液氨或氨水在賴氨酸發(fā)酵pH調(diào)控過程中的應(yīng)用分析

王鵬飛，翟秀超

無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)

賴氨酸作為人體8種必需氨基酸之一，是世界上僅次于味精的第二大氨基酸產(chǎn)業(yè)。由于賴氨酸在人體不能靠自身合成L-賴氨酸，只能從食物中攝取，故而也被稱為第一限制性氨基酸。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國際國內(nèi)政策利好，賴氨酸產(chǎn)能不斷擴張，從全球賴氨酸產(chǎn)能分布情況來看，我國是全球賴氨酸產(chǎn)能最大的國家，2018年賴氨酸產(chǎn)能占比達(dá)70%，成為全球第一大賴氨酸生產(chǎn)和出口國。賴氨酸生產(chǎn)發(fā)酵過程中，由于微生物生長增殖及代謝活動，會產(chǎn)生多種有機酸，所以隨著發(fā)酵的進行，發(fā)酵液的PH值不斷下降[1]。在我國賴氨酸工廠中，發(fā)酵過程pH的調(diào)節(jié)基本采用液氨，小試或中試一般采用氨水。但是國外的情況有所不同，因受到液氨供應(yīng)的限制，大部分工廠傾向于選用氨水。本文基于國內(nèi)外賴氨酸項目經(jīng)驗，分別從危害性、設(shè)備選型、設(shè)備及管路系統(tǒng)維護、發(fā)酵指標(biāo)和過程壓力控制這五種不同影響因素，對國外賴氨酸工廠采用氨水調(diào)控pH值和國內(nèi)采用液氨調(diào)節(jié)pH值來進行了對比分析。

1 危害性因素

液氨是液態(tài)，常溫常壓下為氣態(tài)。一旦液氨泄漏會迅速的變成氣態(tài)，氣態(tài)氨具有強烈刺激性，對人體有毒害作用，嚴(yán)重可導(dǎo)致死亡，另外氨氣具有燃爆性，與空氣混合能形成爆炸性氣體，遇火源能發(fā)生爆炸[2]。而氨水是氨氣與水的混合物，工業(yè)氨水氨含量大多是25%～28% ，具有揮發(fā)性，能夠揮發(fā)出氨氣，同樣對人體有毒害作用。但由于濃度不同，氨氣化和揮發(fā)時間的不同，氨水危害性要低于液氨。在我國，存儲量大于10 t的液氨定為重大危險源；氨水根據(jù)危險化學(xué)品名錄中規(guī)定，氨水濃度10%～50%為堿性腐蝕品，氨水濃度小于10%不屬于危險品，所以說氨水的危害性要小于液氨[3]。從危害性和安全角度考慮，氨水在使用上要優(yōu)于液氨。

2 設(shè)備選型因素

首先，在儲罐區(qū)設(shè)備方面，液氨罐屬于壓力容器，儲存量大于10 t又是重大危險源，在液氨罐區(qū)的設(shè)計和選型上必須符合相關(guān)強制性規(guī)范要求，設(shè)備選型制作要求高，且投資較高。氨水則可選擇常壓罐，根據(jù)賴氨酸的產(chǎn)能來確定儲存量，在設(shè)計選型時按照危險化學(xué)品儲罐區(qū)設(shè)計即可，投資相對較小。

其次，在車間內(nèi)部設(shè)備配置方面，使用液氨調(diào)節(jié)pH值，車間內(nèi)部不設(shè)置臨時緩沖罐，用管道直接輸送至發(fā)酵罐，輸送壓力一般為7～9 bar(700～900 kPa)。由于液氨純度極高，微生物很難在液氨環(huán)境中生存，所以一般賴氨酸工廠都是直接通入發(fā)酵罐或者在車間各工段加一個除雜過濾器即可。而氨水則不同，在賴氨酸工廠里，一般選用工業(yè)級氨水，氨水的雜質(zhì)比較多，必須先經(jīng)過一道除雜過濾器進行除雜；又因氨水濃度比較低，有微生物存活的風(fēng)險，所以為了防止氨水帶菌導(dǎo)致發(fā)酵染菌，在工藝設(shè)計時需要設(shè)置除菌過濾器[4]；再者，為了保證發(fā)酵過程的連續(xù)性和無菌性，在通氨水之前，必須對流加罐到發(fā)酵罐之間的沿途管路進行蒸汽消毒，保證氨水是無菌狀態(tài)。綜合來看，選用液氨對設(shè)備和管路系統(tǒng)的壓力等級有很高要求；選用氨水的設(shè)備配置，尤其是過濾裝置復(fù)雜。

3 設(shè)備及管路系統(tǒng)維護因素

在國內(nèi)的賴氨酸工廠中，基本采用液氨直接通入發(fā)酵罐內(nèi)，僅需考慮管路系統(tǒng)的密封性問題，不需要考慮設(shè)備的維修或者消毒。一般會在進車間前增設(shè)除雜過濾器，因液氨純度高，雜質(zhì)相對較少，定期清理周期為每月1次；清理時需要打開過濾器，人工佩帶防毒面具，防止氨氣吸入中毒，打開過濾器后先用自來水沖洗過濾器內(nèi)部，讓氨氣迅速溶解水中，稀氨水收集排回回收罐內(nèi)，然后再進行過濾器濾芯清洗更換。

而使用氨水時，其設(shè)備及管路系統(tǒng)的維護檢修相對繁瑣，首先我們要定期對除雜過濾器進行清洗更換，還要對氨水流加罐進行蒸汽消毒，最后對流加罐之后的氨水除菌過濾器和管路消毒，確保氨水通過的管路是無菌狀態(tài)[5]。由于氨水中的雜質(zhì)相對較多，氨水本身也具有腐蝕性，根據(jù)使用經(jīng)驗，正常氨水過濾器在使用3～5個周期(6～10 d)就要進行清理消毒，清洗頻率明顯高于使用液氨的工況；每次清洗消毒都要將過濾器打開，不可避免的會有揮發(fā)的氨氣，對操作人員造成一定的傷害。

綜合上述，無論選用液氨還是氨水，再設(shè)計及設(shè)備選型時嚴(yán)格遵守規(guī)范，確保設(shè)備及管路系統(tǒng)的壓密性，嚴(yán)防泄露問題；從過濾、消毒及維護頻率角度來看，在賴氨酸發(fā)酵過程控制中，液氨使用更方便、可靠。

4 發(fā)酵指標(biāo)影響因素

在賴氨酸發(fā)酵過程中，液氨/氨水的作用除了調(diào)控pH值外，還是微生物增殖和代謝的無機氮源，流加過程可及時的補充微生物活動消耗的氮。以300 m3發(fā)酵罐，產(chǎn)賴氨酸58 t為例，如用液氨，則其消耗量約6 t；使用25%氨水，則其消耗量約24 t。從使用數(shù)據(jù)上看，氨水量約占到賴氨酸發(fā)酵培養(yǎng)體積的10%，此種情況下，必須考慮氨水的流加量對培養(yǎng)體積的影響，否則發(fā)酵指標(biāo)中產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)會有計算偏差。但整體來看，大生產(chǎn)使用氨水來調(diào)控pH值，最終得到發(fā)酵液的產(chǎn)酸率略低于使用液氨的工況。

5 過程壓力控制因素

正常情況下，液氨因自身飽和蒸氣壓的存在，液氨輸送管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力約為8 bar(800 kPa)；因環(huán)境溫度降低或儲存量變少等因素導(dǎo)致液氨罐內(nèi)壓力不足，則會啟動氨壓縮機來輸送液氨，所以在整個發(fā)酵過程中，不會出現(xiàn)因發(fā)酵罐內(nèi)壓力的增加導(dǎo)致液氨無法流加的情況。氨水是由儲罐泵入流加罐，以通入無菌壓縮空氣的方法來保證罐內(nèi)壓力維持在1.5～2.0 bar(150～200 kPa)，此壓力也是氨水的流加壓力，相對液氨來說，流加壓力較小。而發(fā)酵過程中，發(fā)酵罐的罐內(nèi)壓力一般為0.8～1.1 bar(80～110 kPa) ，且流加管道伸入罐底，會產(chǎn)生液位差；氨水的流加壓力要高于罐內(nèi)壓及液位差之和，氨水才能被加入到發(fā)酵罐中。在pH值微調(diào)時，閥門開度較小，這種情況下，便會出現(xiàn)氨水加不進發(fā)酵罐的情況，嚴(yán)重影響了賴氨酸培養(yǎng)環(huán)境，導(dǎo)致產(chǎn)酸不穩(wěn)定。

從控制精度角度，氨水因濃度低，控制要求沒有液氨高，易操作；液氨要求高精度控制，尤其在發(fā)酵前期，pH值變動幅度不大時。

綜上所述，液氨或氨水在賴氨酸發(fā)酵調(diào)節(jié)pH值中均有應(yīng)用，有些國家由于受到產(chǎn)能和運輸?shù)挠绊懀由蠂覍σ喊钡陌踩h(huán)保方面的規(guī)范嚴(yán)格要求，從平衡角度考慮選擇氨水會多一些。而我們國家則在賴氨酸工業(yè)化大生產(chǎn)中全部采用液氨，液氨雖然危險性高，只要我們嚴(yán)格按照規(guī)范去設(shè)計，加強管理，落實責(zé)任風(fēng)險是可控的，從生產(chǎn)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性上更有利。