陸寧洲，陸飛浩（.寧波星邦生化設(shè)備有限公司，浙江寧波35040；.寧波浩邦生物技術(shù)有限公司，浙江寧波35040）

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旋流混合器在發(fā)酵罐多相流場控制中節(jié)能技術(shù)探討

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）

摘要：探討了發(fā)酵流場的研究現(xiàn)狀，分析了生產(chǎn)大罐流場改造的必要性。介紹了新型節(jié)能進(jìn)氣裝置旋流混合器的結(jié)構(gòu)原理，通過CFD和實(shí)際工程案例闡述了旋流混合器在流場控制、發(fā)酵節(jié)能增產(chǎn)方面的作用，然后提出了利用旋流混合器對發(fā)酵罐多相流流場優(yōu)化和節(jié)能改造的構(gòu)想與展望。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵；旋流混合器；多相流；CFD；節(jié)能

合理科學(xué)的流場布置不僅可以降低反應(yīng)器的能量輸入要求，而且可以充分調(diào)動微生物自身的生產(chǎn)能力，提高目標(biāo)產(chǎn)物單位或效價。生物反應(yīng)器的放大技術(shù)一直是發(fā)酵工程的一個難點(diǎn)，通常方法是根據(jù)幾何相似的基本原則由試驗(yàn)罐確定生產(chǎn)罐尺寸，隨后按單位體積平均功率P0/V，或最大攪拌器葉端線速度，或體積溶氧系數(shù)KLa等經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行工藝計(jì)算［1］。但往往生產(chǎn)罐的單位或效價難以達(dá)到試驗(yàn)罐水平，究其原因是生產(chǎn)罐的流場不能做到完全復(fù)制試驗(yàn)罐的流場。這是因?yàn)榱鲌鲋写嬖趥鳠帷⒅亓?、慣性力、黏性力及多相間作用力的復(fù)雜作用，放大后，實(shí)驗(yàn)罐和生產(chǎn)罐表征各作用力的準(zhǔn)數(shù)差異巨大［2］。

因此有必要在設(shè)備工藝上對生產(chǎn)罐做優(yōu)化調(diào)整，有的則需要增加特殊設(shè)備來彌補(bǔ)幾何放大產(chǎn)生的不足，其中最常見的情況有：1）溶氧不均一，整體溶氧水平不高；2）傳質(zhì)不充分，或培養(yǎng)基濃度梯度大，甚至存在死區(qū)。本文介紹了一種新型發(fā)酵罐節(jié)能進(jìn)氣裝置——旋流氣液混合器，并從多相流流場控制角度，結(jié)合生產(chǎn)改造實(shí)例闡述其在發(fā)酵罐流場優(yōu)化和節(jié)能增產(chǎn)方面的作用。

1　發(fā)酵流場研究現(xiàn)狀與節(jié)能思路

針對發(fā)酵流場的研究，從實(shí)驗(yàn)測量角度而言，發(fā)酵流場的常用測量研究方法有離子圖像測速法（PIV）［3］和激光多普勒測速法（LDA）［4］，但是由于測量條件或設(shè)備投入的限制，這些技術(shù)往往只能應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的測量研究，而不適宜于大型生產(chǎn)罐。比如圖像測速技術(shù)，需要被測量液體有一定的透明度才能示蹤、跟蹤氣泡測速。而生產(chǎn)罐均為不銹鋼焊接，非玻璃罐可透視，且培養(yǎng)基成分復(fù)雜，各組分不相容，均一性差，無法用實(shí)驗(yàn)成像方法探測氣泡流向。通常，生產(chǎn)罐中可以量化采集的數(shù)據(jù)有溶氧、培養(yǎng)基濃度、pH和產(chǎn)物濃度，傳感器只能采集到近罐壁局部數(shù)據(jù)，對于溶氧和培養(yǎng)基濃度測量值不能代表罐內(nèi)的整體水平。溶氧探頭因其本身電化學(xué)測量原理響應(yīng)時間較長，通常需要30～120 s，且反復(fù)滅菌后需要校準(zhǔn)，不能即時準(zhǔn)確地反應(yīng)被測量的數(shù)據(jù)信息。

從理論建模而言，目前較為流行的手段是計(jì)算流體力學(xué)方法CFD，但是直接應(yīng)用CFD結(jié)果到反應(yīng)器設(shè)計(jì)需要解決如下問題：1）缺乏適合發(fā)酵流場的仿真規(guī)范。出于計(jì)算力學(xué)本身特點(diǎn)，幾何模型簡化、網(wǎng)格劃分、力學(xué)模型簡化（如多相流相間作用力的取舍、包括拽力、升力、表面張力、氣泡破碎聚并模型）、算法選擇（如單相流場的計(jì)算就有k-epsilon、SST等）、初始值設(shè)置等因素稍有不同，就會使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。2）難以考察生物質(zhì)代謝對流場的影響。雖然近年生物反應(yīng)器微生物代謝和流場聯(lián)動模擬取得一些進(jìn)展［5］，但對于直接指導(dǎo)反應(yīng)器放大優(yōu)化設(shè)計(jì)尚有距離。任何計(jì)算力學(xué)結(jié)果必須要有實(shí)驗(yàn)修正才是可靠可信的，但是生產(chǎn)罐實(shí)驗(yàn)測量條件的欠缺往往使得CFD模擬結(jié)果無法得到有效的數(shù)據(jù)支撐，這也是發(fā)酵罐放大技術(shù)停滯不前的原因之一。

總之，實(shí)驗(yàn)罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化和CFD仿真結(jié)果對發(fā)酵罐放大具有一定的指導(dǎo)意義，但不能盲信。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過工藝優(yōu)化，罐內(nèi)設(shè)備調(diào)整（如攪拌系統(tǒng)、進(jìn)氣裝置、消泡裝置）對流場進(jìn)行后期的修正改造是對工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)節(jié)能增產(chǎn)必要也是最為直接有效的舉措。

一個合理科學(xué)、節(jié)能高效率的發(fā)酵流場，主要有如下特點(diǎn)：1）不分層，無死區(qū)，培養(yǎng)基（如糖等）濃度、溶氧濃度梯度小；2）氣泡細(xì)膩，氣液混合均勻，溶氧利用率高；3）液面平穩(wěn)，泡沫得到控制，不逃料。

優(yōu)化流場，降低能耗，通常有兩種思路：1）攪拌改造。通過優(yōu)化攪拌布置，提高其傳質(zhì)效率，使其在較低的輸入功率下能發(fā)揮不低于原有水平的傳質(zhì)效果，達(dá)到節(jié)能效果。2）充分利用壓縮空氣能量。壓縮空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮后具有很大的靜壓能，帶壓氣體進(jìn)入發(fā)酵罐后靜壓能轉(zhuǎn)化成動能，絕大部分最終耗散在流場中。這部分空氣能量若充分引導(dǎo)利用，能起到混合傳質(zhì)的作用，即用氣相流動帶動液相，氣液混合流驅(qū)動流場。這也是鼓泡式反應(yīng)器和氣升式反應(yīng)器無需機(jī)械攪拌也能有效運(yùn)作的理論基礎(chǔ)。在機(jī)械攪拌罐的節(jié)能改造中，如果能利用進(jìn)氣裝置使得氣液混合均勻，合理布置流場，就能起到增加溶氧、優(yōu)化流場的作用，甚至可以逐步取消機(jī)械攪拌。而旋流氣液混合器就是這樣一種節(jié)能進(jìn)氣裝置。

2　旋流混合器性能

2.1旋流混合器結(jié)構(gòu)及基本原理

旋流混合器包含內(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態(tài)混合乳化后從殼體外周均分旋流狀噴出，如圖1。

圖1　旋流混合器

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能轉(zhuǎn)換，空氣噴射產(chǎn)生對周邊液體的抽吸帶動作用，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間，提高發(fā)酵空氣利用率。

2.2旋流混合器特點(diǎn)

1）取代現(xiàn)有發(fā)酵罐環(huán)形管進(jìn)氣裝置或類似裝置，可直接改造安裝氣液旋流混合器。2）空氣和液體在發(fā)酵罐底部混合充分，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。或在保持原有溶氧的狀況下，發(fā)酵罐攪拌電耗下降5%～30%。3）旋流混合過程中，對生產(chǎn)菌損傷小。發(fā)酵產(chǎn)物單位濃度穩(wěn)定、提高。4）結(jié)構(gòu)相對環(huán)形射流管簡潔合理，易清洗，不染菌。5）裝置阻力小，空氣進(jìn)口壓力要求不高，幾乎不增加空壓機(jī)進(jìn)氣壓力和電耗。6）旋流混合器既是進(jìn)氣裝置，又相當(dāng)于攪拌器。配合攪拌器、導(dǎo)流筒改造，可減少攪拌檔數(shù)甚至取消攪拌，也可用于新型的氣升式發(fā)酵罐。

2.3旋流混合器與射流管式分布器對比

射流管式空氣分布器是90年代出現(xiàn)的一種分布器［6］。在壓頭高、推動力充足的情況下，該裝置對增加溶解氧有較為理想的效果，在實(shí)際生產(chǎn)中由于管路負(fù)載阻力原因造成空壓機(jī)富余壓頭不足，射流氣流速難以達(dá)到設(shè)計(jì)值，使氣液混合效果大打折扣。即使壓頭充足，其氣體射流速度很大，進(jìn)氣壓力相對較高，增加空壓機(jī)電耗。同時高速氣流對某些生產(chǎn)菌剪切損傷作用大，導(dǎo)致發(fā)酵周期延長、影響發(fā)酵產(chǎn)物提取收率等，而且由于其結(jié)構(gòu)上節(jié)點(diǎn)多、易染菌，使用范圍受到限制。旋流混合器流速適宜，剪切溫和，對空壓機(jī)壓頭要求低，剪切作用小，結(jié)構(gòu)簡潔，便于清洗。

3　旋流混合器CFD模擬

本例旋流器CFD模擬在商業(yè)軟件Ansys/ Fluent上完成以模擬罐底安裝旋流器后流場。幾何模型取發(fā)酵罐底部，采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分并在旋流器進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，基本流場計(jì)算采用k-epsilon模型，多相流模型采用Eulerian模型，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用平均氣泡直徑，不考慮氣泡破碎和并聚。

在Fluent計(jì)算后，從旋流混合器中心沿垂直罐體軸線切片液相速度場分布如圖2所示，可以看到旋流混合器能起到周向攪拌的作用。旋流器沿筒體軸線切片速度場如圖3所示，可以看到液體從內(nèi)殼與外殼中間通道被吸入至流道中與氣流混合。

圖2　旋流混合器橫向切面速度矢量圖

圖3　旋流混合器縱向切面速度矢量圖

4　旋流混合器改造實(shí)例

4.1某制藥企業(yè)150 m3苯丙氨酸發(fā)酵罐改造

改造過程：保留原來罐底導(dǎo)流筒，將罐底射流管式分布器拆除，安裝旋流混合器，并把中上檔六彎葉攪拌器改成四葉下推式攪拌器，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(fā)酵罐中心（導(dǎo)流筒內(nèi)）向上為發(fā)酵罐中心向下，在保證徑向氣液混合的同時以增強(qiáng)罐體軸向混合。如圖4所示。

效果：溶氧均值從20%上升到35%，攪拌電流下降約17%，最大可調(diào)風(fēng)量由1 800 m3/min上升到2 100 m3/min，單位上升11%，具體參見文獻(xiàn)［7］。

4.2某制藥企業(yè)200 m3維生素發(fā)酵罐改造

改造過程：將底部小孔盤管式分布器改成旋流混合器。由于該發(fā)酵罐底部有底軸承，因而旋流混合器需特殊設(shè)計(jì)，中部設(shè)空腔為罐底軸承留出空間。降低攪拌軸轉(zhuǎn)速。底檔六葉半圓型攪拌葉去掉三葉，改成三葉半圓型攪拌葉輪。

效果：電流下降15%～25%，運(yùn)行時液面平穩(wěn)，無明顯鼓泡產(chǎn)生，消泡劑用量減少1/3左右，發(fā)酵單位有所提高，產(chǎn)量提高。具體參見文獻(xiàn)［7］。

4.3某大型合資企業(yè)45 m3DHA發(fā)酵罐改造

該企業(yè)原有45 m3DHA發(fā)酵罐，采用直通式進(jìn)氣，如圖5。機(jī)械攪拌采用上部三層四寬葉推進(jìn)式攪拌，底部六彎葉攪拌葉輪的形式，電機(jī)功率55 kW。存在問題：直通式進(jìn)氣管氣液混合作用差，發(fā)酵罐液面時有大鼓泡生成，液面不平穩(wěn)，空氣中氧利用率低。原攪拌系統(tǒng)存在缺陷，易染菌。

DHA發(fā)酵罐改造的實(shí)施：在罐底安裝旋流混合器，拆除原有攪拌系統(tǒng)。改造方案如圖5所示。

圖4　苯丙氨酸發(fā)酵罐改造前后

圖5　DHA發(fā)酵罐改造前后

DHA發(fā)酵罐改造結(jié)果：1）無攪拌電耗，節(jié)電100%，且消除攪拌系統(tǒng)帶來的染菌風(fēng)險；2）發(fā)酵罐運(yùn)行時液面平穩(wěn)，無明顯鼓泡產(chǎn)生；3）發(fā)酵單位優(yōu)于改造前水平，生產(chǎn)穩(wěn)定；4）無攪拌熱產(chǎn)生，無攪拌噪音，節(jié)能環(huán)保。

此例中發(fā)酵罐體積較小，在未安裝導(dǎo)流筒情況下其發(fā)酵溶氧效果已良好。若安裝導(dǎo)流筒則氣升罐效果會更佳。

另有部分改造案例，如表1。

表1　旋流混合器改造案例

通過對40～380 m3不同容積發(fā)酵罐，100多套旋流混合器改造實(shí)例得出：1）發(fā)酵過程溶解氧提高5%～20%；2）發(fā)酵罐攪拌電機(jī)電流下降5%～30%；3）風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大，最大通風(fēng)量提高；4）發(fā)酵單位提升0.5%～6%；5）料液混合均勻，氣泡細(xì)微，發(fā)酵罐內(nèi)液面比較平穩(wěn)。

6　結(jié)語與展望

通過多種不同介質(zhì)生物發(fā)酵工程實(shí)例得出，旋流混合器配合攪拌系統(tǒng)的改進(jìn)能優(yōu)化發(fā)酵罐多相流場，起到節(jié)能增產(chǎn)的作用：一方面，旋流混合器氣液混合均勻，氣泡細(xì)膩，在提高溶氧的同時提高發(fā)酵罐氣含率，使得同等條件下攪拌功率降低；另一方面，旋流混合器兼有底檔攪拌的作用，因此原有攪拌系統(tǒng)可以大大簡化，甚至取消。未來若要進(jìn)一步降低生產(chǎn)反應(yīng)罐的能耗，可以簡化機(jī)械攪拌，更多地采用旋流混合器配合導(dǎo)流桶整流的方式向氣升式反應(yīng)器形式發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)酵生產(chǎn)清潔低耗，高效節(jié)能。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：朱小惠）

Research on energy-saving technology of vortex gas-liquid m ixer app lied in multi-phase flow field control of bioreactors

LU Ningzhou1，LU Feihao2
（1. Ningbo Xingbang Biochem Device Co.，Ltd.，Ningbo 315040，China；2. Ningbo Haobang BioTech Co.，Ltd.，Ningbo 315040，China）

Abstract：This paper discussed current research of fermentor flow field，and analyzed the necessity of flow field modification of large-scale bioreactors. The structure and mechanism of a new energy-saving air sparger，vortex gas-liquid mixer were introduced. Its good performance in flow field control，energy-saving and production promotion were discussed via CFD simulation and practical applications. Finally，further application prospect of vortex gas-liquid mixer was proposed in multi-phase flow field optimization and energy-saving.

Keywords：fermentation；vortex gas-liquid mixer；multiphase flow；CFD；energy-saving

作者簡介：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，高級工程師，E-mail：nbhaobang729@163.com.

收稿日期：2015-12-04

中圖分類號：TQ920.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-2214（2016）02-0094-04