陸寧洲,陸飛浩

(1.寧波星邦生化設(shè)備有限公司,浙江 寧波 315040;2.寧波浩邦生物技術(shù)有限公司,浙江 寧波 315040)

高效旋擊分離器和氣液旋流混合器在維生素發(fā)酵中的應(yīng)用

陸寧洲1,陸飛浩2

(1.寧波星邦生化設(shè)備有限公司,浙江 寧波 315040;2.寧波浩邦生物技術(shù)有限公司,浙江 寧波 315040)

以某大型維生素發(fā)酵廠節(jié)能改造為實(shí)例,闡述了高效旋擊分離器組成的液沫回收處理系統(tǒng)和新型發(fā)酵罐節(jié)能進(jìn)氣裝置——?dú)庖盒骰旌掀髟诰S生素發(fā)酵中的應(yīng)用.節(jié)能改造后生產(chǎn)穩(wěn)定,能耗降低,放罐體積提高15%以上,攪拌電流下降10%～30%,綜合產(chǎn)量提高30%以上,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益.

維生素發(fā)酵;氣液旋流混合器;尾氣處理;高效旋擊分離器;節(jié)能

維生素發(fā)酵是好氣性微生物發(fā)酵生產(chǎn)中的一個(gè)重要分支.涉及發(fā)酵的維生素產(chǎn)品包括維生素C、維生素B2(核黃素)和維生素B12等.降低維生素發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效益無疑是提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要議題.本文通過某大型上市維生素生產(chǎn)企業(yè)(下文簡(jiǎn)稱A企業(yè))的節(jié)能改造實(shí)例,闡述了高效旋擊分離器和氣液旋流混合器兩種新型節(jié)能裝置在維生素發(fā)酵節(jié)能增產(chǎn)改造中的重要作用.

1 新型節(jié)能設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 發(fā)酵尾氣液沫回收處理系統(tǒng)——高效旋擊分離器

高效旋擊分離器是在傳統(tǒng)離心分離技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)液沫氣霧撞擊凝聚原理,設(shè)置特殊的導(dǎo)穩(wěn)流分離裝置,與傳統(tǒng)設(shè)備相比,設(shè)備分離效率大大提高,且在發(fā)酵生產(chǎn)風(fēng)量波動(dòng)下設(shè)備分離效率保持穩(wěn)定.高效旋擊分離器作為核心部件組成發(fā)酵尾氣液沫回收處理系統(tǒng),將尾氣中的逃液、泡沫經(jīng)破碎、分離后收集并通過回流管重新引入發(fā)酵罐內(nèi).系統(tǒng)布置如圖1所示.該系統(tǒng)氣液分離效率高達(dá)98%～99.99%,比傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器高20%～30%,能夠杜絕發(fā)酵尾氣逃料、逃液現(xiàn)象,增加發(fā)酵罐放罐體積5%～15%,減少消泡劑用量1/3左右,大幅降低排氣中活菌體數(shù)量及下游滅菌除味處理設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷,節(jié)能減排效果顯著.目前在氨基酸、抗生素、酶制劑、食品添加劑等行業(yè)累計(jì)使用1 600多套,處理風(fēng)量在20～50 000 m3/h,均取得滿意效果.其具體原理和實(shí)例見文獻(xiàn)[1].

圖1 高效旋擊分離器和氣液旋流混合器在發(fā)酵罐中的布置Fig.1 Configuration of efficient H-S separator and vortex gas-liquid mixer in a fermenter

1.2 新型發(fā)酵罐節(jié)能進(jìn)氣裝置——?dú)庖盒骰旌掀?/p>

氣液旋流混合器是一種新型節(jié)能發(fā)酵罐進(jìn)氣裝置,與常見的進(jìn)氣形式如直通式、直通式、傘罩式、打孔盤管式和射流管式[2]相比,具有進(jìn)氣分散效果好、氣液混合充分和生產(chǎn)適應(yīng)性好等優(yōu)良特點(diǎn).

氣液旋流混合器結(jié)構(gòu)包含內(nèi)、外殼體,空氣從內(nèi)殼體中心進(jìn)入,經(jīng)過殼體內(nèi)部的渦旋葉片導(dǎo)流成高速旋流,同時(shí)吸引發(fā)酵液從內(nèi)外殼體之間的中心通道進(jìn)入,氣體和液體在旋流通道中動(dòng)態(tài)混合乳化后從殼體外周均分旋流狀噴出,其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

1—發(fā)酵罐;2—進(jìn)氣管;3—?dú)庖盒骰旌掀? 4—空氣分布內(nèi)芯;5—旋流器殼體圖2 氣液旋流混合器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic of the vortex gas-liquid mixer

氣液旋流混合器的基本原理是利用壓縮空氣本身的靜壓能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換,空氣噴射產(chǎn)生對(duì)周邊液體的抽吸帶動(dòng)作用,并轉(zhuǎn)化為高速旋轉(zhuǎn)的氣液混合流.在旋流混合的過程中,增加空氣和發(fā)酵液接觸表面積及停留時(shí)間,提高發(fā)酵空氣利用率.

氣液旋流混合器在發(fā)酵罐中的布置如圖1所示,位于罐底與進(jìn)氣管連接,安裝方便,便于改造.其性能特點(diǎn)如下:1) 使得空氣和液體在罐底混合充分,其中氣泡直徑微小,呈乳化狀態(tài),發(fā)酵溶解氧提高5%～20%,空氣利用率提高;2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔合理,易清洗,不染菌;3) 剪切作用小,對(duì)生產(chǎn)菌機(jī)械損傷小,使發(fā)酵產(chǎn)物單位穩(wěn)定并提高;4) 裝置阻力小,對(duì)進(jìn)罐壓力要求不高,幾乎不增加空壓機(jī)進(jìn)氣壓力和電耗;5) 氣液旋流混合器既是進(jìn)氣裝置,又是空氣攪拌器,配合導(dǎo)流筒改造,可減少甚至取消攪拌,也可用于新型的氣升式發(fā)酵罐[4].

2 A企業(yè)高效旋擊分離器改造

2.1 改造前存在問題

A企業(yè)是維生素B2產(chǎn)品知名生產(chǎn)企業(yè),其某新廠區(qū)在歷經(jīng)多年的生產(chǎn)后,出現(xiàn)了大面積染菌,生產(chǎn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,而且伴隨有噬菌體出現(xiàn),一時(shí)難以找出癥結(jié),嚴(yán)重影響生產(chǎn).經(jīng)本公司技術(shù)人員實(shí)地調(diào)研勘察后,分析原因如下:該維生素產(chǎn)品發(fā)酵過程中風(fēng)量大、泡沫多、逃料現(xiàn)象嚴(yán)重,雖然在每臺(tái)發(fā)酵罐排氣管后連接旋風(fēng)分離器再排空,試圖對(duì)發(fā)酵逃液現(xiàn)象進(jìn)行遏制,但由于傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器分離效率低下(氣液分離只有60%～80%),前中期風(fēng)量變化大時(shí)分離效率衰減嚴(yán)重,排氣口有大量發(fā)酵逃液散落在地面上.后雖采用兩級(jí)旋風(fēng)分離器,仍不能改善逃液現(xiàn)象.事實(shí)上這是由于傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器本身缺陷決定的.長(zhǎng)此以往,車間生產(chǎn)環(huán)境培養(yǎng)基豐富,活菌體繁生,引發(fā)廠區(qū)內(nèi)雜菌富集,導(dǎo)致噬菌體產(chǎn)生,威脅正常生產(chǎn),嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致停產(chǎn).

2.2 改造實(shí)施過程

拆除原有的旋風(fēng)分離器,每臺(tái)發(fā)酵罐安裝高效旋擊分離器組成發(fā)酵尾氣液沫回收處理系統(tǒng).使尾氣中液沫水霧分離并回流至發(fā)酵罐中,杜絕逃液.

2.3 改造后結(jié)果

發(fā)酵過程中發(fā)酵尾氣無逃料,排氣口干凈無液滴;與改造前相比該產(chǎn)品200 m3發(fā)酵罐放罐體積從132～135 m3提高到155～158 m3,增幅達(dá)15%以上;消泡劑用量減少1/3;生產(chǎn)穩(wěn)定,產(chǎn)量大幅度提高,經(jīng)濟(jì)效益顯著.

3 A企業(yè)氣液旋流混合器改造

3.1 改造前存在問題

該企業(yè)高效旋擊分離器改造后產(chǎn)量大幅提高,期望進(jìn)一步提高單位產(chǎn)量,增加效益.通常溶氧水平是制約發(fā)酵生產(chǎn)單位的一個(gè)重要因素.于是計(jì)劃從提高溶氧、增加罐內(nèi)氣液傳質(zhì)角度來提高生產(chǎn)效率.該企業(yè)雖然原有200 m3維生素發(fā)酵罐攪拌采用進(jìn)口萊寧攪拌系統(tǒng),上部三葉推進(jìn)式攪拌,下部六葉半圓型攪拌葉輪的形式,但空氣分布為罐底小孔盤管式空氣分布裝置,小孔盤管式分布器如圖3所示.

事實(shí)上,小孔盤管式分布器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,氣液混合作用較弱,難以有效提高罐內(nèi)溶氧量.而且,發(fā)酵生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)從封頭視鏡可以觀察到發(fā)酵液液面波動(dòng)起伏劇烈,時(shí)有大鼓泡冒出,該現(xiàn)象從一方面也說明進(jìn)氣中的氧未被充分利用,因此傳統(tǒng)小孔盤管式進(jìn)氣分布裝置存在缺陷,有待進(jìn)一步提高.

圖3 小孔盤管式分布器(俯視圖) Fig.3 Schematic of the perforated annulus air sparger (top view)

3.2 改造實(shí)施過程

1) 用氣液旋流混合器替換底部原有的小孔盤管式分布器.此例中發(fā)酵罐底部布置有攪拌底軸承座,因此氣液旋流混合器需特殊設(shè)計(jì),在中部設(shè)置空腔以避免與底軸承發(fā)生干涉,并留出一定的檢修空間.

2) 降低攪拌軸轉(zhuǎn)速,保持其他原有工藝配置不變.

3) 首批試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盡管減慢了攪拌轉(zhuǎn)速,溶氧儀示數(shù)仍然過高,而溶氧過高則與現(xiàn)有工藝不匹配,并不利于提高單位產(chǎn)量.之后將底檔六葉圓盤半圓型攪拌葉拆除三葉,改成三葉圓盤半圓型攪拌,經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證若干批次后取得滿意效果.

改造方案如圖4所示.

圖4 發(fā)酵罐內(nèi)部氣液旋流混合器改造前后Fig.4 Comparison schematic berfore and after vortex G-L mixer modification

3.3 改造后結(jié)果

1) 使空氣氣泡分散均勻,顯著提高溶氧水平;2) 降低發(fā)酵罐攪拌電流10%～30%;3) 發(fā)酵罐運(yùn)行時(shí)液面平穩(wěn),無明顯鼓泡產(chǎn)生;4) 減少消泡劑用量1/3左右;5) 發(fā)酵單位較改造前提高2%～6%,總體產(chǎn)量增加;6) 減少進(jìn)氣通風(fēng)量.

4 結(jié) 論

該企業(yè)在綜合應(yīng)用高效旋擊分離器和氣液旋流混合器兩項(xiàng)節(jié)能改造后,生產(chǎn)穩(wěn)定,消泡劑用量較原先減少1/2,發(fā)酵液面平穩(wěn),放罐體積提高15%,攪拌電流下降10%～30%,生產(chǎn)單位提高2%～6%,通風(fēng)量減少20%以上,綜合產(chǎn)量較改造前提高30%以上,生產(chǎn)成本大幅度降低,生產(chǎn)效益顯著提高.該公司也迅速在所有廠區(qū)推廣應(yīng)用了此兩項(xiàng)技術(shù),均取得了滿意效果.至今,高效旋擊分離器已經(jīng)在抗生素、氨基酸、維生素和酶制劑等發(fā)酵產(chǎn)品應(yīng)用1 600多套.氣液旋流混合器作為國(guó)家發(fā)明專利產(chǎn)品,也在抗生素、維生素等產(chǎn)品成功應(yīng)用了100多臺(tái)(套),同樣在氨基酸發(fā)酵行業(yè)也可推廣應(yīng)用,為發(fā)酵產(chǎn)業(yè)節(jié)能環(huán)保發(fā)揮效能.

[1] 陸飛浩,岑文學(xué),王國(guó)良.高效旋擊分離技術(shù)應(yīng)用[J].中國(guó)抗生素雜志,2004,29(7):S2-S4.

[2] 薛才利.射流式好氧發(fā)酵罐的研究與應(yīng)用[J].化工設(shè)計(jì),1994(4):41-46.

[3] 陸飛浩,岑文學(xué).旋流混合器在好氣性發(fā)酵中的應(yīng)用[J].發(fā)酵科技通訊,2012,41(1):47-48.

[4] 陸寧洲,陸飛浩.基于空氣過程控制的發(fā)酵節(jié)能增產(chǎn)裝備技術(shù)研究[J].發(fā)酵科技通訊,2016,45(1):27-32.

(責(zé)任編輯：朱小惠)

Application of efficient helix-strike separator and vortex gas-liquid mixer in vitamin fermentation production

LU Ningzhou1, LU Feihao2

(1. Ningbo Xingbang Biochem Device Co., Ltd., Ningbo 315040, China; 2. Ningbo Haobang BioTech Co., Ltd., Ningbo 315040, China)

An energy-saving modification case of a large vitamin production factory was taken as an example to illustrate the practical applications of efficient helix-strike separator, a core part of off-gas broth recycling system, and vortex gas-liquid mixer, a new air sparger for bio-reactors. This energy-saving modification contributed to a stable production with low energy consumption, 15% increase inreactor capacity, 10%～30% decrease in mixing electricity consumption, and 30% more increase in total yield, providing the significant economic benefits.

vitamin fermentation; vortex gas-liquid mixer; off-gas treatment; efficient helix-strike separator; energy-saving

2016-12-20

陸寧洲(1988—),男,浙江寧波人,賓夕法尼亞大學(xué)碩士,主要從事生化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析,E-mail:nz.lu@xbdevice.com.通信作者：陸飛浩高級(jí)工程師,E-mail:nbhaobang729@163.com.

TQ920.5

A

1674-2214(2017)01-0042-03