金霉素發(fā)酵機械消泡技術(shù)的研究

婁百勇 王鶴峰

摘 要：文章分析了金霉素發(fā)酵過程中產(chǎn)生泡沫的原因，以及泡沫對發(fā)酵生產(chǎn)過程的影響。概述了近年來機械消泡方面取得的成果，從節(jié)能降耗的角度評價它們的優(yōu)劣，并提出一種節(jié)能型的機械消泡裝置——篩式消泡裝置，它安裝于發(fā)酵罐頂部的排風(fēng)管處，利用排風(fēng)推動泡沫高速經(jīng)過成組的消泡器達到消泡的目的，結(jié)果表明消泡效果良好。

關(guān)鍵詞：機械消泡裝置；金霉素發(fā)酵；技術(shù)

中圖分類號：TQ927 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0158-03

Abstract： This paper analyzes the causes of foam in the process of chlortetracycline fermentation and the effect of foam on the fermentation process. Also， the paper summarizes the achievements of mechanical defoaming in recent years， evaluates their merits and demerits from the angle of energy saving and consumption reduction， and puts forward a kind of energy-saving mechanical defoaming device， the sieve-type defoaming device， which is installed at the top of the venting duct of fermenter. The defoaming effect is achieved using exhaust air to push the foam to pass through a group of defoamers at high speed， and the results show that it has a good defoaming effect.

Keywords： mechanical defoaming device； chlortetracycline fermentation； technology

金霉素發(fā)酵過程中有許多參數(shù)需要控制，如溫度、pH值、溶氧和滅菌時間等，除此之外，泡沫的控制也是較為重要的一個方面，如控制不當(dāng)會產(chǎn)生不良影響[1-2]。筆者總結(jié)泡沫對金霉素發(fā)酵過程的影響有：（1）泡沫會通過排風(fēng)管隨尾氣排出發(fā)酵罐，即“逃液”，引起環(huán)境的污染。逃液也會使環(huán)境中存在大量活菌體，對生產(chǎn)環(huán)境控制造成一定的危險；（2）過多的泡沫會影響發(fā)酵生產(chǎn)水平，降低發(fā)酵罐的利用率，減少單罐產(chǎn)量，從而間接引起生產(chǎn)成本增加；（3）大量的泡沫產(chǎn)生可能會從軸封處溢出，增加染菌的概率。因此，在金霉素發(fā)酵過程中控制泡沫的重要性就顯而易見。目前，消泡方法主要有物理消泡、化學(xué)消泡和機械消泡。在工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中，化學(xué)消泡雖有一些不足，但其效率高、種類多而被廣泛使用。而機械式消泡裝置因不影響生產(chǎn)和無毒副作用也被廣泛使用[3]。本文主要對后一種形式進行討論。

1 金霉素發(fā)酵過程泡沫的產(chǎn)生

在金霉素發(fā)酵過程中，泡沫的產(chǎn)生有以下兩種形式：金霉素發(fā)酵過程中自身呼吸作用產(chǎn)生的氣泡；外界無菌空氣的通入，加上罐內(nèi)攪拌槳的高速攪拌，發(fā)酵液中會形成大量的氣泡，當(dāng)氣泡到達液面頂部，由于表面活性和粘性等原因，引起大量氣泡的產(chǎn)生。

2 機械消泡法

近年來，機械消泡裝置的研究取得了一定進展。本文根據(jù)消泡原理的不同，將機械消泡分為機械破碎和離心分離兩種形式。

2.1 機械破碎式消泡裝置

機械式消泡裝置通常是利用旋轉(zhuǎn)的裝置產(chǎn)生剪切力、沖擊力等將泡沫打碎，起到一定的消泡作用。該類性的裝置有：耙式消泡裝置、梳式和刷式消泡器[4，5]、變孔徑式消泡器[6]和錐孔式消泡器[7]等。

2.1.1 耙式消泡裝置

耙式消泡裝置安裝在發(fā)酵液液面上部，固定于發(fā)酵罐內(nèi)的攪拌軸上。發(fā)酵罐攪拌電機帶動該裝置旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運行，將發(fā)酵液上層的泡沫打碎，起到消泡作用。其結(jié)構(gòu)形式見圖1所示。該消泡器是較早的研究成果，其結(jié)構(gòu)簡單，是基本的消泡器結(jié)構(gòu)。但消泡效果達不到預(yù)期效果，對于特定的泡沫幾乎沒有作用。另外，該消泡器對發(fā)酵液液面高度的控制有較高的要求，如發(fā)酵液液面高于該消泡器時，會產(chǎn)生較大的阻力，引起攪拌電機電流增大，能耗升高。

2.1.2 刷式消泡裝置和柵式消泡裝置

刷式消泡裝置和柵式消泡裝置是耙式消泡器的變形，兩種消泡裝置均安裝在發(fā)酵液液面上部，固定在發(fā)酵攪拌軸上，由若干消泡漿組成狹小的縫隙，利用攪拌軸的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生剪切力，將泡沫打碎，起到消泡作用。其結(jié)構(gòu)形式見圖2和圖3所示。這兩種消泡裝置比耙式消泡裝置能提供更高的剪切力，對泡沫的沖擊力更強。因此，消泡效果比耙式消泡裝置好，消泡的能耗也減少，但它們也不能完全消除泡沫以及發(fā)酵液外溢。另外，其消泡效果和轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此，其消泡效果還會受到發(fā)酵攪拌工藝的限制。

2.1.3 變孔徑式消泡裝置和錐孔式消泡裝置

變孔徑式消泡裝置和錐孔式消泡裝置結(jié)構(gòu)基本相同，也是耙式消泡裝置改進的成果，是新型的消泡裝置，其結(jié)構(gòu)形式見圖4和圖5所示。它們安裝與發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液面上部，固定在攪拌軸上，依靠攪拌軸的轉(zhuǎn)動，泡沫進入孔徑變化的消泡漿或錐孔內(nèi)時，由于受力環(huán)境變化，泡沫破碎，起到消泡作用。這種形式的消泡裝置會引起能耗的增加，且對發(fā)酵罐內(nèi)液面的控制要求較高。發(fā)酵最高液面超過消泡漿時，能耗顯著增加。另外，轉(zhuǎn)速也是兩種消泡裝置消泡效果的主要影響因素。因此，消泡效果也會受到發(fā)酵攪拌轉(zhuǎn)速的影響。

2.2 離心式消泡

離心式消泡裝置是利用離心力的作用，將泡沫和發(fā)酵液體分離，達到消泡的效果。主要形式有離心消泡裝置[8]和旋風(fēng)分離消泡器[9]等。該類型消泡器通常是將泡沫引出罐外，使其產(chǎn)生離心加速、氣液分離，達到消泡的目的。因此，通常要有外圍的裝置[10]，增加滅菌的難度。

2.2.1 離心消泡裝置

離心消泡裝置是安裝在發(fā)酵罐外部，它由消泡電機、篩框和外殼等組成。結(jié)構(gòu)形式見圖6所示。消泡過程是：將泡沫從發(fā)酵罐內(nèi)引出，進入到篩框頂部，篩框在消泡電機的帶動下轉(zhuǎn)動，依靠離心分離的作用將泡沫向篩框周圍擴散，并最終消除泡沫。該裝置消泡效果較好，可降低消泡劑的使用量，且可以通過調(diào)整消泡電機的轉(zhuǎn)速改善消泡的效果。但也存在不足之處，如需要外圍設(shè)備，改造費用高；需要額外的消泡電機，能耗升高；由于該裝置安裝在罐外，滅菌要求較高，既增加滅菌時間，又增加了染菌的風(fēng)險。

2.2.2 旋風(fēng)分離消泡裝置

旋風(fēng)分離消泡裝置也是安裝在發(fā)酵罐外，該裝置通常不需要消泡電機。它利用排風(fēng)將泡沫排出罐外，以較高的速度進入旋風(fēng)分離消泡裝置，泡沫在離心力的作用下破碎，實現(xiàn)氣液分離，氣體從頂部排出，液體回流至發(fā)酵罐內(nèi)。結(jié)構(gòu)形式見圖7所示。該旋風(fēng)分離消泡裝置是新型的消泡裝置，相比其它離心消泡裝置，它沒有消泡電機，從而降低了運行費用。但其設(shè)備尺寸大、改造費用較高、滅菌時間延長和增加染菌風(fēng)險是其不足之處。另外，當(dāng)泡沫過多時，其難以全部消除泡沫，會有發(fā)酵液逃液現(xiàn)象。

2.3 機械消泡特點

對以上不同消泡裝置進行分析發(fā)現(xiàn)：機械消泡裝置可以降低消泡劑的使用量，對消泡起到一定的作用，但不能完全取代消泡劑。筆者對機械消泡裝置的缺點從以下幾個方面進行總結(jié)：在能耗方面，機械消泡裝置通常是利用發(fā)酵罐攪拌電機或另加消泡電機，帶動消泡裝置的旋轉(zhuǎn)運動，這勢必引起能耗的升高，如發(fā)酵后期泡沫大量產(chǎn)生會引起電流急劇增加[11]。在改造費用方面，其改造費用較高，尤其是在發(fā)酵罐外增加大型氣液分離設(shè)備時。在消泡效果方面，機械消泡裝置通常難以完全消除泡沫，且泡沫較多時消泡速度慢，會有逃液現(xiàn)象。在發(fā)酵工藝方面，對于安裝罐外離心式消泡器的發(fā)酵設(shè)備，其滅菌持續(xù)時間增加，既延長了生產(chǎn)周期，又增加了蒸汽的使用量，且染菌概率增加。

3 變孔徑篩式消泡裝置

筆者結(jié)合以往機械消泡裝置的特點，從節(jié)能、改造費用低、易滅菌和消泡效果好四個方面考慮，提出了一種新型的篩式消泡裝置。并依據(jù)我公司實際生產(chǎn)過程，將該裝置與泡沫傳感器連用，實現(xiàn)自動添加消泡劑。篩式消泡裝置由三組不同孔徑的篩網(wǎng)組成，安裝在發(fā)酵罐頂部的排風(fēng)管上。泡沫在排風(fēng)管內(nèi)以較高的速度通過成組的篩網(wǎng)，利用篩網(wǎng)的攔截作用，將泡沫破碎、發(fā)酵液體回流，氣體隨排風(fēng)管道排出。當(dāng)泡沫過多，該裝置難以處理時，泡沫傳感器會自動控制添加消泡劑。實踐證明，該消泡裝置改造成本低、不引起額外的能源消耗、不影響滅菌，且效果較好。其結(jié)構(gòu)形式見圖8所示。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，發(fā)酵工業(yè)競爭激烈，如何降低生產(chǎn)成本，提高公司的競爭力，是每個企業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。筆者結(jié)合本公司金霉素發(fā)酵過程實際情況，提出新的機械消泡裝置，并將其與自動添加消泡劑配合使用，使泡沫得到較好的控制，降低了生產(chǎn)成本。這對一些微生物發(fā)酵企業(yè)有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]黨建章.發(fā)酵工藝教程[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2003.

[2]W Liu，H Zheng， Z Wu， et al. Effects of pH profiles on nisin fermentation coupling with foam separation [J].Applied Microbiology and Bio-technology， 2010，85（5）：1401-1407.

[3]王文奇，張慶文，李軍慶，等.生物發(fā)酵過程中消泡方式的研究進展[J].中國釀造，2013，32（2）：1-4.

[4]NS Deshpande ，M Barigou Mechanical suppression of the dynamic foam head in bubble column reactors[J].Chemical Engineering & processing， 2000，39（3）：207-217.

[5]NS Deshpande，M Barigou Performance characteristics of novel mechanical foam breakers in a stirred tank reactor[J].Journal of Chemical Technology & Biotechnology，1999，74（10）：979-987.

[6]方書起，李肖斌，雪金勇.機械攪拌式發(fā)酵罐中的消泡技術(shù)研究與探討 [J].化學(xué)工程，2009，37（5）：34-37.

[7]李肖斌.錐孔式消泡漿消泡性能的試驗研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2008.

[8]M Goldberg， E Rubin.Mechanical foam breaking [J].Industrial & Engineering Chemistry Process Design & Development，1967，6（2）：195-200.

[9]陸飛浩.一種氣液分離器[P].中國：CN201423316，2010.

[10]章冬梅.泡沫對工業(yè)發(fā)酵的影響及控制[J].化工設(shè)計，2008，18（1）：17-20.

[11]趙雅生.新型的消泡裝置——柵式消泡器[J].發(fā)酵科技通訊，2009，19（2）：42.