第五节 无菌压缩空气消耗量计算12

第五节 无菌压缩空气消耗量计算

压缩空气消耗量，通常用单位时间耗用的常压空气体积表示，即m3／h(105Pa)

1．通气发酵罐通风量计算

式中：Q ——通气量(m3／h)

q02——微生物比呼吸速率[mol02／(kg ．h)]

x ——微生物活细胞浓度(kg ／m3)

V ——发酵罐装液量(m3)

cin ——通人发酵罐的空气氧浓度(mol02／m3)

cout ——离开发酵罐的空气氧浓度(mol02／m3)

(1)等KLa 放大准则计算Q

对高耗氧的生物反应，如酵母培养和单细胞蛋白(SCP)生产，通常使用等KLa 放大准则。放大罐通气量Q2与试验罐的Q1的关系为：

式中 V1——试验罐的装液量(m3)

V2——放大罐的装液量(m3)

H1——试验罐的装液高度(m)

H2——放大罐的装液高度(m)

(2) 相等放大准则

这是通风发酵罐放大设计最常用的方法。对谷氨酸、柠檬酸及抗生素等发酵，尽管规模不同，但维持Po ／V 不变，则生产结果相近。

应用Po ／V 相等准则放大设计时，理论上通气量的计算可按空截面气速Vs 维持恒定的原则，即放大罐的通气量为：

式中 D2——放大罐的直径(m)

Vs1——试验罐空截面气速(m ／s)

2．通风搅拌用的压缩空气的压强计算

式中:P ——通风搅拌用的压缩空气的压强(Pa)

H ——被搅拌液体的液柱高度(m)

ρL——被搅拌液体的密度(kg ／m3)

ρα——通人空气的密度(kg ／m3)

W ——管道中空气流速(m ／s)

g ——重力加速度(9.81m ／s2)

∑ξ——总阻力系数，包括空气分布器等阻力

O2in out q xV Q =c -c 23112122V H Q Q V H ??=? ???0P V 22214s Q D V π=2010(1)2L W P H P g αρρξ??=+++????∑

3．压送培养基等液体物料时无菌空气耗量

(1)所需压缩空气的压强P 可按下式求算：

(Pa)

式中 H ——压送静压高度 (m)

ρ——被输送液体密度(kg ／m3)

(2)压缩空气消耗量分下述两种情况计算： 设备中液体在一次操作中全部压完 V ＝10-5V0P (m3)

每小时压缩空气消耗量为：

V1＝10-5V0P/τ (m 3/h)

式中 τ——每次压送液体的操作时间(h)

V0——设备容积(m 3)

P ——所需压缩空气的压强(h)

Po ——液面上的压强(Pa)

② 设备中液体部分压出

对一次操作，折算成压强为105Pa 的压缩空气消耗量为：

(m 2)

若每次压送时间为f(h)，则每小时无菌空气耗量为：

(m 3/h)

式中 V0——设备容积(m3)

φ——设备装料系数

VL ——一次压送出的液体体积(m 3)

二、计算实例（3000t/a 味精厂发酵车间无菌空气耗量衡算）

（一）谷氨酸发酵无菌空气平衡示意图

空气 压缩 过滤除菌

种子罐 发酵罐 成熟发酵醪 送提取

（二）发酵工艺技术指标及基础数据

与空气消耗有关的基础数据：

生产1t 味精的发酵液量为15.66m3；

二级种液：0.313m3；

发酵时间：34h ；

发酵周期（含清洗、灭菌等）：48h ；

发酵罐公称容积：100m3（4个）；

发酵罐装料系数：70%。

（三）发酵过程无菌空气用量计算

发酵车间无菌空气的用途：

1、谷氨酸发酵过程通风供氧

2010(1)2W P H P g ρρξ??=+++????∑[]50(2)102L V V V P φ-=-+?÷[]'60510(2)/L V V V P φ

τ-=?-+

2、种子培养通气

3、培养基压料输送

4、设备和管路、管件等的消毒吹干

1、单罐发酵无菌空气耗用量

100m3规模的通气搅拌发酵罐的通气速率为0.15-0.18vvm，取最高值0.18vvm计算：

（1）单罐发酵过程用气量（常压空气）

V=100×70%×0.18×60=756（m3/h）

（2）单罐年用气量

Va=V×34×150=3855600（m3）

150---为每年单罐发酵批次

2、种子培养等其他无菌空气耗量

V=25%V=189（m3/h）

每年用气量为：

V =25%Va×4=25%×3855600×4

=3855600（m3/a）

4----发酵罐的个数

3、发酵车间高峰无菌空气消耗量

Vmax=4（ V V）=4（756+189）=3780（m3/h）

4、发酵车间无菌空气年耗量

Vt= 4×150（ V V）×34=1.93×107（m3/a）

（四）发酵车间无菌空气单耗

实际味精年产量为：

G=118×70%×2×300÷15.66

=3164（t/a）

故发酵车间无菌空气单耗为：

V0=Vt÷G=6100（m3/t）

（五）3000t/a味精厂发酵车间无菌空气衡算表

第六节抽真空量计算

真空冷却器的抽真空量计算

被处理料液在真空冷却器内产生的二次蒸汽量为：

W＝Gc(t1－t2)÷(I－ct2) (kg／h)

式中G——进入冷却器的料液流量(kg／h)

c——料液比热容[kJ／(kg·K)]

t1——进入的料液温度(℃)

t2——离开的冷却的料液温度(℃)

I——二次蒸汽焓(kg／kg)

查出二次蒸汽比容V，则待求的抽真空量为：

B1＝Gc(t1—t2)÷(I—ct2) (m3／h)

不凝性气体抽出量为：

B2＝2.5×10－5(W＋W’)＋AW (kg／h)

式中W’——水喷射泵耗水量(kg／h)

A——空气渗漏系数

所以，真空冷却器抽真空量为：

B＝B1+B2

= Gc(t1+t2)[V+2.5×105+A]÷(t1-t2)+2.5×10-5 W’

②真空过滤耗真空量：

设真空过滤面积为F(m2)

对连续操作：

B’＝α (m3／h)

对间歇操作，每批抽真空量为：

B＝αFτ (m3)

每天总抽气量为：

Bt＝αFτn (m3/d)

式中：α——操作系数，通常取15～18

τ——每次抽滤所需时间(h)

n——每天操作次数

③真空输送料液耗真空量：

通常采用间歇操作，且液体可视为不可压缩流体，故每次操作抽真空量为：

B＝V（－2.3lgP) (m3)

若每天(24h)操作n次，则共需抽真空量为：

Bt＝Vn（－2.3lgP) (m3/d)

若每次操作时间为τ(h)，则抽真空速率为：

B1＝V（－2.3lgP) /τ (m3/h)

式中：V——需抽真空设备容积(m3)

P——设备内残余压强(atm)

④抽真空时间与真空泵的选择：

从初始压强Pl抽空至终压强P2时，一次操作所需的抽气时间为：

t＝2.3（V/S）lg（P1/P2)

式中V——需抽真空容器的容积(m3)

S——真空泵有效抽气速率(m3／h)

通常，抽气时间t是生产工艺决定的，由t可确定有效抽气速率的计算：

S＝2.3(V／t)lg(P1／P2)

抽气速率S是真空泵的选型的重要参数。

如果使用水喷射真空泵，有效抽气速率还必须与循环水的温度有关。水温低，则不凝性气体排除速率高。

二、计算实例（10000t/a淀粉原料酒精厂糖化车间抽真空量计算）

（一）蒸煮醪真空冷却器物料流程图

（二）蒸煮醪真空冷却器抽真空量计算

首先列出真空冷却器的物料衡算式和热量衡算式：

G1=G2+W (5-66)

G1c1t1=G2c2t2+Wi (5-67)

1.真空冷却过程中产生的二次蒸汽量

由t1=104.3℃，t2=63℃，蒸煮醪比热容c=3.63kJ/(kg.K)，可计算出真空冷却过程的二次蒸汽量：

W1=G1c1(t1-t2)/i-c2t2

=15833×3.62(104.3-63)/2614.8-3.62×63

=992(kg/h)

63℃饱和蒸汽的比容Vg=6.743m3/kg，可计算二次蒸汽的体积：V=VgW1=6689(m3/h)

2.水喷射真空泵循环水量

设循环水的初温为t3=34℃，终温为t4=42℃,则循环水量为：W2=W1(i-t4Cm)/Cw(t4-t3)

=992(2614.8-42×4.186)/4.186(42-34)

=72105(kg/h)=72.105(m3/h)

3.抽气量验算

(1)应排除的不凝性气体量为：

Ga=2.5×10-5（W1+W2）+A

=2.5×10-5（992+72105）+0.3%×992

=4.8(kg/h)

2.5×10-5----为水中溶解的空气量

喷射器排除的空气量可通过以下计算求得：

（2）喷射器引射系数

K=0.85 P1-P2/P2-Ps -1 =0.88

(3)喷射器排除的气体流量

V =KW2/ρ=0.88×72105/1000

=63.5(m3/h)

相当于质量流量为：

3 V (Ps-Pw)

=

(273+t4)×10-5

349×63.5(22877-8208)

=

(273+42)×10-5

=10.3(kg/h)