第四章工艺计算课件.ppt

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1、第四节耗冷量计算,（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。例如啤酒生产中，主发酵温度为610，过冷和后发酵在1左右，大麦发芽适宜温度为1216。许多生物活性物质。如：酶、乙肝疫苗、干扰素以及一些低温度下进行操作等等。 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.,（二）耗冷量计算的方法和步骤P87 发酵工厂耗冷量分为工艺耗冷量Qt:包含了发酵培养基和发酵罐体的冷却降温耗冷Q1，生物反应放热（发酵热）Q2的除去等、种子培养耗冷量Q3和工艺无菌水冷却耗冷量Q4等非工艺耗冷量

2、Qnt:包括用电设备运转放热耗冷量Q5、维护结构耗冷量Q6、低温设备管道冷量散失Q7等。,工艺耗冷量,培养基和发酵罐体冷却至操作温度 Q1 Q1=(mMcM+mRcR)(t1-t2)/发酵热Q2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Q2=613.6/kg(麦芽糖）,非工艺耗冷量Qnt,照明及用电设备Q5Q5=q1*A+3600P+q2*A+q3*n围护结构耗冷量Q6Q6=KiAi(ta-t)+K*A*

3、t低温设备管道冷量散失Q7Q7=KF t,冷间单位照明放热耗冷量,用电设备功率,开门耗冷量,每个操作工耗冷量,二、计算实例（10万t/a啤酒厂发酵车间耗冷量计算）,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（二）工艺技术指标及基础数据（三）工艺耗冷量Qt（四）非工艺耗冷量Qnt,（一）发酵工艺流程示意图,94热麦汁冷麦汁(6)锥形罐发酵过冷却至-1贮酒过滤清酒罐,（二）工艺技术指标及基础数据,年产12o淡色啤酒105248t；旺季每天糖化6次，淡季4次，每年共糖化1300次；主发酵时间6天；4锅麦汁装1个锥形发酵罐；12oB麦汁比热容C14.0KJ/（kg.k）；冷媒用液氨；麦芽

4、糖厌氧发酵热q613.6KJ/kg；麦汁发酵度60。P67-69,（三）工艺耗冷量Qt,1、麦汁冷却耗冷量Q12、发酵耗冷量Q23、酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q34、酵母培养耗冷量Q4,1、麦汁冷却耗冷量Q1,使用一段式串联逆流式麦汁冷却方法使用的冷却介质为2的冷冻水冷冻水出口温度为85糖化车间送来的热麦汁温度为94 冷却至发酵起始温度6。,物料衡算表4-7P69，每糖化一次得热麦汁85040L，相应的麦汁密度为1048kg/m3，故麦汁耗冷量为： Q1GC（t1-t2）/ =85.0401O48 4.0（946）/131.37106（kJ/h）式中：t1和t2分别为麦汁冷却前后温度（）

5、冷却操作过程时间（h） 根据设计结果，每个锥形发酵罐装4锅麦汁，则麦汁冷却量为：Qf4Q1431.37106 125.48106（kJ）,2、发酵耗冷量Q2,（1）发酵期间发酵放热Q2（2）发酵后期发酵液降温耗冷Q2（3）发酵总耗冷量Q2（4）每罐发酵耗冷量Q0（5）发酵用冷媒耗量（循环量）M2,（1）发酵期间发酵放热Q2,麦芽糖的厌氧发酵放热量为613.6kJ/kg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）发酵高峰期耗冷量为：Q= Q01.56/(2464) =227672(kJ/h),

6、平衡系数,糖化次数,主发酵时间,（2）发酵后期发酵液降温耗冷Q2,主发酵后期，发酵液温度从6缓慢降至-1，每天单罐降温耗冷量为：Q04mC16（-1）4891224.07 9981664（kJ）工艺要求此过冷过程在2天内完成，则耗冷量为（麦汁每天装1.5个锥形罐）：Q21.5 Q0/（242）311927（kJ/h）,糖化一锅麦汁质量,（3）发酵总耗冷量Q2,Q2Q2Q2227672311927 539599（kJ/h）（4）每罐发酵耗冷量Q0Q0Q0Q014.5761069981664 24.558106（KJ）,3、酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3 主发酵结束时要排放部分酵母，经洗涤活化

7、后重复用于新麦汁的发酵，一般可重复使用57次。设湿酵母添加量为麦汁量的1.0，且使用1的无菌水洗涤，洗涤无菌水量为酵母量的3倍。冷却前无菌水温为30，用-8的酒精液作冷却介质。无菌水用量为： mw8248061.03 14846（kg/d）82480糖化一次的冷麦汁量（kg） 每班无菌水用量：mwmw/314846/34948.8（kg/班）,假定无菌水冷却操作在2h内完成，则无菌水冷却耗冷量为：Q3mwCm（tw-tw）/t 4948.84.18（301）/2 299947（kJ/h）每罐用于酵母洗涤的耗冷量为：Q3=GwCm（tw-tw）/1.5 4948.84.18 （301）/ 1.5

8、 399929（kJ） 式中：1.5每班装罐1.5罐。,4、酵母培养耗冷量Q4,根据工艺设计，每月需进行一次酵母纯培养，培养时间为12d，即288h根据工厂实践，年产100000t啤酒工厂酵母培养耗冷量为： Q4130000kJ/h对应的年耗冷量为： Q4Q428810 374.4106（kJ）,5、发酵车间工艺耗冷量Qt,Qt Q1+Q2+Q3+Q4 =32.34 106（kJ/h）麦汁冷却耗冷量Q1发酵耗冷量Q2酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3酵母培养耗冷量Q4,（四）非工艺耗冷量Qnt,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。1、露天锥形罐冷量散失Q

9、52、清酒罐、过滤机及管道等散失冷量Q6,1、露天锥形罐冷量散失Q5,根据经验，年产10万吨啤酒厂露天锥形罐的冷量散失在1300030000kJ/t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：Q5mb30000494.91.01230000 15.0106（kJ/d）式中：mb旺季成品啤酒日产量（t） 若白天日晒高峰耗冷为平均每小时耗冷量的2倍，则高峰耗冷量为： Q52Q5/24 1.25106（kJ/h）,2、清酒罐、过滤机及管道等散失冷量Q6,通常取Q612QtQ612Qt 12 32.34 106 3.882 106 （kJh）,(五）啤酒发酵车间冷量衡算表P94表4

10、-18,第五节 无菌压缩空气消耗量计算,一、计算的意义二、计算的方法和步骤三、计算实例 120000t/a味精厂发酵车间无菌空气耗量衡算,一 计算意义,大多数微生物的生长、增殖需要氧代谢和产物合成需要氧无菌压缩空气压送物料配套的空气压缩机选型和台数空气过滤除菌系统的设计,二 计算的方法和步骤,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）。计算压缩空气的体积和压强。1、通气发酵罐通风量计算2、通气搅拌用的压缩空气的压强计算3、压送物料时无菌空气消耗量,1、通气发酵罐通风量计算,好氧发酵，合适供氧速率。供氧和耗氧速率相等。 OTR=OUR OTR=KLa (c*-

11、c） OUR=qo2x OUR=Q (cin-cout）V,溶氧速率molO2/(m3h）,耗氧速率molO2/(m3h）,体积溶氧系数h-1或s-1,通气量m3/h,进出发酵罐空气氧浓度molO2/m3,发酵罐装液量m3,微生物比呼吸速率molO2/m3h,微生物活细胞浓度kg/m3,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。,（1）等KLa放大准则计算Q,对高耗氧的生物反应（如酵母和SCP) Q=Q1(V2/V1) (H1/H2)2/3,V2 V1放大罐、试验罐的

12、装液量（m3）,H2 H1放大罐、试验罐的装液量（m）,V2和H2可根据试验罐的V1和H1通过几何相似准则放大,（2）P0/V相等放大准则求Q,通风发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,谷氨酸发酵常用的搅拌转速与通气量,2 通风搅拌用的压缩空气的压强计算,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。P=10HL+aW2/2g(1+)P0P-通风搅拌用的压缩空气压强(Pa)H-被搅拌液体的液柱高度(m)L-被

13、搅拌液体的密度(kg/m3)a-通入空气的密度(kg/m3)W-管道中空气流速(m/s)-总阻力系数P0-液面上的压强(Pa),普通液体搅拌,压强为105Pa的空气消耗量V=kFPF-液体容器的截面积(m2)K-搅拌强度系数,缓和24,中等48,剧烈60-每次搅拌所需时间(h),3 压送液体物料时无菌空气耗量,种液, 灭菌的消泡剂,补料液(尿素,糖液)(1)所需压缩空气的压强PP=10H+W2/2g(1+)P0P-通风搅拌用的压缩空气压强(Pa)H-压送静压高度,即设备间液面垂直距离(m)-被输送液体的密度(kg/m3)W-管道中空气流速(m/s)-总阻力系数P0-液面上的压强(Pa)通常H+

14、W2/2g(1+)=20%50%H,(2)压缩空气消耗量（两种情况）,1）设备中液体一次操作中全部压完V=10-5V0PV1=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-所需压缩空气的压强（Pa）,2）设备中液体部分压出,V=V0（2-)+VLP10-52V=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）,三 实例（12000t/a味精厂发酵车间无菌空气耗量计算）,（一）谷氨酸发

15、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,（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,每日的发酵液量为2620m3二级种液：209.6m3发酵时间：32h发酵周期（含清洗、灭菌）：40h发酵罐公称容积：500m3（10个） 550m3发酵罐装料系数：80%,（三）发酵过程无菌空气用量计算,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。此外，因设备和管路、管件等的消毒吹干以及其他损耗。1、单罐发酵无菌空气耗用量2、种子培养等其

16、他无菌空气耗量3、发酵车间高峰无菌空气消耗量4、发酵车间年耗量,1、单罐发酵无菌空气耗用量,550m3规模的通气搅拌发酵罐的通气速率为0.150.35vvm，取最高值进行计算。1）单罐发酵过程用气量（常压空气） V=55080%0.3560=9240（m3/h） 2）单罐年用气量 Va=V32180=5322240(m3/a）,发酵时间,每年单罐发酵批次,2、种子培养等其他无菌空气耗量,可根据接种量、通气速率、培养时间等进行计算通常的设计习惯：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量的20%。单罐每小时耗气量：V=20%V=1848(m3/h）每年用气量：Va=20%

17、Va8180 =2661120（m3/a）,发酵时间,每年单罐发酵批次,3、发酵车间高峰无菌空气消耗量,Vmax=10V+6V =109240+61848 =103488(m3/h）,单罐发酵过程用气量,种子培养等其他用气量,4、发酵车间年耗量,Vt=10Va+6Va=548190720(m3/a),(四）发酵车间无菌空气单耗,实际味精年产量 G=120000(t/a)发酵车间无菌空气单耗： V0=VtG=4568(m3/t),（五）120000t/a味精厂发酵车间无菌空气衡算表P99表4-20,第六节 抽真空量计算,一、抽真空量计算的意义二、计算的方法和步骤三、计算实例,一 抽真空理计算的意

18、义,真空过滤真空蒸发真空冷却减压浓缩真空干燥真空输送按真空操作分四类：如表4-21按作用原理分类：如表4-22,表4-21 真空操作范围及特性,表4-22 真空设备分类表,二、计算的方法和步骤,明确需抽真空设备的具体操作止的计算确定设备系统的操作真空度确定负荷量对分批操作，要计算抽真空时间设计真空设备的结构和型号规格（真空泵选型）各种抽真空量计算方法,（1）真空冷却器抽真空量计算,真空冷却器内产生二次蒸汽的量W(kg/h）: W=G c（t1-t2）(I-ct2) 待求抽真空量B1（m3/h）: B1=WV= G cV（t1-t2）(I-ct2) 不凝性气体抽出量B2(kg/h）: B2=2.

19、510-5(W+W)+AWW-水喷射泵耗水量（kg/h）A-空气渗漏系数真空冷却器抽真空量B=B1+B2,V二次蒸汽比容,(2) 真空过滤耗真空量,连续操作所需真空量B=F （m3/h）间歇操作所需真空量B= F每天总抽气量Bt= Fn-操作系数，通常取1518F-真空过滤面积（m2）-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,间歇操作，液体视为不可压缩流体每次操作抽真空量B=V(-2.3 lgP)每天：Bt= Bn=nV(-2.3 lgP)抽真空速率B1=B/ =V(-2.3 lgP) /V-需抽真空设备容积（m3） P-设备内残余压强（atm）n-每天操作次数-每

20、次操作时间（h）,（4）抽真空时间与真空泵的选择,一次操作所需的时间为tt=2.3（V/S) lg（P1/P2)抽气速率S:-真空泵选型的重要参数S=2.3（V/t) lg（P1/P2)V-需抽真空设备容积,三 计算实例,淀粉糖化车间常用真空冷却器使100以上的成熟醪迅速冷却到60 的糖化温度。应用真空冷却，糖化液质量高，且可节省大量热能和冷却水。糖化醪从60 冷却30 需较高真空度，目前仍未实用。,（一）蒸煮醪真空冷却器物料流程图,蒸煮醪G1,t1=104.3,W,t=63,G2,t=63,(二）蒸煮醪真空冷却器抽真空量计算,G1=G2+WG1c1t1=G2c2t2+Wi1、真空冷却过程产生

21、的二次蒸汽量W1 W1=G1c1(t2-t1）/（i-c2t2） 二次蒸汽的体积V=Vg W1 2、水喷射真空泵循环水量 W2=W1 （i-cmt4）/cw (t4-t3）,63饱和蒸汽比容为6.743m3/kg,3、抽气量验算,泵吸入蒸汽压力为Ps=22.877kPa（63) 泵工作水压力P1=0.4MPa（排出压力），吸入口P2=0.1MPa.若取系统空气等不凝性气体渗漏量AW1=0.3%W1(1) 应排出的不凝性气体量为Ga Ga= 2.510-5(W1+W2)+AW1,(2)喷射器引射系数 K=0.85 (P1-P2)/(P2-Ps）0.5-1=0.88（3）喷射泵排出的气体量Va Va=KW2/=63.5 (m3/h) 相当于质量流量 Ga=349Va（Ps-Pw）/(273+t4)10-5 =34963.5(22877-8208)/(273+42) 10-5 =10.3 (kg/h)Ga=4.8 (kg/h),