改變青霉素發(fā)酵罐的攪拌形式來提高發(fā)酵單位

房新連

【摘要】目前，帶攪拌的青霉素發(fā)酵罐是醫(yī)藥領(lǐng)域中常用的反應(yīng)設(shè)備，它是在一定壓力和溫度下借助攪拌器將一定容積的液體或氣體物料混勻促進(jìn)其反應(yīng)的一種設(shè)備。對于青霉素的發(fā)酵而言，怎樣充分利用溶解在發(fā)酵液中的氧氣是提高發(fā)酵單位的關(guān)鍵所在，為此本文從改進(jìn)青霉素發(fā)酵罐的攪拌形式方面對如何提高發(fā)酵單位進(jìn)行了系統(tǒng)的論述。

【關(guān)鍵詞】發(fā)酵罐；攪拌器；攪拌形式；發(fā)酵質(zhì)量

【中圖分類號】TQ027.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1672—5158（2013）01—0343—01

在青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，一直使用的是發(fā)酵罐單層直葉攪拌方式進(jìn)行發(fā)酵，這種攪拌形式有很大優(yōu)點(diǎn)如結(jié)構(gòu)簡單、安裝成本較低，但由于只采用位于發(fā)酵罐底部一層攪拌器，隨著從發(fā)酵罐底部進(jìn)來的高壓空氣的大量涌入，一層攪拌顯然并不能將高壓空氣充分打碎于水中，導(dǎo)致發(fā)酵單位質(zhì)量不高，由此可見，改變發(fā)酵罐的攪拌形式充分利用罐內(nèi)氧氣才是提高發(fā)酵罐發(fā)酵單位的重點(diǎn)。

一、改變發(fā)酵罐攪拌方式的必要性

1、攪拌器對青霉素發(fā)酵工藝的影響

發(fā)酵罐的罐壓維持微正狀態(tài)可以避免負(fù)壓時造成的染菌，也能延長氧在發(fā)酵液中的停留時間，但是如將罐壓從微正狀態(tài)提高時將不利于廢氣的排除和發(fā)酵液內(nèi)氧的傳遞。在這種情況下就不能單一考慮用增大空氣流量的形式來提高供氧濃度，因?yàn)檫@樣會帶走更多的揮發(fā)性有機(jī)酸對產(chǎn)生菌的代謝十分不利，同時隨著發(fā)酵液黏度的上升，還會影響液體的湍動程度和氧從氣相傳遞到發(fā)酵液中的液膜阻力，使氧的傳遞阻力增大。除此之外，在發(fā)酵液粘度較大的時候還會使氣液接觸的總面積降低。因此為了消除過多的泡沫就要耗用大量的消沫劑。但是要注意消沫劑的用量如果過多時，不但不能消除泡沫反而會引起泡沫的調(diào)節(jié)失控最終導(dǎo)致異常發(fā)酵，從而給青霉素的生產(chǎn)工藝造成不可挽回的損失。綜上可見在青霉素發(fā)酵工藝中并不提倡一味地增大空氣流量，而應(yīng)當(dāng)調(diào)整攪拌器的轉(zhuǎn)速，以便滿足不同產(chǎn)生菌及其在不同生長代謝階段對溶氧的需求。但是，如果攪拌器的轉(zhuǎn)速過高，不僅溶氧濃度趨向飽和，并且浪費(fèi)能源，還容易損傷菌體形態(tài)和產(chǎn)生過多的泡沫。

2、發(fā)酵罐的攪拌方式改變的必要性

青霉素是青霉菌在發(fā)酵代謝過程中產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物，青霉素生產(chǎn)菌種是決定生產(chǎn)能力的內(nèi)在因素，所以對青霉素的發(fā)酵過程進(jìn)行有效控制就顯得非常重要。目前為了不斷降低消耗和制造成本，提高青霉素的發(fā)酵水平，很多企業(yè)都在不斷改革工藝進(jìn)行設(shè)備上的優(yōu)化，以達(dá)到高產(chǎn)的目的。青霉素菌種的發(fā)酵水平與原材料和種子制作工藝等都有關(guān)系，還有一個重要因素就是設(shè)備。發(fā)酵罐指工業(yè)上用來進(jìn)行微生物發(fā)酵的裝置，其主體一般用不銹鋼板制成，在設(shè)計(jì)和加工中應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性及合理性。發(fā)酵罐能耐受蒸汽滅菌，有一定操作彈性而且物料與能量傳遞性能強(qiáng)，并可進(jìn)行一定調(diào)節(jié)以便于清洗及減少污染，適合于多種產(chǎn)品的生產(chǎn)以及減少能量消耗。一個優(yōu)秀的生物反應(yīng)器必須能提供微生物所需的各種條件，而其中溶解氧是重中之重，而攪拌又是提高溶解氧所必須的手段，所以若改換成更高效的攪拌形式則溶解氧水平肯定會提高，從而使發(fā)酵水平在一定程度上提到最高。

二、發(fā)酵罐新型攪拌方案的選擇

青霉菌是一種好氧菌，它的生長代謝和合成青霉素都需要充分的氧供給。所以在現(xiàn)有空氣供給條件下及限定的攪拌功率下提高溶氧水平，可通過優(yōu)化改進(jìn)攪拌系統(tǒng)達(dá)此目的。目前可運(yùn)用力學(xué)、流體力學(xué)等從現(xiàn)有生產(chǎn)晴況分析人手，不斷改進(jìn)氣體分散狀態(tài)液體混合，使氣泡得運(yùn)動形式達(dá)到提高供氧能力的目標(biāo)。通過分析和不斷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)U型攪拌器的攪拌效果非常好，能夠在在攪拌電流略低和空氣流量不增的情況下提高了溶氧水平。

1、三層U型攪拌設(shè)計(jì)方案

攪拌器是一種使液體、氣體介質(zhì)強(qiáng)迫對流并均勻混合的器件，攪拌器的類型、尺寸、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)對介質(zhì)的攪拌混合效果有著非常重要的影響。不同的攪拌過程需要由不同的攪拌裝置運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)選型時首先要根據(jù)工藝對攪拌作業(yè)的目的和要求確定攪拌器的類型、電機(jī)功率、攪拌速度，然后選擇減速機(jī)、機(jī)架、攪拌軸及軸封等各部件。在青霉素的發(fā)酵罐中，新的發(fā)酵罐攪拌形式把原來攪拌器的一層攪拌增加到了三層，并且將原來直葉形式的攪拌方式改為“U”型，這樣的實(shí)際處理能夠大大增加發(fā)酵液中的氧氣濃度，減少了由于增加兩層攪拌葉所帶來的增加運(yùn)轉(zhuǎn)電流，而且U型攪拌葉的運(yùn)轉(zhuǎn)電流比直葉型小，如此設(shè)計(jì)為發(fā)酵罐的充分發(fā)酵提供了技術(shù)上的有效支撐。

2、設(shè)備設(shè)計(jì)要求精確

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時必須對工藝給定外的隱含條件進(jìn)行綜合考慮，對構(gòu)件的形式也要進(jìn)行合理的選擇以做到數(shù)據(jù)精確。在青霉素生產(chǎn)中采用的攪拌器設(shè)備在生產(chǎn)過程中所起的作用非同小可，所以要求設(shè)備的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)型式也要非常精確，所以對攪拌器進(jìn)行優(yōu)化合理的設(shè)計(jì)是非常重要的—件事。在具體的設(shè)計(jì)中要注意熟練掌握攪拌器的基礎(chǔ)知識和工藝特性才能設(shè)計(jì)出符合要求的新型攪拌器。

3、三層U型攪拌設(shè)計(jì)的可行性研究及優(yōu)勢

每一種方案的選擇必須經(jīng)過充分的論證之后才能被采用，U型攪拌設(shè)計(jì)是在選取了充足的實(shí)驗(yàn)材料下，對單層直葉形式和三層U型進(jìn)行了充分的比較下進(jìn)行的選擇。

3.1 可行性研究

實(shí)驗(yàn)方案選取的是在100噸發(fā)酵罐上分別裝上兩種不同形式的攪拌器，分別運(yùn)轉(zhuǎn)四個批次，對其最后放罐效價及指數(shù)做對比分析。經(jīng)初步分析，采用U型攪拌設(shè)計(jì)能夠提高發(fā)酵罐的溶解氧將發(fā)酵水平提高了1.5%，但是由于只測試了U型攪拌葉在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的電流比直葉攪拌形式小，而未考慮到啟動瞬間的電流大小問題，導(dǎo)致在第一次啟動安裝U型攪拌的發(fā)酵罐時，由于啟動電流過大，造成電機(jī)燒毀。為此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時要充分運(yùn)用調(diào)頻器來達(dá)到對攪拌轉(zhuǎn)速的控制。把安裝了U型攪拌葉的發(fā)酵罐批次用調(diào)頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，使之在開啟攪拌的時候緩慢轉(zhuǎn)動，這就會使得啟動瞬間的電流由于攪拌轉(zhuǎn)速的降低而大幅降低，從而保證電機(jī)的實(shí)際電流為額定電流之下。從所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，采用原來單層直葉攪拌所得的平均發(fā)酵指數(shù)明顯低于安裝新式U型攪拌發(fā)酵罐所得的平均發(fā)酵指數(shù)，由此證明新型設(shè)計(jì)能夠提高發(fā)酵生產(chǎn)水平，能達(dá)到預(yù)期的提高生產(chǎn)水平的目的。

3.2 U型攪拌設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

在機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐中，攪拌所消耗的能源占發(fā)酵全過程的一半左右，所以在機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐內(nèi)強(qiáng)化通風(fēng)就能使加速發(fā)酵罐的溶氧過程，并且能夠有效的降低發(fā)酵能耗。采用U型攪拌器能夠強(qiáng)化發(fā)酵罐內(nèi)的氣體分散，所以在設(shè)計(jì)時要合理設(shè)計(jì)各層攪拌器的直徑。U型攪拌器比傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐能耗上能夠降低很多，還提高了溶氧效果及發(fā)酵水平。傳統(tǒng)青霉素的發(fā)酵罐攪拌大多數(shù)都是多檔攪拌才能達(dá)到發(fā)酵溶氧的要求，但是通過實(shí)驗(yàn)我們可知發(fā)酵液中的溶氧水平主要取決于發(fā)酵罐底檔攪拌氣液的混合效果。經(jīng)改進(jìn)攪拌器結(jié)構(gòu)形式，就可以在罐底部使氣液達(dá)到充分的混合，從而使氣泡直徑達(dá)到微型化直至乳化狀態(tài)，這樣就能更有效的提高溶解氧。

結(jié)束語

總而言之，由于青霉素的不同產(chǎn)生菌與不同生長代謝階段對攝氧量的要求不同，加之?dāng)嚢杵鬓D(zhuǎn)速對溶氧濃度的重要性，所以要加大對青霉素發(fā)酵罐的傳統(tǒng)攪拌形式進(jìn)行技術(shù)改造的力度。由此通過青霉素生產(chǎn)發(fā)酵罐攪拌器的改造來實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和提高發(fā)酵單位的作用。