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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(shè)計(jì)
閱讀：7112 發(fā)布時(shí)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(jì)指標(biāo),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(gè)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(zhǎng)要求,達(dá)到提高發(fā)酵產(chǎn)量,同時(shí)降低生產(chǎn)能耗的目的;優(yōu)化后的組合式攪拌器在國(guó)內(nèi)一些抗生素發(fā)酵上得到應(yīng)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(huì)的主流,高額的電能消耗不僅成為生物發(fā)酵行業(yè)擴(kuò)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(duì)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(shí)降低能耗、節(jié)約成本成為各企業(yè)的中心議題。為達(dá)到以上目的,除工藝操作過程的合理優(yōu)化外,正確設(shè)計(jì)發(fā)酵罐攪拌裝置也是保證發(fā)酵過程實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)節(jié)能的重要保證。在發(fā)酵過程反應(yīng)動(dòng)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(yīng)動(dòng)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(gòu)成攪拌對(duì)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(xì)化和氣固液傳質(zhì);攪拌循環(huán)作用主要控制氣泡擴(kuò)散、物料混合均衡、傳熱及溫度均衡。
1 攪拌器的選型
為了達(dá)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(dá)到發(fā)酵工藝所需的氣液分散、料液懸浮、混均、傳熱、傳質(zhì)等。現(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(duì)流作用使全部液體周期性依次與氣體混合, 實(shí)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(diǎn), 目前一般在底層進(jìn)氣口附近設(shè)徑流型攪拌器,底層以上設(shè)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(zhì)系數(shù),減少功率消耗,對(duì)于剪切敏感的細(xì)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(zhì)量穩(wěn)定,故充分利用兩種攪拌器在剪切循環(huán)上優(yōu)勢(shì),取長(zhǎng)補(bǔ)短,采用多級(jí)多種組合方式是目前及今后發(fā)酵罐攪拌設(shè)計(jì)的方向。
2 實(shí)際運(yùn)用過程
2. 1 運(yùn)用過程及依據(jù)
自20世紀(jì)90年代廣泛推廣以來,國(guó)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(zhì)量,確實(shí)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(jì)效益。然而近幾年隨著菌種的改良及新技術(shù)的運(yùn)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(dá)到1. 4。國(guó)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(shí)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(shè)計(jì)成為適應(yīng)發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。其實(shí),發(fā)酵過程是一個(gè)氣固液三相體系流動(dòng)場(chǎng),攪拌作用的重點(diǎn)在于控制氣液流動(dòng)場(chǎng)。這一點(diǎn)不僅通過計(jì)算模擬及試驗(yàn)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(jié)果,所有發(fā)酵罐攪拌在底部進(jìn)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(xì)化成小氣泡,增大氣液的比界面
a （即增大傳質(zhì)面積） 。在由溶液及氣體性質(zhì)決定的傳質(zhì)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(zhì)速度KL a。滿足菌種的供氧要求有利于生長(zhǎng)。早期多層徑向型攪拌器優(yōu)點(diǎn)在于依靠多層剪切作用層層細(xì)化氣泡,抑制氣泛作用強(qiáng),使氣液傳質(zhì)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(dòng)發(fā)酵液上下循環(huán),滿足整個(gè)罐內(nèi)均衡濃度及溫度要求;缺點(diǎn)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(zhǎng)。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(jī)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(xì)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(dá)到供氧要求,整個(gè)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(zhǎng),且軸向型攪拌器功耗小,在通氣條件下k因子較大,電機(jī)功率配置小且利用率較高（ 80%左右） 。缺點(diǎn)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(duì)于大通氣比及通氣比變化大的操作,整個(gè)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(dòng)不斷通過接觸底層攪拌分散產(chǎn)生的細(xì)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(diǎn),適當(dāng)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(xì)化氣泡和傳質(zhì)能力[見傳質(zhì)系數(shù)KL a關(guān)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(qiáng)對(duì)流區(qū),從而提高氣液傳質(zhì)降低能耗。對(duì)于傳質(zhì)速率可用傳質(zhì)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(guān)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(jìn)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(jì)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(yùn)用方法及結(jié)果
隨著計(jì)算技術(shù)、冷模試驗(yàn)等基礎(chǔ)研究方面的進(jìn)一步深入以及許多廠家的生產(chǎn)實(shí)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(gè)發(fā)酵生長(zhǎng)周期后,其發(fā)酵單位并沒有太大波動(dòng),試驗(yàn)室冷模也驗(yàn)證了上部減少循環(huán)作用對(duì)罐內(nèi)氣含率影響不大,重點(diǎn)在于底層徑向型攪拌器的能力。因而近2年來針對(duì)通氣比0. 6 以上,料液黏度200 mPa·s以內(nèi)、濕固質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過40%的頭孢、*、*、*等抗生素?cái)嚢栉覀兲岢霾⒃O(shè)計(jì)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(jié)論
綜上所述,通過優(yōu)化設(shè)計(jì),弱化軸向型攪拌器的循環(huán)作用,強(qiáng)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(gè)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(yàn)及發(fā)酵生產(chǎn)廠家實(shí)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(jì)效益。隨著發(fā)酵技術(shù)的不斷發(fā)展,會(huì)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(yīng)用。