1 250 m3超大型氨基酸發(fā)酵罐的開發(fā)與運(yùn)用

孫效東，喬曉明

（1.武威榮華工貿(mào)有限公司，甘肅武威733000；2.武威市工業(yè)企業(yè)人才服務(wù)中心，甘肅武威733000）

1 250 m3超大型氨基酸發(fā)酵罐的開發(fā)與運(yùn)用

孫效東1，喬曉明2

（1.武威榮華工貿(mào)有限公司，甘肅武威733000；2.武威市工業(yè)企業(yè)人才服務(wù)中心，甘肅武威733000）

1 250 m3超大型發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)改進(jìn)定位在超大型、集約化、自動(dòng)化的較高層次上，解決了發(fā)酵罐換熱面積不足、攪拌力不足等問題，適應(yīng)了大規(guī)模生產(chǎn)需求，提高了發(fā)酵罐的產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率。對超大型發(fā)酵罐罐體設(shè)計(jì)和選材、冷卻裝置、傳動(dòng)攪拌裝置、配套空壓機(jī)的選用等方面進(jìn)行了具體論述。

超大型；高效；節(jié)能；發(fā)酵

近年來隨著生化技術(shù)的提高和生化產(chǎn)品需求量的不斷增加，對發(fā)酵罐的大型化、節(jié)能和高效提出了越來越高的要求。目前國際抗生素發(fā)酵罐的容積以80～200 m3為主，而生產(chǎn)氨基酸、檸檬酸較普遍使用150～400 m3發(fā)酵罐，美國ADM公司賴氨酸發(fā)酵罐的容積為105u.s.gal，折合公稱容積為380 m3.。發(fā)酵是在無菌空氣通入（或厭氧）條件下進(jìn)行的復(fù)雜生化過程，也可稱為在通氣條件下純種浸沒培養(yǎng)過程，因而發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)，不僅僅是單體設(shè)備的設(shè)計(jì)，還涉及培養(yǎng)基滅菌、無菌空氣的制備、發(fā)酵過程的控制和工藝管道配置的系統(tǒng)工程。20世紀(jì)90年代后，國內(nèi)發(fā)酵罐的裝備得到了顯著改善，具體表現(xiàn)在以下幾方面［1］：1）容積：抗生素發(fā)酵罐擴(kuò)大至100～200 m3；檸檬酸發(fā)酵已達(dá)到450 m3，氨基酸發(fā)酵罐達(dá)到500～800 m3；2）材料：逐步由碳鋼改為不銹鋼；3）傳熱：由單一的罐內(nèi)多組立式蛇管改為罐壁半圓型盤管；4）攪拌器：由單一徑向葉輪改為軸向和徑向組合型葉輪。

由于發(fā)酵罐的系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有受到普遍重視，許多生物發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)人員往往重視發(fā)酵工藝和菌種，或限于資金和發(fā)酵廠房現(xiàn)狀，對發(fā)酵罐的大型化和優(yōu)化缺乏足夠重視。目前國內(nèi)許多廠使用300 m3發(fā)酵罐，個(gè)別廠家使用500～800 m3發(fā)酵罐，均未突破1 000 m3超大型發(fā)酵罐的大關(guān)。因而有必要通過提高對發(fā)酵罐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的認(rèn)識，將我國發(fā)酵裝備沿著高效、大型和節(jié)能的方向推進(jìn)一步。

1250 m3超大型氨基酸發(fā)酵罐為武威榮華工貿(mào)有限公司異地搬遷、技術(shù)改造、產(chǎn)業(yè)升級建設(shè)的年產(chǎn)20萬噸谷氨酸發(fā)酵項(xiàng)目中的一個(gè)重大關(guān)鍵設(shè)備。由武威榮華工貿(mào)有限公司工藝技術(shù)室、質(zhì)量管理部開發(fā)，由沈陽宏成生物工程技術(shù)研發(fā)中心設(shè)計(jì)，榮華集團(tuán)機(jī)械加工廠加工制作完成。經(jīng)過近一年的運(yùn)行很成功，節(jié)能顯著，生產(chǎn)效果非常好。下面將從超大型發(fā)酵罐罐體設(shè)計(jì)和選材、冷卻裝置、傳動(dòng)攪拌裝置、配套空壓機(jī)的選用等幾個(gè)方面進(jìn)行具體論述。

1　超大型發(fā)酵罐罐體

因武威榮華工貿(mào)有限公司采用超大型發(fā)酵罐，在實(shí)際生產(chǎn)中會出現(xiàn)接種量不足的問題，所以公司采用三級發(fā)酵，從而消除了接種量不足的問題［2］。超大型發(fā)酵罐的外形尺寸罐直徑為9 m，其有效容積為1 250 m3。在特大型發(fā)酵罐的制作上，經(jīng)過武威榮華工貿(mào)有限公司招標(biāo)，擇優(yōu)選用了山西太鋼不銹鋼有限公司的復(fù)合板，每噸單價(jià)為11 434.4元，當(dāng)時(shí)不銹鋼單價(jià)為2萬多元，每噸節(jié)約成本約1萬元。公司采用的復(fù)合板（不銹鋼+碳鋼），既滿足了超大型發(fā)酵罐的剛性強(qiáng)度，又做到了防腐的需求（接觸物料的一面為不銹鋼）。筒體部分用復(fù)合板板材加工而成，上下封頭均由不銹鋼材加工而成。加工標(biāo)準(zhǔn)按GB 150-1998《鋼制壓力容器》有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，由公司機(jī)械加工廠制作完成。

2　冷卻裝置采用先進(jìn)管束式冷卻器

超大型發(fā)酵罐存在發(fā)酵過程中大量的熱交換與有限的發(fā)酵罐空間無法擺放足夠的換熱裝置的矛盾問題。正常情況下10 m3以下的發(fā)酵罐一般采用夾套式冷卻，大、中型發(fā)酵罐多采用立式排管或蛇管冷卻。武威榮華工貿(mào)有限公司加工的特大型發(fā)酵罐如果依然采用夾套式、排管式或蛇管冷卻將無法滿足冷卻需求，因?yàn)橛靡陨侠鋮s方式，發(fā)酵罐內(nèi)將無法容納足夠的排管或蛇管冷卻器，進(jìn)而無法達(dá)到超大型發(fā)酵罐（1 250 m3）所需的換熱面積。

2.11 250 m3換熱面積的計(jì)算

谷氨酸發(fā)酵熱高峰值約4.5×104kJ/（m3·h），換熱面積按傳熱方程式計(jì)算如下［2］：

式中：S—換熱面積（m2）；Q—換熱量（W）；△t—平均溫度差（K）；K—總傳熱系數(shù)W/（m2·℃）。1 250 m3發(fā)酵罐所需換熱面積：

正常情況下發(fā)酵液的溫度為34℃，冷卻水進(jìn)口溫度為10℃，出口溫度為20℃，平均溫差為：

K值取500 W/（m2·℃），1 250 m3發(fā)酵罐所需換熱面積為：

按照上式計(jì)算，1 m3發(fā)酵液所需換熱面積為1 680÷1 250=1.34 m2。

武威榮華工貿(mào)有限公司在工藝技術(shù)室與質(zhì)量管理部的共同努力下，結(jié)合谷氨酸發(fā)酵的具體工藝指標(biāo)要求（特別是溫度的需求），加工制作出了先進(jìn)管束式冷卻器。該管束式冷卻器由上下封頭，管束組兩大部分組成，外部殼體包括分水蓋和回水蓋，其上設(shè)有進(jìn)、出水管等，冷卻器體由冷卻器管、定控盤、動(dòng)孔盤組成。該冷卻器每套共計(jì)12組，每組冷卻器換熱面積為160 m2，每套共計(jì)160×12=1 920 m2。1920 m2的換熱面積完全滿足1 250 m3發(fā)酵罐所需要的換熱面積（1 680 m2）。經(jīng)使用，效果非常顯著。

2.2管束式冷卻器特性

1）冷卻管采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼管（304L），產(chǎn)品體積小、熱交換面積大；2）管板鉆孔采用世界領(lǐng)先的數(shù)控自動(dòng)鉆，加工精度達(dá)到同行業(yè)最高水平；管板與管端焊接采用管板自動(dòng)焊機(jī)，焊縫外觀美觀，質(zhì)量得到充分保證；3）管板與管端連接采用先脹后焊方法，克服了泄漏、致密性差的問題。

2.3管束式冷卻器組的關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1材質(zhì)

板材執(zhí)行GB/T 4237-2007《不銹鋼熱軋鋼板》，棒材執(zhí)行GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》，管材執(zhí)行GB 13296-1991《鍋爐、熱交換器不銹鋼無縫鋼管》，不銹鋼法蘭鍛件執(zhí)行JB 4728-2000《壓力容器用不銹鋼鍛件》。

2.3.2加工

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB 150-1998《鋼制壓力容器》，GB 151-1999《管殼式換熱器》，JB/T 4709-2007《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》，2009版《固定式壓力容器安全技術(shù)檢查規(guī)程》。

2.3.3下料

為了確保設(shè)備的總體幾何尺寸精度，從每塊料下料尺寸開始控制，要求達(dá)到寬度公差±1 mm，兩對角線公差小于±2 mm，長度公差±1.5 mm。

2.3.4制作

零部件核實(shí)：清查核對零部件是否符合條件的圖樣及工藝要求。為控制焊接變形及保證接頭的機(jī)械性能，將管板分成四個(gè)區(qū)域?qū)ΨQ進(jìn)行焊接。對管程進(jìn)行水壓試驗(yàn)。所有不銹鋼材表面均要經(jīng)過酸洗鈍化或拋光處理，去除鐵離子、臟物、氧化層等，露出金屬本色。

3　傳動(dòng)攪拌裝置

谷氨酸發(fā)酵系好氣性深層培養(yǎng)，需通入空氣并用攪拌器進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，使無菌空氣分散融入液相以利菌體利用，因此攪拌在發(fā)酵過程中起著十分關(guān)鍵的作用。我公司傳動(dòng)系統(tǒng)采用先進(jìn)拋物線多葉渦輪及寬葉旋槳式攪拌器［3］，內(nèi)設(shè)新型導(dǎo)風(fēng)裝置，使溶氧系數(shù)大大提高。我國發(fā)酵行業(yè)一般選用1.0 kW/m3的攪拌電機(jī)時(shí)，按此計(jì)算我公司現(xiàn)在開發(fā)和運(yùn)用的1 250 m3發(fā)酵罐至少應(yīng)選用1 250 kW的攪拌電機(jī)，然而公司經(jīng)多次試驗(yàn)后，最終選用了900 kW的攪拌電機(jī)，攪拌器的轉(zhuǎn)速為112 r/min，完全可以滿足谷氨酸發(fā)酵罐對溶氧的需求。谷氨酸的發(fā)酵周期為36 h，原有200 m3發(fā)酵罐的放罐量為160 m3，產(chǎn)酸率為9.8%，按此計(jì)算一噸谷氨酸的耗電量為200 m3× 1 kW/m3×36 h÷（160 t×9.8%）=459度，而1 250 m3發(fā)酵罐，放罐量為1 000 m3，產(chǎn)酸率為12%，按此計(jì)算，一噸谷氨酸耗電量為900 kW×36 h÷（1 000×12%）=270度，相比之下武威榮華工貿(mào)有限公司加工制作的年產(chǎn)20萬噸谷氨酸發(fā)酵罐每年可節(jié)約用電量為（459-270）kW·h×20萬噸=3 780萬度。

4　配套空壓機(jī)的選用

空壓機(jī)是發(fā)酵系統(tǒng)的高耗能設(shè)備，我公司之前的活塞式空壓機(jī)易夾帶油水且必須要儲氣罐緩沖，送氣不穩(wěn)定，為解決原來發(fā)酵設(shè)備存在的溶氧不足問題，我公司采用了韓國三星集團(tuán)離心式（360 m3/min）壓縮機(jī)替代原來的活塞式空壓機(jī)（60 m3/min）。

4.1該離心式空壓機(jī)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

4.1.1抽拉式中間冷卻器

水走管內(nèi)，氣走管外，極大的方便了冷卻器芯子的清洗工作，材質(zhì)采用海軍銅，耐腐蝕性極好，不宜結(jié)垢。

4.1.2放空閥反應(yīng)靈敏

該設(shè)備的氣動(dòng)放空閥比傳統(tǒng)的電動(dòng)放空閥靈敏很多，能在0.5 s內(nèi)執(zhí)行放空動(dòng)作，對壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。

4.1.3不銹鋼擴(kuò)壓器

擴(kuò)壓器選用不銹鋼材質(zhì)，比傳統(tǒng)的鑄鐵和鑄鋁材質(zhì)更具有永久性。

4.1.4采用小齒輪和軸承

采用可傾瓦軸承，能自動(dòng)調(diào)節(jié)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)，具有極佳的緩沖性能，防油膜震蕩性能好，使用壽命可達(dá)100 000 h以上。

4.1.5高效節(jié)能

我公司用6臺三星離心式空壓機(jī)（1 100 kW/ h）替代了原來36臺活塞式空壓機(jī)（250 kW/h），年節(jié)約用電量1 728萬度。

5　結(jié)論

1250 m3超大型氨基酸發(fā)酵罐自2014年1月調(diào)試生產(chǎn)至今，完全滿足了我公司20萬噸谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)的需求，其中設(shè)備結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新提高了產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率，高效的換熱裝置提高了換熱面積，發(fā)酵罐的溫度、壓力、風(fēng)量、液位、溶氧、PH、補(bǔ)料流量均實(shí)施電腦儀表控制，較傳統(tǒng)發(fā)酵罐大大減少了人力，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，該發(fā)酵罐在正常運(yùn)行中放罐產(chǎn)酸檢測值達(dá)到12.23%，提取收率達(dá)到94.2%，發(fā)酵運(yùn)行呈現(xiàn)優(yōu)良勢態(tài)。通過對比（見表1），各方面優(yōu)勢顯著，達(dá)到了降低成本，提高效益的生產(chǎn)目的。對發(fā)酵反應(yīng)器的改造創(chuàng)新，充分發(fā)揮了超大型發(fā)酵罐的規(guī)模優(yōu)勢，將發(fā)酵罐向大型化、自動(dòng)化、節(jié)能化方向推進(jìn)一步，在規(guī)模生產(chǎn)中最大限度地節(jié)約能耗，對保護(hù)我們的生存環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展之路具有深遠(yuǎn)的意義。

表1　谷氨酸發(fā)酵罐改進(jìn)前后各項(xiàng)指標(biāo)對比

［1］姜長洪，李健.大型谷氨酸發(fā)酵過程的DCS控制［J］.化工自動(dòng)化及儀表，1996，23（2）：18-22.

［2］馮容保.150 m3谷氨酸發(fā)酵的生產(chǎn)［J］.發(fā)酵科技通訊，1980，9（4），23-24.

［3］CHTSTI Y，MOOYOUNG M.Improve the performance of airlift reactors［J］.Chemical Engineering Progress，1993，89（6）：38-45.

（責(zé)任編輯：朱小惠）

The development and application of ultra-large fermentor for amino acid production

SUN Xiaodong1，QIAO Xiaoming2
（1.Wuwei Rong Hua Industrial and Trade Co.，Ltd.，Wuwei 733000，China；2.Wuwei Industrial Enterprise Talent Service Center，Wuwei 733000，China）

The ultra-large fermentor was designed and improved orientated at a high level of scale，intensification and automation，which solved the problems of insufficient heat exchange area and stirring power of the fermentor.Its application adapted to the needs of large-scale production and improved amino acid productivity and conversion.The tank design and selection，cooling devices，transmission stirring device and supporting air compressor were concretely discussed in this paper. Keywords：ultra-large；high efficiency；energy saving；fermentation

TQ920.5

A

1674-2214（2015）03-0034-03

2014-12-26

孫效東（1956—），男，甘肅隴西人，高級工程師，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)院客座教授，主要從事生物化工方面的研發(fā)技術(shù)工作，E-mail：gswwrhgsyjs@163.com.