【压缩机网】大家熟知的生物发酵是一个高能耗生产过程，发酵供氧需通过搅拌和通入无菌空气来达到，培养基消毒加热需要大量的蒸汽，发酵过程中还会产生大量的热能需要通过低温循环水带走。表1是好氧生物发酵装置能源消耗的组成。
压缩空气在发酵过程中的主要作用是通气和搅拌，通气和搅拌的目的是为了给微生物发酵提供足够的溶氧。采用搅拌叶轮可使空气气泡充分破碎，提高气液两相的传质面积和整个罐体的宏观混合，减少罐内的传质死区，提高整罐的供氧能力。
一、发酵空气处理系统
生物发酵用压缩空气站主要为发酵提供菌种培养用代谢空气，生物发酵工艺对所提供的空气性质要求通常为：
要求供气压力：0.18～0.22MPa
露点温度20℃
空气粒径＜2um(过滤效率为＞99.5%)
根据生物发酵工艺对所提供的发酵用压缩空气性质要求，生物发酵用压缩空气生产基本流程通常为（在压缩空气站）：
大气→预空气过滤器→空气压缩机组→后冷却器（初冷）→再冷却器（除水去湿）→气水分离器→室外输送管道→蒸汽加热器→总空气过滤器→分空气过滤器→发酵罐
生物发酵用压缩空气制备是一个系统工程，主要由空压站、室外空气管道和发酵车间三大部分组成。为了保证进入发酵罐的压缩空气的无菌要求，压缩空气需经常无菌过滤。为保证空气过滤器在适合的湿度情况下工作，一般要求进入发酵空气过滤器前的压缩空气升温8～10℃，这就提出了空压站的空气出口温度应在20℃左右的要求；为了减轻发酵车间空气过滤器除去颗粒的负担，因而对空压站的空气处理提出了较高要求。无菌压缩空气制备是一个能耗较大的过程，空气压缩机的出口压力高低与整个系统的设备选型和管路设计有着极大的关系，因而需纵观整个无菌压缩空气制备过程，确定合适的空气压缩机出口压力，以降低能耗。目前，我国大型生物发酵用气的空气压缩机形式大部分为离心式。
二、无菌空气制备系统的构成
根据其工艺流程可知无菌空气制备主要由以下五个部分组成：预空气过滤器、空气压缩机、压缩空气的冷却和分水装置、总空气过滤器、终端高效过滤器。
2.1预空气过滤器的选型
大气在进入空气压缩机组前必须经过预过滤，其主要目的有两个：进入发酵罐前的压缩空气须达到无菌，以防止发酵液染菌。而细菌的存在环境是对尘埃的依附，减少尘埃的数量也即减少细菌的数目，因此，空气过滤是灭菌过滤的初段过滤；生物发酵用离心空气压缩机是高速运转的设备，离心压缩机转速通常在20000r/min左右，为降低离心压缩机叶轮和蜗壳磨损及延长压缩机部件寿命，离心压缩生产厂通常要求进入离心式空气压缩机的大气最大尘埃粒径≤2um(过滤效率>99.5%)。离心式空气压缩机预过滤器主要有以下几种形式：
1)纸质过滤筒+压缩空气反冲装置的箱式过滤器。其优点是结构简单且过滤效率高；缺点是纸筒不能清洗使用寿命短而成本高，一般较少选用。
2)防沙网+板式或油浸式过滤网的土建或轻型钢结构吸气室。其优点是板式过滤网可以清洗（一般不超过四次）；缺点是安装板式过滤器所需要的空间较大，更换和清洗板式过滤器的成本和工作量也较高，一般不推荐。
3)组合型箱式过滤装置，以无纺布或其他同类袋式中效过滤器组合而成。
2.2空气压缩机选型
1)单台空气压缩机容量在40～80m3(标)/min，压缩机的形式可采用离心式空气压缩机；单台空气压缩机容量小于40m3(标)/min，可选用无油螺杆式或无油活塞式空气压缩机；当单台空气压缩机容量不大于1000m3(标)/min，可选用轴流式空气压缩机。同一供气系统，为提高系统的输气系数，离心式空气压缩机的台数不宜超过3台，并宜采用同一型号的离心空气压缩机。
2)根据生物发酵工艺要求（即培养菌种需氧量）来决定空气压缩机的容量。通常，压缩机容量确定依据为，每立方米发酵液需要0.1～1.0m3(标)/min的压缩空气量。
3)空气压缩机出口排气压力的确定主要需考虑下面几部分因素：
A.为防止发酵罐染菌所需的发酵罐保压压力；
B.发酵罐内发酵液的液柱高度所产生的静压；
C.发酵车间内分空气过滤器的压力损失；
D.发酵车间内总空气过滤器的压力损失；
E.发酵车间内空气加热器的压力损失；
F.发酵车间内管路和管件等的压力损失；
G.空压站至发酵车间的管路和管件等的压力损失；
H.空压站内空气冷却器和气水分离器等设备的压力损失；
I.空压站预过滤器阻力降；
J.空压站内空气管路和管件等的压力损失；
K.压缩空气系统的供气压力富余量。
4)由于生物发酵用压缩空气的压力较低，离心空气压缩机的出口排气压力一般在0.18～0.22MPa（表）范围内。建议选用的离心压缩机为二级压缩中间冷却的形式，其初次投资虽较单级离心压缩机大，但二级离心压缩机较单级离心压缩机的运行能耗低及效率高。
5)根据压缩机应提供的流量和压力工作点，尽可能选用能耗比值较大的离心空气压缩机型号。通常，合理的离心压缩机工作点的能耗比值在22m3(标)/kW左右。
6)选用离心式空气压缩机组（包括压缩机、电动机、中级冷却器、油处理系统和控制系统等）的结构要紧凑，噪声和振动要小，控制系统配置要实用，各功能性轴承和轴封配置要合理，润滑油处理系统配置要可靠。为维修方便，齿轮箱尽量选用水平剖分形式，齿轮加工精度的质量等级要达到AGMA Q13级。
2.3压缩空气的冷却和分水装置
从压缩机后冷却器处理的压缩空气进行冷却，目的是为了去除压缩空气中部分水分，使压缩空气的含水量指标即露点温度达到20℃。为保证压缩空气系统空气换热器的传热效率，压缩空气系统的各冷却器（包括中间冷却器、后冷却器、再冷却器和油冷却器等）的冷却塔循环冷却水水质宜做软化和过滤处理。
2.4总空气过滤器
为了延长终端精过滤器的过滤寿命，一般在进入生产车间的压缩空气总管上设置总空气过滤器，该过滤器的设计要求为过滤效率稳定、压降低、纳污量大、使用安全等。其技术参数如下：
过滤效率0,5um阻力降<0.005MPa
2.5空气终端过滤器
空气终端过滤器安装于每台发酵罐空气入口处，一般由空气预过滤器、蒸汽过滤器和粗过滤器成组供应。其工艺流程如下
（1）空气预过滤器可保证终端精过滤器能稳定长期运行，将可能带入的铁屑等微粒予以去除。空气预过滤器的过滤效率为95%～99%（以0.5μm计），压降≤0.005MPa。滤芯材料为超细玻纤滤材，一般不需蒸汽消毒，如有特殊需要，可按通用灭菌蒸汽予以选材。
（2）精过滤器精过滤器一般采用聚四氟乙烯（PTFE）或硼硅酸纤维覆聚四氟乙烯（NB），具有疏水性强、过滤精度高、耐高温、耐腐蚀的特点，过滤效率达99.9999%（以0.01μm计），初始压降<0.005MPa,耐蒸汽消毒温度可达135℃，消毒次数大于150次。
（3）蒸汽过滤器精过滤器宜定期用蒸汽进行消毒灭菌，由于发酵车间的蒸汽管道内可能存在铁屑等异物，将对高精度过滤器带来不利影响，因此必须对进入精过滤器的蒸汽进行过滤。过滤介质采用聚四氟乙烯粉末烧结，过滤精度为1.0μm，具有耐高温、耐腐蚀、可再生处理等特点。
2.6压缩空气输送管道的选型
空压站管道设计的基本原则参照《压缩空气站设计规范》。管道材质为不锈钢，室外压缩空气输送管道宜做防雷接地处理。发酵车间内压缩空气系统设计包括空气加热器、空气总过滤器和各发酵罐预过滤器及终端精过滤器的设计。总空气过滤器后的管道和管件一般均采用不锈钢材料，在总管路上设置清扫、排气和蒸汽消毒设施。
压缩空气的无菌制备，系统中的阻力降与发酵装置的能耗有着密切的关系，所需的无菌压缩空气空压机一般排气压力在0.2MPa左右。如果净化系统每增加0.01MPa阻力降，就相当于增加空压机能耗4%以上，这对大型空压机而言是非常大的电耗数。无菌压缩空气制备系统中的冷却器、加热器、过滤器、管路及其阀门都要经精选择，不但要满足无菌净化要求，还应降低系统的阻力。
三、发酵液及压缩空气的冷却
微生物发酵温度一般在30℃，过高和过低的温度都影响微生物的新陈代谢。工业上一般夏天采用低温水予以冷却，冬天采用循环水冷却。由于低温水制备的冷却过程采用循环水，当冬天来到，循环水水温低于某一特定数值时，停止低温水制备，可利用冷冻站用的循环水来供应发酵装置。对从压缩机后冷却器出来的压缩空气进行冷却，目的是去除压缩空气中部分水分，使压缩空气的含水量指标即露点温度达到20℃。在北方的冬季，循环冷却水温度较低，一般通过调节离心压缩机后冷却器循环冷却水供水量，就能保证离心压缩机后冷却器排气温度达到20℃；在我国南方地区或北方的夏季，循环冷却水温度较高，需要用低温冷冻水通过气—水再冷却器来冷却压缩空气，以达到去湿的目的。需要一组空气再冷却器，一般为立式设置在室外。空气经压缩后冷却器换热面积有限，因而出空气压缩机后冷却器的排气温度通常大于40℃。
为了节约电能，建议通过两级冷媒对压缩空气进行冷却以达到除湿的目的。第一级的冷却冷媒为冷却塔循环冷却水（供水温度为32℃，回水温度为42℃），使出第一级再冷却器的压缩空气排气温度降至40℃；第二级冷却冷媒为制冷机的低温冷冻水（供水温度为11℃，回水温度为16℃），使出第二级再冷却器的压缩空气排气温度降至20℃左右。为保证压缩空气的温度不过低（通常设计温度为18℃）和节约低温冷冻水冷耗量，建议在低温冷冻水出再冷却器的出水管上装设温度控制调节阀。压缩空气再冷却器的结构通常为壳管式气-水换热器形式，通常，气侧的最大设计压力降宜小于1000Pa。为提高气侧换热系数，换热管应采用管内螺旋低肋高效换热铜管。气水分离器为保证出压缩空气再冷却器后压缩空气中的液态水分能充分泄放出来，在压缩空气再冷却后需设置高效气水分离器。在气水分离器内使空气进行涡流运动，改变气流方向，利用扩压降低气流速度和筛网分滤等方法，以去除压缩空气中的饱和液态水分。气水分离器的气侧最大设计压力降宜小于1000Pa。
四、离心式压缩机的几个主要性能指标
额定排气量、额定排气压力、排气温度、能量头（相当于泵的扬程、功率）等。
当一台主压缩机压力不能满足要求时，可以考虑在主压缩机前增设一台，采用串联或者并联操作，还应考虑两者的匹配、性能、操作特点和费用等因素，运行控制方面以消除喘振为宜。
总之，发酵时无菌条件下依靠微生物培养进行的复杂生化过程，需要无菌空气配合发酵，以满足微生物需氧要求，因而空气通入量越大，微生物获得氧可能性越多，空气在培养基停留时间可能增加，有益于微生物利用空气中的氧。
【压缩机网】大家熟知的生物发酵是一个高能耗生产过程，发酵供氧需通过搅拌和通入无菌空气来达到，培养基消毒加热需要大量的蒸汽，发酵过程中还会产生大量的热能需要通过低温循环水带走。表1是好氧生物发酵装置能源消耗的组成。
压缩空气在发酵过程中的主要作用是通气和搅拌，通气和搅拌的目的是为了给微生物发酵提供足够的溶氧。采用搅拌叶轮可使空气气泡充分破碎，提高气液两相的传质面积和整个罐体的宏观混合，减少罐内的传质死区，提高整罐的供氧能力。
一、发酵空气处理系统
生物发酵用压缩空气站主要为发酵提供菌种培养用代谢空气，生物发酵工艺对所提供的空气性质要求通常为：
要求供气压力：0.18～0.22MPa
露点温度20℃
空气粒径＜2um(过滤效率为＞99.5%)
根据生物发酵工艺对所提供的发酵用压缩空气性质要求，生物发酵用压缩空气生产基本流程通常为（在压缩空气站）：
大气→预空气过滤器→空气压缩机组→后冷却器（初冷）→再冷却器（除水去湿）→气水分离器→室外输送管道→蒸汽加热器→总空气过滤器→分空气过滤器→发酵罐
生物发酵用压缩空气制备是一个系统工程，主要由空压站、室外空气管道和发酵车间三大部分组成。为了保证进入发酵罐的压缩空气的无菌要求，压缩空气需经常无菌过滤。为保证空气过滤器在适合的湿度情况下工作，一般要求进入发酵空气过滤器前的压缩空气升温8～10℃，这就提出了空压站的空气出口温度应在20℃左右的要求；为了减轻发酵车间空气过滤器除去颗粒的负担，因而对空压站的空气处理提出了较高要求。无菌压缩空气制备是一个能耗较大的过程，空气压缩机的出口压力高低与整个系统的设备选型和管路设计有着极大的关系，因而需纵观整个无菌压缩空气制备过程，确定合适的空气压缩机出口压力，以降低能耗。目前，我国大型生物发酵用气的空气压缩机形式大部分为离心式。
二、无菌空气制备系统的构成
根据其工艺流程可知无菌空气制备主要由以下五个部分组成：预空气过滤器、空气压缩机、压缩空气的冷却和分水装置、总空气过滤器、终端高效过滤器。
2.1预空气过滤器的选型
大气在进入空气压缩机组前必须经过预过滤，其主要目的有两个：进入发酵罐前的压缩空气须达到无菌，以防止发酵液染菌。而细菌的存在环境是对尘埃的依附，减少尘埃的数量也即减少细菌的数目，因此，空气过滤是灭菌过滤的初段过滤；生物发酵用离心空气压缩机是高速运转的设备，离心压缩机转速通常在20000r/min左右，为降低离心压缩机叶轮和蜗壳磨损及延长压缩机部件寿命，离心压缩生产厂通常要求进入离心式空气压缩机的大气最大尘埃粒径≤2um(过滤效率>99.5%)。离心式空气压缩机预过滤器主要有以下几种形式：
1)纸质过滤筒+压缩空气反冲装置的箱式过滤器。其优点是结构简单且过滤效率高；缺点是纸筒不能清洗使用寿命短而成本高，一般较少选用。
2)防沙网+板式或油浸式过滤网的土建或轻型钢结构吸气室。其优点是板式过滤网可以清洗（一般不超过四次）；缺点是安装板式过滤器所需要的空间较大，更换和清洗板式过滤器的成本和工作量也较高，一般不推荐。
3)组合型箱式过滤装置，以无纺布或其他同类袋式中效过滤器组合而成。
2.2空气压缩机选型
1)单台空气压缩机容量在40～80m3(标)/min，压缩机的形式可采用离心式空气压缩机；单台空气压缩机容量小于40m3(标)/min，可选用无油螺杆式或无油活塞式空气压缩机；当单台空气压缩机容量不大于1000m3(标)/min，可选用轴流式空气压缩机。同一供气系统，为提高系统的输气系数，离心式空气压缩机的台数不宜超过3台，并宜采用同一型号的离心空气压缩机。
2)根据生物发酵工艺要求（即培养菌种需氧量）来决定空气压缩机的容量。通常，压缩机容量确定依据为，每立方米发酵液需要0.1～1.0m3(标)/min的压缩空气量。
3)空气压缩机出口排气压力的确定主要需考虑下面几部分因素：
A.为防止发酵罐染菌所需的发酵罐保压压力；
B.发酵罐内发酵液的液柱高度所产生的静压；
C.发酵车间内分空气过滤器的压力损失；
D.发酵车间内总空气过滤器的压力损失；
E.发酵车间内空气加热器的压力损失；
F.发酵车间内管路和管件等的压力损失；
G.空压站至发酵车间的管路和管件等的压力损失；
H.空压站内空气冷却器和气水分离器等设备的压力损失；
I.空压站预过滤器阻力降；
J.空压站内空气管路和管件等的压力损失；
K.压缩空气系统的供气压力富余量。
4)由于生物发酵用压缩空气的压力较低，离心空气压缩机的出口排气压力一般在0.18～0.22MPa（表）范围内。建议选用的离心压缩机为二级压缩中间冷却的形式，其初次投资虽较单级离心压缩机大，但二级离心压缩机较单级离心压缩机的运行能耗低及效率高。
5)根据压缩机应提供的流量和压力工作点，尽可能选用能耗比值较大的离心空气压缩机型号。通常，合理的离心压缩机工作点的能耗比值在22m3(标)/kW左右。
6)选用离心式空气压缩机组（包括压缩机、电动机、中级冷却器、油处理系统和控制系统等）的结构要紧凑，噪声和振动要小，控制系统配置要实用，各功能性轴承和轴封配置要合理，润滑油处理系统配置要可靠。为维修方便，齿轮箱尽量选用水平剖分形式，齿轮加工精度的质量等级要达到AGMA Q13级。
2.3压缩空气的冷却和分水装置
从压缩机后冷却器处理的压缩空气进行冷却，目的是为了去除压缩空气中部分水分，使压缩空气的含水量指标即露点温度达到20℃。为保证压缩空气系统空气换热器的传热效率，压缩空气系统的各冷却器（包括中间冷却器、后冷却器、再冷却器和油冷却器等）的冷却塔循环冷却水水质宜做软化和过滤处理。
2.4总空气过滤器
为了延长终端精过滤器的过滤寿命，一般在进入生产车间的压缩空气总管上设置总空气过滤器，该过滤器的设计要求为过滤效率稳定、压降低、纳污量大、使用安全等。其技术参数如下：
过滤效率0,5um阻力降<0.005MPa
2.5空气终端过滤器
空气终端过滤器安装于每台发酵罐空气入口处，一般由空气预过滤器、蒸汽过滤器和粗过滤器成组供应。其工艺流程如下
（1）空气预过滤器可保证终端精过滤器能稳定长期运行，将可能带入的铁屑等微粒予以去除。空气预过滤器的过滤效率为95%～99%（以0.5μm计），压降≤0.005MPa。滤芯材料为超细玻纤滤材，一般不需蒸汽消毒，如有特殊需要，可按通用灭菌蒸汽予以选材。
（2）精过滤器精过滤器一般采用聚四氟乙烯（PTFE）或硼硅酸纤维覆聚四氟乙烯（NB），具有疏水性强、过滤精度高、耐高温、耐腐蚀的特点，过滤效率达99.9999%（以0.01μm计），初始压降<0.005MPa,耐蒸汽消毒温度可达135℃，消毒次数大于150次。
（3）蒸汽过滤器精过滤器宜定期用蒸汽进行消毒灭菌，由于发酵车间的蒸汽管道内可能存在铁屑等异物，将对高精度过滤器带来不利影响，因此必须对进入精过滤器的蒸汽进行过滤。过滤介质采用聚四氟乙烯粉末烧结，过滤精度为1.0μm，具有耐高温、耐腐蚀、可再生处理等特点。
2.6压缩空气输送管道的选型
空压站管道设计的基本原则参照《压缩空气站设计规范》。管道材质为不锈钢，室外压缩空气输送管道宜做防雷接地处理。发酵车间内压缩空气系统设计包括空气加热器、空气总过滤器和各发酵罐预过滤器及终端精过滤器的设计。总空气过滤器后的管道和管件一般均采用不锈钢材料，在总管路上设置清扫、排气和蒸汽消毒设施。
压缩空气的无菌制备，系统中的阻力降与发酵装置的能耗有着密切的关系，所需的无菌压缩空气空压机一般排气压力在0.2MPa左右。如果净化系统每增加0.01MPa阻力降，就相当于增加空压机能耗4%以上，这对大型空压机而言是非常大的电耗数。无菌压缩空气制备系统中的冷却器、加热器、过滤器、管路及其阀门都要经精选择，不但要满足无菌净化要求，还应降低系统的阻力。
三、发酵液及压缩空气的冷却
微生物发酵温度一般在30℃，过高和过低的温度都影响微生物的新陈代谢。工业上一般夏天采用低温水予以冷却，冬天采用循环水冷却。由于低温水制备的冷却过程采用循环水，当冬天来到，循环水水温低于某一特定数值时，停止低温水制备，可利用冷冻站用的循环水来供应发酵装置。对从压缩机后冷却器出来的压缩空气进行冷却，目的是去除压缩空气中部分水分，使压缩空气的含水量指标即露点温度达到20℃。在北方的冬季，循环冷却水温度较低，一般通过调节离心压缩机后冷却器循环冷却水供水量，就能保证离心压缩机后冷却器排气温度达到20℃；在我国南方地区或北方的夏季，循环冷却水温度较高，需要用低温冷冻水通过气—水再冷却器来冷却压缩空气，以达到去湿的目的。需要一组空气再冷却器，一般为立式设置在室外。空气经压缩后冷却器换热面积有限，因而出空气压缩机后冷却器的排气温度通常大于40℃。
为了节约电能，建议通过两级冷媒对压缩空气进行冷却以达到除湿的目的。第一级的冷却冷媒为冷却塔循环冷却水（供水温度为32℃，回水温度为42℃），使出第一级再冷却器的压缩空气排气温度降至40℃；第二级冷却冷媒为制冷机的低温冷冻水（供水温度为11℃，回水温度为16℃），使出第二级再冷却器的压缩空气排气温度降至20℃左右。为保证压缩空气的温度不过低（通常设计温度为18℃）和节约低温冷冻水冷耗量，建议在低温冷冻水出再冷却器的出水管上装设温度控制调节阀。压缩空气再冷却器的结构通常为壳管式气-水换热器形式，通常，气侧的最大设计压力降宜小于1000Pa。为提高气侧换热系数，换热管应采用管内螺旋低肋高效换热铜管。气水分离器为保证出压缩空气再冷却器后压缩空气中的液态水分能充分泄放出来，在压缩空气再冷却后需设置高效气水分离器。在气水分离器内使空气进行涡流运动，改变气流方向，利用扩压降低气流速度和筛网分滤等方法，以去除压缩空气中的饱和液态水分。气水分离器的气侧最大设计压力降宜小于1000Pa。
四、离心式压缩机的几个主要性能指标
额定排气量、额定排气压力、排气温度、能量头（相当于泵的扬程、功率）等。
当一台主压缩机压力不能满足要求时，可以考虑在主压缩机前增设一台，采用串联或者并联操作，还应考虑两者的匹配、性能、操作特点和费用等因素，运行控制方面以消除喘振为宜。
总之，发酵时无菌条件下依靠微生物培养进行的复杂生化过程，需要无菌空气配合发酵，以满足微生物需氧要求，因而空气通入量越大，微生物获得氧可能性越多，空气在培养基停留时间可能增加，有益于微生物利用空气中的氧。
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