張俊剛　吳澤華

【摘要】發(fā)酵攪拌器在近些年來取得了很大的發(fā)展，本文綜述了這方面的進(jìn)展情況。重點(diǎn)對(duì)攪拌器在發(fā)酵中的應(yīng)用和選擇方面做進(jìn)行了綜述與評(píng)價(jià)，并就國內(nèi)和國外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單概述。

【關(guān)鍵詞】攪拌；發(fā)酵；攪拌器

1.攪拌器在發(fā)酵生產(chǎn)中的作用

發(fā)酵技術(shù)是非常古老的一項(xiàng)技術(shù)，在食品、飼料等生產(chǎn)中應(yīng)用也非常廣泛[1]。發(fā)酵罐是在發(fā)酵過程的反應(yīng)容器。在發(fā)酵生產(chǎn)過程中，從配料到種子罐的培養(yǎng)再到發(fā)酵罐發(fā)酵生產(chǎn)，全部都需要攪拌設(shè)備。攪拌器的作用涉及到固液懸浮、氣體分散、混勻和傳熱等。攪拌器的選擇是發(fā)酵罐設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的關(guān)鍵步驟。

發(fā)酵過程根據(jù)需氧量的多少可分為厭氧發(fā)酵和需氧發(fā)酵。對(duì)于厭氧發(fā)酵，例如酒類和活性污泥處理等，只需要發(fā)酵培養(yǎng)物的混勻，對(duì)攪拌的強(qiáng)度要求相對(duì)較低；而在好氧發(fā)酵過程中，由于菌種的生長、生產(chǎn)對(duì)氧氣要求高，因而對(duì)攪拌條件的影響非常敏感。

在好氧微生物發(fā)酵過程中，在微生物種子培養(yǎng)和發(fā)酵生產(chǎn)階段都需要充足的氧供給。在實(shí)際發(fā)酵生產(chǎn)中，通常使用過濾除菌后的空氣作為氧的來源。微生物的呼吸作用也可以看做是葡萄糖完全氧化過程:C6H12O6+6O2→6H2O+6C02。因此氧的供給程度在好氧發(fā)酵過程中是影響發(fā)酵生產(chǎn)效率的一個(gè)重要因素。選擇合理的攪拌器可以有效改善發(fā)酵罐的傳氧特性。

隨著工廠規(guī)模的不斷增大，發(fā)酵工藝技術(shù)的不斷提高，實(shí)際發(fā)酵生產(chǎn)對(duì)發(fā)酵罐的尺寸需求也越來越大，對(duì)于發(fā)酵攪拌器的要求也越來越高。

攪拌器主要有如下作用：(1)讓兩種及以上互溶的液體充分混勻；(2)互不相溶的液體之間混合均勻；(3)氣相與液相混合；(4)液體中固體顆粒的懸浮；(5)混勻化學(xué)物質(zhì)，加速化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)等。攪拌器通過工藝的實(shí)際需要而設(shè)定。

2.發(fā)酵攪拌器的類別

在發(fā)酵生產(chǎn)中攪拌器的直接作用是把氣泡打碎，強(qiáng)化流體在反應(yīng)器中湍動(dòng)的程度，從而使氣泡和發(fā)酵液充分混合，使氣、液、固三相得到全面的接觸[2]，進(jìn)而達(dá)到改善供氧性能的目的。目前應(yīng)用中的攪拌器按流型可分為軸向流型和徑向流型兩種。

2.1徑向流渦輪攪拌器

傳統(tǒng)發(fā)酵罐中，最典型的徑向流攪拌器是Rushton渦輪攪拌器。其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，底部有一個(gè)圓盤，在上面帶有六個(gè)直葉葉片，稱為六直葉圓盤渦輪。渦輪帶有圓盤的目的是防止氣體在沒有來得及分散之前，就直接從軸的周圍溢出液面，導(dǎo)致傳氧效率降低。在發(fā)酵工業(yè)發(fā)展初期，發(fā)酵罐的規(guī)模相對(duì)比較小，而Rushton渦輪結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，容易加工和制造，因此應(yīng)用比較廣泛。

2.2軸向流攪拌器

徑向流攪拌器雖然分散氣體的能力較強(qiáng)，然而其作用范圍較小，隨著發(fā)酵生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，發(fā)酵罐直徑和高的尺寸也越來越大，徑向流攪拌器逐漸不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求。在要求整槽混勻好，并且剪切性能溫和的發(fā)酵生產(chǎn)中，徑向流攪拌器顯得無能為力。因此必須尋找新的攪拌器來滿足生產(chǎn)需求。隨著近代流體力學(xué)理論的發(fā)展，一種基于機(jī)翼理論、船用螺旋槳理論和邊界層分離理論等而出現(xiàn)的新型的軸向流發(fā)酵用攪拌器被設(shè)計(jì)出來。傳統(tǒng)的推進(jìn)式葉輪，例如：LINGHT2NINA310攪拌器，一般只有3個(gè)葉片，葉片寬度很窄，投影覆蓋率只有22%左右，因此對(duì)氣體的控制較弱，容易造成液泛。然而新型發(fā)酵用軸向流攪拌器則一般擁有4～6片寬葉片，投影覆蓋率可達(dá)90%，大大加強(qiáng)了對(duì)氣體的控制能力。并且由于其自身特有的軸流特性，能夠產(chǎn)生較大的循環(huán)體積，節(jié)能高效，而且造價(jià)低廉，工藝上易于實(shí)現(xiàn)大型化，因而逐步成為主流產(chǎn)品。其中最有代表性的是美國萊寧公司開發(fā)的A-310、攪拌器A-31攪拌器和美國凱米尼爾公司的HE-3攪拌器以及美國費(fèi)城攪拌設(shè)備公司的LS和HS兩個(gè)產(chǎn)品系列，還有法國豪斑公司的HPM攪拌器等。

2.3組合式攪拌器

徑向流渦輪攪拌器與軸向流攪拌器各有優(yōu)點(diǎn)，單獨(dú)應(yīng)用都會(huì)受到一定的限制。如果把徑向流攪拌器與軸向流攪拌器組合起來使用，利用徑向流攪拌器來控制氣體的分散，使主體對(duì)流擴(kuò)散與渦輪擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)較小范圍內(nèi)的充分氣液混合，再通過軸向流攪拌器的主體對(duì)流作用讓全部液體周期性的依次與氣體混合，以此來實(shí)現(xiàn)較大范圍的氣液混合，將會(huì)得到較為理想的應(yīng)用效果，能夠滿足發(fā)酵罐大型化的生產(chǎn)需求。同時(shí)，根據(jù)發(fā)酵罐通常是從下部通氣的特點(diǎn)，將下層攪拌器選擇徑向流攪拌器，而上層攪拌器采用軸向流攪拌器。與單純采用徑向流攪拌器相比，該組合形式可以提高傳質(zhì)系數(shù)，減少功率消耗，對(duì)于剪切敏感的細(xì)菌發(fā)酵過程還能夠減少剪切作用，增加收率。隨著發(fā)酵罐的規(guī)模不斷擴(kuò)大，充分利用這兩種攪拌器優(yōu)勢(shì)，互相補(bǔ)充，采用多級(jí)多種的組合方式將會(huì)是今后大型發(fā)酵罐設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。

攪拌器選擇不同的直徑和轉(zhuǎn)速配比，將對(duì)應(yīng)不同的攪拌特性，大的攪拌直徑對(duì)應(yīng)著大的循環(huán)量Q攪，將有利于液體混合；大轉(zhuǎn)速則對(duì)應(yīng)著高液流速度壓頭H攪，將會(huì)加強(qiáng)湍流程度，有利于提高溶氧水平。實(shí)際應(yīng)用中，二者要做到兼顧。既要有一定的液體速度壓頭，以確保溶氧水平，又要有一定的攪拌循環(huán)量，來確保混合均勻，避免局部缺氧。另外攪拌器轉(zhuǎn)速和攪拌直徑提高，同時(shí)會(huì)帶來發(fā)酵罐攪拌功率提高，因此要根據(jù)具體情況確定攪拌器的轉(zhuǎn)速n和攪拌器槳葉直徑d。

3.結(jié)語

發(fā)酵攪拌器的選擇和應(yīng)用，對(duì)各種產(chǎn)品發(fā)酵的發(fā)酵水平、成本、收率及發(fā)酵的成敗等起的非常重要的作用；發(fā)酵生產(chǎn)中根據(jù)發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)和形狀情況、發(fā)酵品種情況、發(fā)酵工藝情況、發(fā)酵菌種情況、通風(fēng)情況等，采用合適的攪拌器型號(hào)、組合形式、電機(jī)功率及葉輪數(shù)量，同時(shí)采用無級(jí)變速電機(jī)或是用變頻器來調(diào)整轉(zhuǎn)速等，能有效提高溶氧效果，有利于發(fā)酵液中培養(yǎng)基與菌體的充分接觸，進(jìn)一步提高發(fā)酵水平，降低生產(chǎn)成本。[科]

【參考文獻(xiàn)】

［１］黃志堅(jiān)，虞培清等.發(fā)酵罐用攪拌器的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展.醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)雜志,2004,25(1).

［２］施慶珊，陳儀本等.影響發(fā)酵過程中氧利用效率的一些因素.發(fā)酵科技通訊，2008,37(1).