲網(wǎng)除霧器，其阻力損失大、分離效率低，不適應(yīng)發(fā)酵空氣低壓力、大流量且流量波動大的特點(diǎn)。若使用有過濾芯的油水分離器更不恰當(dāng)，其僅適用于對阻力降不敏感的氣動控制系統(tǒng)。

現(xiàn)有一種稱為高效臥式氣液分離器的專利技術(shù)設(shè)備，其采用獨(dú)特的集群式分離子結(jié)構(gòu)，具有很高分離效率且在發(fā)酵空氣流量波動時，仍能保持穩(wěn)定的高效率。由于該分離器內(nèi)部空氣流速小，阻力損失僅為傳統(tǒng)分離器的20% ～ 50%。解決了大流量發(fā)酵無菌空氣制備中除水難題。

3.4.3 加熱器

加熱器過去常采用蒸汽加熱，其特點(diǎn)是加熱器面積小，投資少，但日常蒸汽的消耗是一筆很大的開支，從降低運(yùn)行成本看，不宜采用。利用壓縮機(jī)出口的高溫空氣作為熱源，來加熱冷卻除水后的低溫空氣就是因地制宜的好措施，即節(jié)省了蒸汽，又降低了冷卻器的負(fù)擔(dān)，一舉兩得。目前我國自行開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種SAS節(jié)能發(fā)酵空氣預(yù)處理系統(tǒng)，已成功地實(shí)現(xiàn)了上述目標(biāo)。另外，也可利用生產(chǎn)工藝中的多余熱水、二次蒸汽等余熱作為加熱器的熱源。值得注意的是，加熱器采用工藝熱水時，須從設(shè)計(jì)、制造上杜絕熱水泄漏的所有可能性，否則將引起除菌膜過濾器失效、發(fā)酵染菌。

3.5 管路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

空氣管路包括壓縮機(jī)前進(jìn)氣管路、空氣處理設(shè)備之間連接管路、空氣輸送總管、支管等。管路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于流速的選擇，由于阻力損失與流速的平方正相關(guān)，因此，管道盡可能放大一些，以降低流速。過去空氣流速為10 ～ 15 m/s之間，在發(fā)酵空氣系統(tǒng)中為降低阻力，空氣流速可適當(dāng)降低，以8 ～ 10 m/s之間為宜。壓縮機(jī)前進(jìn)氣管路（采風(fēng)管）內(nèi)空氣屬低真空狀態(tài)，空氣流速應(yīng)更低，以2 ～ 8 m/s之間為宜。具體速度確定還需考慮管道總長度及其布置狀況。

一定質(zhì)量流量的壓縮空氣在一定管道中的流速還與其溫度有關(guān)。溫度高，空氣比容大、體積流量大，流速就大。因此，對于總管距離長的管路，有必要把壓縮機(jī)出口高溫空氣從140℃～200℃之間降到60℃ ～ 80℃之間，其管路阻力損失可降低20% ～ 50%。

對于短距離管路，彎頭、閥門等局部阻力損失不容忽視，一個90°彎頭相當(dāng)于35倍直徑長度的直管產(chǎn)生的阻力。應(yīng)合理設(shè)計(jì)管道走向、管道中心高度，統(tǒng)一空氣處理設(shè)備進(jìn)出口高度和方向，使得空氣管路盡可能走直線，最大限度地減以少彎頭的設(shè)置。

因發(fā)酵空氣壓力相對較低，空氣總管可采用薄板卷制焊接管。過去采用碳鋼材質(zhì)較多，為避免其腐蝕產(chǎn)生的鐵銹雜質(zhì)對空氣處理質(zhì)量的影響，盡可能采用不銹鋼管道。其優(yōu)點(diǎn)為免維護(hù)且管道內(nèi)壁光滑有利于空氣阻力減少。

4 空氣除菌處理過程

由于膜技術(shù)的日益成熟，膜過濾器在發(fā)酵行業(yè)空氣系統(tǒng)除菌處理上得到了廣泛應(yīng)用。從加熱器到發(fā)酵罐，過濾器一般有三級：總過濾、預(yù)過濾、精過濾?？傔^濾器、預(yù)過濾器主要采用折疊式玻纖濾芯，精過濾器采用微孔高分子薄膜，常用如聚四氟乙烯（PTFE）薄膜。前兩級過濾精度0.5 μm，最后級0.01 μm，而一般細(xì)菌約0.3 μm，噬菌體0.02 μm，氣體分子直徑為納米級。

過濾器除菌原理是根據(jù)氣體、細(xì)菌顆粒密度不同，細(xì)菌與氣體分子直徑的不同，通過過濾介質(zhì)對細(xì)菌的慣性撞擊、擴(kuò)散攔截、直接攔截作用等方式實(shí)現(xiàn)除菌。

必須指出的是，無論精過濾還是總過濾，都不能作為除水用。若在此出水，說明預(yù)處理系統(tǒng)不正常，或者由于預(yù)處理系統(tǒng)至過濾器管線太長，冬季降溫明顯又析出冷凝水，必將影響過濾器除菌效果。

正常使用情況下，總過濾、預(yù)過濾無需蒸汽滅菌，僅精過濾器定期用蒸氣滅菌。但由于除菌處理系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)不同，使用效果差別很大，有的一年、二年系統(tǒng)滅菌一次，有的幾個月就要滅菌一次，且膜濾芯更換頻繁，生產(chǎn)很不穩(wěn)定。分析具體原因，除了膜本身質(zhì)量問題外，主要是空氣預(yù)處理系統(tǒng)效果不理想，空氣相對濕度大，甚至呈過飽和狀態(tài)。

5 小結(jié)和討論

5.1 無菌空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要有阻力損失控制目標(biāo)，在系統(tǒng)中每一臺設(shè)備設(shè)計(jì)選型時，須提出阻力損失約束條件，使系統(tǒng)全過程壓力損失控制在0.02 MPa以內(nèi)。

5.2 由本文節(jié)能分析可知，螺桿式壓縮機(jī)和冷干機(jī)不適合在大規(guī)模發(fā)酵空氣系統(tǒng)中應(yīng)用。

5.3 科學(xué)合理地設(shè)計(jì)發(fā)酵無菌空氣預(yù)處理系統(tǒng)，對發(fā)酵生產(chǎn)節(jié)能具有非常重要的意義，在工藝選擇和設(shè)備選型需要充分考慮。選用高效低阻的熱交換器、高分離效率的氣液分離器是實(shí)現(xiàn)無菌空氣處理過程節(jié)能的關(guān)鍵措施，也是穩(wěn)定發(fā)酵生產(chǎn)的重要保證。

5.4 除特殊要求外，盡可能提高空氣冷卻后的溫度，冷卻水用循環(huán)水或地下水，不用或少用低溫冷凍水。加熱利用空氣壓縮機(jī)高溫空氣加熱冷卻分離后的低溫空氣，不用戓少用蒸汽加熱。由于高效率熱交換器及氣液分離器的性能保證，系統(tǒng)空氣加熱后溫度及相對濕度以達(dá)到本文提出的“5060”原則要求即可，使發(fā)酵無菌空氣制備過程更加低碳節(jié)能。

[1] 蘭清，李清雄.膜過濾器在空氣凈化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].發(fā)酵科技通訊， 2001， 30(2): 35-36.

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[3]陸飛浩，岑文學(xué). 320 Nm3/min發(fā)酵空氣系統(tǒng)采用SAS系統(tǒng)節(jié)能改造[J].發(fā)酵科技通訊， 2008， 37(1): 40-42.

Discussion of Energy Saving in Preparation Process of Fermentation Used Sterilized Compressive Air

Cen Wenxue1Lu Feihao2
(1. Ningbo Haobang Biotech Co., Ltd Ningbo, 315040; 2. Ningbo Xingbang Biotech Co., Ltd Ningbo, 315040)

TQ920.6

A

1008-455X(2011) 01-0043-04

2010-11-06

岑文學(xué)（1973-），男，工程師，主要從事發(fā)酵工程設(shè)備設(shè)計(jì)和研究工作。

Tel：0574-87662159 E-mail：cwx606@yahoo.com.cn