关于发酵工程设计的认知和探讨

摘 要：本文从工程设计角度综合化工工艺、建筑、结构、给排水、电气、暖通、仪表、设备安装专业论述在大容积发酵罐的工程设计理念及灭菌控制。

关键词：发酵；发酵罐；工程设计；灭菌

《化工工艺设计手册》第三版记载了上世纪90年代山东某制药厂氢化可的松由设计25m3发酵罐代替原来15m3发酵罐的改造项目。[1]。从工程设计角度分析，当发酵罐容积达到50m3以上时，设计理念、设计思路都有了独特的体系。以下结合设计过的几个主要发酵项目就在大容积发酵罐的工程设计时的理念作一下论述。

1 发酵工程设计中各个专业的注意事项

1.1 化工工艺专业

第一步：物料平衡计算，能量平衡计算，公用系统管径计算。以165m3发酵罐的项目为例，有以下特点：①发酵罐台数少，容积大，用能集中，很难错峰；②发酵罐控温严格，必须控制在发酵菌生长温度范围之内，不能通过调小阀门平衡整体用能；③设备匹配的实际管径一般要比理论值要大。可以看出，结合单体设备的管径和工艺规程中的生产时间，才能更准确地计算出项目公用系统的总管和支管的管道管径。

第二步：设备选型设计。165m3发酵罐对应服务的二级种子罐、待放罐单体设备质量为30吨及60吨以上，也需要把设备布置在楼板上。这对下一步结构设计要求非常严格。

第三步：带控制点的工艺流程图设计。工艺流程图要求能够体现生产环节每个节点。比如：在空气及需要灭菌管道阀门需要使用抗阀。空气精密过滤后管道至发酵罐弯头采用弯管机现场把管道弯成76度。取样可采用循环取样或通过设计大点的取样管径，避免回流染菌。

第四步：设备布置图设计。发酵项目的核心是种子罐、发酵罐、空气过滤器等以及配套管道的良好灭菌。设计时要考虑到公用系统管道管径大、占空大；考虑到发酵项目散热多、噪音大等特点，要求厂房设计要大空间、大格局，柱网设计、层高设计、房间设计充分考虑以上因素。使厂房满足《建筑设计防火规范》GB 50016-2014的防火分区、疏散距离、封闭楼梯设计等要求。

第五步：配管设计。发酵项目主要有两大区别。一是公用系统蒸汽、循坏水、低温水总管管径大，管道重量及应力大。二是核心的种子罐、发酵罐、空气过滤器等以及配套管道设计要结合带控制点的工艺流程图、设备布置图设备不同位差的信息多次模拟操作设计。

1.2 建筑、结构、给排水、电气、暖通、仪表专业

大多数发酵厂房生产火灾危险类别为丁类，没有泄压面积要求，但因厂房内设备大，遮光明显，发酵厂房一般采用大跨度、大层高、大窗户设计。

发酵项目特点是大荷载楼板承重，这要求结构设计时考虑充分。有的大型设备，如发酵罐、二级种子罐、补充罐、待放罐等，需要先安装就位再依次施工，这要求在图纸中明确注释。

发酵厂房排水点多，为了避免厂房内部异味和潮湿，多以密闭管道排水。发酵厂房跨度较大，尤其厂房一层为满足排水管道坡度需要精心设计。

发酵厂房用电功率较大，变频设备较多，变配电室一般占用面积较大。为了变配电室的良好通风和降温，应尽量避免西晒，选择通风好、方便检修的设计方案。

有的发酵厂房内部配套菌种室或恒温室、净化台时，需要暖通专业净化设计。有的发酵厂房属于高层建筑，厂房需要按防排烟设计，封闭楼梯间需要设计加压送风。

发酵项目自控水平比较高，尤其是种子罐和发酵罐。要求仪表参数要完整、准确。包括公用系统温度、流量、压力的检测和控制及设备的温度、压力、pH的检测及与相关公用系统管道、物料管道阀门的连锁。包括控制室防静电地板设计。包括便于工人巡检时及时观察到关键仪表参数，在醒目的位置设置显示屏。

设备安装专业在发酵项目中与结构专业需要有更紧密的合作。因为包括发酵罐在内的大型设备均为裙座安装方式，这就要求在设备非标设计、设备布置设计、结构设计等不同设计阶段反复确认，保证螺栓孔方位、尺寸万无一失。

2 发酵工程设计中饱和蒸汽的应用

发酵生产强调使用饱和蒸汽。饱和蒸汽热含量较高，热的穿透力大，因此灭菌效力高。过热蒸汽温度高于饱和蒸汽，但穿透力差，灭菌效力低。

发生相变时，汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的顯热。例如：0.6MPa的175℃的过热蒸汽，其比焓是1.186kJ/kg.℃。过热蒸汽在冷凝前必须冷却到0.6MPa下饱和温度165℃。因此1kg过热蒸汽冷却到饱和温度时释放出的热量为：1kg×1.186kJ/kg.℃×（175-165）℃=11.86kJ

而1kg饱和蒸汽在165℃冷凝时释放的汽化潜热为2066kJ/kg。显然，在制程换热应用中，过热蒸汽的过热热焓很小。

3 发酵工程设计中灭菌理念的认识

同一细菌的不同发育阶段对热的抵抗力有所不同，繁殖期对热的抵抗力比衰老时期小的多，细菌芽孢的耐热性更强。细菌数越少，灭菌时间更短。因此，要尽可能减少各工序中微生物对物料的污染，以使初始微生物数在最低的水平。

4 展望

随着发酵产品的丰富和发酵罐容积的变大，做好一个发酵工程设计对设计人员知识面的要求也越来越高，需要在设计过程中结合工程设计规范，需要明白染菌灭菌知识，需要吃透工艺规程逻辑，需要用发酵前瞻性理念来共同指导发酵工程设计。

参考文献：

[1]汪镇安，陆振东，石荣华等.化工工艺设计手册[M].北京：化学工业出版社，2003（2）：70.

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