發(fā)酵罐用攪拌設(shè)備的防染菌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃志堅(jiān)，鄒晨，吳亮，謝明輝

（浙江長(zhǎng)城減速機(jī)有限公司，浙江溫州 325019）

發(fā)酵罐用攪拌設(shè)備的防染菌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃志堅(jiān)，鄒晨，吳亮，謝明輝

（浙江長(zhǎng)城減速機(jī)有限公司，浙江溫州 325019）

發(fā)酵過(guò)程中染菌問(wèn)題嚴(yán)重影響生產(chǎn)和效價(jià)比。發(fā)酵攪拌設(shè)備是發(fā)酵過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備之一，攪拌設(shè)備的好壞直接影響發(fā)酵產(chǎn)品的成敗。通過(guò)對(duì)攪拌設(shè)備可能存在的染菌分析，分別從密封、釜內(nèi)聯(lián)軸器、攪拌器、中間軸承以及底軸承等方面進(jìn)行了改進(jìn)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中獲得了比較好的效果。

發(fā)酵；染菌；原因分析；攪拌設(shè)備；改進(jìn)措施

發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程大多為純培養(yǎng)過(guò)程，需要在無(wú)雜菌污染的環(huán)境下進(jìn)行。發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的操作比較多，特別是好氧發(fā)酵過(guò)程，既要供給無(wú)菌空氣，又要排放尾氣，過(guò)程中需要添加消泡劑、 補(bǔ)充培養(yǎng)基、定時(shí)取樣分析及不斷改變通氣量等，通入的氣體通過(guò)攪拌來(lái)分散，補(bǔ)入的物料通過(guò)攪拌來(lái)混合均勻。這些操作都有可能造成發(fā)酵生產(chǎn)的染菌。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下要做到完全不染菌是比較困難的，據(jù)報(bào)道國(guó)內(nèi)青霉素發(fā)酵染菌率為2 %，谷氨酸發(fā)酵噬菌體感染率為1 %～2 %，鏈霉素、紅霉素、四環(huán)素發(fā)酵的染菌率為5 %。染菌對(duì)發(fā)酵過(guò)程有重大影響，進(jìn)而影響到發(fā)酵產(chǎn)率、 提取率、得率、產(chǎn)品質(zhì)量、三廢處理等。近年來(lái)，中國(guó)生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步增長(zhǎng)，主要生物發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)量從2011年的22 300 kt增長(zhǎng)到2013年的24 290 kt，年總產(chǎn)值接近3 000億元，生物發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)量居世界第一[1]。如果按照產(chǎn)品的染菌率為1 %算，每年也會(huì)損失掉近30億元。

田孝俊等[2]總結(jié)認(rèn)為谷氨酸發(fā)酵過(guò)程中染菌的方式有：

（1）培養(yǎng)基或其他物料滅菌不徹底占總?cè)揪实? %；

（2）設(shè)備不完善造成的染菌占總?cè)揪实?7 %；

（3）空氣系統(tǒng)染菌占總?cè)揪实?5 %左右；

（4）菌種本身帶有雜菌或在分純過(guò)程中染菌，占總?cè)揪实?%左右；

（5）其他不明原因，占總?cè)揪实?0%左右。

劉利[3]通過(guò)對(duì)L-賴氨酸發(fā)酵車間染菌情況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以及現(xiàn)場(chǎng)跟蹤調(diào)查分析染菌原因，認(rèn)為主要有設(shè)備不完善、空氣系統(tǒng)漏洞、菌種培養(yǎng)及接種、發(fā)酵空間環(huán)境和員工操作失誤等五大因素。因此要從根本上減少發(fā)酵染菌，應(yīng)著重從設(shè)備、空氣和員工操作技術(shù)培訓(xùn)方面入手。

設(shè)備是發(fā)酵生產(chǎn)的基礎(chǔ)，設(shè)備的狀況好壞直接影響到發(fā)酵的染菌率，無(wú)論是傳動(dòng)設(shè)備，還是靜止設(shè)備，以及整個(gè)物料、種子、滅菌空氣系統(tǒng)的所有管閥有關(guān)死角、積料、積垢和泄漏，均有可能引起染菌。因此消除設(shè)備的跑、冒、滴、漏，是設(shè)備上防止發(fā)酵染菌的主要措施[4]。攪拌傳動(dòng)設(shè)備是發(fā)酵設(shè)備的主要部件之一，攪拌設(shè)備可能造成的染菌途徑有：① 軸封密封不嚴(yán)，罐內(nèi)不穩(wěn)定形成負(fù)壓，外界空氣進(jìn)入罐內(nèi)引起染菌，同樣存在潤(rùn)滑液的時(shí)候，潤(rùn)滑液也有可能進(jìn)入罐內(nèi)而引起染菌；② 釜內(nèi)連接件、內(nèi)構(gòu)件存在滅菌死角。對(duì)于如何判斷是否是由于攪拌設(shè)備的不完善造成的染菌， 可以從以下幾方面進(jìn)行分析判斷：如果是安裝或使用不當(dāng)?shù)纫蛩貙?dǎo)致發(fā)酵罐軸封密封不嚴(yán)，泄漏程度可以從消罐時(shí)蒸汽外泄量進(jìn)行判斷[5]。早期染菌，很可能是由于種子帶雜菌，操作不當(dāng)，培養(yǎng)基或設(shè)備滅菌不徹底所致。染有耐熱性芽孢桿菌，多數(shù)是由于培養(yǎng)基滅菌不徹底或設(shè)備存在死角所致。個(gè)別發(fā)酵罐連續(xù)發(fā)生染菌，多數(shù)是由于設(shè)備問(wèn)題造成的，如閥門的滲漏、罐體的破損或法蘭墊片老化等。設(shè)備的腐蝕磨損所引起的染菌會(huì)出現(xiàn)每批發(fā)酵的染菌時(shí)間向前推移的現(xiàn)象[6]。

近年來(lái)，發(fā)酵攪拌設(shè)備的進(jìn)步對(duì)制藥發(fā)酵的作用是有目共睹的，攪拌器的設(shè)計(jì)更新?lián)Q代也很快，發(fā)酵罐的體積也越做越大，染菌對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是致命的，輕則效價(jià)下降，產(chǎn)能低下，嚴(yán)重的更是引發(fā)倒罐，對(duì)制藥企業(yè)產(chǎn)生不可估量的損失。我公司在八十年代開(kāi)始介入制藥發(fā)酵攪拌的設(shè)計(jì)，為國(guó)內(nèi)各大藥企提供攪拌設(shè)備，并在與客戶交流及現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題分析中發(fā)現(xiàn)了一些攪拌產(chǎn)生染菌問(wèn)題的原因，并組織技術(shù)力量進(jìn)行改進(jìn)，取得了良好的效益，現(xiàn)將這些改進(jìn)歸納總結(jié)如下。

1 機(jī)械密封的改進(jìn)

發(fā)酵罐的密封性不好，很容易導(dǎo)致空氣或者潤(rùn)滑液進(jìn)入罐內(nèi)而引起染菌。國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)普遍采用機(jī)械密封來(lái)提高密封性能，為了進(jìn)一步防止?jié)櫥盒孤┑焦迌?nèi)，我公司開(kāi)發(fā)了開(kāi)式干磨結(jié)構(gòu)的發(fā)酵專用機(jī)封，該設(shè)計(jì)采用干磨代替了液體潤(rùn)滑，從而防止了潤(rùn)滑液進(jìn)入罐內(nèi)產(chǎn)生染菌的問(wèn)題，并且該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易滅菌，見(jiàn)圖1。

圖1 改進(jìn)前后發(fā)酵用的機(jī)械密封Fig.1 The mechanical seals used for fermentation before and after the improvement

2 釜內(nèi)聯(lián)軸器的改進(jìn)

對(duì)于發(fā)酵罐釜內(nèi)零部件來(lái)講，越簡(jiǎn)單、越容易清洗越好，對(duì)于攪拌軸，小型發(fā)酵罐，可以是單根軸（無(wú)聯(lián)軸器），但對(duì)大罐而言，一根整軸可能有15 m，考慮到安裝、拆卸、運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題，需要釜內(nèi)有聯(lián)軸器。釜內(nèi)聯(lián)軸器一般有兩種形式，一是普通鑄造的夾殼聯(lián)軸器，但鑄件有疏松縮孔等鑄造缺陷，且表面粗糙，這樣容易積料、且清洗不干凈，有可能造成染菌。我們將其改為鍛打式夾殼，再拋光處理，明顯改善了這一環(huán)節(jié)。另一種是焊接法蘭式聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器有原化工部的標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖2 a），這種標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器并不適用發(fā)酵，原因是下法蘭凹面是一個(gè)碗形積料處，物料能夠進(jìn)入但出不來(lái)，形成死角后滅菌滅不到，在發(fā)酵過(guò)程中，多次被檢出芽苞桿菌。而我們的改進(jìn)方法是將上下法蘭倒置，消除碗形池，法蘭凸凹面間隙很?。ㄒ?jiàn)圖2 b），并在法蘭上設(shè)計(jì)“O”型圈，另外對(duì)安裝螺紋孔做開(kāi)槽處理，又可將螺栓孔中的積料問(wèn)題解決。

圖2 改進(jìn)前后的法蘭Fig.2 The shaft flanges before and after the improvement

3 攪拌器的改進(jìn)

對(duì)于攪拌傳動(dòng)的攪拌器設(shè)計(jì)我們也做了一些改進(jìn)：

（1）攪拌器能制作成整體的盡量做成整體，以減少過(guò)多的連接。

（2）由于考慮到安裝等原因，必須用螺栓連接的，我們進(jìn)行了如下的改進(jìn)：① 如果一個(gè)攪拌器采用對(duì)開(kāi)式可以安裝，我們一般將攪拌器做對(duì)開(kāi)式設(shè)計(jì)（如圖3），無(wú)葉片連接螺栓；② 對(duì)開(kāi)式還不能安裝的，攪拌葉片需為可拆式，安裝孔采用鉸制孔，以盡量減少積料空間；③ 對(duì)攪拌器的安裝螺紋孔開(kāi)防積料槽。

圖3 改進(jìn)后的攪拌器Fig.3 The impeller after the improvement

4 中間軸承和底軸承的改進(jìn)

發(fā)酵罐攪拌設(shè)計(jì)中罐內(nèi)輔助支承是普遍存在的，目前主要有槽鋼式與底軸承。原有的槽鋼式中間軸承主要由軸承座、軸套、軸瓦、安裝底板、槽鋼架、支承板等組成，存在的主要問(wèn)題是螺栓連接位置多，可能積料的位置多（見(jiàn)圖4 a）。改進(jìn)后，軸承座與連接板成為一個(gè)整體，采用精密鑄造，另外對(duì)螺栓孔開(kāi)槽，安裝底板內(nèi)長(zhǎng)形孔改為通孔，槽鋼上通孔改成長(zhǎng)形孔（調(diào)節(jié)用），另外槽鋼兩頭原螺栓連接的改為焊接式（見(jiàn)圖4 b）。以前的底軸承主要結(jié)構(gòu)與中間軸承比較相似，也存在積料區(qū)，我公司經(jīng)過(guò)研究后，將軸套劃分成3塊，每塊之間是分開(kāi)的，并且將螺母換成了蓋形螺母，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)明顯減少了死角（見(jiàn)圖5）。

圖4 改進(jìn)前后的中間軸承Fig.4 The middle bearings before and after the improvement

圖5 改進(jìn)前后的底軸承Fig.5 The base bearings before and after the improvement

5 總結(jié)

按照以上方式對(duì)發(fā)酵罐的攪拌傳動(dòng)裝置進(jìn)行改進(jìn)后，解決了部分染菌問(wèn)題，也給一些發(fā)酵企業(yè)帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)效益，但是發(fā)酵染菌問(wèn)題是非常復(fù)雜的，影響的因素較多，需要統(tǒng)籌考慮設(shè)備、空氣系統(tǒng)、環(huán)境因素和員工操作技能等多方面的因素。在實(shí)際的發(fā)酵過(guò)程，應(yīng)該對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)都十分重視和小心，做到預(yù)防為主，補(bǔ)救為輔，把損失控制到最小。在實(shí)踐中不斷地積累和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，探索改進(jìn)的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]石維忱， 關(guān)丹， 盧濤.中國(guó)生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J].精細(xì)與專用化學(xué)品， 2014（09）：7-11.

[2]田孝俊， 張路軍， 任偉.谷氨酸發(fā)酵染菌的原因分析[J].發(fā)酵科技通信， 2004， 33（3）.

[3]劉利.L-賴氨酸發(fā)酵過(guò)程染菌的途徑與分析[J].糧食與食品工業(yè)， 2014 ， 21（4）：66-69.

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Structural Design for Protection of Bacteria-infection Existed in Mixing Equipment for Fermentation

Huang Zhijian, Zou Cheng, Wu Liang, Xie Minghui
（Zhejiang Great Wall Drive Co., Ltd, Zhejiang Wenzhou 325019）

In ferment process, the existence of bacteria-infection seriously affects production and the ratio of efficiency and cost.However, mixing equipment is one of the key equipment in ferment process, it directly affect the quality of products.In this article, through analysis of the bacteria-infection possibly existed in mixing equipment, the improvement of components, including seal, coupling, impeller, middle and bottom bearing, were carried out.Good effects have been obtained in practice.

fermentation; bacteria-infection; cause analysis; mixing equipment; improving measure

TQ 051.7

：A

：2095-817X（2015）05-0056-005

2015-05-22

黃志堅(jiān)（1968—），高級(jí)工程師，主要從事攪拌傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)。