发酵工厂中空气净化工艺的合理选择

无菌空气是通气发酵过程中的关键流体。它用于细菌的培养、发酵液的搅拌、液体的输送以及通气发酵罐的排气。在通气发酵过程中,空气系统的染菌一直被列为发酵生产的第一污染源。据报道,由于空气系统纰漏而导致发酵染菌,在总染菌数中比率高达19.96%,而我国的生产现状还远远高出这一数据。为了防止压缩空气染菌给发酵液造成污染,进入发酵罐的空气必须达到(0.5μm)100级净化标准,即每立方英尺空气中含有≥0.5μm的微粒数应≤100个。
目前,空气净化的主要方法是通过介质过滤达到除菌目的。为了保证过滤后的空气达到净化标准,过滤前的空气要进行降温、除水、除油、减湿的预处理。据文献记载,只有当压缩空气的相对湿度φ≤60%,高效过滤器内的过滤介质保持干燥时,空气通过高效过滤方能达到过滤的期望值。因此,发酵空气净化实际上包括两部分:一是空气的预处理;二是选择性能优良的过滤介质和过滤设备。怎样使科学合理、经济实用的工艺与完善的工程设计有机地结合,使空气系统在优化条件下运行,是发酵行业工程设计者不懈努力的目标。
    1 发酵工厂常用的空气预处理路线
    1.1 标准路线(流程1)

   该流程系80年代初由华东化工学院等单位提出。其工艺成熟,操作方便,适应各种气候条件,不受大气的绝对湿含量和相对湿度的影响。

   随着科学技术的进步,传统理论和处理方法不断完善,特别是近年来空压机的技术有了突飞猛进的发展。由于空压机选型不同,空气预处理的流程也不同。传统的活塞式机型容量小,规模生产时需要多台组合,且要用空气贮罐来消除排气产生的脉冲。目前发酵工厂多选用出气稳定、容量大的涡轮式或螺杆式机型,不必设置空气贮罐。改进后的流程增加丝网除沫器,加强了除雾滴能力。

   1.2 混合型路线(流程2)

   此流程适用于中等湿含量的地区,其特点是将部分来自空压机的热空气不经冷却,而直接与大部分经降温除水的冷空气混合进入过滤器,可省去加热器;气体进过滤器的控制指标与流程1相同;流程比较简单,冷却水用量相对节省。流程控制的关键是:空气的冷却温度和空气分配比的关系会随采风口所吸取空气的参数而变化。
 

   该流程的特点是经降温除水的冷空气进换热器与来自空压机的热空气进行热交换,将冷空气温度提至30~35℃后去过滤器过滤,省去加热蒸汽;热空气经换热后降低了进冷却器的温度,节省了冷却水用量。其不足是空气的传热系数小,传热面积需要很大。

   1.4 热空气路线(流程4)

   该流程的特点是空压机出口的压缩空气在高温情况下保持相对湿度φ≤60%,沿输送管道壁自然冷却后去过滤器,过滤后直接进发酵罐。空气所带的热量除部分自然冷却外,余热全部转移到发酵罐冷却。      1.5 综合型路线(流程5)  

   该流程的特点是,将空气处理系统从空压站移至发酵车间,利用管路的管壁沿程降温冷却,减轻冷却器的负荷。经验数据是空压机出口的压缩空气经总管每走1米长度,可降低温度0.5~1℃。空压站到发酵车间一般有几十米长的距离,经管壁散发的热量相当可观,可节约大量的冷却水。采用该流程时因长距离输送热空气,管径比较大,管材用量多,要增设管道热补偿器以减少热推力,并增加重型管架以防侧推力破坏。      2 从节能角度选择流程      据有关文章统计,上述五种工艺路线的能耗(kW)比较如表1所示。

   上表说明,相对流程1而言,流程2、3可节约10%冷量;流程4可省去空气预处理的冷量,但在发酵罐中增加了冷却量,其综合指标约节省冷量40%;流程2、3、4均不设加热器。在流程5中压缩空气(采用涡轮式空压机,出口温度为130~140℃)通过长距离管道输送进入一级冷却器,输送过程可自然降温冷却,既节约冷却水,又减少运行费用。      笔者在设计华中地区某抗菌素厂时,针对该地区缺水(工业用水需从地下200米抽取)的状况,采用流程5,即1200m³/min的压缩空气经80多米长的风管(Φ1000)输送到发酵车间,沿程可自然降温30~40℃,每年可为工厂节约10万元的水费。而增加约10万元一次性投资(其中补偿器4只,重型管架6架等),仅相当于一年节约的水费。3
不同地区、气候条件下流程的选择压缩空气减湿的目的在于保证除菌过滤器在压力露点温度以上运行,以及维持操作状态下的压缩空气在相对湿度φ≤60%左右通过过滤器。由于工厂所处地理位置、环境条件和装备条件不同,工艺流程的制定也不同。
当工厂处于污染比较严重的环境中,应注意采风口的条件,以减轻过滤器的负荷。在江南暖湿地区则要加强除水措施,耗油大的空压机型应设置高效除油雾设备。在满足φ≤60%的前提下,压缩空气以发酵罐温度为基准±3℃进罐为宜。
前述某抗菌素厂所在地气候干燥,冬季的平均气温为5~6℃,相对湿度φ≤75%~85%。采用流程5处理空气,常年控制的工艺指标为:一冷出口空气35~40℃;二冷出口温度20~25℃;加热器出口空气35℃(发酵罐温31~33℃)。
采风口处空气湿含量:   在气候更干燥或更冷的地区,采风口吸入的空气绝对湿含量很小,二冷冷却析不出水,这时流程可省去二冷器和加热器,一冷空气直接冷到35℃进过滤器,且保证φ2≤60%。
压缩空气量的变化是空气净化处理各项影响因素中最大的一项。大中型发酵工厂应将空气集中压缩,分散处理,即能灵活地解决用气量变化问题。上述华中地区某厂发酵车间为三组生产线,空压站供应1200m³/min压缩空气至发酵车间后分三组(400m³/min为一组)进行净化处理。
4 空气净化设备的选择
4.1 空气冷却器
冷却空气的热交换器种类很多。常见的有列管式、沉浸式、喷淋式、翅片式等。由于空气的给热系数低,应选用空气侧热传递效率高的设备。目前国内空冷效果最好的是翅片式冷却器,翅片材料为紫铜,传热速率高。
4.2 气水分离器的选择
(1)旋风分离器 用于分离≥10μm液滴,分离效率在70%~80%左右。选用时应注意:一是直径不能太大,因为气流沿切线方向运动的离心力与分离器的半径成反比;二是进口气速应控制在15~25m/s,速度过大易形成涡流,而过小又离心力不足,气水分离效果不好。出口气速一般在4~8m/s左右。
(2)丝网除沫器 目前国内常用的丝网材质为不锈钢和塑料,多用0.1×0.4mm不锈钢丝网。气速取1~3m/s,除≥1μm雾滴效率可达95%~99%,丝网通常选用缩径式(小于设备壳径)的,便于安装、检修。
4.3 空气加热器
压缩空气降温除水后应加热(温升在10~15℃),以降低其相对湿度。常用套管式或列管式加热器加热。加热器安装时须紧靠总过滤器并加保温措施,避免热损失导致空气相对湿度上升而影响过滤。
5 过滤介质与过滤设备
5.1 过滤介质
过滤介质是过滤除菌的关键,其性能直接影响介质的使用范围、使用量和使用周期与过滤过程动力消耗、操作强度以及运行的稳定,同时也影响过滤设备的结构及空气净化的技术经济指标。目前空气过滤介质已逐步由传统的棉花、活性炭向超细玻璃纤维纸、烧结金属、微孔过滤膜等发展。
超细玻璃纤维纸20年前获得工程应用,现已广泛用作空气过滤介质,其性能远远优于棉花、活性炭及石棉板。对于相同的过滤器外径,过滤纸的过滤面积是棉花的80倍,阻力降只有棉花的1/10,而过滤效率可达(0.5μm)99.9999%和(0.02μm)99.999%。
5.2 过滤器的选择
(1)总过滤器 总过滤器以折叠式大面积超细玻璃纤维纸滤芯为过滤介质,其过滤结构为:内外层为金属圆筒孔板,中间夹折叠式滤材,气体外进内出。总过滤器装填滤芯的数量,依其直径大小而定。总过滤器的规格见表2。

(2)分过滤器 折叠式分过滤器的结构特点是:过滤器为不锈钢壳体,空气进出口在同一中心线上,拆卸上筒体即可更换滤芯,简单方便可靠。分过滤器的规格见表3。  

6 结论
综上所述,发酵空气净化流程是根据发酵生产对无菌空气的质量要求进行设计的。
吸气环境如地理位置、气候条件各异,则空气的温度、湿度、粉尘含量不同,选用的设备、过滤介质和工艺流程也不同。工程设计人员应根据成熟的生产装置和科研实验所提供的数据,进行调查分析,综合考虑,以降低成本、减少能耗、简化流程、提高综合技术经济指标为目标,优化设计方案,使工程设计质量不断提高,更好地参考文献
1 沈自法等主编.发酵工厂工艺设计.华东理工大学出版社,1994
2 王树民.抗生素发酵空气净化工艺与工程的优化设计.医药工程设计,1994,(5)
3 华南工学院等编.发酵工程与设备.轻工业出版社,1981
4 沈荣度.抗菌素生产的空气减湿及节能.医药工程设计,1981,(1)
5 华东化工学院.抗生素生产设备(上册).1980为生产实践服务。