新型氣升式發(fā)酵罐設計探討

(1.寧波星邦生化設備有限公司,浙江 寧波 315040；2.寧波浩邦生物技術有限公司,浙江 寧波 315040)

常用的通氣發(fā)酵罐有機械攪拌式、自吸式和氣升式等，其中機械攪拌通氣發(fā)酵罐應用最為廣泛；自吸式發(fā)酵罐應用局限于醋酸等發(fā)酵；氣升式發(fā)酵罐(ALR)的應用由來已久，目前主要應用于維生素C、單細胞酵母、生物燃料發(fā)酵和廢水處理等[1]。常見的氣升式反應器有環(huán)流式、鼓泡式，環(huán)流式又可分為內循環(huán)和外循環(huán)[2]。氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)勢是結構簡潔、能耗低、不易染菌等，華南理工大學的高孔榮教授曾對此進行了較深入的研究并取得良好效果[3]。氣升式發(fā)酵罐的工作原理是把無菌空氣通過空氣分布裝置噴射進發(fā)酵液中，通過氣液混合的湍流作用將空氣泡分割細碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質。但是，目前氣升式發(fā)酵罐并沒有在好氣性發(fā)酵領域得到廣泛應用，絕大部分的發(fā)酵產品采用了機械攪拌通氣發(fā)酵罐，主要原因有：1) 發(fā)酵行業(yè)發(fā)展初期屬于相對高利行業(yè)，企業(yè)普遍不太重視能耗控制，直接沿用化工上廣泛應用的機械攪拌式發(fā)酵罐；2) 機械攪拌通氣發(fā)酵罐對不同產品適應性強，便于企業(yè)在市場波動時轉換生產品種；3) 傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐設計未能及時改進，不能適應現(xiàn)今發(fā)酵生產的實際需求；4) 隨著行業(yè)競爭加劇，同行交流減少，創(chuàng)新冒險精神缺失，只追求規(guī)?；?，思想意識上不敢對現(xiàn)有設備工藝進行改進革新。以上原因使得氣升式發(fā)酵罐的發(fā)展和應用受到制約。然而隨著生物發(fā)酵產業(yè)興起，大宗發(fā)酵產品價格下滑，發(fā)酵規(guī)模日益擴大，環(huán)保要求日趨嚴苛，工業(yè)生產成本陡增，出口增長遭遇瓶頸[4]，發(fā)酵生產的能耗控制成為企業(yè)能否盈利的關鍵因素，氣升式發(fā)酵罐恰恰契合清潔節(jié)能生產的趨勢。筆者將重新審視傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)缺點，并提出兩種新型氣升式發(fā)酵罐。

1 傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)勢與制約因素

相較于機械攪拌通氣發(fā)酵罐，傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐有如下優(yōu)勢：

1) 投資、運行及維護成本低。機械攪拌通氣發(fā)酵罐的攪拌系統(tǒng)投資高，若配套大型減速箱、大功率變頻器，則維護檢修成本高昂；攪拌軸套需定期更換；攪拌系統(tǒng)運行能耗高，運行時生成的攪拌熱又需冷卻水降溫，消耗冷量。相比之下無攪拌系統(tǒng)的氣升式發(fā)酵罐則成本大幅降低。

2) 不易染菌。機械攪拌系統(tǒng)結構復雜，軸承座，中間支架存在死角，清洗維護困難，軸封容易泄露，染菌風險大。氣升式發(fā)酵罐結構簡潔，無菌條件好。

3) 剪切力小，對生物細胞損傷小。機械攪拌葉輪會對放線菌或霉菌等造成損傷，延長發(fā)酵周期，影響菌株代謝路徑。

4) 車間噪音小。機械攪拌系統(tǒng)是發(fā)酵車間除蒸汽排汽噪音外最大的噪聲源，操作人員工作時需要配帶耳塞，而氣升式發(fā)酵罐車間則比較安靜。

5) 機械攪拌易引發(fā)罐體共振搖晃從而使得結構焊縫開裂。

6) 由于機械攪拌本身存在液泛效應，因此通氣量受到限制。

傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的缺點主要有：

1) 傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐反應器高徑比(H/D)大，達到7～9，有的甚至到10以上。液位高度大，進氣壓力要求高，供氣壓力負荷升高，增大了空壓機系統(tǒng)能耗[5]。過高的直桶高度也增大了廠房基建投資。最重要的是，直筒高度高，則氣泡上升路徑長，若無中間結構抑制微小氣泡的聚并，則氣泡上升過程中微小氣泡易聚并成大型鼓泡，氣泡直徑直接影響罐內溶氧，同樣氣量，分散后氣泡直徑越大則氣液接觸面積越小，傳質效率低，氣液兩相間滑移速度大，氣液分散效果差[6]。例如800 t氨基酸機械攪拌通氣發(fā)酵罐，常規(guī)高徑比2～3，直筒高度約15 m，若改造成傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐，則高徑比將達到7，罐高則將超30 m，空氣系統(tǒng)壓力負荷增加0.15 MPa以上，供氣能耗增加40%以上，發(fā)酵罐設計壓力增大，罐體加工及相應基建成本增大。同時，高徑比大也會導致液位不容易控制、消泡劑用量增大、罐底有沉淀析出(如產物結晶析出)等問題，也影響罐內發(fā)酵液循環(huán)。

2) 傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的進氣裝置采用打孔盤管或射流噴嘴，打孔盤管氣液混合效果不佳；射流噴嘴對供氣管路壓力要求高。大型氣升式發(fā)酵罐需要采用一種新型節(jié)能進氣裝置。

3) 對于高黏度的發(fā)酵產品，不能有效保證氣液混合均勻。

筆者結合多年發(fā)酵罐改造案例，認為新型氣升式發(fā)酵罐宜采用矮胖型，直桶高度控制在16 m以下為宜，盡可能減少空壓機出口空氣壓力，降低供氣系統(tǒng)能耗；同時采用新型節(jié)能進氣裝置——氣液旋流混合器，以增加發(fā)酵罐內溶氧。

2 氣液旋流混合器及其應用成果

常見的進氣分布裝置有直通式、傘罩式、小孔盤管式和射流管式。筆者開發(fā)了新型節(jié)能發(fā)酵罐進氣裝置(氣液旋流混合器)，該裝置已在發(fā)酵行業(yè)推廣使用，可以提高發(fā)酵液溶解氧，提高生產穩(wěn)定性和生產操控性，在節(jié)能降耗方面也取得了顯著效果。氣液旋流混合器的基本原理是利用發(fā)酵罐進口壓縮空氣本身的靜壓能，在轉化為相當高速旋流的過程中，產生對周邊流體的吸附帶動作用[7]。

氣液旋流混合器結構如圖1所示，空氣從內殼體中心進入，經過殼體內部的渦旋葉片導流成高速旋流，同時吸引發(fā)酵液從內外殼體之間的中心間隙進入，氣體液體在旋流通道中動態(tài)混合乳化后呈旋流狀噴出外殼體周向邊緣。

1—發(fā)酵罐；2—進氣管；3—氣液旋流混合器；3-1—空氣分布內芯；3-2—旋流器殼體。圖1 氣液旋流混合器Fig.1 Vortex gas-liquid mixer

氣液旋流混合器具有如下特點：

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) 結構簡潔流暢無死角，不易結垢、不染菌。

3) 剪切作用小，對生產菌機械損傷小。

4) 空氣壓損低，對進罐壓力要求低，幾乎不增加空壓機電耗。

目前，氣液旋流混合器已在多種發(fā)酵裝備中應用數(shù)百套，其改造方便，可直接替換原有的空氣分布器，部分應用案例見表1。

表1 氣液旋流混合器改造案例Table 1 Application cases of vortex gas-liquid mixer

注：表格中電耗指攪拌電耗。

由對40～380 m3不同容積發(fā)酵罐，近400套氣液旋流混合器改造的案例可知：

1) 發(fā)酵過程溶解氧提高5%～20%。

2) 發(fā)酵罐攪拌電機電流下降5%～30%。

3) 風量調節(jié)范圍擴大，最大通風量提高。

4) 發(fā)酵單位(產物質量濃度)提升0.5%～6%。

5) 料液混合均勻，氣泡細微，發(fā)酵罐內液面比較平穩(wěn)。

3 基于氣液旋流混合器的新型氣升式發(fā)酵罐改造實例

將氣液旋流混合器與傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐結合，可大大提高氣升罐的效用，以下為兩個實際應用案例。

3.1 某大型合資企業(yè)45 m3食品添加劑DHA新型氣升式發(fā)酵罐改造

該企業(yè)原有45 m3DHA發(fā)酵罐，采用直通式進氣，如圖2(a)所示。機械攪拌采用上部三層四寬葉推進式攪拌，底部六彎葉攪拌葉輪的形式，電機功率55 kW。

原發(fā)酵罐存在的問題：直通式進氣管氣液混合作用差，發(fā)酵罐液面時有大鼓泡生成，液面不平穩(wěn)，空氣中氧利用率低；且原攪拌系統(tǒng)存在缺陷，發(fā)酵過程中易染菌。

改造方案：在罐底安裝氣液旋流混合器，拆除原有攪拌系統(tǒng)。改造方案如圖2(b)所示。

1—軸流式攪拌器(向下)；2—六彎葉攪拌器；3—進氣管；4—導流筒；5—進氣管(改造后)；6—氣液旋流混合器。圖2 DHA發(fā)酵罐改造示意圖Fig.2 Schematic of DHA fermenter modification

改造后的效果：

1) 無攪拌電耗，節(jié)電100%，且消除原攪拌系統(tǒng)帶來的染菌風險。

2) 發(fā)酵罐運行時液面平穩(wěn)，無明顯鼓泡產生。

3) 發(fā)酵單位優(yōu)于改造前水平，生產穩(wěn)定。

4) 無攪拌熱產生，無攪拌噪音，節(jié)能環(huán)保。

此例中發(fā)酵罐體積較小，在未安裝導流筒情況下其發(fā)酵溶氧效果已良好，若安裝導流筒則氣升罐效果會更佳。

由此例可以看出：通過合理設計，對原本使用機械攪拌罐的產品改換成氣升罐生產是完全可行的。

3.2 某大型企業(yè)320 m3維生素新型氣升式發(fā)酵罐改造

該企業(yè)原有320 m3維生素氣升式發(fā)酵罐，布置有導流筒，采用射流管空氣分布器進氣，發(fā)酵液流向為導流筒外圈發(fā)酵液上升，內圈下沉。

原發(fā)酵罐存在的問題：射流管分布器采用圈射流管，每圈均布數(shù)十個，受限于發(fā)酵供氣管路壓力，氣液混合效果不明顯；射流噴管管徑較小，長期使用內部易結垢，清洗不方便；液面不平穩(wěn)，氧利用率不高。

維生素發(fā)酵罐的改造：取消原有射流管式分布器，替換為氣液旋流混合器，維持原有發(fā)酵液流向不變。

維生素發(fā)酵罐改造后的效果：

1) 發(fā)酵罐液面平穩(wěn)。

2) 溶解氧提高。

3) 發(fā)酵單位穩(wěn)定提高。

4 新型氣升式發(fā)酵罐的兩種形式

對于低黏度、溶氧需求不高，發(fā)酵罐單體容積不超過500 m3的發(fā)酵罐，完全可以嘗試用新型氣升式發(fā)酵罐來替代原有發(fā)酵罐。其原理是：在傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的基礎上，采用與機械攪拌通氣罐的常規(guī)高徑比，用氣液旋流混合器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直通管式、傘罩式、打孔盤管式等進氣裝置，綜合物料特性及工藝要求設計導流筒、氣液旋流混合器和冷卻盤管等罐內結構的物理參數(shù)，使得發(fā)酵罐系統(tǒng)達到節(jié)能、高效生產的目的，其結構如圖3所示，使用效果在3.1和3.2中的改造案例中有詳細描述。

1—發(fā)酵罐；2—導流筒；3—氣液旋流混合器。圖3 新型氣升式發(fā)酵罐Fig.3 New ALR fermenter

對于高黏度、高耗氧的大型發(fā)酵罐，筆者提出了一種新型的氣升自吸式發(fā)酵罐，結構如圖4所示。

1—發(fā)酵罐；2—導流筒；3—氣液旋流混合器(隨攪拌軸旋轉)；4—單級推進式攪拌槳。圖4 新型氣升自吸式發(fā)酵罐Fig.4 New airlift and self-drawn fermenter

其結構原理是：在一般新型氣升式發(fā)酵罐的基礎上，保留了攪拌電機和一級推進式攪拌；將氣液旋流混合器和攪拌軸末端相連接，氣液旋流混合器與攪拌軸一同旋轉；氣液旋流混合器進氣口和無菌空氣進氣管密封連接，當然該密封不同于常規(guī)意義的機械密封，不需要嚴密配合，適當間隙不會影響供氣的混合效果，且方便清洗、更換配件和無菌檢修等工作。需要指出的是，該自吸式發(fā)酵罐不同于傳統(tǒng)用于醋酸發(fā)酵的自吸式發(fā)酵罐，傳統(tǒng)自吸式發(fā)酵罐中吸氣攪拌葉輪轉速極高，剪切作用巨大，而新型氣升自吸式發(fā)酵罐中攪拌轉速與常規(guī)機械攪拌相近即可。

新型氣升式發(fā)酵罐技術特點：

1) 氣液旋流混合器相當于一個自吸式水泵，配合導流筒中一級推進式攪拌槳的強制循環(huán)，混合效果更佳。

2) 氣液旋流混合器相當于一個阻尼器，起到自平衡的作用，能夠穩(wěn)定攪拌軸，使得原有攪拌軸支架得以簡化。

3) 氣液旋流混合器中心產生負壓，減少供氣管路壓力負荷，進一步節(jié)能。

4) 相比與傳統(tǒng)的機械攪拌通氣發(fā)酵罐，可以大幅度節(jié)能，節(jié)能幅度在75%以上。

5 新型氣升式發(fā)酵罐推廣探討

目前氣升式發(fā)酵罐在大宗發(fā)酵產品生產中主要應用于VC(維生素C)，而在氨基酸、有機酸、食品添加劑和抗生素等行業(yè)并沒有得到推廣。事實上VC生產從業(yè)者對于氨基酸發(fā)酵應用氣升式發(fā)酵罐持樂觀態(tài)度，VC兩步法發(fā)酵從僅在第二步古龍酸發(fā)酵采用氣升式發(fā)酵罐生產，到兩步均采用氣升式發(fā)酵罐生產。早在20世紀90年代，華南理工大學高孔榮教授就做過谷氨酸等其他產品應用氣升式發(fā)酵生產的研究[3]，沈陽抗生素廠做過硫酸慶大霉素氣升罐替代研究[9]，均取得了良好效果，但受限于傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的局限和實際行業(yè)環(huán)境，并有沒有推廣應用。在目前發(fā)酵行業(yè)節(jié)能環(huán)保、減排降耗的發(fā)展趨勢下，氣升式發(fā)酵罐已逐漸展現(xiàn)出新的活力。

種子罐和低耗氧產品的發(fā)酵，可以用新型氣升式發(fā)酵罐替代；高黏度產品的發(fā)酵，可以采用新型氣升自吸式發(fā)酵罐；同時可以將氣升式發(fā)酵罐結合其他裝備組成一個完整的節(jié)能發(fā)酵系統(tǒng)，如搭配由高效旋擊分離器組成的發(fā)酵尾氣液沫回收處理系統(tǒng)，達到提高放罐體積，減少消泡劑用量，杜絕逃料，減輕后續(xù)除味設備負荷等作用[10]。

具體到某個產品的氣升式發(fā)酵罐的結構設計，需要針對該產品的醪液物性、發(fā)酵工藝、敏感條件等進行結構調整匹配。筆者列舉的部分設計案例要點如下：

1) 平均循環(huán)時間：平均循環(huán)時間反應了生產菌對缺氧狀態(tài)的耐受承度。氣升式發(fā)酵罐的發(fā)酵液下沉區(qū)域為相對缺氧區(qū)域，對于缺氧耐受性較差的生產菌，較長時間的缺氧會使細胞活力下降，改變代謝路徑，導致產率低，影響發(fā)酵生產效率。通常，循環(huán)時間不超過1 min才能達到預期效果，該參數(shù)需要進行相關實驗驗證來獲得[11]。

2) 導流筒徑與罐徑比、空氣分布器直徑與反應器直徑比和導流筒上下端面到罐頂與罐底的距離均對發(fā)酵液的混合與流動、溶氧等有重要影響。

3) 對于初始料液位較低的流加工藝，導流筒需分段，以保證低液位時發(fā)酵液的循環(huán)。

4) 可以在導流筒內外層上采用米勒板焊接工藝設置冷卻結構，增加冷卻面積，省去傳統(tǒng)內置式冷卻盤管。

5) 氣升式發(fā)酵罐可將人孔開在中心位置，排氣管疊加在人孔接管上，簡化設計，方便CIP清洗，提高裝料系數(shù)。

6 結 論

新型氣升式發(fā)酵罐擯棄傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐大高徑比的設計思路，采取常規(guī)機械攪拌通氣罐的高徑比，利用新型節(jié)能發(fā)酵罐進氣裝置——氣液旋流混合器增加溶氧，結合物料特性和工藝特點進行綜合設計。與機械攪拌式發(fā)酵罐相比，該發(fā)酵罐可以節(jié)能70%以上，已在部分發(fā)酵品種的實踐運用中得到驗證；其無菌可靠性高，設備簡潔高效，更容易實現(xiàn)大型化和自動化控制。對于高好氧、高黏度的發(fā)酵產品，采用新型氣升自吸式發(fā)酵罐，保留了一級推進式攪拌，強化了氣液旋流混合器的氣液混合效果，解決了傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐不適宜高黏度發(fā)酵的局限性。隨著對新型氣升式發(fā)酵裝備及相關工藝的不斷實踐和深入研究，新型氣升式發(fā)酵罐將在更為廣泛的發(fā)酵品種中得到應用，推動好氣性發(fā)酵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。