抗生素發(fā)酵液體培養(yǎng)基的滅菌動(dòng)力學(xué)及工藝研究

李向科 潘厚昌 王紹宇

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北石家莊 050021）

1 引言

抗生素發(fā)酵工程系指利用微生物的代謝活動(dòng)經(jīng)生物轉(zhuǎn)化大規(guī)模制造抗生素產(chǎn)品的過(guò)程。抗生素發(fā)酵是發(fā)酵工業(yè)和原料藥生產(chǎn)的重要組成部分。

培養(yǎng)基是由人工制備的用于供微生物、動(dòng)植物或細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖、代謝和合成所需產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及原料，它也為微生物等提供必須的生長(zhǎng)環(huán)境。

抗生素發(fā)酵過(guò)程中生產(chǎn)菌種與培養(yǎng)基直接接觸混合，需要一個(gè)無(wú)雜菌生長(zhǎng)的環(huán)境，因此，接種前培養(yǎng)基的滅菌對(duì)發(fā)酵效率及產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)至關(guān)重要。

2 培養(yǎng)基的滅菌方法

培養(yǎng)基的滅菌方法[1]包括物理法（電磁波、射線）、機(jī)械法（過(guò)濾、離心等）、化學(xué)法（化學(xué)藥劑）和加熱法。由于實(shí)際生產(chǎn)中培養(yǎng)基數(shù)量很多，又含有固形物，一般不采用機(jī)械法和物理法滅菌。若采用化學(xué)法，所加化學(xué)藥劑會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)物分離純化困難。因此，培養(yǎng)基的滅菌，特別是液體培養(yǎng)基的滅菌都采用加熱滅菌法[2]。

濕熱滅菌是利用飽和蒸汽滅菌的方法。濕熱滅菌中，蒸汽的潛熱大，熱穿透力強(qiáng)，滅菌可靠。一般情況下，蒸汽溫度每升高10℃，滅菌速度常數(shù)提高8～10倍。濕熱滅菌常用于大量培養(yǎng)基、設(shè)備、管路及閥門(mén)的滅菌。

3 培養(yǎng)基的加熱滅菌動(dòng)力學(xué)

影響培養(yǎng)基滅菌的因素有很多，包括雜菌種類(lèi)、滅菌溫度和時(shí)間、培養(yǎng)基成分、pH值、培養(yǎng)基中的顆粒以及泡沫等。針對(duì)于某一特定培養(yǎng)基來(lái)說(shuō)，溫度和時(shí)間是加熱滅菌工藝中最重要的兩個(gè)參數(shù)[3]。探討溫度和時(shí)間的關(guān)系，就涉及到培養(yǎng)基加熱滅菌動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

研究證明，培養(yǎng)基中微生物的熱致死速率[1]與殘存的微生物數(shù)量成正比，符合對(duì)數(shù)殘留定律，即：

式中：r — 微生物的熱致死速率，個(gè)/min；

t — 滅菌時(shí)間，min；

N — 培養(yǎng)基中存活的微生物數(shù)，個(gè)；

k — 微生物的熱致死速率常數(shù)，min-1；

對(duì)式（1）取積分，得到對(duì)數(shù)殘留定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：N0— t=0時(shí)培養(yǎng)基中存活的微生物數(shù)，個(gè)；

Nt— 時(shí)間t時(shí)培養(yǎng)基中存活的微生物數(shù)，個(gè)；

在發(fā)酵工業(yè)中規(guī)定：以Nt=0.001為達(dá)到滅菌要求，即滅菌失敗的幾率為1/1 000為達(dá)到要求[2]。

熱致死速率常數(shù)k值越大，微生物的熱致死速率越快，所需滅菌時(shí)間越短。k值是微生物耐熱性的表征，與微生物的種類(lèi)和滅菌溫度有關(guān)。

按照Arrhnius方程：

式中：A — 指前因子，即阿累尼烏斯常數(shù)，min-1；

Ea— 反應(yīng)的表觀活化能，J/mol；

R — 氣體常數(shù)，J/（mol?K）；

T — 絕對(duì)溫度，K。

可得出滅菌時(shí)間和滅菌溫度之間的關(guān)系式：

從式（4）中，Rahn等人計(jì)算了100℃～130℃范圍內(nèi)大多數(shù)細(xì)菌芽孢在不同滅菌溫度下的滅菌時(shí)間[2]，見(jiàn)表1。

表1 滅菌溫度與滅菌時(shí)間的關(guān)系

上述數(shù)據(jù)表明：達(dá)到相同的滅菌效果，提高滅菌溫度可以明顯縮短滅菌時(shí)間。

另外，培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分在滅菌過(guò)程的破壞可看作分解反應(yīng)，可得：

式中：k' — 培養(yǎng)基分解反應(yīng)的速率常數(shù)，min-1；

A' — 培養(yǎng)基分解反應(yīng)的阿累尼烏斯常數(shù)，min-1；

E'a— 培養(yǎng)基分解反應(yīng)的表觀活化能，J/mol。

k1、k2分別為溫度T1、T2下微生物的熱致死速率常數(shù)，k'1、k'2分別為溫度T1、T2下培養(yǎng)基分解反應(yīng)的速率常數(shù)。表2列出了一些微生物和維生素的活化能值[1]。

表2 殺滅某些細(xì)菌芽孢和分解部分維生素的活化能

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，一般情況下，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被破壞的活化能要低于微生物的致死活化能。根據(jù)式（5）、（6），得出：

可見(jiàn)，溫度升高，微生物致死速率的增速大于培養(yǎng)基成分破壞速率的增速；溫度的升高更有利于提高微生物致死速率，減少滅菌時(shí)間。

4 液體培養(yǎng)基滅菌的工業(yè)應(yīng)用

抗生素發(fā)酵行業(yè)的發(fā)酵過(guò)程，多使用液體培養(yǎng)基。生產(chǎn)過(guò)程中，液體培養(yǎng)基的滅菌方式主要有分批滅菌法和連續(xù)滅菌法。在連續(xù)滅菌生產(chǎn)中還需要首先對(duì)發(fā)酵罐罐體進(jìn)行空罐滅菌。

4.1 分批滅菌

分批滅菌也稱實(shí)罐滅菌或?qū)嵪ㄒ韵潞?jiǎn)稱實(shí)消），指將配制好的培養(yǎng)基全部輸送至發(fā)酵反應(yīng)器后，通入蒸汽直接加熱，再冷卻至接種溫度的滅菌過(guò)程。此過(guò)程的加熱、維持保溫和冷卻三個(gè)階段均在發(fā)酵反應(yīng)器中完成。

實(shí)消一般控制罐溫在119℃～121℃，罐壓維持在0.09 MPa ～0.1MPa（表壓）后，保溫30 min左右。

實(shí)消的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需其他滅菌設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，染菌機(jī)會(huì)少，對(duì)蒸汽穩(wěn)定性的要求較低，一般在0.3 MPa ～0.4MPa（表壓）就可滿足要求。

實(shí)消的缺點(diǎn)：滅菌時(shí)發(fā)酵罐不能用于發(fā)酵生產(chǎn)，設(shè)備利用率較低；滅菌時(shí)間長(zhǎng)，培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)成分由于過(guò)熱易遭到破壞，易產(chǎn)生糊化等現(xiàn)象；大型發(fā)酵罐難于實(shí)現(xiàn)高溫短時(shí)滅菌。

以上一些優(yōu)缺點(diǎn)決定了實(shí)消僅適用于小型發(fā)酵罐或種子罐的培養(yǎng)基以及容易產(chǎn)生泡沫的培養(yǎng)基的滅菌[2]。筆者參與的某發(fā)酵工程的種子罐實(shí)消過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)消過(guò)程示意圖

該罐為一級(jí)種子罐，全容積2.5 m3。培養(yǎng)基主要成分為液化淀粉乳、葡萄糖及無(wú)機(jī)鹽等，滅菌蒸汽壓力0.3MPa（表壓），滅菌溫度121℃。滅菌過(guò)程為：

（1）進(jìn)料 打開(kāi)進(jìn)料及排氣管路上的閥門(mén)，用泵將配制好的培養(yǎng)基從配制罐輸送到一級(jí)種子罐，進(jìn)料完畢關(guān)閉進(jìn)料閥門(mén)，打開(kāi)攪拌器防止料液沉積。

（2）升溫 將蒸汽從物料進(jìn)出口、壓縮空氣進(jìn)口、取樣口等罐內(nèi)液面以下管口通入罐中，通過(guò)排氣閥門(mén)控制罐壓維持在0.09 MPa ～0.1MPa（表壓），罐溫逐漸升高。

（3）保溫 待罐溫升高至119℃～121℃，調(diào)節(jié)進(jìn)汽量維持罐壓、罐溫穩(wěn)定，保溫30min左右。保溫過(guò)程中開(kāi)動(dòng)攪拌，以利于泡沫破碎和傳熱過(guò)程的均勻穩(wěn)定。

（4）降溫 保溫結(jié)束后，關(guān)閉蒸汽進(jìn)汽閥、排氣閥，開(kāi)始在夾套中通入冷卻水（一般為30℃～35℃循環(huán)水），待罐溫降至60℃左右，罐壓低于壓縮空氣除菌過(guò)濾器壓力時(shí)，開(kāi)啟壓縮空氣進(jìn)氣閥，通入經(jīng)除菌過(guò)濾的壓縮空氣；繼續(xù)通入冷卻水（一般為7℃～12℃制冷水）將培養(yǎng)基降至培養(yǎng)溫度。滅菌過(guò)程結(jié)束。

4.2 連續(xù)滅菌

連續(xù)滅菌也稱連消，指將培養(yǎng)基在發(fā)酵反應(yīng)器外，通過(guò)專門(mén)滅菌裝置，連續(xù)在不同設(shè)備中分別進(jìn)行加熱、維持保溫和冷卻，然后進(jìn)入發(fā)酵反應(yīng)器的滅菌過(guò)程。

連消的滅菌溫度多在130℃～140℃。培養(yǎng)基由泵打進(jìn)加熱器，在15 s～30 s之內(nèi)被快速加熱至滅菌溫度，進(jìn)入維持器維持5 min～8 min，然后在冷卻器中冷卻至40℃～50℃，最后輸送至已滅菌的發(fā)酵反應(yīng)器中。由于連消系統(tǒng)蒸汽壓力要求達(dá)到0.5MPa～0.6 MPa（表壓）以上，要求連消泵出口壓力在0.6MPa（表壓）左右，滿足培養(yǎng)基流速均勻穩(wěn)定的要求，避免因流速波動(dòng)影響滅菌的質(zhì)量。

常見(jiàn)的連消工藝[2]有4種：連消塔加熱噴淋冷卻連消工藝、噴射加熱真空冷卻連消工藝、板式換熱器連消工藝、連消塔加熱螺旋板換熱器冷卻連消工藝。

4.2.1 連消塔加熱噴淋冷卻連消工藝

連消塔加熱噴淋冷卻連消工藝的主要設(shè)備包括連消塔、維持罐和噴淋冷卻器（冷卻排管）。工藝流程如圖2所示。

圖2 連消塔加熱噴淋冷卻連消工藝流程示意圖

連消塔是培養(yǎng)基短時(shí)連續(xù)加熱達(dá)到滅菌溫度的設(shè)備，分為套管式和噴射式兩類(lèi)，見(jiàn)圖3。

塔的有效高度為2 m～3 m，培養(yǎng)基在塔內(nèi)流動(dòng)速度小于0.1 m/s，加熱時(shí)間為20 s～30 s。國(guó)內(nèi)大多數(shù)發(fā)酵工廠應(yīng)用噴射式連消塔進(jìn)行滅菌[4]，根據(jù)物料與蒸汽進(jìn)出方式的不同，噴射式連消塔分為一般噴嘴式與帶擴(kuò)大管式。維持罐中料液自下而上流動(dòng)，需滿足維持料液5 min～8 min滅菌時(shí)間的要求。噴淋冷卻器用冷水在排管外從上向下噴淋，料液在管內(nèi)由下向上逆向流動(dòng)逐漸冷卻，一般冷卻到40℃～50℃后即輸送到預(yù)先空消過(guò)的罐內(nèi)。

4.2.2 噴射加熱真空冷卻連消工藝

噴射加熱真空冷卻連消工藝的設(shè)備包括噴射加熱器、蛇形維持管和真空冷卻器。工藝流程如圖4所示。

圖3 連消塔

圖4 噴射加熱真空冷卻連消工藝流程示意圖

培養(yǎng)基進(jìn)入噴射加熱器，與蒸汽相遇，瞬間升溫至滅菌溫度（一般為140℃），然后流入蛇形維持管，在滅菌溫度下維持2 min～3 min，通過(guò)膨脹閥門(mén)進(jìn)入真空冷卻器，迅速冷卻至接種溫度。噴射加熱器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 噴射加熱器

4.2.3 板式換熱器連消工藝

板式換熱器連消工藝主要由三個(gè)板式換熱器和一段蛇形維持管組成。三個(gè)換熱器分別作為預(yù)熱器、加熱器和冷卻器。工藝流程如圖6所示。

冷的培養(yǎng)基進(jìn)入預(yù)熱器，與已經(jīng)加熱維持后的培養(yǎng)基進(jìn)行熱交換。預(yù)熱后的料液進(jìn)入加熱器，與蒸汽換熱，料液在20 s左右的時(shí)間內(nèi)升溫至滅菌溫度（一般為147℃），然后進(jìn)入蛇形維持管，在滅菌溫度下維持2 min～3 min，維持后的料液再進(jìn)入預(yù)熱器，與待滅菌料液分別進(jìn)行預(yù)冷卻和預(yù)熱，預(yù)冷卻后的料液進(jìn)入冷卻器，用循環(huán)冷卻水繼續(xù)冷卻。

圖6 板式換熱器連消工藝流程示意圖

換熱器連消工藝也常用三個(gè)螺旋板換熱器代替板式換熱器。ALFA LAVAL公司推出一種連消方案，流程與上述工藝相同，只是換熱器改用螺旋板換熱器。示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 螺旋板式換熱器連消工藝流程示意圖

4.2.4 連消塔加熱螺旋板換熱器冷卻連消工藝

此工藝主要由連消塔、維持罐和兩個(gè)螺旋板換熱器組成。兩個(gè)螺旋板換熱器分別作為預(yù)熱器和冷卻器。此工藝在紅霉素、維生素C等發(fā)酵生產(chǎn)中經(jīng)常用到。工藝流程如圖8所示。

圖8 連消塔加熱螺旋板換熱器冷卻連消工藝流程示意圖

冷料液經(jīng)過(guò)連消泵由配料罐打入預(yù)熱器，與滅菌維持后的料液熱交換，接著進(jìn)入連消塔與蒸汽混合，快速升溫至滅菌溫度（一般在135℃），進(jìn)入維持罐維持5 min～8 min，再進(jìn)入預(yù)熱器與冷料熱交換，預(yù)冷卻后進(jìn)入冷卻器用循環(huán)水冷卻降溫至40℃～50℃，送入發(fā)酵罐后再冷卻至培養(yǎng)溫度。

4.3 連消工藝的特點(diǎn)及應(yīng)用

4.3.1 幾種連消工藝的比較

連消塔加熱噴淋冷卻連消工藝設(shè)備較少，流程較短，操作簡(jiǎn)單，是較早工業(yè)應(yīng)用的連消方式。但該法需使用大量的冷卻水；噴射加熱真空冷卻連消工藝易實(shí)現(xiàn)“高溫快速”滅菌的要求，但是該工藝對(duì)膨脹閥門(mén)、真空冷卻器等設(shè)備的品質(zhì)及操作要求較高。

預(yù)熱器的使用大大提高了連消工藝的節(jié)能意義和推廣價(jià)值。板式和螺旋板換熱器連消工藝中預(yù)熱器的設(shè)置有效地利用了物料的余熱，但物料不與蒸汽直接接觸，需要更高的蒸汽溫度和壓力，還需增加蒸汽冷凝水回收設(shè)備，而且板式換熱器也有潛在的因設(shè)備密封而引起染菌的問(wèn)題。

連消塔加熱螺旋板換熱器冷卻連消工藝綜合了以上幾種連消工藝的一些優(yōu)點(diǎn)，物料與蒸汽混合滅菌效果更好，只要蒸汽溫度控制得當(dāng)，可以適當(dāng)避免過(guò)熱現(xiàn)象，預(yù)熱器的使用降低了能耗，節(jié)約了蒸汽和冷卻水用量，是節(jié)能型工藝，螺旋板換熱器換熱系數(shù)也較高，密封性也較好。今后連消可以此基礎(chǔ)，在設(shè)備材質(zhì)選擇、局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及進(jìn)出料方式等方面作必要的改進(jìn)，在維持器的設(shè)計(jì)上更加充分考慮物料的先進(jìn)先出原則，就可以適應(yīng)不同產(chǎn)品生產(chǎn)的需要，得到更好的應(yīng)用效果。

4.3.2 連消工藝的改進(jìn)及應(yīng)用

連消發(fā)酵罐利用率高，蒸汽負(fù)荷均衡，要求蒸汽壓力穩(wěn)定，一般適合自備鍋爐房。連消可以通過(guò)自控實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的半連續(xù)生產(chǎn)，提高了工程的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率。但是，連消設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備投資較大，需要重點(diǎn)解決好滅菌溫度、維持時(shí)間、培養(yǎng)基的物性和“先進(jìn)先出”平推流等幾方面的問(wèn)題。

連消是將培養(yǎng)基在高溫快速的條件下進(jìn)行滅菌的，其優(yōu)點(diǎn)是可以保存較高的有效營(yíng)養(yǎng)成分。連消成敗的關(guān)鍵在于滅菌溫度和維持時(shí)間是否滿足滅菌要求。溫度太高，對(duì)設(shè)備要求也會(huì)增高；如果培養(yǎng)基流速過(guò)快，其在維持罐內(nèi)的停留時(shí)間就太短，會(huì)造成滅菌不徹底引起發(fā)酵罐染菌，一般控制培養(yǎng)基的流速小于0.1 m/s[1]。蒸汽和物料均利用自控閥組實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)控制，保證滅菌過(guò)程溫度的穩(wěn)定性。

培養(yǎng)基料液的粘度、固體顆粒的粒徑以及流量穩(wěn)定性也會(huì)對(duì)滅菌效果造成影響。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量選擇液化效果較好或稀薄培養(yǎng)基；當(dāng)輸送粘度較大或含有少量固體顆粒的培養(yǎng)基時(shí)，必須降低料液輸送速度并防止冷卻時(shí)堵塞管路。連消泵一般選用離心泵[8]，它既能滿足培養(yǎng)基連續(xù)滅菌工藝的要求，管路安裝和操作也相對(duì)簡(jiǎn)單。

維持器的選擇應(yīng)既使料液有充分的保溫時(shí)間，又要盡量避免料液的返混，保證培養(yǎng)基“先進(jìn)先出”平推流的實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)基在維持器里停留時(shí)間的盡量一致，否則停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成料液糊化，過(guò)短會(huì)滅菌不透徹。實(shí)際設(shè)計(jì)中，維持器不可能實(shí)現(xiàn)完全平推流，一般的罐類(lèi)維持器，取流體在罐內(nèi)的平均停留時(shí)間約為理論計(jì)算的3～5倍，罐的有效容積需滿足維持料液5 min～8 min滅菌時(shí)間的要求。維持罐形狀為長(zhǎng)圓筒形，高徑比一般取為（2～4）:1，在允許的情況下盡量取較大高徑比，以減少料液返混。料液進(jìn)口從下封頭處水平伸入罐中心，向下開(kāi)口，物料出口設(shè)在直筒段側(cè)上處，以保證料液從罐底自下而上盡量平推流動(dòng)。維持器內(nèi)壁要求拋光度為0.4 μm ～0.6 μm，以避免因粗糙度過(guò)大或焊縫等引起死角殘存物料，影響滅菌效果。在一些改進(jìn)設(shè)計(jì)中，有將維持罐下封頭做成錐底，也有采用管式維持器的，其目的均是避免返混，盡量實(shí)現(xiàn)平推流。

對(duì)于連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程，24 h連續(xù)生產(chǎn)，連消的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，它既保證了生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性，含預(yù)熱器工藝又大大降低了生產(chǎn)能耗，這對(duì)以高能耗為顯著特征的抗生素原料藥工業(yè)極為可貴。

對(duì)于分批發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程，中間過(guò)程與連續(xù)發(fā)酵均相同，只要控制好滅菌的開(kāi)始和結(jié)束兩個(gè)階段，連消工藝就能很好的發(fā)揮作用。在滅菌初始階段，可先將培養(yǎng)基在連消系統(tǒng)中打循環(huán)，待溫度、流量等參數(shù)均穩(wěn)定達(dá)到要求后再將閥門(mén)切換至發(fā)酵罐；在配料罐中物料輸送完后，最后一部分料液在維持罐中繼續(xù)維持一段時(shí)間，確保滅菌透徹，再切換兩個(gè)出口閥門(mén)，利用蒸汽的壓力將維持罐內(nèi)料液從罐底出口壓出去；另外在滅菌結(jié)束前，還可以通過(guò)配料罐繼續(xù)向連消系統(tǒng)中輸送一定量的水，既能將最后一罐料液壓走，又能對(duì)系統(tǒng)起到清洗作用，只要在配料時(shí)考慮到這部分水用量即可。

連消主要用于大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)的液體培養(yǎng)基的滅菌，已在維生素C、谷氨酸等工業(yè)中廣泛應(yīng)用[5～6]。另外，由于糖和氮源物質(zhì)在高溫下會(huì)發(fā)生美拉德反應(yīng)而變質(zhì)，在7-ACA、紅霉素等發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，把葡萄糖和氮源分開(kāi)滅菌，葡萄糖單獨(dú)進(jìn)行連消后送入發(fā)酵罐。

4.4 空罐滅菌

連消后培養(yǎng)基所進(jìn)的發(fā)酵罐，必須提前進(jìn)行空罐滅菌，即空消。

空罐滅菌一般維持罐壓0.15MPa～0.2MPa（表壓），罐溫為125℃～130℃，時(shí)間為30min～45min。滅菌時(shí)要求總蒸汽壓力不低于0.3MPa～0.35MPa（表壓），使用壓力不低于0.25MPa～0.3MPa（表壓）。滅菌后為避免罐壓急劇下降造成負(fù)壓，要等到經(jīng)過(guò)連續(xù)滅菌的無(wú)菌培養(yǎng)基輸入罐內(nèi)后，才可以開(kāi)冷卻水冷卻。

5 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

5.1 連消工藝設(shè)計(jì)

在筆者設(shè)計(jì)的某原料藥發(fā)酵車(chē)間中，發(fā)酵罐公稱容積為300 m3，為分批發(fā)酵。為保證培養(yǎng)基的快速充分滅菌，選用連消塔加熱螺旋板換熱器冷卻連消工藝進(jìn)行滅菌。

（1）工藝流程

該工藝PID示意圖見(jiàn)圖9。

物料通過(guò)自控閥進(jìn)行流量控制，以實(shí)現(xiàn)料液的恒定流量輸送；蒸汽流量根據(jù)連消塔出口料液溫度的信號(hào)反饋，進(jìn)行調(diào)節(jié)，以維持穩(wěn)定的滅菌溫度；維持罐保證培養(yǎng)基在滅菌溫度下有適宜的停留時(shí)間；預(yù)熱器中冷熱物料進(jìn)行熱交換；冷卻器將物料繼續(xù)冷卻。

（2）設(shè)計(jì)參數(shù)

發(fā)酵罐公稱容積300 m3，培養(yǎng)基消后質(zhì)量為270t/罐；

培養(yǎng)基主要由水、玉米漿、山梨醇、尿素和冰醋酸等組成，流量為20 m3/h；

滅菌蒸汽為0.6MPa（表壓）飽和蒸汽，滅菌溫度為130℃，保溫時(shí)間為10 min～15 min。

要求預(yù)熱器將冷物料從20℃升溫到80℃，冷卻器將滅菌后物料冷卻到50℃；均采用螺旋板換熱器。

（3）公用工程消耗量計(jì)算

根據(jù)以上參數(shù)，基本設(shè)備選型如下：

連消塔：規(guī)格18 m3/h～25 m3/h

連消泵：WX型離心旋渦泵，流量17 m3/h～27 m3/h，揚(yáng)程95 m～200 m，功率30 kW

維持罐：4.5 m3，平均停留時(shí)間13.5 min

a. 蒸汽耗量

根據(jù)能量平衡，可知：

式中：W1— 培養(yǎng)基的消前質(zhì)量流量（kg/h），取20 000 kg/h；

圖9 某工程連消PID示意圖

W2— 蒸汽的質(zhì)量流量（kg/h）；

Cp — 培養(yǎng)基的比熱（kJ/（kg ?℃）），取 4.18 kJ/（kg ?℃）；

T1— 連消塔中培養(yǎng)基的進(jìn)料溫度（℃），取80℃；

T2— 連消塔中培養(yǎng)基的出料溫度（℃），取130℃；

I2— 加熱蒸汽的焓（kJ/kg），取 2 763 kJ/kg；

I1— T2溫度下蒸汽冷凝水的焓（kJ/kg），取568 kJ/kg。

將各數(shù)值代入上述方程，可得蒸汽的質(zhì)量流量：

W2=1 904 kg/h

蒸汽的耗量：

空消蒸汽耗量按5倍罐體積量估算，蒸汽密度取3.67 kg/m3：

300×5×3.67=5 505 kg

蒸汽總耗量：

23 469+5 505=28 974 kg

蒸汽的最大瞬時(shí)耗量即平均流量1 904 kg/h。

b. 冷卻循環(huán)水耗量

根據(jù)能量平衡，可知：

式中：K — 總傳熱系數(shù)（kW/（m2?℃）），取1.0 kW/（m2?℃）；

S — 換熱器的換熱面積（m2）；

W3— 冷卻循環(huán)水的質(zhì)量流量（kg/h）；

Cp—培養(yǎng)基和冷卻循環(huán)水的比熱（kJ/（kg ?℃）），取 4.18 kJ/（kg ?℃）；

T4— 冷卻器中培養(yǎng)基的進(jìn)料溫度（℃），取75℃；

T5— 冷卻器中培養(yǎng)基的出料溫度（℃），取50℃；

t3, t4— 冷卻器中冷卻循環(huán)水的進(jìn)出口溫度（℃），分別取30℃、40℃。

將各數(shù)值代入上述方程，可得冷卻循環(huán)水的質(zhì)量流量：

W3=54 760 kg/h

冷卻循環(huán)水的總耗量為：

（4）連消工藝改進(jìn)

初次設(shè)計(jì)中，維持罐外形尺寸為DN1 400×2 400，臺(tái)數(shù)為1臺(tái)。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算及工廠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，該尺寸維持罐長(zhǎng)徑比相對(duì)較小，容易存在料液滯留與返混現(xiàn)象，影響先進(jìn)先出效果。經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)，將維持罐臺(tái)數(shù)改為2臺(tái)，每臺(tái)外形為DN800×4 100，容積為2.3 m3，長(zhǎng)徑比相對(duì)較大，流速適當(dāng)增快，返混現(xiàn)象減少，更加接近平推流。經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)，該連消工藝大大提高了培養(yǎng)基滅菌效果。

5.2 實(shí)消與連消對(duì)比分析

若該工程滅菌工藝改為實(shí)消，則公用工程消耗量為：

a. 蒸汽耗量

式中：m1— 培養(yǎng)基的消前質(zhì)量（kg）；

m2— 消耗的蒸汽質(zhì)量（kg）；

Cp— 培養(yǎng)基的比熱（kJ/（kg?℃）），一般取4.18 kJ/（kg ?℃）；

T1— 培養(yǎng)基的進(jìn)料溫度（℃），取20℃；

T2— 培養(yǎng)基的出料溫度（℃），取121℃；

I2— 加熱蒸汽的焓（kJ/kg），按 0.4MPa（表壓）飽和水蒸汽，取2 749 kJ/kg；

I1——T2溫度下蒸汽冷凝水的焓（kJ/kg），取508.03 kJ/kg。

將各數(shù)值代入上述方程，可得蒸汽的耗量：

m2=42 801 kg

培養(yǎng)基消前質(zhì)量為：

m1=227 199 kg

考慮到保溫30 min，將蒸汽耗量取消耗系數(shù)1.2，則蒸汽的總耗量為：

42 801×1.2=51 262 kg

實(shí)消時(shí)，蒸汽最大瞬時(shí)耗量可按培養(yǎng)基在40 min內(nèi)從80℃升到121℃，進(jìn)行估算：

b. 冷卻循環(huán)水耗量

實(shí)消時(shí)，培養(yǎng)基的消后降溫過(guò)程屬非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。為與連消相對(duì)應(yīng)，取培養(yǎng)基從121℃降溫至50℃，冷卻循環(huán)水從30℃升溫至40℃；發(fā)酵罐的外半管及內(nèi)蛇管換熱面積為206 m2。在冷卻過(guò)程結(jié)束瞬間的能量衡算及傳熱速率方程為：

式中：K — 總傳熱系數(shù)（kW/（m2?℃）），取0.5 kW/（m2?℃）；

S — 發(fā)酵罐的換熱面積（m2），取 206 m2；

W4— 冷卻循環(huán)水的質(zhì)量流量（kg/h）；

Cp— 冷卻循環(huán)水的比熱（kJ/（kg ?℃）），取4.18kJ/（kg ?℃）；

T6— 發(fā)酵罐中培養(yǎng)基消后降溫過(guò)程的終溫（℃），取50℃；

t5, t6— 發(fā)酵罐外半管及內(nèi)蛇管中冷卻循環(huán)水的進(jìn)出口溫度（℃），分別取30℃、40℃。

將各數(shù)值代入上述方程，可得冷卻循環(huán)水的質(zhì)量流量：

W4=127 979 kg/h

令消后降溫時(shí)間為θ h，假設(shè)在某θ時(shí)刻，培養(yǎng)基溫度為T(mén)，冷卻循環(huán)水的出口溫度為t，經(jīng)過(guò)dθ時(shí)間后，培養(yǎng)基溫度變化為dT，則有能量衡算方程：

整理上式得：

又有在任一時(shí)刻：

可得

整理上式得：

將上式代入微分式，取積分：

實(shí)消冷卻循環(huán)水的總耗量為：

127 979×6.39=817 786 kg=818 t連消與實(shí)消的公用工程消耗量相比：每發(fā)酵罐批蒸汽耗量節(jié)約率：

每發(fā)酵罐批冷卻循環(huán)水耗量節(jié)約率：

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看到，實(shí)消的公用工程消耗量比連消要大，雖然節(jié)省了部分設(shè)備，但從節(jié)約能源的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看是不經(jīng)濟(jì)的；連消雖然涉及的設(shè)備相對(duì)較多，但多為小型設(shè)備，節(jié)能效果十分明顯。

6 結(jié)論

（1）采用高溫快速滅菌法可在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較好的滅菌效果，同時(shí)，所得培養(yǎng)基的質(zhì)量也相對(duì)較好。但是，隨著溫度升高，培養(yǎng)基的破壞速率也在增加。在選擇滅菌工藝時(shí)，不能一味提高溫度，還要從工藝安全、設(shè)備投資、操作難易以及培養(yǎng)基的性質(zhì)等方面綜合考慮，選取最適宜的滅菌溫度和滅菌時(shí)間。

（2）實(shí)消多適用于小規(guī)模發(fā)酵以及易產(chǎn)生泡沫的培養(yǎng)基的滅菌，一般認(rèn)為實(shí)消滅菌比較徹底，效果更為可靠。連消工藝更加符合“高溫快速”的滅菌動(dòng)力學(xué)原則，可以通過(guò)自控實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的半連續(xù)生產(chǎn)，提高了工程的自動(dòng)化水平，省去了實(shí)消過(guò)程中繁瑣的人力勞動(dòng)。連消和實(shí)消常見(jiàn)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表3[7]。

表3 連消和實(shí)消的常見(jiàn)指標(biāo)對(duì)比

（3）實(shí)消與連消的蒸汽、循環(huán)水耗量計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，連消雖然涉及的設(shè)備相對(duì)較多，但含預(yù)熱器連消工藝比實(shí)消大大節(jié)約了能源，是節(jié)能工藝；只要在設(shè)備材質(zhì)選擇、局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及進(jìn)出料方式等方面作必要的改進(jìn)，在維持器的設(shè)計(jì)上更加充分考慮物料的先進(jìn)先出原則，含預(yù)熱器連消工藝就可以有更好的推廣價(jià)值。

沒(méi)有一種方法是萬(wàn)能的，培養(yǎng)基滅菌工藝的選擇要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析，在保證生產(chǎn)過(guò)程安全、可靠的前提下，積極選擇先進(jìn)、節(jié)能的滅菌工藝。

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