空氣能發酵罐研究進展及其應用

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.中國礦業大學化工學院，江蘇 徐州 221116；3.南通凱賽生化工程設備有限公司，江蘇 南通 226363）

近年來，中國生物發酵工藝技術和裝備水平都有了長足進步，但發酵罐卻是幾十年一貫制，采用標準式機械攪拌通風發酵罐［1］，還有不少工廠甚至仍在沿用純徑流攪拌系統和管式分布器［2］，普遍存在能耗高、溶氧率低、底物轉化率低等弊端。統計數據［3］表明，用于機械攪拌所消耗的能源占發酵全過程的50%左右。隨著高產菌株的不斷使用，標準式機械攪拌通風發酵罐的構造已難以適應通氣量愈來愈大的發展趨勢，無法滿足好氧發酵對溶氧愈來愈高的要求［4］。

發酵罐的大型化使得罐內液柱增高，在通氣率不變的情況下，絕對通氣量相應增加，造成空壓機的出口壓力增高、能耗增大［5］。要完成大量氣體在發酵液中的分散，在攪拌器形式不變的情況下，只能靠增加攪拌器直徑和轉速來提高溶氧率。但在實際應用中效果并不理想，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］。

大型好氧發酵罐應將空氣分布器和攪拌系統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，這是發酵生產降低能耗的理想選擇［8］。

1 關鍵裝置

1.1 3D射流空氣分布器

發酵液中溶氧率和分散度是好氧微生物具有高活性和強代謝的前提條件［9］。壓縮空氣中的氧通過發酵液傳遞給微生物，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）和循環布氣管組成，見圖1。噴嘴內徑5～25mm，混合管進口直徑為38～58mm，長度45～75mm，錐角為75～85°?；旌瞎芘c循環布氣管切線連接，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壓，產生的卷吸作用使壓縮空氣和發酵液劇烈混合成乳化狀，幾何級地擴大了氣液接觸面積，延長了空氣在發酵液中的停留時間，強化了氣液傳質，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

軸—徑流組合攪拌系統由軸流型攪拌器和徑流型攪拌器優化組合而成，見圖3。在3D射流空氣分布器上方設徑流型攪拌器（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），通過循環對流作用，使發酵液反復與空氣混合，防止小氣泡聚并，延長氣—液傳質時間［12］。

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

軸—徑流組合攪拌系統博采兩種形式攪拌器剪切力、循環力、功率因數等之長，在發酵罐中上部形成強大的軸向循環流，下部形成液體泵送能力高的徑向流，充分滿足好氧發酵對溶氧、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 空氣能發酵罐及其節能機理和特性

2.1 節能機理

空氣能發酵罐（圖4）采用3D射流空氣分布器取代傳統的空氣分布管，充分利用壓縮空氣能量，改善發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速。導流筒內氣—液單相流旋轉方向與攪拌方向相同，降低了攪拌器的功率消耗，也起到節能作用。

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

優化組合的軸—徑流攪拌系統代替純徑流攪拌裝置，可以根據微生物的耗氧需求、生長代謝特性以及發酵液的性質，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，達到節約能源的效果［15，16］。

2.2 空氣能發酵罐的特點

（1）改變了傳統發酵罐單純靠加強徑向攪拌打碎氣泡、增加溶氧的做法，實現富氧區、富營養區和富菌群區3個區域的重合［17］。

（2）功率準數低的軸流型攪拌器與功率準數高的徑流型攪拌器優化組合，降低了所需電動機的功率。

如表1所示，原序列的ADF值大于5%臨界值，不能拒絕原假設，表明原序列數據不平穩；而原序列一階差分的ADF值小于5%臨界值，可以拒絕原假設，故可認為是平穩序列，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，比傳統發酵罐降低50%以上，降低了空壓機的運行負荷與能耗。

（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，有利于微生物生長和代謝，提高發酵效率。

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

（6）采用多極電機，實現變速攪拌。在實消時采用低速攪拌，發酵過程中根據微生物需氧量調節攪拌轉速，不但能創造最佳的生長代謝環境，而且節約能源。

3 生產應用實例

3.1 生物制藥應用實例

某制藥集團采用165m3空氣能發酵罐生產泰樂菌素、鹽霉素。發酵罐內徑Φ4.2m，高度13.2m；罐內有單層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，采用皮帶輪傳動。

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

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

3.2 檸檬酸生產應用實例

某生物技術公司采用400m3空氣能發酵罐生產檸檬酸。發酵罐主要尺寸及參數：罐體內徑Φ5.5m，高度18.8m；罐內設有雙層共計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，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，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，軸流方向向上，最底層攪拌器位于導流筒（Φ2.5m）中部［23，24］。3D 射流空氣分布器配置了45支 噴射器。

傳統檸檬酸發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，但是流動循環能力差，功率消耗大。若葉輪間距選擇不當，常常產生攪拌盲區或重疊區，影響攪拌效果。未通氣時功率比通氣時大1倍以上，配置電機時被迫加大功率。

采用軸—徑流組合攪拌系統后，生產能耗及生產效率發生明顯變化（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，現僅配備130kW電機，運行電流從540A降至230A，通風比降到1∶0.13～1∶0.15，因此能耗降低了60%，節能效果非常顯著。

表1 生產檸檬酸的發酵罐改造前后參數比較Table 1 Fermentation tank before and after the trans-formation of the production of citric acid

3.3 生物化工應用實例

某生物技術公司采用600m3空氣能發酵罐生產長鏈二元酸。發酵罐主要尺寸及參數：罐體內徑Φ6.0m，高度22.7m；罐內有雙層共計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，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。下層攪拌器選擇三窄葉旋槳；位于導流筒內的拋物線圓盤渦輪，增強了罐底發酵液的循環流動，避免出現死區；上3層攪拌器采用四寬葉旋槳。充分滿足發酵罐各區域氣液分散、固液懸浮、混均、傳熱等不同要求［26］。

生產十三碳二元酸的600m3空氣能發酵罐只需配185kW電機，通風比從1∶0.8下降到1∶0.5，極大地降低了能源消耗。溶氧水平比傳統發酵罐增加15%～20%，并減少了剪切力對微生物的傷害，發酵水平得到較大幅度提升（見表2）。

4 結論

空氣能發酵罐突破了傳統發酵罐的傳質機理和設計技術，3D射流空氣分布器與軸—徑流組合攪拌系統協同作用，強化溶氧過程，具有深層乳化操作、全罐產生小氣泡群和高含氣率的傳質特點，呈現增產、節能、降耗的顯著效果?？諝饽馨l酵罐已在有機酸［27］、抗生素、氨基酸、酶制劑、生物農藥、生物肥料、生物糖醇、維生素和污水處理等行業成功應用，具有廣闊的發展前景。

表2 生產十三碳二元酸的發酵罐改造前后參數比較Table 2 Fermentation tank before and after the transformation of the production of tridecanedioic acid

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