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        空氣能發(fā)酵罐研究進(jìn)展及其應(yīng)用

        2014-12-20 02:00:04冷云偉
        食品與機(jī)械 2014年4期

        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(jì)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(gè)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(shí)間,氣泡越小、分散越均勻、停留時(shí)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°?;旌瞎芘c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(jí)地?cái)U(kuò)大了氣液接觸面積,延長了空氣在發(fā)酵液中的停留時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)溶氧、氣液分散和液液、液固的混合要求[13]。對(duì)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(diǎn)

        (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(shí)現(xiàn)富氧區(qū)、富營養(yǎng)區(qū)和富菌群區(qū)3個(gè)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(dòng)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(jià)[19]。

        (6)采用多極電機(jī),實(shí)現(xiàn)變速攪拌。在實(shí)消時(shí)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(shí)例

        3.1 生物制藥應(yīng)用實(shí)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(dòng)。

        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(dòng)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(duì)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(jià)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(shí)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(jì)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(dòng)。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(shí)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(dòng)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(shí)功率比通氣時(shí)大1倍以上,配置電機(jī)時(shí)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(shí)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(jì)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(dòng)。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(dòng),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(duì)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(jì)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(diǎn),呈現(xiàn)增產(chǎn)、節(jié)能、降耗的顯著效果??諝饽馨l(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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