淺析發(fā)酵用空壓站設(shè)計過程中的幾個要點

竇竹潔 吳少華

（中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北石家莊 050021）

1 概述

好氧發(fā)酵產(chǎn)品如：氨基酸、有機酸、多元醇、抗生素、維生素等與我們的生活息息相關(guān)。好氧發(fā)酵是在通入無菌空氣條件下的純種浸沒培養(yǎng)過程，因而壓縮空氣在發(fā)酵行業(yè)舉足輕重。在生產(chǎn)過程中用到的“原料”壓縮空氣都來自其“動力的源泉”——空壓站?？諌赫镜脑O(shè)計有多方面的因素需要考慮,以下做簡單介紹。

2 用氣參數(shù)的確定

2.1 用氣量的確定

壓縮空氣用氣量是設(shè)計空壓站的主要依據(jù)之一。

壓縮空氣的用氣量是由建設(shè)單位提供的工藝條件決定的，其數(shù)值與產(chǎn)品的通氣比及生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)。品種的不同，通氣比不同，多數(shù)品種V.Vm 在0.3～1.0Nm3空氣/m3發(fā)酵液?min 左右。生產(chǎn)規(guī)模多是按年生產(chǎn)量來計，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品的發(fā)酵周期、發(fā)酵單位、后期提取收率可以計算出每天發(fā)酵罐放料體積。再根據(jù)發(fā)酵周期確定發(fā)酵罐規(guī)格和個數(shù)。發(fā)酵罐裝料體積、發(fā)酵罐臺數(shù)與通氣比相乘，即為需要的壓縮空氣用氣量。

對于發(fā)酵行業(yè)來說，壓縮空氣設(shè)計消耗量的計算可用以下公式：

式中：∑Q1— 用氣設(shè)備耗氣量總和；

Φ — 漏損系數(shù)；漏損系數(shù)Φ 在15%～20%[1]，主要考慮管道系統(tǒng)漏損。

2.2 壓力的確定

壓縮空氣壓力是設(shè)計空壓站的另一主要依據(jù)。

在有發(fā)酵車間的原料藥廠，壓縮空氣能耗約占總動力能耗的30%～40%，合理確定壓縮空氣的壓力是空壓站設(shè)計必須考慮的因素。壓縮空氣降低0.01MPa的壓力，能耗減少約3%左右[2]。例如：一個中型發(fā)酵車間總用氣量為1 000 Nm3/min，壓力為0.25MPa，總裝機功率3 800 kW。若出口壓力減小0.01MPa，其電機耗能減少114 kW，折算到一年的能耗降低7 920h×114 kW ≈90×104kW?h。可見壓力的確定與整個工廠的能耗關(guān)系緊密。

影響壓縮空氣壓力的確定的因素[3]如下：

（1）空壓站后冷卻器、再冷卻器及氣水分離器的壓力損失；

（2）發(fā)酵車間空氣加熱器的壓力損失；

（3）發(fā)酵車間空氣總過濾器、預(yù)過濾器、精過濾器的壓力損失；

（4）壓縮空氣輸送過程中的管路、管件的壓力損失；

（5）為防止發(fā)酵罐染菌所需的發(fā)酵罐保壓壓力；

（6）發(fā)酵罐高度因素。

以上因素（1）～（4）為壓縮空氣通過工藝設(shè)備所產(chǎn)生的壓力損失，（5）～（6）為工藝條件的決定因素。

通常發(fā)酵用壓縮空氣的壓力在0.18MPa～ 0.35 MPa 之間。

3 空壓機的選型

3.1 空壓機的機型選擇

常用的發(fā)酵用空壓機有活塞式、離心式、軸流式等幾種，根據(jù)用氣量的大小確定不同的空壓機類型。不同類型的空壓機不同壓力、不同氣量的選型圖見圖1。

圖1 不同類型的空壓機不同壓力、不同氣量的選型圖

隨著生產(chǎn)產(chǎn)能的擴大化，發(fā)酵用氣量逐漸增大，絕大多數(shù)廠家根據(jù)用氣量選擇離心式或軸流式空壓機。螺桿空壓機排氣壓力較高，一般不用在發(fā)酵用氣制備上。但是最近，有設(shè)備廠家已經(jīng)生產(chǎn)出低壓用螺桿空壓機，如0.25MPa的螺桿空壓機，其最大產(chǎn)氣量能到300 Nm3/min，該種機型還在推廣階段，尚未大范圍應(yīng)用。

3.2 空壓機型的配置方式

在同一空壓站內(nèi)空壓機的型號不宜超過兩種，大型空壓機的臺數(shù)宜為2～5 臺[4]。空壓機的配置一般有兩種方式，一是選擇同一種機型N 臺；另外一種方式選擇兩種氣量的機型，N ＋1 臺，俗稱“N大1 小”；還有一種方式選擇兩種氣量的機型，N ＋M 臺，“N 大M 小”，這種方式實際是第二種方式的靈活延伸。各種方式各有其優(yōu)點。

選擇同一機型配置的方式其優(yōu)點在于性能曲線相同，并聯(lián)時相互影響??；另外備品備件統(tǒng)一，與其相應(yīng)配套的輔助設(shè)備及管道也同一，便于維護管理。

選擇兩種氣量的機型，即俗稱“N 大1 小”的方式其優(yōu)點在于用氣量可調(diào)，小空壓機身兼調(diào)節(jié)機和試生產(chǎn)起動機的作用。但其氣量不宜小于大空壓機的1/3。

在最初生產(chǎn)階段，由于生產(chǎn)經(jīng)驗的缺失，若干大發(fā)酵罐不可能同時投料生產(chǎn)，一般做法是先試生產(chǎn)一個發(fā)酵罐，若開動大空壓機可能供氣遠大于一個發(fā)酵罐的需求量，造成能源的浪費，此時開動小空壓機即可滿足要求且避免浪費能源。

由于醫(yī)藥生產(chǎn)的特殊性，某一品種的價格始終波動，有波峰有波谷。生產(chǎn)企業(yè)為了追求利潤最大化，其生產(chǎn)任務(wù)也會相應(yīng)做出調(diào)整，發(fā)酵廠房所有發(fā)酵罐滿負荷生產(chǎn)的情景會在該品種利潤較高時出現(xiàn)。隨著品種價格的波動，生產(chǎn)企業(yè)會選擇性的減少生產(chǎn)任務(wù)，此時，可能關(guān)掉1 個、幾個、甚至一半以上的發(fā)酵罐。隨之而來的，壓縮空氣的使用量不均勻的減少，空壓站需相應(yīng)的關(guān)掉1 臺或者幾臺空壓機，此時“1 小”空壓機的作用很大，在滿足生產(chǎn)的情況下，又不致能源浪費。

“N 大M 小”的方式其優(yōu)點同“N 大1 小”的方式。

3.3 不同廠家的特定機型的選擇

現(xiàn)在市場上大型空壓機廠家較多，有國產(chǎn)品牌、合資品牌和國外品牌。大型軸流空壓機多為國產(chǎn)品牌，其氣量可以根據(jù)用戶的需求特定制作。離心式空壓機現(xiàn)在多為合資品牌，且其各自有自己的特定機型，如A 公司的特定機型為160Nm3/min 和250Nm3/min，S 公司的特定機型為320Nm3/min，I公司的特定機型為650Nm3/min。其實離心式空壓機的氣量也可以根據(jù)用戶的需求特定制作，但其設(shè)備費用可能會相應(yīng)提高。如I 公司的特定機型為650Nm3/min，實際上該機型的出氣量是一個范圍，出氣量也可調(diào)至500Nm3/min，只是設(shè)備廠家調(diào)節(jié)了設(shè)備本身的電機、轉(zhuǎn)子等內(nèi)部元件。但其設(shè)備價格調(diào)整幅度不大。假如650Nm3/min 機型價格是650萬元，合1萬元/ Nm3，調(diào)到500Nm3/min 后，合1.3萬元/Nm3，設(shè)備成本增加了。另外，空壓機在其廠家給定的出氣量下運行，其運行曲線接近最優(yōu)運行點，運行成本也是最低的。所以，作為一個設(shè)計者除需要了解不同設(shè)備廠家的設(shè)備性能外，也需要了解其設(shè)備的特定機型及設(shè)備成本，從而為建設(shè)單位著想，適當(dāng)節(jié)約成本。

4 輔助設(shè)備

空壓站中空壓機的輔助設(shè)備包括空氣過濾器、放空消音器、后冷卻器和再冷卻器。

空氣過濾器的作用主要是濾除空氣中的懸浮顆粒物（≤100μm）和可吸入顆粒物（≤10μm）[5]，避免顆粒物對壓縮設(shè)備的損害，其精度要求應(yīng)≤2μm。

放空消音器為防止空氣排放時產(chǎn)生的噪音超標(biāo)，宜設(shè)置于室外。

后冷卻器和再冷卻器主要達到的目的是分水，再經(jīng)空氣加熱將溫度回升，以保證進而實現(xiàn)進入空氣精過濾器的空氣RH(相對濕度)在60%～70%以下，不會因為水份原因影響空氣過濾器的過濾效率，而將菌帶入發(fā)酵罐。

5 管路

5.1 空氣管路

空氣管路大小的確定跟流速有關(guān)，流速的選擇是關(guān)鍵。在發(fā)酵空氣系統(tǒng)中為降低阻力，空氣流速一般選擇8m/s～10m/s[5]之間，對于大口徑管路，也可適當(dāng)取高至10m/s。

布置應(yīng)盡可能使管路平緩布置，避免大彎，減少阻力。

為避免管道中水份析出對管材腐蝕，進而影響空氣質(zhì)量，管材應(yīng)選用不銹鋼材質(zhì)。

5.2 冷卻水管路

空壓機的出氣溫度高于100℃，后冷卻器作用是將壓縮空氣冷卻，一般將壓縮空氣的排氣溫度冷卻到40℃左右，冷卻冷媒為冷卻塔循環(huán)冷卻水。以往習(xí)慣做法，再冷卻器是將40℃的壓縮空氣進一步冷卻至20℃左右，冷卻冷媒為制冷機的低溫冷凍水。在進入空氣過濾系統(tǒng)之前再將壓縮空氣進行加熱，使溫升10℃，或加熱至40℃左右。以上做法主要是分水，進而實現(xiàn)進入空氣精過濾器的空氣RH(相對濕度)在60%～70%以下，不會因為水份原因?qū)⒕鷰氚l(fā)酵罐。

經(jīng)過分析計算[6]，再冷卻器將40℃的壓縮空氣不一定進一步冷卻至20℃，可以適當(dāng)提高至25℃甚至是30℃，這樣低溫冷凍水的用量大為減少，管道直徑相應(yīng)減小。

循環(huán)冷卻水和低溫冷凍水可設(shè)置于同一管溝，管溝設(shè)置應(yīng)與用水設(shè)備接近，即應(yīng)與后冷卻器、再冷卻器和壓縮機接近。

6 布置

絕大多數(shù)大型空壓機是同側(cè)進氣、同側(cè)出氣的。布置時可以考慮空壓機組“一”字排開，并排放置。進氣與排氣一側(cè)進入廠區(qū)管線時應(yīng)與用氣車間輸送距離盡可能近，避免進氣與排氣側(cè)在車間與用氣車間反向布置，管路繞大彎?？諝膺^濾器、后冷卻器和再冷卻器應(yīng)布置于空壓機的進氣、排氣側(cè)。

離心式空壓機一般單層布置即可，大型軸流空壓機需雙層布置。軸流壓縮機、電機在二層布置，與其配套的油站、后冷卻器和再冷卻器在一層布置。由于大型軸流機的震動較大，其基礎(chǔ)應(yīng)與二層樓板脫開。整個空壓站應(yīng)有檢修區(qū)用于設(shè)備維修、檢修用?？諌簷C上方應(yīng)設(shè)天車，便于起吊設(shè)備部件檢修、維修用。整座空壓站可以設(shè)一部天車共用，但其起重重量應(yīng)是不同機型中單體部件最重的量。

圖2 空壓站一層布置圖

圖3 空壓站二層布置圖

圖2，圖3 是較為典型的空壓站布置圖。該空壓站設(shè)有兩種空壓機型；軸流式和離心式。兩臺軸流空壓機兩層布置，離心式空壓機放于地面，中間一跨為檢修區(qū)。為共用天車，二層部分樓板未設(shè)。圖2 為空壓站一層布置圖，圖3 為空壓站二層布置圖。

[1]壓縮空氣站編寫組.壓縮空氣站設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993，12;378.

[2]竇竹潔，吳少華.發(fā)酵用壓縮空氣壓力的確定[J].醫(yī)藥工程設(shè)計，2013，34(3):8-11.

[3]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝手冊（第四版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009，396.

[4]GB50029-2003,壓縮空氣站設(shè)計規(guī)范[S].

[5]岑文學(xué)，陸飛浩.發(fā)酵用無菌壓縮空氣制備過程節(jié)能探討[J].醫(yī)藥工程設(shè)計，2011，32(1)：43-46.

[6]竇竹潔，吳少華.發(fā)酵空壓站冷卻裝置最佳排氣溫度及溫升的確定[J].醫(yī)藥工程設(shè)計，2013，34(4)：7-10.