旋流混合器用于發(fā)酵罐節(jié)能改造

陸寧洲，岑文學(xué)，陸飛浩

（1.寧波星邦生化設(shè)備有限公司，寧波 315506；2.寧波浩邦生物技術(shù)有限公司，寧波 315040）

在好氣性發(fā)酵中，發(fā)酵液中的供氧濃度是發(fā)酵過程中的需要調(diào)節(jié)控制的一個(gè)重要參數(shù)，氧供應(yīng)的不足可能導(dǎo)致細(xì)胞代謝轉(zhuǎn)向不需的化合物的產(chǎn)生[1]，或可能引起生產(chǎn)不可彌補(bǔ)的損失，調(diào)節(jié)通氣和攪拌可影響微生物發(fā)酵代謝途經(jīng)、發(fā)酵周期的長短和有效代謝物產(chǎn)率的高低，因此在培養(yǎng)過程中有效和經(jīng)濟(jì)地供氧控制是極其重要的。

發(fā)酵罐的進(jìn)氣裝置對(duì)發(fā)酵液溶解氧水平有著十分重要的影響，常見的進(jìn)氣分布裝置有直通式、傘罩式、小孔盤管式、射流管式[2]。筆者通過近年來對(duì)節(jié)能發(fā)酵罐的深入研究，開發(fā)了新型發(fā)酵罐進(jìn)氣裝置——旋流混合器，該設(shè)備裝置已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)，并在發(fā)酵行業(yè)推廣使用，提高了發(fā)酵液溶解氧的濃度，在生產(chǎn)穩(wěn)定性、生產(chǎn)操控性，節(jié)能降耗方面，取得了顯著效果。本文介紹了旋流混合器的原理與特點(diǎn)，并著重就氨基酸和維生素發(fā)酵罐改造的兩個(gè)實(shí)例分別作具體論述。

1 旋流混合器原理與特點(diǎn)

旋流混合器的基本原理是利用發(fā)酵罐進(jìn)口壓縮空氣本身的壓力，在轉(zhuǎn)化為相當(dāng)高速旋流的過程中，產(chǎn)生對(duì)周邊流體的吸附帶動(dòng)作用，如圖1 所示。

旋流混合器包含內(nèi)外殼體，空氣從內(nèi)殼體中心進(jìn)入，經(jīng)過殼體內(nèi)部的渦旋葉片導(dǎo)流成相當(dāng)高速旋流，同時(shí)吸引發(fā)酵液從內(nèi)外殼體之間的中心間隙進(jìn)入，氣體液體在旋流通道中動(dòng)態(tài)混合乳化后呈旋流狀噴出外殼體周向邊緣。

旋流混合器具有如下特點(diǎn)：

（1）罐底氣液混合充分，氣泡直徑小呈乳化狀態(tài)，空氣利用率和溶解氧高。

（2）結(jié)構(gòu)簡潔流暢無死角，不易結(jié)垢、不染菌。

（3）剪切作用小，對(duì)生產(chǎn)菌機(jī)械損傷小。

（4）空氣壓損低，對(duì)進(jìn)罐壓力要求低，幾乎不增加空壓機(jī)電耗。

圖1 旋流混合器

2 某大型制藥企業(yè)150 m3 氨基酸發(fā)酵罐節(jié)能改造

2.1 原有發(fā)酵罐進(jìn)氣裝置

該企業(yè)原有150 m3氨基酸發(fā)酵罐采用射流管式空氣分布裝置。

2.1.1 射流管式分布器原理

圖2 射流管式分布器

如圖2 所示，空氣通入發(fā)酵罐后與設(shè)置在底部的環(huán)形管連接，在環(huán)形管上裝有多個(gè)射流管，各射流管呈一定角度、圍繞發(fā)酵罐中心軸線上下均布，壓縮空氣利用本身的壓力轉(zhuǎn)變成高速射流，吸引周邊發(fā)酵液與之混合成氣液兩相乳化液。在壓頭高、推動(dòng)力充足的情況下，該射流管式分布裝置對(duì)增加溶解氧有較為理想的效果。

2.1.2 射流管式分布器存在問題

從使用效果來看，射流管式分布器對(duì)空氣壓力要求較高，一方面增加了空壓機(jī)電耗，另一方面事實(shí)上在實(shí)際生產(chǎn)中由于空氣推動(dòng)力及管路負(fù)載阻力原因，射流管內(nèi)空氣流速難以達(dá)到設(shè)計(jì)射流值，因此氣液乳化混合效果受到影響。

從生產(chǎn)操作上看，由于射流管本身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，連接節(jié)點(diǎn)多，易積料造成滅菌不徹底；為確保生產(chǎn)安全，設(shè)備清洗時(shí)，經(jīng)常需要將每個(gè)射流管拆卸下來單獨(dú)清洗，增加了檢修維護(hù)的工作量，因此射流管式分布器，容易出現(xiàn)染菌現(xiàn)象。原分布器的不足，促使我們對(duì)空氣進(jìn)氣裝置進(jìn)行改造。

另外，就射流混合原理本身而言，由于流速很大，相應(yīng)剪切作用增大，對(duì)一些生產(chǎn)菌如霉菌等絲狀微生物及某些桿菌會(huì)產(chǎn)生剪切損傷，影響菌體生長，使發(fā)酵周期延長，因而對(duì)于某些發(fā)酵產(chǎn)品不宜使用[3]。

2.2 氨基酸發(fā)酵罐改造的實(shí)施

由于旋流混合器具有攪拌器的作用，改造時(shí)可優(yōu)化攪拌器的設(shè)置。在保留原來罐底導(dǎo)流筒的同時(shí)，將原來罐底射流管式分布器拆除，在發(fā)酵罐底部安裝旋流混合器，并把原先的中上檔六彎葉攪拌改成四葉下推式攪拌，底部六葉拋物線型攪拌器改為四葉軸流下壓式攪拌器，物料流向改原來發(fā)酵罐中心（導(dǎo)流筒內(nèi)）向上為發(fā)酵罐中心向下，在保證徑向氣液混合的同時(shí)以增強(qiáng)罐體軸向混合，如圖3 所示。

2.3 氨基酸發(fā)酵罐改造結(jié)果

2.3.1 發(fā)酵參數(shù)變化（表1）

表1 節(jié)能改造前后參數(shù)對(duì)比表

圖3 某氨基酸發(fā)酵罐旋流混合器改造前后

2.3.2 根據(jù)發(fā)酵情況評(píng)估及參數(shù)變化得出改造結(jié)果

（1）發(fā)酵過程溶解氧得到大幅度提高。

（2）發(fā)酵罐攪拌電機(jī)電流較大下降。

（3）風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大，風(fēng)阻小，最大通風(fēng)量提高。

（4）發(fā)酵單位（產(chǎn)物）提升。

（5）料液混合均勻，發(fā)酵罐內(nèi)液面比較平穩(wěn)。

3 某大型制藥企業(yè)200 m3 維生素發(fā)酵罐節(jié)能改造

3.1 原有發(fā)酵罐進(jìn)氣裝置

該企業(yè)原有200 m3維生素發(fā)酵罐采用小孔盤管式空氣分布裝置，如圖4。機(jī)械攪拌采用進(jìn)口萊寧攪拌系統(tǒng)，上部三葉推進(jìn)式攪拌，下部六葉半圓型攪拌葉輪的形式。

小孔盤管式分布器存在問題：小孔盤管式分布器結(jié)構(gòu)較為簡單，氣液混合作用較弱，使得發(fā)酵罐內(nèi)溶氧量不高。運(yùn)行時(shí)從試鏡觀察，時(shí)有大鼓泡生成，液面不平穩(wěn)，空氣中氧未被充分利用。

3.2 維生素發(fā)酵罐改造的實(shí)施

（1）將底部小孔盤管式分布器改成旋流混合器。由于該發(fā)酵罐底部布置有底軸承，因而該旋流混合器需特殊設(shè)計(jì)，中部設(shè)空腔來為罐底軸承留出空間。

圖4 小孔盤管式分布器

（2）降低攪拌軸轉(zhuǎn)速。

（3）初次實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)原工藝配置下即使降低攪拌軸轉(zhuǎn)速，溶氧量依然過高，對(duì)提高單位產(chǎn)量不利。后將底檔六葉半圓型攪拌葉去掉三葉，改成三葉半圓型攪拌葉輪，經(jīng)調(diào)試后取得滿意效果。改造方案如圖5 所示。

3.3 維生素發(fā)酵罐改造結(jié)果

（1）溶氧水平顯著提高。

（2）發(fā)酵罐攪拌電流下降5%～15%。

（3）發(fā)酵罐運(yùn)行時(shí)液面平穩(wěn)，無明顯鼓泡產(chǎn)生。

（4）消泡劑用量減少1/3 左右。

（5）發(fā)酵單位有所提高，產(chǎn)量高于改造前。

圖5 某維生素發(fā)酵罐旋流混合器改造前后

4 結(jié)束語

4.1 旋流混合器在氨基酸和維生素產(chǎn)品發(fā)酵罐節(jié)能改造中效果顯著、提高溶解氧和發(fā)酵產(chǎn)物單位、降低能耗、穩(wěn)定生產(chǎn)、清洗簡便、降低了染菌的隱患、取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)一步驗(yàn)證了旋流混合器在好氣性發(fā)酵行業(yè)的潛在應(yīng)用價(jià)值。

4.2 通過實(shí)際應(yīng)用得出，旋流混合器除了發(fā)揮進(jìn)氣分布作用外，事實(shí)上還可起到底檔攪拌的作用，促進(jìn)罐體發(fā)酵液徑向和軸向循環(huán)，因而可在氣升式發(fā)酵罐內(nèi)安裝使用[4]。若在機(jī)械攪拌罐中改造，合理設(shè)計(jì)導(dǎo)流筒，優(yōu)化攪拌布置，旋流混合器亦能使發(fā)酵罐效能大幅提高。

[1] 梅樂和，姚善涇,等. 生化生產(chǎn)工藝學(xué) [M] 北京：科學(xué)出版社，2001.

[2] 陸飛浩，岑文學(xué). 旋流混合器在好氣性發(fā)酵中的應(yīng)用 [J]，發(fā)酵科技通訊，2012, 41(1):47～48.

[3] 周建，王軍峰, 等，剪切力對(duì)必特螺旋霉素發(fā)酵的影響 [J]，食品與藥品，2008，10(1):18～21.

[4] 陸飛浩，岑文學(xué). 發(fā)酵空氣過程控制與節(jié)能 [J]，發(fā)酵科技通訊，2013, 42(4):50-53.