发酵罐|生物发酵罐的发酵搅拌装置是生物发酵过程中*的重要装置。

在生物发酵中产品收率高、生产能耗低是大型发酵罐的重要经济指标,采用优化后的组合式搅拌器,根据要求采用不同的桨型,控制各层搅拌器的能耗,按各层搅拌器的作用不同来分配搅拌器的轴功率,并且利用气体上升膨胀做功降低能耗,使之满足发酵各个区域气液分散、固液悬浮、混均、传热等要求,从而保证微生物的生长要求,达到提高发酵产量,同时降低生产能耗的目的;优化后的组合式搅拌器在国内一些抗生素发酵上得到应用,在不同种类产品及不同大小罐上均取得了较好的效果,起到了提高产能、降低能耗的作用。

　近年来,随着节能降耗成为社会的主流,高额的电能消耗不仅成为生物发酵行业扩大生产的瓶颈,也加大了产品成本。而生物发酵工业的发展,以及对发酵过程不断的了解,如何在提高发酵单位产能的同时降低能耗、节约成本成为各企业的中心议题。为达到以上目的,除工艺操作过程的合理优化外,正确设计发酵罐搅拌装置也是保证发酵过程实现高产节能的重要保证。在发酵过程反应动力控制条件（如温度、培养基、pH值等）一定的情况下,需要根据产品、罐体尺寸、反应动力控制条件等要求,来确定发酵工艺过程需要搅拌作用来控制过程的主要参数,而搅拌的作用体现在搅拌器的剪切作用和循环作用,这两种作用构成搅拌对发酵液的控制。搅拌器剪切作用主要控制气体分散、气泡细化和气固液传质;搅拌循环作用主要控制气泡扩散、物料混合均衡、传热及温度均衡。

1　搅拌器的选型

为了达到发酵工艺过程的要求,合理配置搅拌器的剪切及循环作用来达到发酵工艺所需的气液分散、料液悬浮、混均、传热、传质等。现在普遍采用多层轴流型与径流型搅拌器组合式桨来满足要求,其中径流型搅拌器[如直叶圆盘涡轮PY （D26 ）、半圆管圆盘涡轮HY（CD26 ）、抛物线圆盘涡轮BTD （BT26 ）等]主要起剪切作用,控制气体的分散;轴流型搅拌器[如中宽叶旋桨ZSX,宽叶旋桨KSX （莱宁A315 ） 等]主要起循环作用,依靠轴向流搅拌器的主体对流作用使全部液体周期性依次与气体混合, 实现较大范围的气液混合。根据发酵罐一般是下部通气的特点, 目前一般在底层进气口附近设径流型搅拌器,底层以上设轴流型搅拌器。与早期单纯采用径向流搅拌器相比,该组合形式可以提高传质系数,减少功率消耗,对于剪切敏感的细菌发酵过程还能够减少剪切作用,增加收率,并能提高料液浓度及温度均衡,有利于产品质量稳定,故充分利用两种搅拌器在剪切循环上优势,取长补短,采用多级多种组合方式是目前及今后发酵罐搅拌设计的方向。

2　实际运用过程

2. 1　运用过程及依据

自20世纪90年代广泛推广以来,国内外大量生物发酵企业表明组合式搅拌器能保证发酵生产的产品原有产能及质量,确实较早期的多层径向型搅拌器节约了电能30%以上,取得良好经济效益。然而近几年随着菌种的改良及新技术的运用,以抗生素生产为例:发酵罐体积不断加大,现在通用发酵罐容积为120 m3 以上,目前zui大做到350 m3。通气比（Vg /V ）zui大可达到1. 4。国内许多大型抗生素原料药厂（如头孢、*、*、*、阿维菌等）在大通气比及大容积发酵罐使用组合式搅拌,发现溶氧方面有所下降,从罐顶视镜看明显可见大气泡现象甚至出现了气泛。原有的单位产能及发酵时间得不到保障,放大后的发酵罐往往低于小试及小罐的产能。为此许多企业采取均衡提高轴流型和径流型搅拌的能耗来提升剪切及循环作用来保证生产,表现为加快搅拌速度和加大组合式搅拌器直径,如150—180 m3 头孢搅拌装置配置500 kW 电机,300 m3左右*及*发酵罐配置630 kW 左右电机。这样在保证产能及质量上取得效果,但能耗恢复了早期的多层径流搅拌器能耗,造成投资增加及操作稳定性减弱。原有的组合式搅拌优势不再存在。

搅拌装置的再次优化设计成为适应发酵技术发展的重点。其实,发酵过程是一个气固液三相体系流动场,搅拌作用的重点在于控制气液流动场。这一点不仅通过计算模拟及试验室模拟可以得到,也可以通过发酵罐搅拌器的配给得到相同结果,所有发酵罐搅拌在底部进气口上方都采用的是带剪切作用的径向型搅拌器,也就是尽可能快地将空气靠搅拌剪切作用分散细化成小气泡,增大气液的比界面

a （即增大传质面积） 。在由溶液及气体性质决定的传质系数KL （搅拌作用无法改变）不变下,提高空气中氧气与发酵液的传质速度KL a。满足菌种的供氧要求有利于生长。早期多层径向型搅拌器优点在于依靠多层剪切作用层层细化气泡,抑制气泛作用强,使气液传质速度得到充分保证,满足供氧要求,再依靠气泡上升的气体膨胀功带动发酵液上下循环,满足整个罐内均衡浓度及温度要求;缺点是发酵罐内上下浓度温度均衡保障较差,代谢副产物CO2 不容易排出,影响菌种生长。且径向型搅拌器功耗大,在通气条件下k因子（通气功率下降比）较小,通气变化造成功率不稳定,电机功率配置大且利用率低（60%左右） 。组合式搅拌器依靠底层剪切型搅拌器的剪切作用细化气泡,再依靠轴向型搅拌器的循环作用将发酵液快速与小气泡混合来达到供氧要求,整个罐内浓度及温度均衡要求容易保证,代谢副产物CO2 容易排出,有利于菌种生长,且轴向型搅拌器功耗小,在通气条件下k因子较大,电机功率配置小且利用率较高（ 80%左右） 。缺点是只有一层径向搅拌器,其余靠宽叶轴向型搅拌器抑制气泛,作用较弱。特别对于大通气比及通气比变化大的操作,整个发酵罐内溶氧保证较多层径向搅拌差,靠发酵液快速流动不断通过接触底层搅拌分散产生的细气泡来保证。优化后组合式搅拌器均衡了2种方式的优点,适当增加径向型搅拌剪切功率,用于提高底层径向型搅拌器分散细化气泡和传质能力[见传质系数KL a关联式（ 1） [ 4 ] ,利用气体膨胀功和轴向型搅拌器循环作用,将料液不断循环通过强对流区,从而提高气液传质降低能耗。对于传质速率可用传质系数KL a表示

KL a∝ k （ P /V ） c vb （1）

式中: k为与叶轮型式有关的因子; P /V 为叶轮单位体积功; v为气体表观速度; b, c为过程变量,一般为0. 5。这里引入气体膨胀功PA ,在空气进入发酵罐被底层搅拌器分散打碎成小气泡后,气泡的上升及聚并也在做功,起循环搅拌作用。气体膨胀功PA 的计算[ 4 ] : PA =ρg （Hg - Hs ） qg

式中:ρ为料液密度; Hg 为通气后液位高度; Hs 为气体分布器高度; qg 气体流量。

2. 2　运用方法及结果

随着计算技术、冷模试验等基础研究方面的进一步深入以及许多厂家的生产实践反馈表明,将轴向型搅拌器取掉1—2层,按原工艺操作完成一个发酵生长周期后,其发酵单位并没有太大波动,试验室冷模也验证了上部减少循环作用对罐内气含率影响不大,重点在于底层径向型搅拌器的能力。因而近2年来针对通气比0. 6 以上,料液黏度200 mPa·s以内、湿固质量分数不超过40%的头孢、*、*、*等抗生素搅拌我们提出并设计了优化的组合式搅拌器。以原来普遍采用3层组合式搅拌器为例,其由上而下为轴向、轴向、径向搅拌器,轴功率配比约为30% , 30% , 40% ,径向搅拌器的剪切作用功仅占40%, 4层组合式则更少。优化后搅拌轴功率配比约为20%, 20% , 60%。大幅降低轴向型搅拌器的轴功率以及所占总能耗比例,提高了径向搅拌器的轴功率及所占总能耗比例,取得了良好的效果,总能耗节约10% —20%。

3　结论

综上所述,通过优化设计,弱化轴向型搅拌器的循环作用,强化径向型搅拌器剪切分散能力,合理选择搅拌器并优化分配发酵罐各个搅拌器的使用功率,可以很好地满足发酵工艺要求,通过试验及发酵生产厂家实际使用,一些厂家在能耗不变的情况下增加了收率和产能,一些厂家在保证原有产能和收率下降低了能耗约20% ,取得良好的经济效益。随着发酵技术的不断发展,会有更多高性能的适合发酵过程的搅拌器被开发和优化,并被推广应用。