第四章-工艺计算3课件.ppt

1、（一）耗冷量计算的意义（一）耗冷量计算的意义 现代发酵工厂通常都有制冷系统。无论是菌现代发酵工厂通常都有制冷系统。无论是菌种培养、发酵、产品提取精制等过程，都可能要种培养、发酵、产品提取精制等过程，都可能要求在室温以下的温度进行。求在室温以下的温度进行。例如啤酒生产中，主例如啤酒生产中，主发酵温度为发酵温度为6 61010，过冷和后发酵在，过冷和后发酵在11左右，左右，大麦发芽适宜温度为大麦发芽适宜温度为12121616。许多生物活性物。许多生物活性物质。如：酶、乙肝疫苗、干扰素以及一些低温度质。如：酶、乙肝疫苗、干扰素以及一些低温度下进行操作等等。下进行操作等等。通过耗冷量的计算，结合冷冻工

2、艺要求，选通过耗冷量的计算，结合冷冻工艺要求，选定制冷系统类型、规格，进而完成制冷系统设计定制冷系统类型、规格，进而完成制冷系统设计.（二）耗冷量计算的方法和步骤P87 发酵工厂耗冷量分为发酵工厂耗冷量分为u工艺耗冷量工艺耗冷量Q Qt t:包含了发酵培养基和发酵包含了发酵培养基和发酵罐体的冷却降温耗冷罐体的冷却降温耗冷Q Q1 1，生物反应放热，生物反应放热（发酵热）（发酵热）Q Q2 2的除去等、种子培养耗冷的除去等、种子培养耗冷量量Q Q3 3和工艺无菌水冷却耗冷量和工艺无菌水冷却耗冷量Q Q4 4等等u非工艺耗冷量非工艺耗冷量Q Qntnt:包括用电设备运转放包括用电设备运转放热耗冷量

3、热耗冷量Q Q5 5、维护结构耗冷量维护结构耗冷量Q Q6 6、低温设、低温设备管道冷量散失备管道冷量散失Q Q7 7等。等。培养基和发酵罐体冷却至操作温度培养基和发酵罐体冷却至操作温度 Q Q1 1 Q1=(mMcM+mRcR)(t1-t2)/发酵热发酵热Q Q2 21.通气发酵通气发酵过程热量计算：三种方法 1冷却水 2发酵液温度升高 3生物合成热 Q2=Qb+Qst-Q Qb=*15651+*4953 (呼吸和发酵发热）Qst=3600Pst （搅拌产热）Q=0.2*Qb （排气带走热焓）2.厌氧发酵厌氧发酵Q2=613.6/kg(麦芽糖）照明及用电设备照明及用电设备Q Q5 5Q5=q

4、1*A+3600P+q2*A+q3*n 围护结构耗冷量围护结构耗冷量Q Q6 6Q6=KiAi(ta-t)+K*A*t 低温设备管道冷量散失低温设备管道冷量散失Q Q7 7Q7=KF t冷间单位照明冷间单位照明放热耗冷量放热耗冷量用电设备用电设备功率功率开门耗冷量开门耗冷量每个操作工耗冷量每个操作工耗冷量 我国应用最普通的锥形罐发酵工艺。我国应用最普通的锥形罐发酵工艺。（一）发酵工艺流程示意图（一）发酵工艺流程示意图（二）工艺技术指标及基础数据（二）工艺技术指标及基础数据（三）工艺耗冷量（三）工艺耗冷量Q Qt t（四）非工艺耗冷量（四）非工艺耗冷量Q Qntnt 94 94热麦汁热麦汁冷麦汁

5、冷麦汁(6)(6)锥形罐发酵锥形罐发酵过冷却至过冷却至-1-1贮酒贮酒过滤过滤清酒罐清酒罐 年产年产1212o o淡色啤酒淡色啤酒105248t105248t；旺季每天糖化；旺季每天糖化6 6次，淡次，淡季季4 4次，每年共糖化次，每年共糖化13001300次；次；主发酵时间主发酵时间6 6天；天；4 4锅麦汁装锅麦汁装1 1个锥形发酵罐；个锥形发酵罐；1212o oB B麦汁比热容麦汁比热容C C1 14.0KJ/4.0KJ/（kg.kkg.k）；）；冷媒用液氨；冷媒用液氨；麦芽糖厌氧发酵热麦芽糖厌氧发酵热q q613.6KJ/kg613.6KJ/kg；麦汁发酵度麦汁发酵度6060。P67-

6、69P67-69 1 1、麦汁冷却耗冷量、麦汁冷却耗冷量Q Q1 1 2 2、发酵耗冷量、发酵耗冷量Q Q2 2 3 3、酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量、酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q Q3 3 4 4、酵母培养耗冷量、酵母培养耗冷量Q Q4 4 使用使用一段式串联逆流式一段式串联逆流式麦汁冷却方法麦汁冷却方法使用的冷却介质为使用的冷却介质为22的冷冻水的冷冻水冷冻水出口温度为冷冻水出口温度为8585糖化车间送来的热麦汁温度为糖化车间送来的热麦汁温度为9494 冷却至发酵起始温度冷却至发酵起始温度66。物料衡算物料衡算表表4-7P694-7P69，每糖化一次得热麦汁，每糖化一次得热麦汁850

7、40L85040L，相应的麦汁密度为相应的麦汁密度为1048kg/m1048kg/m3 3，故麦汁耗冷量为：，故麦汁耗冷量为：Q Q1 1GCGC（t t1 1-t-t2 2）/=85.040=85.0401O48 1O48 4.0 4.0（94946 6）/1/131.3731.3710106 6（kJ/hkJ/h）式中：式中：t t1 1和和t t2 2分别为麦汁冷却前后温度（分别为麦汁冷却前后温度（）冷却操作过程时间（冷却操作过程时间（h h）根据设计结果，每个锥形发酵罐装根据设计结果，每个锥形发酵罐装4 4锅麦汁，则麦锅麦汁，则麦汁冷却量为：汁冷却量为：Q Qf f4Q4Q1 14 4

8、31.3731.3710106 6 125.48125.4810106 6（kJkJ）（1 1）发酵期间发酵放热）发酵期间发酵放热Q Q 2 2（2 2）发酵后期发酵液降温耗冷）发酵后期发酵液降温耗冷Q Q2 2（3 3）发酵总耗冷量）发酵总耗冷量Q Q2 2（4 4）每罐发酵耗冷量）每罐发酵耗冷量Q Q0 0（5 5）发酵用冷媒耗量（循环量）发酵用冷媒耗量（循环量）M M2 2u麦芽糖的厌氧发酵放热量为613.6kJ/kgu发酵度为60，则1L麦汁放热量为：q0613.6126044.18（kJ）每锥形罐发酵放热量为：Q044.1882480414.576106（kJ）u发酵高峰期耗冷量为：

9、Q=Q01.56/(2464)=227672(kJ/h)平衡系数平衡系数糖化次数糖化次数主发酵时间主发酵时间主发酵后期，发酵液温度从主发酵后期，发酵液温度从66缓慢降至缓慢降至-1-1，每天单罐降温耗冷量为：每天单罐降温耗冷量为：Q Q0 04mC4mC1 166（-1-1）4 489122891224.04.07 7 99816649981664（kJkJ）工艺要求此过冷过程在工艺要求此过冷过程在2 2天内完成，则耗冷量为天内完成，则耗冷量为（麦汁每天装（麦汁每天装1.51.5个锥形罐）：个锥形罐）：Q Q2 21.5 Q1.5 Q0 0/（24242 2）311927311927（kJ/h

10、kJ/h）糖化一锅糖化一锅麦汁质量麦汁质量Q Q2 2Q Q 2 2Q Q2 2227672227672311927311927 539599539599（kJ/hkJ/h）（4 4）每罐发酵耗冷量）每罐发酵耗冷量Q Q0 0Q Q0 0Q Q 0 0Q Q0 014.57614.57610699816649981664 24.55824.558106（KJKJ）3 3、酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量、酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q Q3 3 主发酵结束时要排放部分酵母，经洗涤主发酵结束时要排放部分酵母，经洗涤活化后重复用于新麦汁的发酵，一般可重活化后重复用于新麦汁的发酵，一般可重复使用复使

11、用5 57 7次。设湿酵母添加量为麦汁量次。设湿酵母添加量为麦汁量的的1.01.0，且使用，且使用11的无菌水洗涤，洗涤的无菌水洗涤，洗涤无菌水量为酵母量的无菌水量为酵母量的3 3倍。冷却前无菌水倍。冷却前无菌水温为温为3030，用，用-8-8的酒精液作冷却介质。的酒精液作冷却介质。无菌水用量为：无菌水用量为：m m w w82480824806 61.01.03 3 1484614846（kg/dkg/d）8248082480糖化一次的冷麦汁量（糖化一次的冷麦汁量（kgkg）每班无菌水用量：每班无菌水用量：m mw wm m w w/3/314846/314846/34948.84948.8

12、（kg/kg/班）班）假定无菌水冷却操作在假定无菌水冷却操作在2h2h内完成，则无菌内完成，则无菌水冷却耗冷量为：水冷却耗冷量为：Q Q3 3m mw wC Cm m（t tw w-t-t w w）/t/t 4948.84948.84.184.18（30301 1）/2/2 299947299947（kJ/hkJ/h）每罐用于酵母洗涤的耗冷量为：每罐用于酵母洗涤的耗冷量为：Q Q 3 3=G=Gw wC Cm m（t tw w-t-t w w）/1.5/1.5 4948.84948.84.18 4.18 （30301 1）/1.5/1.5 399929399929（kJkJ）式中：式中：1.5

13、1.5每班装罐每班装罐1.51.5罐。罐。u根据工艺设计，每月需进行一次酵母纯培养，培根据工艺设计，每月需进行一次酵母纯培养，培养时间为养时间为12d12d，即，即288h288hu根据工厂实践，年产根据工厂实践，年产100000t100000t啤酒工厂酵母培养啤酒工厂酵母培养耗冷量为：耗冷量为：Q Q4 4130000kJ/h130000kJ/hu对应的年耗冷量为：对应的年耗冷量为：Q Q 4 4Q Q4 42882881010 374.4374.410106 6（kJkJ）Q Qt t Q1+Q2+Q3+Q4 =32.34 106（kJ/h）麦汁冷却耗冷量麦汁冷却耗冷量Q Q1 1 发酵耗

14、冷量发酵耗冷量Q Q2 2 酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q Q3 3 酵母培养耗冷量酵母培养耗冷量Q Q4 4发酵罐外壁、运转机械、围护结构及管道等均会耗发酵罐外壁、运转机械、围护结构及管道等均会耗用或散失冷量，构成非工艺耗冷量。用或散失冷量，构成非工艺耗冷量。1 1、露天锥形罐冷量散失、露天锥形罐冷量散失Q Q5 5 2 2、清酒罐、过滤机及管道等散失冷量、清酒罐、过滤机及管道等散失冷量Q Q6 6根据经验根据经验，年产，年产1010万吨啤酒厂露天锥形罐的冷量散万吨啤酒厂露天锥形罐的冷量散失在失在130001300030000kJ/t30000kJ/t啤酒之间

15、，若在南方亚热啤酒之间，若在南方亚热带地区设厂，可取高值。故旺季每天耗冷量为：带地区设厂，可取高值。故旺季每天耗冷量为：Q Q 5 5m mb b3000030000494.9494.91.0121.0123000030000 15.015.010106 6（kJ/dkJ/d）式中：式中：m mb b旺季成品啤酒日产量（旺季成品啤酒日产量（t t）若白天日晒高峰耗冷为平均每小时耗冷量的若白天日晒高峰耗冷为平均每小时耗冷量的2 2倍，倍，则高峰耗冷量为：则高峰耗冷量为：Q Q5 52Q2Q 5 5/24/24 1.251.2510106 6（kJ/hkJ/h）u通常取通常取Q Q6 61212Q

16、 Qt tuQ Q6 61212Q Qt t 1212 32.34 106 3.882 106 （kJkJh h）分分类类耗冷项目耗冷项目每小时耗冷每小时耗冷量（量（kJ/hkJ/h）冷媒用量冷媒用量（kg/hkg/h）每罐耗冷每罐耗冷（kJ)kJ)年耗冷年耗冷量（量（kJ)kJ)工艺耗冷麦汁冷却发酵耗冷无菌水冷却酵母培养工艺总耗冷非工艺锥形罐冷损管道冷损非工艺总耗冷合计总耗冷单耗 一、计算的意义一、计算的意义 二、计算的方法和步骤二、计算的方法和步骤 三、计算实例三、计算实例 120000t/a120000t/a味精厂发酵车间无菌空气耗味精厂发酵车间无菌空气耗量衡算量衡算 大多数微生物的生长

17、、增殖需要氧大多数微生物的生长、增殖需要氧 代谢和产物合成需要氧代谢和产物合成需要氧 无菌压缩空气压送物料无菌压缩空气压送物料 配套的空气压缩机选型和台数配套的空气压缩机选型和台数 空气过滤除菌系统的设计空气过滤除菌系统的设计 压缩空气消耗量，通常用单位时间耗用的压缩空气消耗量，通常用单位时间耗用的常压空气体积表示，即常压空气体积表示，即m m3 3/h/h（10105 5PaPa）。）。计算压缩空气的体积和压强。计算压缩空气的体积和压强。1 1、通气发酵罐通风量计算、通气发酵罐通风量计算 2 2、通气搅拌用的压缩空气的压强计算、通气搅拌用的压缩空气的压强计算 3 3、压送物料时无菌空气消耗量

18、、压送物料时无菌空气消耗量 好氧发酵，合适供氧速率。供氧和耗氧速率相等。OTR=OUR OTR=KLa(c*-c）OUR=qo2x OUR=Q(cin-cout）V溶氧速率溶氧速率molOmolO2 2/(m/(m3 3h h）耗氧速率耗氧速率molOmolO2 2/(m/(m3 3h h）体积溶氧系数体积溶氧系数h h-1-1或或s s-1-1通气量通气量m m3 3/h/h进出发酵罐空气氧浓度进出发酵罐空气氧浓度molOmolO2 2/m/m3 3发酵罐装液发酵罐装液量量m m3 3微生物比微生物比呼吸速率呼吸速率molOmolO2 2/m/m3 3h h微生物活微生物活细胞浓度细胞浓度k

19、g/mkg/m3 3 Q=qO2XV(cin-cout)通常cin就是大气浓度，而cout可根据氧利用率计算，且cout=0.850.9cin；qo2由小型发酵试验确定；x和V可通过分析测定。对高耗氧的生物反应（如酵母和对高耗氧的生物反应（如酵母和SCP)Q=Q1(V2/V1)(H1/H2)2/3V V2 2 V V1 1放大罐、试验罐放大罐、试验罐的装液量（的装液量（m m3 3）H H2 2 H H1 1放大罐、试放大罐、试验罐的装液量（验罐的装液量（m m）V V2 2和和H H2 2可根据试验罐的可根据试验罐的V V1 1和和H H1 1通过几何相似准通过几何相似准则放大则放大 通风发

20、酵罐放大设计最常用，理论上通气量的计算可按空截面气速Vs维持恒定的原则。Q2=(D2/2)2Vs1 通常放大后的混合情况会变差，故实际上放大罐的空截面气速往往比Vs1大，最佳值应由试验研究后确定。如谷氨酸发酵发酵罐容罐容量量m m3 30.050.05 0.50.55.05.020205050120120150150搅拌搅拌转速转速r/minr/min600600300300230230180180150150125125110110通气通气速率速率vvmvvm0.80.8 1.51.50.50.5 0.80.80.400.40 0.650.650.350.35 0.550.550.300.3

21、0 0.480.480.200.20 0.450.450.180.18 0.350.35 压缩空气必须有足够的压强，克服液柱阻力、压缩空气必须有足够的压强，克服液柱阻力、空气分布器及其他管道阻力。空气分布器及其他管道阻力。P=10HP=10HL L+a aW W2 2/2g/2g(1+)(1+)P P0 0 P-P-通风搅拌用的压缩空气压强通风搅拌用的压缩空气压强(Pa)(Pa)H-H-被搅拌液体的液柱高度被搅拌液体的液柱高度(m)(m)L L-被搅拌液体的密度被搅拌液体的密度(kg/m(kg/m3 3)a a-通入空气的密度通入空气的密度(kg/m(kg/m3 3)W-W-管道中空气流速管道

22、中空气流速(m/s(m/s)-总阻力系数总阻力系数 P P0 0-液面上的压强液面上的压强(Pa)(Pa)压强为压强为10105 5PaPa的空气消耗量的空气消耗量 V=kFPV=kFP F-F-液体容器的截面积液体容器的截面积(m(m2 2)K-K-搅拌强度系数搅拌强度系数,缓和缓和24,24,中等中等48,48,剧烈剧烈6060-每次搅拌所需时间每次搅拌所需时间(h)(h)种液种液,灭菌的消泡剂灭菌的消泡剂,补料液补料液(尿素尿素,糖液糖液)(1)(1)所需压缩空气的压强所需压缩空气的压强P P P=10H+WP=10H+W2 2/2g/2g(1+)(1+)P P0 0 P-P-通风搅拌用

23、的压缩空气压强通风搅拌用的压缩空气压强(Pa)(Pa)H-H-压送静压高度压送静压高度,即设备间液面垂直距离即设备间液面垂直距离(m)(m)-被输送液体的密度被输送液体的密度(kg/m(kg/m3 3)W-W-管道中空气流速管道中空气流速(m/s(m/s)-总阻力系数总阻力系数 P P0 0-液面上的压强液面上的压强(Pa)(Pa)通常通常H+WH+W2 2/2g/2g(1+)=20%(1+)=20%50%H50%H 1）设备中液体一次操作中全部压完 V=10-5V0P V1=10-5V0P/V-所需空气量（m3）V1-每小时所需空气量（m3/h）-每次压送时间（h）V0-设备容积（m3）P-

24、所需压缩空气的压强（Pa）V=V0（2-)+VLP10-52 V=510-5V0(2-)+VLP/V-所需空气量（m3）V-每小时所需空气量（m3/h）-每次压送时间（h）V0-设备容积（m3）P-所需压缩空气的压强（Pa）VL-一次压送液体的体积（m3）（一）谷氨酸发酵无菌空气平衡示意图（二）发酵工艺技术指标及基础数据（三）发酵过程无菌空气用量计算（四）发酵车间无菌空气单耗（五）12000t/a味精厂发酵车间无菌空气衡算表空气空气压缩压缩过滤除菌过滤除菌种子罐种子罐发酵罐发酵罐培养基培养基补料液补料液提取车间提取车间消泡剂消泡剂 每日的发酵液量为每日的发酵液量为2620m2620m3 3 二

25、级种液：二级种液：209.6m209.6m3 3 发酵时间：发酵时间：32h32h 发酵周期（含清洗、灭菌）：发酵周期（含清洗、灭菌）：40h40h 发酵罐公称容积：发酵罐公称容积：500m500m3 3（1010个）个）550m550m3 3 发酵罐装料系数：发酵罐装料系数：80%80%主要用于谷氨酸发酵过程中通风供氧，其主要用于谷氨酸发酵过程中通风供氧，其次为种子培养的通气以及培养基压料输送。次为种子培养的通气以及培养基压料输送。此外，因设备和管路、管件等的消毒吹干此外，因设备和管路、管件等的消毒吹干以及其他损耗。以及其他损耗。1 1、单罐发酵无菌空气耗用量、单罐发酵无菌空气耗用量 2 2

26、、种子培养等其他无菌空气耗量、种子培养等其他无菌空气耗量 3 3、发酵车间高峰无菌空气消耗量、发酵车间高峰无菌空气消耗量 4 4、发酵车间年耗量、发酵车间年耗量 550m 550m3 3规模的通气搅拌发酵罐的通气速率规模的通气搅拌发酵罐的通气速率为为0.150.150.35vvm0.35vvm，取最高值进行计算。，取最高值进行计算。1 1）单罐发酵过程用气量（常压空气）单罐发酵过程用气量（常压空气）V=55080%0.3560=9240（m3/h）2 2）单罐年用气量）单罐年用气量 Va=V32180=5322240(m3/a）发酵时间发酵时间每年单罐发酵批次每年单罐发酵批次 可根据接种量、通

27、气速率、培养时间等进行计可根据接种量、通气速率、培养时间等进行计算算 通常的设计习惯：种子培养用气、培养基压送通常的设计习惯：种子培养用气、培养基压送及管路损失等算作一次，取发酵过程中空气耗及管路损失等算作一次，取发酵过程中空气耗量的量的20%20%。单罐每小时耗气量：单罐每小时耗气量：V=20%V=1848(mV=20%V=1848(m3 3/h/h）每年用气量：每年用气量：VaVa=20%Va=20%Va8 8180180 =2661120 =2661120（m3/a）发酵时间发酵时间每年单罐发酵批次每年单罐发酵批次 Vmax=10V+6V =109240+61848 =103488(m3

28、/h）单罐发酵过单罐发酵过程用气量程用气量种子培养等种子培养等其他用气量其他用气量Vt=10Va+6Va=548190720(m3/a)实际味精年产量实际味精年产量 G=120000(t/a)G=120000(t/a)发酵车间无菌空气单耗：发酵车间无菌空气单耗：V V0 0=V=Vt tG G=4568(m=4568(m3 3/t)/t)发酵罐公称容积（m3）单罐通气量m3/h种子培养耗气量m3/h高峰空气耗气量m3/h年空气耗气量m3空气单耗m3/t500924018481034885.481084568 一、抽真空量计算的意义一、抽真空量计算的意义 二、计算的方法和步骤二、计算的方法和步骤 三、计算实例三、计算实例 真空过滤真空过滤 真空蒸发真空蒸发 真空冷却真空冷却 减压浓缩减压浓缩 真空干燥真空干燥 真空输送真空输送按真空操作分四类：如表按真空操作分四类：如表4-214-21按作用原理分类：如表按作用原理分类：如表4-224-22真空类型 低真空中真空高真空超高真空压强（Pa）1000.110010-50.110-5n准数10PD0.670.020.67Ga=4.8(kg/h)