超节能超高温全自动培养基连续灭菌系统

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[e-mail]2015-6-23中国发酵产业协会·柳州2设计背景•发酵产品直接生产成本中蒸汽成本约占5%~7%，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%。•培养基灭菌过程中蒸汽的潜热和物料的余热没有得到充分利用，有很大的节能潜力。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州3等效灭菌原理•在达到同样灭菌效果的前提下，灭菌温度与所需灭菌时间呈以下曲线关系（以121℃灭菌30min为基准）。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州4节能原理（一）•1千克150℃(0.38MPa)的饱和蒸汽冷却到140℃所释放的热量为12千焦。•1千克140℃(0.26MPa)的饱和蒸汽凝结成140℃的高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4.47千克水由25℃加热到140℃。反过来就是将1千克水由25℃加热到140℃理论上需消耗150℃的饱和蒸汽0.224千克。•如果是实罐灭菌，不算罐体加热，将1千克水由25℃加热到121℃理论上需消耗150℃的饱和蒸汽0.186千克。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州5节能原理（二）•如果将余热加以利用，则1千克140℃的高温饱和水冷却到35℃可释放443千焦的热量，可将1千克水由25℃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25℃的水加热到140℃只需消耗150℃（0.38MPa）的饱和蒸汽0.02千克。•如果换热效率为90%，则将1千克水由25℃加热到140℃的蒸汽消耗应为0.022千克。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州6灭菌蒸汽消耗现状•大多数生物发酵厂家连续灭菌将1kg培养基由25℃加热到140℃或实罐灭菌由25℃加热到121℃的实际蒸汽消耗分别为0.27kg和0.24kg左右，加上保温维持，总蒸汽消耗均在0.3kg左右，其中15%左右的蒸汽作为乏汽排放掉了，70%左右作为余热浪费掉了，其余为散热损失，总浪费率达90%左右。•挽回这90%的蒸汽损耗，是设计本连续灭菌系统的目的。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州7设计思路•在灭菌过程中先将高压蒸汽变成高温饱和水，然后再与培养基混合，使整个灭菌过程无乏汽残留和排放，这样既可充分利用蒸汽的潜热，又避免局部过热使培养基结焦。•利用灭菌后的热培养基预热冷培养基，灭菌前的冷培养基冷却热培养基，既充分利用余热，又节省冷却水。•设备紧凑，强化保温，减少散热损失。•通过变频泵以温度反馈控制料液流速，既简化控制方法，提高控制精度，又节省电能消耗。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州8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PTT2015-6-23中国发酵产业协会·柳州9灭菌流程•配料罐中的物料经过滤器除去线绳和其他杂物后，由浓浆泵泵入高效换热器，被灭菌后的热物料在高效换热器中预热后进入高压喷射器，将蒸汽吸入并压缩其成高压饱和水，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35~40s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。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州10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，缩短灭菌时间，从而确保灭菌效果的稳定和可靠。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州11节能效果的分析——理论计算•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25℃，灭菌温度140℃，高效换热器的换热效率95%，冷却温度35℃，使用0.35MPa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：0.35MPa饱和蒸汽的温度为147.9℃，比焓为2742.9kJ/kg；140℃饱和蒸汽的比焓为2733.1kJ/kg，蒸发潜热为2144.0kJ/kg；25℃、35℃和140℃饱和水的比焓分别为：104.8、146.5和589.1kJ/kg。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州12节能效果的分析——计算预热温度的计算•140℃高温的物料冷却至35℃，可供利用的有效热量为：(589.1-146.5)0.95=420.47kJ/kg•用此热量加热25℃的冷料，所积聚的热焓为：420.47+104.8=525.27kJ/kg•查饱和水蒸汽焓熵表，对应此热焓的饱和水温度为125.3℃，此即为物料的预热温度。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州13节能效果的分析——计算升温所需热量及蒸汽消耗量的计算•物料由125.3℃升温至140℃所需的热量为：589.11-525.27=63.84kJ/kg•设提供这一升温热量所需的0.35MPa蒸汽为xkg/kg，则可列出以下代数方程式：(2742.9-2733.1)x+2144x=63.84•解方程得x=0.0296kg/kg，即每灭菌1kg物料，只需消耗0.0296kg的0.35MPa饱和蒸汽。与目前绝大多数发酵生产厂家0.3kg/kg左右的蒸汽消耗比较，蒸汽节约率可达90%以上。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州14显热与潜热对灭菌贡献的比较•以上计算是设定蒸汽先由147.9℃降温至140℃释放显热，然后在140℃下凝结释放潜热，在这一过程中无乏汽排放而得出的结果。•其中显热的贡献为(2742.9-2733.1)0.0296=0.29kJ/kg，潜热的贡献为21440.0296=64.32kJ/kg。•两者相比较，显热的贡献率为0.45%，而潜热的贡献率为99.55%。•由此可见，充分利用潜热在节能过程中的重要性。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州15实际使用效果灭菌温度平均141℃预热温度平均130℃冷却温度平均37℃生料温度平均29℃2015-6-23中国发酵产业协会·柳州16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：13029100%90.18%14129这一结果与理论计算数据十分吻合！•换热效率为：13029100%98.06%140372015-6-23中国发酵产业协会·柳州17减排效应的分析•每吨蒸汽大约折合标准煤0.09吨，而每吨标准煤燃烧所释放的二氧化碳量为2.6吨，即每消耗1吨蒸汽释放的二氧化碳量为0.234吨。•按每天灭菌150吨物料计，使用本连续灭菌系统所能节约的蒸汽约为43.5吨，则可节约标准煤3.92吨，减排二氧化碳10.2吨。•按目前澳大利亚碳排放交易价23澳元/吨计，每天可节约资金234澳元，折合人民币1490元。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州18降成本效应分析•同样按每天灭菌培养基150吨、节约蒸汽43.5吨、每吨蒸汽200元计，每天节资达8700元。•另外，采用本连续灭菌系统还能节省将灭菌后140℃的150吨物料冷却到35℃所需要的冷却水约1570吨（按平均冷却水温差10℃计），以目前对二次水回收折算后平均水价1.80元/吨计算，则每天节省的资金为2800元。•以上三项合计，日降低成本12990元，全年按工作日300天计，总共降低成本389.7万元。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州19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（≤40s）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（0.33~0.36MPa），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，提高其安全性。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州20其他效果的分析（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（＜65dB），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。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州21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局部过热而结垢，更不会造成堵塞，无须拆卸清洗，平常清洗可在线完成。•灭菌过程无乏汽排放，既节约蒸汽，又不对大气造成污染。•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。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州22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，不经清洗、灭菌，立即进行培养基连续灭菌给料，从而大幅度提高反应器周转率、劳动生产率和产量，并进一步减少蒸汽消耗。•使用本连续灭菌系统，很容易实现生物过程的连续补料和连续发酵操作。•价格便宜，制造成本不及进口产品售价的四分之一，节能效果却远优于进口产品。2015-6-23中国发酵产业协会·柳州23我们的承诺•生料无能耗预热温度(灭菌温度－18℃)•熟料无冷却水消耗冷却温度(配料温度+20℃)•熟料色泽与生料无明显差异•灭菌蒸汽消耗0.04t/m3培养基（不包括空罐灭菌）•灭菌染菌率1%（在蒸汽压力波动̵̶0.02MPa的前提下）2015-6-23中国发酵产业协会·柳州24我们的服务•个性化产品设计——根据用户的蒸汽和物料状况进行针对性设计•个性化产品制造——每个用户的产品同其他用户的产品都不完全一样•个性化技术方案——根据用户的现场实际情况进行安装、调试和验收•个性化技术服务——根据用户的生产实际情况进行操作培训谢谢聆听！欢迎提问和提出宝贵意见！河北科技大学徐亲民[e-mail]