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生物發(fā)酵罐|發(fā)酵罐攪拌裝置的發(fā)展及優(yōu)化設計
閱讀：7108 發(fā)布時間：2010-8-27發(fā)酵罐|生物發(fā)酵罐的發(fā)酵攪拌裝置是生物發(fā)酵過程中*的重要裝置。
在生物發(fā)酵中產(chǎn)品收率高、生產(chǎn)能耗低是大型發(fā)酵罐的重要經(jīng)濟指標,采用優(yōu)化后的組合式攪拌器,根據(jù)要求采用不同的槳型,控制各層攪拌器的能耗,按各層攪拌器的作用不同來分配攪拌器的軸功率,并且利用氣體上升膨脹做功降低能耗,使之滿足發(fā)酵各個區(qū)域氣液分散、固液懸浮、混均、傳熱等要求,從而保證微生物的生長要求,達到提高發(fā)酵產(chǎn)量,同時降低生產(chǎn)能耗的目的;優(yōu)化后的組合式攪拌器在國內(nèi)一些抗生素發(fā)酵上得到應用,在不同種類產(chǎn)品及不同大小罐上均取得了較好的效果,起到了提高產(chǎn)能、降低能耗的作用。
近年來,隨著節(jié)能降耗成為社會的主流,高額的電能消耗不僅成為生物發(fā)酵行業(yè)擴大生產(chǎn)的瓶頸,也加大了產(chǎn)品成本。而生物發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展,以及對發(fā)酵過程不斷的了解,如何在提高發(fā)酵單位產(chǎn)能的同時降低能耗、節(jié)約成本成為各企業(yè)的中心議題。為達到以上目的,除工藝操作過程的合理優(yōu)化外,正確設計發(fā)酵罐攪拌裝置也是保證發(fā)酵過程實現(xiàn)高產(chǎn)節(jié)能的重要保證。在發(fā)酵過程反應動力控制條件（如溫度、培養(yǎng)基、pH值等）一定的情況下,需要根據(jù)產(chǎn)品、罐體尺寸、反應動力控制條件等要求,來確定發(fā)酵工藝過程需要攪拌作用來控制過程的主要參數(shù),而攪拌的作用體現(xiàn)在攪拌器的剪切作用和循環(huán)作用,這兩種作用構成攪拌對發(fā)酵液的控制。攪拌器剪切作用主要控制氣體分散、氣泡細化和氣固液傳質;攪拌循環(huán)作用主要控制氣泡擴散、物料混合均衡、傳熱及溫度均衡。
1 攪拌器的選型
為了達到發(fā)酵工藝過程的要求,合理配置攪拌器的剪切及循環(huán)作用來達到發(fā)酵工藝所需的氣液分散、料液懸浮、混均、傳熱、傳質等?，F(xiàn)在普遍采用多層軸流型與徑流型攪拌器組合式槳來滿足要求,其中徑流型攪拌器[如直葉圓盤渦輪PY （D26 ）、半圓管圓盤渦輪HY（CD26 ）、拋物線圓盤渦輪BTD （BT26 ）等]主要起剪切作用,控制氣體的分散;軸流型攪拌器[如中寬葉旋槳ZSX,寬葉旋槳KSX （萊寧A315 ） 等]主要起循環(huán)作用,依靠軸向流攪拌器的主體對流作用使全部液體周期性依次與氣體混合, 實現(xiàn)較大范圍的氣液混合。根據(jù)發(fā)酵罐一般是下部通氣的特點, 目前一般在底層進氣口附近設徑流型攪拌器,底層以上設軸流型攪拌器。與早期單純采用徑向流攪拌器相比,該組合形式可以提高傳質系數(shù),減少功率消耗,對于剪切敏感的細菌發(fā)酵過程還能夠減少剪切作用,增加收率,并能提高料液濃度及溫度均衡,有利于產(chǎn)品質量穩(wěn)定,故充分利用兩種攪拌器在剪切循環(huán)上優(yōu)勢,取長補短,采用多級多種組合方式是目前及今后發(fā)酵罐攪拌設計的方向。
2 實際運用過程
2. 1 運用過程及依據(jù)
自20世紀90年代廣泛推廣以來,國內(nèi)外大量生物發(fā)酵企業(yè)表明組合式攪拌器能保證發(fā)酵生產(chǎn)的產(chǎn)品原有產(chǎn)能及質量,確實較早期的多層徑向型攪拌器節(jié)約了電能30%以上,取得良好經(jīng)濟效益。然而近幾年隨著菌種的改良及新技術的運用,以抗生素生產(chǎn)為例:發(fā)酵罐體積不斷加大,現(xiàn)在通用發(fā)酵罐容積為120 m3 以上,目前zui大做到350 m3。通氣比（Vg /V ）zui大可達到1. 4。國內(nèi)許多大型抗生素原料藥廠（如頭孢、*、*、*、阿維菌等）在大通氣比及大容積發(fā)酵罐使用組合式攪拌,發(fā)現(xiàn)溶氧方面有所下降,從罐頂視鏡看明顯可見大氣泡現(xiàn)象甚至出現(xiàn)了氣泛。原有的單位產(chǎn)能及發(fā)酵時間得不到保障,放大后的發(fā)酵罐往往低于小試及小罐的產(chǎn)能。為此許多企業(yè)采取均衡提高軸流型和徑流型攪拌的能耗來提升剪切及循環(huán)作用來保證生產(chǎn),表現(xiàn)為加快攪拌速度和加大組合式攪拌器直徑,如150—
攪拌裝置的再次優(yōu)化設計成為適應發(fā)酵技術發(fā)展的重點。其實,發(fā)酵過程是一個氣固液三相體系流動場,攪拌作用的重點在于控制氣液流動場。這一點不僅通過計算模擬及試驗室模擬可以得到,也可以通過發(fā)酵罐攪拌器的配給得到相同結果,所有發(fā)酵罐攪拌在底部進氣口上方都采用的是帶剪切作用的徑向型攪拌器,也就是盡可能快地將空氣靠攪拌剪切作用分散細化成小氣泡,增大氣液的比界面
a （即增大傳質面積） 。在由溶液及氣體性質決定的傳質系數(shù)KL （攪拌作用無法改變）不變下,提高空氣中氧氣與發(fā)酵液的傳質速度KL a。滿足菌種的供氧要求有利于生長。早期多層徑向型攪拌器優(yōu)點在于依靠多層剪切作用層層細化氣泡,抑制氣泛作用強,使氣液傳質速度得到充分保證,滿足供氧要求,再依靠氣泡上升的氣體膨脹功帶動發(fā)酵液上下循環(huán),滿足整個罐內(nèi)均衡濃度及溫度要求;缺點是發(fā)酵罐內(nèi)上下濃度溫度均衡保障較差,代謝副產(chǎn)物CO2 不容易排出,影響菌種生長。且徑向型攪拌器功耗大,在通氣條件下k因子（通氣功率下降比）較小,通氣變化造成功率不穩(wěn)定,電機功率配置大且利用率低（60%左右） 。組合式攪拌器依靠底層剪切型攪拌器的剪切作用細化氣泡,再依靠軸向型攪拌器的循環(huán)作用將發(fā)酵液快速與小氣泡混合來達到供氧要求,整個罐內(nèi)濃度及溫度均衡要求容易保證,代謝副產(chǎn)物CO2 容易排出,有利于菌種生長,且軸向型攪拌器功耗小,在通氣條件下k因子較大,電機功率配置小且利用率較高（ 80%左右） 。缺點是只有一層徑向攪拌器,其余靠寬葉軸向型攪拌器抑制氣泛,作用較弱。特別對于大通氣比及通氣比變化大的操作,整個發(fā)酵罐內(nèi)溶氧保證較多層徑向攪拌差,靠發(fā)酵液快速流動不斷通過接觸底層攪拌分散產(chǎn)生的細氣泡來保證。優(yōu)化后組合式攪拌器均衡了2種方式的優(yōu)點,適當增加徑向型攪拌剪切功率,用于提高底層徑向型攪拌器分散細化氣泡和傳質能力[見傳質系數(shù)KL a關聯(lián)式（ 1） [ 4 ] ,利用氣體膨脹功和軸向型攪拌器循環(huán)作用,將料液不斷循環(huán)通過強對流區(qū),從而提高氣液傳質降低能耗。對于傳質速率可用傳質系數(shù)KL a表示
KL a∝ k （ P /V ） c vb （1）
式中: k為與葉輪型式有關的因子; P /V 為葉輪單位體積功; v為氣體表觀速度; b, c為過程變量,一般為0. 5。這里引入氣體膨脹功PA ,在空氣進入發(fā)酵罐被底層攪拌器分散打碎成小氣泡后,氣泡的上升及聚并也在做功,起循環(huán)攪拌作用。氣體膨脹功PA 的計算[ 4 ] : PA =ρg （Hg - Hs ） qg
式中:ρ為料液密度; Hg 為通氣后液位高度; Hs 為氣體分布器高度; qg 氣體流量。
2. 2 運用方法及結果
隨著計算技術、冷模試驗等基礎研究方面的進一步深入以及許多廠家的生產(chǎn)實踐反饋表明,將軸向型攪拌器取掉1—2層,按原工藝操作完成一個發(fā)酵生長周期后,其發(fā)酵單位并沒有太大波動,試驗室冷模也驗證了上部減少循環(huán)作用對罐內(nèi)氣含率影響不大,重點在于底層徑向型攪拌器的能力。因而近2年來針對通氣比0. 6 以上,料液黏度200 mPa·s以內(nèi)、濕固質量分數(shù)不超過40%的頭孢、*、*、*等抗生素攪拌我們提出并設計了優(yōu)化的組合式攪拌器。以原來普遍采用3層組合式攪拌器為例,其由上而下為軸向、軸向、徑向攪拌器,軸功率配比約為30% , 30% , 40% ,徑向攪拌器的剪切作用功僅占40%, 4層組合式則更少。優(yōu)化后攪拌軸功率配比約為20%, 20% , 60%。大幅降低軸向型攪拌器的軸功率以及所占總能耗比例,提高了徑向攪拌器的軸功率及所占總能耗比例,取得了良好的效果,總能耗節(jié)約10% —20%。
3 結論
綜上所述,通過優(yōu)化設計,弱化軸向型攪拌器的循環(huán)作用,強化徑向型攪拌器剪切分散能力,合理選擇攪拌器并優(yōu)化分配發(fā)酵罐各個攪拌器的使用功率,可以很好地滿足發(fā)酵工藝要求,通過試驗及發(fā)酵生產(chǎn)廠家實際使用,一些廠家在能耗不變的情況下增加了收率和產(chǎn)能,一些廠家在保證原有產(chǎn)能和收率下降低了能耗約20% ,取得良好的經(jīng)濟效益。隨著發(fā)酵技術的不斷發(fā)展,會有更多高性能的適合發(fā)酵過程的攪拌器被開發(fā)和優(yōu)化,并被推廣應用。