旋流混合器用于發酵罐節能改造

2014-08-10 10:04:08陸寧洲岑文學陸飛浩

化工與醫藥工程 2014年6期

陸寧洲，岑文學，陸飛浩

（1.寧波星邦生化設備有限公司，寧波 315506；2.寧波浩邦生物技術有限公司，寧波 315040）

在好氣性發酵中，發酵液中的供氧濃度是發酵過程中的需要調節控制的一個重要參數，氧供應的不足可能導致細胞代謝轉向不需的化合物的產生[1]，或可能引起生產不可彌補的損失，調節通氣和攪拌可影響微生物發酵代謝途經、發酵周期的長短和有效代謝物產率的高低，因此在培養過程中有效和經濟地供氧控制是極其重要的。

發酵罐的進氣裝置對發酵液溶解氧水平有著十分重要的影響，常見的進氣分布裝置有直通式、傘罩式、小孔盤管式、射流管式[2]。筆者通過近年來對節能發酵罐的深入研究，開發了新型發酵罐進氣裝置——旋流混合器，該設備裝置已獲得國家發明專利授權，并在發酵行業推廣使用，提高了發酵液溶解氧的濃度，在生產穩定性、生產操控性，節能降耗方面，取得了顯著效果。本文介紹了旋流混合器的原理與特點，并著重就氨基酸和維生素發酵罐改造的兩個實例分別作具體論述。

1 旋流混合器原理與特點

旋流混合器的基本原理是利用發酵罐進口壓縮空氣本身的壓力，在轉化為相當高速旋流的過程中，產生對周邊流體的吸附帶動作用，如圖1 所示。

旋流混合器包含內外殼體，空氣從內殼體中心進入，經過殼體內部的渦旋葉片導流成相當高速旋流，同時吸引發酵液從內外殼體之間的中心間隙進入，氣體液體在旋流通道中動態混合乳化后呈旋流狀噴出外殼體周向邊緣。

旋流混合器具有如下特點：

（1）罐底氣液混合充分，氣泡直徑小呈乳化狀態，空氣利用率和溶解氧高。

（2）結構簡潔流暢無死角，不易結垢、不染菌。

（3）剪切作用小，對生產菌機械損傷小。

（4）空氣壓損低，對進罐壓力要求低，幾乎不增加空壓機電耗。

圖1 旋流混合器

2 某大型制藥企業150 m3 氨基酸發酵罐節能改造

2.1 原有發酵罐進氣裝置

該企業原有150 m3氨基酸發酵罐采用射流管式空氣分布裝置。

2.1.1 射流管式分布器原理

圖2 射流管式分布器

如圖2 所示，空氣通入發酵罐后與設置在底部的環形管連接，在環形管上裝有多個射流管，各射流管呈一定角度、圍繞發酵罐中心軸線上下均布，壓縮空氣利用本身的壓力轉變成高速射流，吸引周邊發酵液與之混合成氣液兩相乳化液。在壓頭高、推動力充足的情況下，該射流管式分布裝置對增加溶解氧有較為理想的效果。

2.1.2 射流管式分布器存在問題

從使用效果來看，射流管式分布器對空氣壓力要求較高，一方面增加了空壓機電耗，另一方面事實上在實際生產中由于空氣推動力及管路負載阻力原因，射流管內空氣流速難以達到設計射流值，因此氣液乳化混合效果受到影響。

從生產操作上看，由于射流管本身結構較為復雜，連接節點多，易積料造成滅菌不徹底；為確保生產安全，設備清洗時，經常需要將每個射流管拆卸下來單獨清洗，增加了檢修維護的工作量，因此射流管式分布器，容易出現染菌現象。原分布器的不足，促使我們對空氣進氣裝置進行改造。

另外，就射流混合原理本身而言，由于流速很大，相應剪切作用增大，對一些生產菌如霉菌等絲狀微生物及某些桿菌會產生剪切損傷，影響菌體生長，使發酵周期延長，因而對于某些發酵產品不宜使用[3]。

2.2 氨基酸發酵罐改造的實施

由于旋流混合器具有攪拌器的作用，改造時可優化攪拌器的設置。在保留原來罐底導流筒的同時，將原來罐底射流管式分布器拆除，在發酵罐底部安裝旋流混合器，并把原先的中上檔六彎葉攪拌改成四葉下推式攪拌，底部六葉拋物線型攪拌器改為四葉軸流下壓式攪拌器，物料流向改原來發酵罐中心（導流筒內）向上為發酵罐中心向下，在保證徑向氣液混合的同時以增強罐體軸向混合，如圖3 所示。