發(fā)酵空氣過程控制與節(jié)能

陸飛浩，岑文學

（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）

好氣性發(fā)酵需要持續(xù)的無菌壓縮空氣供應(yīng)，作為微生物生長代謝的氧源。而制取壓縮空氣的空壓機能耗巨大，因此對空氣的制取、處理、利用和排放全過程必須加以嚴格控制。

發(fā)酵空氣過程是指空氣從自大氣采集，被微生物發(fā)酵利用到再排入大氣的全過程。包括五個分過程，即空氣壓縮、空氣預處理、空氣過濾除菌、發(fā)酵空氣利用和發(fā)酵尾氣處理?？諝饬鲃舆^程從空壓機流向發(fā)酵罐，但分析空氣過程控制與節(jié)能，本文則以逆向過程來研究，從排氣（尾氣）開始，至空壓機供氣，因為“提供”是由“需要”決定的，包含以下五個過程：

（1）發(fā)酵尾氣處理控制——我們需要潔凈的環(huán)境。

（2）發(fā)酵空氣利用控制——生產(chǎn)菌利用氧氣的要求和發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)。

（3）空氣過濾除菌控制——發(fā)酵需要無菌空氣。

（4）空氣預處理控制——滿足過濾除菌的條件和發(fā)酵進氣溫度要求。

（5）空氣壓縮控制——滿足生產(chǎn)菌利用和輸送的需要。

鑒于有關(guān)專家對空氣過濾除菌闡述已較多，本文不再論述，重點探討其余四個分過程的控制與節(jié)能。

1 發(fā)酵尾氣處理控制

大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)，需要一個潔凈的生產(chǎn)小環(huán)境，另外社會也需要一個安全舒適合符環(huán)保要求的大環(huán)境，所以必須對發(fā)酵罐尾氣進行處理。

基本處理控制：尾氣中沒有可見的生產(chǎn)原料、代謝產(chǎn)物等固液相物質(zhì)；

嚴格處理控制：尾氣中沒有異味、沒有雜菌等肉眼不可見物質(zhì)。

滿足基本控制，生產(chǎn)經(jīng)營者具有節(jié)能降耗的動力，滿足嚴格控制需要環(huán)保壓力和社會責任使命感。

（1）尾氣基本處理設(shè)備，多種多樣，使用效果不一。

常見的是旋風分離器，其外置于發(fā)酵罐，特點：結(jié)構(gòu)簡單單；缺點：分離效果差易逃料，收集物料不回流于發(fā)酵罐，只是把發(fā)酵逃料從空中轉(zhuǎn)移至地面。

而有的工廠甚至沒有任何處理設(shè)備，直接排空，尾氣失控。

（2）符合基本處理控制的設(shè)備。

節(jié)能點①：使用高效旋擊分離器 （參見圖1）。

特點：設(shè)備結(jié)構(gòu)先進合理，全不銹鋼精密加工制造，分離效果好 （分離效率比旋風分離器提高20%左右），將尾氣中液沫、水霧分離后回流至發(fā)酵罐內(nèi)，形成閉路循環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)不染菌，尾氣不逃料；降低消泡劑用量，提高發(fā)酵定容；改善發(fā)酵環(huán)境，穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖1 發(fā)酵尾氣基本處理

（3）符合嚴格處理控制的系統(tǒng)，包括尾氣噴淋吸收系統(tǒng)、尾氣集中高溫燃燒處理系統(tǒng)、尾氣集中臭氧除異味處理系統(tǒng)等。

前者通過吸收劑的循環(huán)，借助吸收反應(yīng)床，可部分吸收尾氣中的異味源物質(zhì)，降低尾氣中異味濃度，但不能確保雜菌的去除，還有產(chǎn)生高濃度吸收液二次污染的問題。再者尾氣引入鍋爐引風機，通過高溫燃燒氧化，去除尾氣中異味物質(zhì)，但必須配備鍋爐或?qū)Ｓ萌紵隣t。后者通過臭氧氧化，可大幅度降低異味源物質(zhì)濃度，至異味可被基本接收的程度，也沒有二次污染。臭氧發(fā)生器的電耗是個需要考慮的問題。

節(jié)能點②：尾氣高溫燃燒處理

特點：匯集發(fā)酵尾氣作鍋爐燃燒的空氣來源，僅僅增加了引風機的吸入阻力，可從技術(shù)上作處理。這是解決尾氣中異味物質(zhì)比較徹底，也比較經(jīng)濟的方法。

（4）采用何種尾氣處理和排放的方式，決定了發(fā)酵罐罐壓P1。

罐壓P1等于尾氣處理設(shè)備的阻力、尾氣排放管道的阻力和排放口靜壓轉(zhuǎn)化動能的損失之和。罐壓的控制，還需要考察不同罐壓對生產(chǎn)菌生長代謝的影響。

2 發(fā)酵空氣利用控制

（1）產(chǎn)菌需要多少氧氣決定了發(fā)酵液中溶解氧的濃度要求，而發(fā)酵液物理性質(zhì)、發(fā)酵代謝進程、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)、攪拌的形式和轉(zhuǎn)速、通氣速率、進氣裝置形式等多種因素決定了溶解氧濃度和空氣利用的效率。

節(jié)能點③：使用旋流混合器——新型進氣裝置（參見圖2）

特點：設(shè)備采用空氣噴射旋流混合原理，使空氣與發(fā)酵液在設(shè)備裝置通道內(nèi)充分混合 “乳化”，且沿切線方向旋轉(zhuǎn)流出。增加空氣和發(fā)酵液接觸表面職及停留時間，提高空氣利用率；提高溶解氧濃度在5%—20%之間。設(shè)備不染菌，不增加空氣進氣壓力；

節(jié)能點④：使用旋流混合器，改進攪拌設(shè)置，甚至取消攪拌。

特點：旋流混合器既是進氣裝置，又相當于“靜止”的攪拌器，可部分取代攪拌器的功能。配合發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)的改進，如設(shè)置導流筒，形成新型的氣升式發(fā)酵罐，在維生素等發(fā)酵產(chǎn)品上推廣使用。

（2）發(fā)酵罐的液層高度、罐壓、局部阻力損失（進出口、進氣裝置等）決定了發(fā)酵罐進氣壓力P2。設(shè)計時須控制發(fā)酵罐高度，降低液層靜壓，以降低空壓機出口壓力。

圖2 旋流混合器進氣裝置

3 空氣預處理控制

空氣預處理系統(tǒng)具有冷卻除水，加溫降低相對濕度的功能。其設(shè)置的功能是滿足除菌過濾器的需要，而不是發(fā)酵的直接需要?？刂评鋮s和加熱的幅度適當，符合膜過濾器要求和發(fā)酵進氣溫度要求即可。各溫度的控制，最終由發(fā)酵進氣溫度決定，倒推確定如下：

進氣溫度決定加熱溫度——發(fā)酵罐冷卻效果、生產(chǎn)菌不受影響

加熱溫度決定冷卻溫度——理論上兩者溫差15℃，相對濕度可控制在50%以下

冷卻溫度決定冷卻介質(zhì)——理論上低于壓力露點溫度即可。

冷卻介質(zhì)決定了運行成本和生產(chǎn)的連續(xù)性——多用冷卻塔循環(huán)水，少用冷凍水

節(jié)能點⑤：使用節(jié)能空氣預處理系統(tǒng)（參見圖3）

圖3 節(jié)能空氣預處理系統(tǒng)

特點：采用高效的換熱器、氣液分離器，利用空壓機出口的高溫空氣循環(huán)加熱冷卻后的低溫空氣，形成節(jié)水、節(jié)電和節(jié)汽的空氣預處理系統(tǒng)。

（1）冷卻溫度合適，一般在25～30℃之間。在南方一年使用冷凍水2—3個月，北方1—2個月，以降低運行成本。

（2）除水徹底?？諝鈯A帶的冷凝水在進入加熱器之前須被徹底分離，否則增加加熱器的熱負荷，且影響空氣質(zhì)量。因除水設(shè)備采用高效臥式分離器，其分水效率比傳繞旋風分離器分水效率高出20%左右，比折板撞擊式分水器分水效率高出10%～20%之間，而且連續(xù)排水，不易阻塞。使用高效臥式分離器替代上述傳統(tǒng)除水設(shè)備，可解決冷凝水去除不徹底問題。

（3）加熱幅度合適，20～25℃之間。飽和濕空氣加熱溫差一般在15℃時，其相對濕度可在50%以下?？紤]加熱后至膜過濾器的輸送過程熱量損失，加熱幅度20～25℃比較安全合適。

（4）使用空壓機出來的熱空氣作加熱熱源，節(jié)約蒸汽。相比蒸汽加熱，熱空氣作加熱熱源，設(shè)備投資略有增加，但相比運行成本的降低，增加的一次投資幾乎可忽略不計。如500 Nm3/min系統(tǒng)，一般節(jié)約蒸汽3 000 t/年，節(jié)約費用約60萬元/年。

（5）換熱器采用翅片式換熱器，替代傳統(tǒng)的列管換熱器。單臺冷卻器可采用多管程、多種冷卻介質(zhì)，節(jié)水在30%～70%之間，而且阻力極小。

（6）簡潔的直線布置。冷卻、除水、加熱設(shè)備進出口直聯(lián)，一條直線布置。阻力損失最低。相比傳統(tǒng)的多臺列管換熱器、旋風分離器等組成的系統(tǒng)，節(jié)能空氣預處理系統(tǒng)空氣阻力僅為傳統(tǒng)系統(tǒng)的20%～50%，壓降控制在0.01 MPa以下。

4 空氣壓縮控制

根據(jù)生產(chǎn)菌對氧氣的需求量和發(fā)酵規(guī)?？梢源_定空氣流量。對于確定的空壓機，其運行壓力不是由空壓機本身決定的，而是由其后管道、各分過程設(shè)備的阻力決定的。根據(jù)上述各過程需要的進口壓力和阻力損失，可以確定空壓機出口壓力?？諌簷C功率與空氣壓力呈正相關(guān)關(guān)系，近似可變指數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系。壓力越高，功率越大。為了能耗考量，一般選擇空壓機額定壓力在0.2 MPa左右為宜。

節(jié)能點⑥：使用低壓單級壓縮機。控制說明：

（1）發(fā)酵空氣低壓化趨勢下，單級壓縮可滿足要求。某企業(yè)80 m3發(fā)酵罐，空壓機實際出口壓力僅0.16 MPa。

（2）單級壓縮，空氣出口溫度相對較高，可作為預處理系統(tǒng)內(nèi)部加熱熱源或其他余熱回收的對象，比如制取熱水等。

（3）多級壓縮雖然壓縮效率較高，但其有中間冷卻器，冷卻水循環(huán)需要獨立的冷卻塔系統(tǒng)支持，相應(yīng)浪費電力和熱量。如有后置冷卻器，可以革除。壓縮機的冷卻必須與預處理系統(tǒng)統(tǒng)一考慮。

（4）活塞式適合中小流量空氣，螺桿式適合高壓小流量。離心式適合低壓大流量，適合當今大規(guī)模發(fā)酵需求。不同類型的壓縮機對空氣進口凈化要求也不同。

（5）選擇無攪拌氣升式發(fā)酵罐，在空壓機出口壓力不提高或提高不多時，才有可能是綜合節(jié)能的。

（6）關(guān)于空壓機余熱利用。單級離心式空壓機出口溫度很高，約180℃。利用余熱是個節(jié)能項目。需注意：

a.空氣比熱小，高溫但不是高熱量。盡量利用高溫的屬性。

b.余熱利用以滿足空氣預處理系統(tǒng)內(nèi)部加熱需求為主，再提取熱量制熱水為其次。

c.制取的熱水以工藝消耗為佳，循環(huán)使用次之。循環(huán)熱水須用軟水。

d.為了余熱利用附加的支持系統(tǒng)不能影響預處理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

e.附加的支持系統(tǒng)盡可能簡潔可靠，須考慮投資和回收熱量收益之比。

f.總體分析工廠工藝流程，全局考量熱量平衡。評估各種余熱的品位，比較回收的經(jīng)濟性和可行性。

5 結(jié) 論

在發(fā)酵工廠設(shè)計和生產(chǎn)運行中，必須綜合分析發(fā)酵空氣的全過程，科學合理地選定控制參數(shù)，樹立節(jié)能、環(huán)保意識，采用新設(shè)備、新工藝達到最佳控制目標。在保證發(fā)酵生產(chǎn)空氣需求的同時，最大限度地降低空壓機出口空氣壓力、降低冷卻和加熱的能耗、提高空氣利用率，改善生產(chǎn)環(huán)境，努力實現(xiàn)發(fā)酵生產(chǎn)三廢零排放。

[1]陸飛浩.好氣性發(fā)酵節(jié)能空氣預處理系統(tǒng)再述[J].醫(yī)藥工程設(shè)計，2007，28（3）：26-27.

[2]陸飛浩.旋流混合器在好氣性發(fā)酵中的應(yīng)用 [J].發(fā)酵科技通訊，2012，41（1）：47-48.

[3]中石化上海工程公司.化工工藝設(shè)計手冊(第四版)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[4]梅樂和，姚善涇.生化生產(chǎn)工藝學[M].北京：科學出版社，1999.