空氣能發(fā)酵罐研究進(jìn)展及其應(yīng)用

劉 辰 冷云偉 劉 飛

（1.南通百泰生物科技有限公司，江蘇 南通 226007；2.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.南通凱賽生化工程設(shè)備有限公司，江蘇 南通 226363）

近年來，中國生物發(fā)酵工藝技術(shù)和裝備水平都有了長足進(jìn)步，但發(fā)酵罐卻是幾十年一貫制，采用標(biāo)準(zhǔn)式機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐［1］，還有不少工廠甚至仍在沿用純徑流攪拌系統(tǒng)和管式分布器［2］，普遍存在能耗高、溶氧率低、底物轉(zhuǎn)化率低等弊端。統(tǒng)計數(shù)據(jù)［3］表明，用于機(jī)械攪拌所消耗的能源占發(fā)酵全過程的50%左右。隨著高產(chǎn)菌株的不斷使用，標(biāo)準(zhǔn)式機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的構(gòu)造已難以適應(yīng)通氣量愈來愈大的發(fā)展趨勢，無法滿足好氧發(fā)酵對溶氧愈來愈高的要求［4］。

發(fā)酵罐的大型化使得罐內(nèi)液柱增高，在通氣率不變的情況下，絕對通氣量相應(yīng)增加，造成空壓機(jī)的出口壓力增高、能耗增大［5］。要完成大量氣體在發(fā)酵液中的分散，在攪拌器形式不變的情況下，只能靠增加攪拌器直徑和轉(zhuǎn)速來提高溶氧率。但在實際應(yīng)用中效果并不理想，不但造成攪拌功率上升，而且剪切力的增大還對微生物的生長和代謝帶來傷害［6］。

大型好氧發(fā)酵罐應(yīng)將空氣分布器和攪拌系統(tǒng)集成為一個整體加以研究，兼顧氣—液分散效果與能源消耗［7］。充分利用壓縮空氣的能量，降低攪拌功率，這是發(fā)酵生產(chǎn)降低能耗的理想選擇［8］。

1 關(guān)鍵裝置

1.1 3D射流空氣分布器

發(fā)酵液中溶氧率和分散度是好氧微生物具有高活性和強(qiáng)代謝的前提條件［9］。壓縮空氣中的氧通過發(fā)酵液傳遞給微生物，傳遞速率很大程度上取決于氣—液間的傳質(zhì)面積，即取決于氣泡的大小、停留時間，氣泡越小、分散越均勻、停留時間越長，微生物越能獲得充足的氧氣［10］。

3D射流空氣分布器由縮放噴嘴、混合管（文丘里管）和循環(huán)布?xì)夤芙M成，見圖1。噴嘴內(nèi)徑5～25mm，混合管進(jìn)口直徑為38～58mm，長度45～75mm，錐角為75～85°。混合管與循環(huán)布?xì)夤芮芯€連接，水平傾角為40～80°，呈三維立體分布。

3D射流空氣分布器充分利用壓縮空氣的能量，噴射出高速氣流形成負(fù)壓，產(chǎn)生的卷吸作用使壓縮空氣和發(fā)酵液劇烈混合成乳化狀，幾何級地擴(kuò)大了氣液接觸面積，延長了空氣在發(fā)酵液中的停留時間，強(qiáng)化了氣液傳質(zhì)，壓縮空氣中的氧得到充分利用［11］，見圖2。

圖1 3D射流空氣分布器Figure 1 The three dimensional efflux air sparger

圖2 3D射流空氣分布器原理Figure 2 The schematic diagram of three dimensional efflux air sparger

1.2 軸—徑流組合攪拌系統(tǒng)

軸—徑流組合攪拌系統(tǒng)由軸流型攪拌器和徑流型攪拌器優(yōu)化組合而成，見圖3。在3D射流空氣分布器上方設(shè)徑流型攪拌器（如直葉圓盤渦輪、半圓管圓盤渦輪、拋物線圓盤渦輪等），在空氣分布器出口處將氣—液單相流攪碎，迅速分散成小氣泡，并在罐底均勻分布；底層以上采用軸流型攪拌器（如窄葉旋槳、寬葉旋槳等），通過循環(huán)對流作用，使發(fā)酵液反復(fù)與空氣混合，防止小氣泡聚并，延長氣—液傳質(zhì)時間［12］。

圖3 軸—徑流組合攪拌系統(tǒng)Figure 3 The stirring system combined by axis and diameter

軸—徑流組合攪拌系統(tǒng)博采兩種形式攪拌器剪切力、循環(huán)力、功率因數(shù)等之長，在發(fā)酵罐中上部形成強(qiáng)大的軸向循環(huán)流，下部形成液體泵送能力高的徑向流，充分滿足好氧發(fā)酵對溶氧、氣液分散和液液、液固的混合要求［13］。對剪切敏感的絲狀菌還能減少剪切作用，以利微生物生長和代謝［14］。

2 空氣能發(fā)酵罐及其節(jié)能機(jī)理和特性

2.1 節(jié)能機(jī)理

空氣能發(fā)酵罐（圖4）采用3D射流空氣分布器取代傳統(tǒng)的空氣分布管，充分利用壓縮空氣能量，改善發(fā)酵液的流場和氣體分布，顯著降低獲得相同溶氧水平所需的通氣量和攪拌轉(zhuǎn)速。導(dǎo)流筒內(nèi)氣—液單相流旋轉(zhuǎn)方向與攪拌方向相同，降低了攪拌器的功率消耗，也起到節(jié)能作用。

圖4 新型空氣能發(fā)酵罐Figure 4 The new kind of air energy fermentation tank

優(yōu)化組合的軸—徑流攪拌系統(tǒng)代替純徑流攪拌裝置，可以根據(jù)微生物的耗氧需求、生長代謝特性以及發(fā)酵液的性質(zhì)，選用不同流型和直徑的攪拌器，按各層攪拌器的作用來分配軸功率，減少功率消耗，達(dá)到節(jié)約能源的效果［15，16］。

2.2 空氣能發(fā)酵罐的特點

（1）改變了傳統(tǒng)發(fā)酵罐單純靠加強(qiáng)徑向攪拌打碎氣泡、增加溶氧的做法，實現(xiàn)富氧區(qū)、富營養(yǎng)區(qū)和富菌群區(qū)3個區(qū)域的重合［17］。

（2）功率準(zhǔn)數(shù)低的軸流型攪拌器與功率準(zhǔn)數(shù)高的徑流型攪拌器優(yōu)化組合，降低了所需電動機(jī)的功率。

如表1所示，原序列的ADF值大于5%臨界值，不能拒絕原假設(shè)，表明原序列數(shù)據(jù)不平穩(wěn)；而原序列一階差分的ADF值小于5%臨界值，可以拒絕原假設(shè)，故可認(rèn)為是平穩(wěn)序列，即ln（crmb）、ln（ix）、ln（ex）是一階單整序列。

（3）僅需0.015～0.025MPa的操作罐壓，比傳統(tǒng)發(fā)酵罐降低50%以上，降低了空壓機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷與能耗。

（4）有效避免“葡萄糖反饋抑制”、“二氧化碳反饋抑制”等阻遏效應(yīng)，有利于微生物生長和代謝，提高發(fā)酵效率。

（5）解決了大型發(fā)酵罐冷卻能力不足的問題。罐內(nèi)循環(huán)液流的加大有利于熱量傳遞［18］。緊貼發(fā)酵罐外表面加裝了半圓形冷卻盤管，不但增加了冷卻面積，還增強(qiáng)了罐體強(qiáng)度，從而減小罐體鋼板的厚度，降低發(fā)酵罐造價［19］。

（6）采用多極電機(jī)，實現(xiàn)變速攪拌。在實消時采用低速攪拌，發(fā)酵過程中根據(jù)微生物需氧量調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，不但能創(chuàng)造最佳的生長代謝環(huán)境，而且節(jié)約能源。

3 生產(chǎn)應(yīng)用實例

3.1 生物制藥應(yīng)用實例

某制藥集團(tuán)采用165m3空氣能發(fā)酵罐生產(chǎn)泰樂菌素、鹽霉素。發(fā)酵罐內(nèi)徑Φ4.2m，高度13.2m；罐內(nèi)有單層6組換熱盤管，外罐壁盤有6組半圓形冷卻管。選用額定功率220kW的十極立式電機(jī)，采用皮帶輪傳動。

3D射流空氣分布器裝有56支噴射器，強(qiáng)化初次氣體分散，因而縮小了攪拌器的直徑，將原本配備315kW電機(jī)改為220kW電機(jī)，大大節(jié)約了動力消耗。雖然泰樂菌素、鹽霉素發(fā)酵醪液十分粘稠，仍能充分滿足微生物對氧的需求［20］。

以泰樂菌素發(fā)酵為例，165m3空氣能發(fā)酵罐攪拌電流從190A下降到110A，通風(fēng)量由4 000m3/h下降到2 900m3/h。泰樂菌素產(chǎn)率由6.5g/L提高到7.2g/L，發(fā)酵效價增加了9.8%。每罐批可節(jié)約成本3萬元左右。

3.2 檸檬酸生產(chǎn)應(yīng)用實例

某生物技術(shù)公司采用400m3空氣能發(fā)酵罐生產(chǎn)檸檬酸。發(fā)酵罐主要尺寸及參數(shù)：罐體內(nèi)徑Φ5.5m，高度18.8m；罐內(nèi)設(shè)有雙層共計16組換熱盤管，外罐壁盤有8組半圓形冷卻管。采用十極立式電機(jī)，額定功率為130kW，皮帶輪傳動。4層攪拌器組成的軸—徑流攪拌系統(tǒng)，由下而上分別是：①Φ1.4m的三窄葉旋槳；②Φ1.5m的拋物線圓盤渦輪；③Φ1.7m的三窄葉旋槳；④Φ1.7m的三窄葉旋槳。順時針旋轉(zhuǎn)，軸流方向向上，最底層攪拌器位于導(dǎo)流筒（Φ2.5m）中部［23，24］。3D 射流空氣分布器配置了45支 噴射器。

傳統(tǒng)檸檬酸發(fā)酵罐大多采用相同直徑的箭葉式圓盤渦輪攪拌器［25］。箭葉式圓盤渦輪攪碎氣泡的效果好，但是流動循環(huán)能力差，功率消耗大。若葉輪間距選擇不當(dāng)，常常產(chǎn)生攪拌盲區(qū)或重疊區(qū)，影響攪拌效果。未通氣時功率比通氣時大1倍以上，配置電機(jī)時被迫加大功率。

采用軸—徑流組合攪拌系統(tǒng)后，生產(chǎn)能耗及生產(chǎn)效率發(fā)生明顯變化（見表1）。攪拌器平均直徑比原來降低15%左右，原來需要配置315kW電機(jī)，現(xiàn)僅配備130kW電機(jī)，運(yùn)行電流從540A降至230A，通風(fēng)比降到1∶0.13～1∶0.15，因此能耗降低了60%，節(jié)能效果非常顯著。

表1 生產(chǎn)檸檬酸的發(fā)酵罐改造前后參數(shù)比較Table 1 Fermentation tank before and after the trans-formation of the production of citric acid

3.3 生物化工應(yīng)用實例

某生物技術(shù)公司采用600m3空氣能發(fā)酵罐生產(chǎn)長鏈二元酸。發(fā)酵罐主要尺寸及參數(shù)：罐體內(nèi)徑Φ6.0m，高度22.7m；罐內(nèi)有雙層共計22組換熱盤管（換熱面積555m2），外罐壁盤有14組半圓形冷卻管（換熱面積220m2）。采用十極立式電機(jī)，額定功率185kW，皮帶輪傳動。采用3層3D射流空氣分布器，由上而下每層循環(huán)管的直徑分別為Φ2.6，2.6，3.3m。

5層攪拌器組成的軸—徑流攪拌系統(tǒng)。下層攪拌器選擇三窄葉旋槳；位于導(dǎo)流筒內(nèi)的拋物線圓盤渦輪，增強(qiáng)了罐底發(fā)酵液的循環(huán)流動，避免出現(xiàn)死區(qū)；上3層攪拌器采用四寬葉旋槳。充分滿足發(fā)酵罐各區(qū)域氣液分散、固液懸浮、混均、傳熱等不同要求［26］。

生產(chǎn)十三碳二元酸的600m3空氣能發(fā)酵罐只需配185kW電機(jī)，通風(fēng)比從1∶0.8下降到1∶0.5，極大地降低了能源消耗。溶氧水平比傳統(tǒng)發(fā)酵罐增加15%～20%，并減少了剪切力對微生物的傷害，發(fā)酵水平得到較大幅度提升（見表2）。

4 結(jié)論

空氣能發(fā)酵罐突破了傳統(tǒng)發(fā)酵罐的傳質(zhì)機(jī)理和設(shè)計技術(shù)，3D射流空氣分布器與軸—徑流組合攪拌系統(tǒng)協(xié)同作用，強(qiáng)化溶氧過程，具有深層乳化操作、全罐產(chǎn)生小氣泡群和高含氣率的傳質(zhì)特點，呈現(xiàn)增產(chǎn)、節(jié)能、降耗的顯著效果。空氣能發(fā)酵罐已在有機(jī)酸［27］、抗生素、氨基酸、酶制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料、生物糖醇、維生素和污水處理等行業(yè)成功應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。

表2 生產(chǎn)十三碳二元酸的發(fā)酵罐改造前后參數(shù)比較Table 2 Fermentation tank before and after the transformation of the production of tridecanedioic acid

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