1.概述
好氧發(fā)酵產(chǎn)品豐富，如：氨基酸、有機(jī)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。據(jù)悉，在有發(fā)酵車間的原料藥廠，壓縮空氣能耗約占總動(dòng)力能耗的30%~40%，如何在制備壓縮空氣的過程中降低耗能對(duì)于發(fā)酵行業(yè)具有重要的意義。
空壓機(jī)本身電機(jī)是否節(jié)能，傳動(dòng)效率是否提高，摩擦功耗是否降低對(duì)于使用者來說，無法改變，使用者只有在采購(gòu)前了解此類參數(shù)后，以左右其選擇。本文就空壓機(jī)之外的壓空系統(tǒng)的節(jié)能因素進(jìn)行了分析總結(jié)。
2.確定合適的壓力
壓縮空氣壓力是壓空系統(tǒng)的主要參數(shù)之一。通常發(fā)酵用壓縮空氣的壓力在0.18~0.35 Mpa之間。確定合適的壓縮空氣的壓力是壓空系統(tǒng)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。由于發(fā)酵用壓縮空氣用氣量較大，一般用離心式空壓機(jī)作為制備機(jī)。
例如一個(gè)中型發(fā)酵車間總用氣量為1250 Nm3/min，壓力為0.25Mpa，總裝機(jī)功率4800 kW。若出口壓力減小0.01Mpa，其電機(jī)耗能減少144 kW，折算到一年的能耗降低7920h×144 kW≈114×104 kW·h?？梢妷毫Φ拇_定與整個(gè)工廠的能耗關(guān)系緊密。那么，生物發(fā)酵行業(yè)中，壓縮空氣系統(tǒng)具體需要考慮哪些因素呢？
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
3.確定合適的用氣量
壓縮空氣用氣量是壓空系統(tǒng)的另一主要參數(shù)。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。生產(chǎn)規(guī)模是按年生產(chǎn)量來計(jì)，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(jì)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(gè)數(shù)。發(fā)酵罐裝料體積、發(fā)酵罐臺(tái)數(shù)與通氣比相乘，即為需要的壓縮空氣用氣量。
壓縮空氣的用氣量應(yīng)經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算后得出較為準(zhǔn)確的值，避免過小或過大，過小則不能滿足生產(chǎn)，過大則造成產(chǎn)氣量浪費(fèi)，進(jìn)而造成能耗的損失浪費(fèi)。
4.后冷卻器溫度控制
生物發(fā)酵用壓縮空氣生產(chǎn)的基本流程通常為：大氣→空氣過濾器→空壓機(jī)組→后冷卻器→再冷卻器→氣水分離器→室外輸送管道→→空氣加熱器→空氣總過濾器→空氣預(yù)過濾器→空氣精過濾器→發(fā)酵罐。
空壓機(jī)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(jìn)一步冷卻至20℃左右，冷卻冷媒為制冷機(jī)的低溫冷凍水。在進(jìn)入空氣過濾系統(tǒng)之前再將壓縮空氣進(jìn)行加熱，使溫升10℃，或加熱至40℃左右。以上做法主要是分水，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)進(jìn)入空氣精過濾器的空氣RH（相對(duì)濕度）在60～70%以下，不會(huì)因?yàn)樗菰驅(qū)⒕鷰氚l(fā)酵罐。
經(jīng)過分析計(jì)算，再冷卻器將40℃的壓縮空氣不一定冷卻至20℃，可以適當(dāng)提高至26℃甚至是32℃，這樣低溫冷凍水的用量大為減少。壓縮空氣進(jìn)入空氣加熱器進(jìn)行加熱，溫升不一定為10℃才能保證RH在60～70%以下，7℃足夠滿足要求，這樣就減少了蒸汽的用量。
5.合適的空壓機(jī)機(jī)型配置
常用的發(fā)酵用空壓機(jī)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(jī)類型。隨著生產(chǎn)產(chǎn)能的擴(kuò)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(jī)。
在最初生產(chǎn)階段，由于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的缺失，若干大發(fā)酵罐不可能同時(shí)投料生產(chǎn)，一般做法是先試生產(chǎn)一個(gè)發(fā)酵罐，若開動(dòng)大空壓機(jī)可能供氣遠(yuǎn)大于一個(gè)發(fā)酵罐的需求量，造成能源的浪費(fèi)，此時(shí)開動(dòng)小空壓機(jī)即可滿足要求且避免浪費(fèi)能源。
由于醫(yī)藥生產(chǎn)的特殊性，某一品種的價(jià)格始終波動(dòng)，有波峰有波谷。生產(chǎn)企業(yè)為了追求利潤(rùn)最大化，其生產(chǎn)任務(wù)也會(huì)相應(yīng)做出調(diào)整，發(fā)酵廠房所有發(fā)酵罐滿負(fù)荷生產(chǎn)的情景會(huì)在該品種利潤(rùn)較高時(shí)出現(xiàn)。隨著品種價(jià)格的波動(dòng)，生產(chǎn)企業(yè)會(huì)選擇性的減少生產(chǎn)任務(wù)，此時(shí)可能關(guān)掉1個(gè)、幾個(gè)、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(tái)或者幾臺(tái)空壓機(jī)，此時(shí)“1小”空壓機(jī)的作用很大，在滿足生產(chǎn)的情況下，又不致大空壓機(jī)空轉(zhuǎn)，造成能源浪費(fèi)。
現(xiàn)在市場(chǎng)上大型空壓機(jī)廠家較多，有國(guó)產(chǎn)品牌、合資品牌和國(guó)外品牌。但空壓機(jī)在其廠家給定的出氣量下運(yùn)行，其運(yùn)行曲線接近最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)，運(yùn)行成本也是最低的。經(jīng)過調(diào)節(jié)后的設(shè)備，其運(yùn)行點(diǎn)勢(shì)必遠(yuǎn)離最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)，造成能源浪費(fèi)。
6.減少壓力損失和泄漏
通過生物發(fā)酵用壓縮空氣生產(chǎn)的基本流程可以看出若減少壓力損失即為減少空氣通過的設(shè)備和管路的阻力，減少泄漏就是減少該過程的管路銜接?？梢詮囊韵路矫鏈p少壓力損失和泄漏：
(1) 設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)時(shí)，盡量減少不必要的管件，管路盡量平緩布置，避免大彎，減少阻力。
(2) 采用大管徑，低流速送氣，降低阻力。空氣流速一般選擇8～10m/s[3]之間。
(3) 選用較為先進(jìn)的輔助設(shè)備，如后冷卻器、再冷卻器的選擇，現(xiàn)在有一種高效帶翅片形式的換熱器換熱面積大，壓降小，一般壓力降能控制在0.005 MPa以內(nèi)，能較好的減少能耗。
(4) 安裝工程，監(jiān)管到位。確保安裝節(jié)點(diǎn)無泄漏。
(5) 使用過程中，定期檢測(cè)，“查漏補(bǔ)缺”。
7.余熱利用
從基本流程可以知道，壓縮空氣進(jìn)入空氣加熱器進(jìn)行加熱，升溫后保證RH在60～70%以下。通常做法是用蒸汽加熱壓縮空氣，蒸汽的利用也是較大的運(yùn)行成本和耗能點(diǎn)。現(xiàn)在已經(jīng)有一種新式處理方法，達(dá)到節(jié)能目的：空壓機(jī)的出氣溫度高于100℃，利用此高溫?zé)嵩醇訜嵩倮鋮s器冷卻后的低溫空氣，低溫空氣經(jīng)過加熱達(dá)到RH在60～70%的溫度，高溫空氣經(jīng)過冷卻后再進(jìn)入后冷卻器冷卻，進(jìn)一步降低了循環(huán)冷卻水的消耗，一舉兩得，既節(jié)省了蒸汽的消耗也節(jié)約了循環(huán)冷卻水的消耗。此種技術(shù)正在推廣應(yīng)用。
8.結(jié)語
壓縮空氣占發(fā)酵工廠能耗的較大部分，而影響壓縮空氣系統(tǒng)能耗的因素很多。能耗優(yōu)劣除壓縮機(jī)本身性能外，還與壓力確定、用氣量確定、后冷卻器溫度控制、機(jī)型選擇等主觀性因素有關(guān)；客觀上如何達(dá)到節(jié)能目的，與怎樣減少壓力損失和泄漏及是否將余熱利用好等因素有關(guān)。節(jié)能是一個(gè)系統(tǒng)性的問題，需多方面考慮才能做到。
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