(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)

常用的通氣發(fā)酵罐有機械攪拌式、自吸式和氣升式等，其中機械攪拌通氣發(fā)酵罐應(yīng)用最為廣泛；自吸式發(fā)酵罐應(yīng)用局限于醋酸等發(fā)酵；氣升式發(fā)酵罐(ALR)的應(yīng)用由來已久，目前主要應(yīng)用于維生素C、單細胞酵母、生物燃料發(fā)酵和廢水處理等[1]。常見的氣升式反應(yīng)器有環(huán)流式、鼓泡式，環(huán)流式又可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)[2]。氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡潔、能耗低、不易染菌等，華南理工大學(xué)的高孔榮教授曾對此進行了較深入的研究并取得良好效果[3]。氣升式發(fā)酵罐的工作原理是把無菌空氣通過空氣分布裝置噴射進發(fā)酵液中，通過氣液混合的湍流作用將空氣泡分割細碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)。但是，目前氣升式發(fā)酵罐并沒有在好氣性發(fā)酵領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，絕大部分的發(fā)酵產(chǎn)品采用了機械攪拌通氣發(fā)酵罐，主要原因有：1) 發(fā)酵行業(yè)發(fā)展初期屬于相對高利行業(yè)，企業(yè)普遍不太重視能耗控制，直接沿用化工上廣泛應(yīng)用的機械攪拌式發(fā)酵罐；2) 機械攪拌通氣發(fā)酵罐對不同產(chǎn)品適應(yīng)性強，便于企業(yè)在市場波動時轉(zhuǎn)換生產(chǎn)品種；3) 傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐設(shè)計未能及時改進，不能適應(yīng)現(xiàn)今發(fā)酵生產(chǎn)的實際需求；4) 隨著行業(yè)競爭加劇，同行交流減少，創(chuàng)新冒險精神缺失，只追求規(guī)?；?，思想意識上不敢對現(xiàn)有設(shè)備工藝進行改進革新。以上原因使得氣升式發(fā)酵罐的發(fā)展和應(yīng)用受到制約。然而隨著生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)興起，大宗發(fā)酵產(chǎn)品價格下滑，發(fā)酵規(guī)模日益擴大，環(huán)保要求日趨嚴苛，工業(yè)生產(chǎn)成本陡增，出口增長遭遇瓶頸[4]，發(fā)酵生產(chǎn)的能耗控制成為企業(yè)能否盈利的關(guān)鍵因素，氣升式發(fā)酵罐恰恰契合清潔節(jié)能生產(chǎn)的趨勢。筆者將重新審視傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)缺點，并提出兩種新型氣升式發(fā)酵罐。

1 傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)勢與制約因素

相較于機械攪拌通氣發(fā)酵罐，傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐有如下優(yōu)勢：

1) 投資、運行及維護成本低。機械攪拌通氣發(fā)酵罐的攪拌系統(tǒng)投資高，若配套大型減速箱、大功率變頻器，則維護檢修成本高昂；攪拌軸套需定期更換；攪拌系統(tǒng)運行能耗高，運行時生成的攪拌熱又需冷卻水降溫，消耗冷量。相比之下無攪拌系統(tǒng)的氣升式發(fā)酵罐則成本大幅降低。

2) 不易染菌。機械攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸承座，中間支架存在死角，清洗維護困難，軸封容易泄露，染菌風(fēng)險大。氣升式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡潔，無菌條件好。

3) 剪切力小，對生物細胞損傷小。機械攪拌葉輪會對放線菌或霉菌等造成損傷，延長發(fā)酵周期，影響菌株代謝路徑。

4) 車間噪音小。機械攪拌系統(tǒng)是發(fā)酵車間除蒸汽排汽噪音外最大的噪聲源，操作人員工作時需要配帶耳塞，而氣升式發(fā)酵罐車間則比較安靜。

5) 機械攪拌易引發(fā)罐體共振搖晃從而使得結(jié)構(gòu)焊縫開裂。

6) 由于機械攪拌本身存在液泛效應(yīng)，因此通氣量受到限制。

傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的缺點主要有：

1) 傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐反應(yīng)器高徑比(H/D)大，達到7～9，有的甚至到10以上。液位高度大，進氣壓力要求高，供氣壓力負荷升高，增大了空壓機系統(tǒng)能耗[5]。過高的直桶高度也增大了廠房基建投資。最重要的是，直筒高度高，則氣泡上升路徑長，若無中間結(jié)構(gòu)抑制微小氣泡的聚并，則氣泡上升過程中微小氣泡易聚并成大型鼓泡，氣泡直徑直接影響罐內(nèi)溶氧，同樣氣量，分散后氣泡直徑越大則氣液接觸面積越小，傳質(zhì)效率低，氣液兩相間滑移速度大，氣液分散效果差[6]。例如800 t氨基酸機械攪拌通氣發(fā)酵罐，常規(guī)高徑比2～3，直筒高度約15 m，若改造成傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐，則高徑比將達到7，罐高則將超30 m，空氣系統(tǒng)壓力負荷增加0.15 MPa以上，供氣能耗增加40%以上，發(fā)酵罐設(shè)計壓力增大，罐體加工及相應(yīng)基建成本增大。同時，高徑比大也會導(dǎo)致液位不容易控制、消泡劑用量增大、罐底有沉淀析出(如產(chǎn)物結(jié)晶析出)等問題，也影響罐內(nèi)發(fā)酵液循環(huán)。

2) 傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的進氣裝置采用打孔盤管或射流噴嘴，打孔盤管氣液混合效果不佳；射流噴嘴對供氣管路壓力要求高。大型氣升式發(fā)酵罐需要采用一種新型節(jié)能進氣裝置。

3) 對于高黏度的發(fā)酵產(chǎn)品，不能有效保證氣液混合均勻。

筆者結(jié)合多年發(fā)酵罐改造案例，認為新型氣升式發(fā)酵罐宜采用矮胖型，直桶高度控制在16 m以下為宜，盡可能減少空壓機出口空氣壓力，降低供氣系統(tǒng)能耗；同時采用新型節(jié)能進氣裝置——氣液旋流混合器，以增加發(fā)酵罐內(nèi)溶氧。

2 氣液旋流混合器及其應(yīng)用成果

常見的進氣分布裝置有直通式、傘罩式、小孔盤管式和射流管式。筆者開發(fā)了新型節(jié)能發(fā)酵罐進氣裝置(氣液旋流混合器)，該裝置已在發(fā)酵行業(yè)推廣使用，可以提高發(fā)酵液溶解氧，提高生產(chǎn)穩(wěn)定性和生產(chǎn)操控性，在節(jié)能降耗方面也取得了顯著效果。氣液旋流混合器的基本原理是利用發(fā)酵罐進口壓縮空氣本身的靜壓能，在轉(zhuǎn)化為相當高速旋流的過程中，產(chǎn)生對周邊流體的吸附帶動作用[7]。

氣液旋流混合器結(jié)構(gòu)如圖1所示，空氣從內(nèi)殼體中心進入，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)外殼體之間的中心間隙進入，氣體液體在旋流通道中動態(tài)混合乳化后呈旋流狀噴出外殼體周向邊緣。

1—發(fā)酵罐；2—進氣管；3—氣液旋流混合器；3-1—空氣分布內(nèi)芯；3-2—旋流器殼體。圖1 氣液旋流混合器Fig.1 Vortex gas-liquid mixer

氣液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(tài)，空氣利用率和溶解氧高。

2) 結(jié)構(gòu)簡潔流暢無死角，不易結(jié)垢、不染菌。

3) 剪切作用小，對生產(chǎn)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。

目前，氣液旋流混合器已在多種發(fā)酵裝備中應(yīng)用數(shù)百套，其改造方便，可直接替換原有的空氣分布器，部分應(yīng)用案例見表1。

表1 氣液旋流混合器改造案例Table 1 Application cases of vortex gas-liquid mixer

注：表格中電耗指攪拌電耗。

由對40～380 m3不同容積發(fā)酵罐，近400套氣液旋流混合器改造的案例可知：

1) 發(fā)酵過程溶解氧提高5%～20%。

2) 發(fā)酵罐攪拌電機電流下降5%～30%。

3) 風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍擴大，最大通風(fēng)量提高。

4) 發(fā)酵單位(產(chǎn)物質(zhì)量濃度)提升0.5%～6%。

5) 料液混合均勻，氣泡細微，發(fā)酵罐內(nèi)液面比較平穩(wěn)。

3 基于氣液旋流混合器的新型氣升式發(fā)酵罐改造實例

將氣液旋流混合器與傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐結(jié)合，可大大提高氣升罐的效用，以下為兩個實際應(yīng)用案例。

3.1 某大型合資企業(yè)45 m3食品添加劑DHA新型氣升式發(fā)酵罐改造

該企業(yè)原有45 m3DHA發(fā)酵罐，采用直通式進氣，如圖2(a)所示。機械攪拌采用上部三層四寬葉推進式攪拌，底部六彎葉攪拌葉輪的形式，電機功率55 kW。

原發(fā)酵罐存在的問題：直通式進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；且原攪拌系統(tǒng)存在缺陷，發(fā)酵過程中易染菌。

改造方案：在罐底安裝氣液旋流混合器，拆除原有攪拌系統(tǒng)。改造方案如圖2(b)所示。

1—軸流式攪拌器(向下)；2—六彎葉攪拌器；3—進氣管；4—導(dǎo)流筒；5—進氣管(改造后)；6—氣液旋流混合器。圖2 DHA發(fā)酵罐改造示意圖Fig.2 Schematic of DHA fermenter modification

改造后的效果：

1) 無攪拌電耗，節(jié)電100%，且消除原攪拌系統(tǒng)帶來的染菌風(fēng)險。

2) 發(fā)酵罐運行時液面平穩(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。

由此例可以看出：通過合理設(shè)計，對原本使用機械攪拌罐的產(chǎn)品改換成氣升罐生產(chǎn)是完全可行的。

3.2 某大型企業(yè)320 m3維生素新型氣升式發(fā)酵罐改造

該企業(yè)原有320 m3維生素氣升式發(fā)酵罐，布置有導(dǎo)流筒，采用射流管空氣分布器進氣，發(fā)酵液流向為導(dǎo)流筒外圈發(fā)酵液上升，內(nèi)圈下沉。

原發(fā)酵罐存在的問題：射流管分布器采用圈射流管，每圈均布數(shù)十個，受限于發(fā)酵供氣管路壓力，氣液混合效果不明顯；射流噴管管徑較小，長期使用內(nèi)部易結(jié)垢，清洗不方便；液面不平穩(wěn)，氧利用率不高。

維生素發(fā)酵罐的改造：取消原有射流管式分布器，替換為氣液旋流混合器，維持原有發(fā)酵液流向不變。

維生素發(fā)酵罐改造后的效果：

1) 發(fā)酵罐液面平穩(wěn)。

2) 溶解氧提高。

3) 發(fā)酵單位穩(wěn)定提高。

4 新型氣升式發(fā)酵罐的兩種形式

對于低黏度、溶氧需求不高，發(fā)酵罐單體容積不超過500 m3的發(fā)酵罐，完全可以嘗試用新型氣升式發(fā)酵罐來替代原有發(fā)酵罐。其原理是：在傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的基礎(chǔ)上，采用與機械攪拌通氣罐的常規(guī)高徑比，用氣液旋流混合器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直通管式、傘罩式、打孔盤管式等進氣裝置，綜合物料特性及工藝要求設(shè)計導(dǎo)流筒、氣液旋流混合器和冷卻盤管等罐內(nèi)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)，使得發(fā)酵罐系統(tǒng)達到節(jié)能、高效生產(chǎn)的目的，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，使用效果在3.1和3.2中的改造案例中有詳細描述。

1—發(fā)酵罐；2—導(dǎo)流筒；3—氣液旋流混合器。圖3 新型氣升式發(fā)酵罐Fig.3 New ALR fermenter

對于高黏度、高耗氧的大型發(fā)酵罐，筆者提出了一種新型的氣升自吸式發(fā)酵罐，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—發(fā)酵罐；2—導(dǎo)流筒；3—氣液旋流混合器(隨攪拌軸旋轉(zhuǎn))；4—單級推進式攪拌槳。圖4 新型氣升自吸式發(fā)酵罐Fig.4 New airlift and self-drawn fermenter

其結(jié)構(gòu)原理是：在一般新型氣升式發(fā)酵罐的基礎(chǔ)上，保留了攪拌電機和一級推進式攪拌；將氣液旋流混合器和攪拌軸末端相連接，氣液旋流混合器與攪拌軸一同旋轉(zhuǎn)；氣液旋流混合器進氣口和無菌空氣進氣管密封連接，當然該密封不同于常規(guī)意義的機械密封，不需要嚴密配合，適當間隙不會影響供氣的混合效果，且方便清洗、更換配件和無菌檢修等工作。需要指出的是，該自吸式發(fā)酵罐不同于傳統(tǒng)用于醋酸發(fā)酵的自吸式發(fā)酵罐，傳統(tǒng)自吸式發(fā)酵罐中吸氣攪拌葉輪轉(zhuǎn)速極高，剪切作用巨大，而新型氣升自吸式發(fā)酵罐中攪拌轉(zhuǎn)速與常規(guī)機械攪拌相近即可。

新型氣升式發(fā)酵罐技術(shù)特點：

1) 氣液旋流混合器相當于一個自吸式水泵，配合導(dǎo)流筒中一級推進式攪拌槳的強制循環(huán)，混合效果更佳。

2) 氣液旋流混合器相當于一個阻尼器，起到自平衡的作用，能夠穩(wěn)定攪拌軸，使得原有攪拌軸支架得以簡化。

3) 氣液旋流混合器中心產(chǎn)生負壓，減少供氣管路壓力負荷，進一步節(jié)能。

4) 相比與傳統(tǒng)的機械攪拌通氣發(fā)酵罐，可以大幅度節(jié)能，節(jié)能幅度在75%以上。

5 新型氣升式發(fā)酵罐推廣探討

目前氣升式發(fā)酵罐在大宗發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)中主要應(yīng)用于VC(維生素C)，而在氨基酸、有機酸、食品添加劑和抗生素等行業(yè)并沒有得到推廣。事實上VC生產(chǎn)從業(yè)者對于氨基酸發(fā)酵應(yīng)用氣升式發(fā)酵罐持樂觀態(tài)度，VC兩步法發(fā)酵從僅在第二步古龍酸發(fā)酵采用氣升式發(fā)酵罐生產(chǎn)，到兩步均采用氣升式發(fā)酵罐生產(chǎn)。早在20世紀90年代，華南理工大學(xué)高孔榮教授就做過谷氨酸等其他產(chǎn)品應(yīng)用氣升式發(fā)酵生產(chǎn)的研究[3]，沈陽抗生素廠做過硫酸慶大霉素氣升罐替代研究[9]，均取得了良好效果，但受限于傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐的局限和實際行業(yè)環(huán)境，并有沒有推廣應(yīng)用。在目前發(fā)酵行業(yè)節(jié)能環(huán)保、減排降耗的發(fā)展趨勢下，氣升式發(fā)酵罐已逐漸展現(xiàn)出新的活力。

種子罐和低耗氧產(chǎn)品的發(fā)酵，可以用新型氣升式發(fā)酵罐替代；高黏度產(chǎn)品的發(fā)酵，可以采用新型氣升自吸式發(fā)酵罐；同時可以將氣升式發(fā)酵罐結(jié)合其他裝備組成一個完整的節(jié)能發(fā)酵系統(tǒng)，如搭配由高效旋擊分離器組成的發(fā)酵尾氣液沫回收處理系統(tǒng)，達到提高放罐體積，減少消泡劑用量，杜絕逃料，減輕后續(xù)除味設(shè)備負荷等作用[10]。

具體到某個產(chǎn)品的氣升式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要針對該產(chǎn)品的醪液物性、發(fā)酵工藝、敏感條件等進行結(jié)構(gòu)調(diào)整匹配。筆者列舉的部分設(shè)計案例要點如下：

1) 平均循環(huán)時間：平均循環(huán)時間反應(yīng)了生產(chǎn)菌對缺氧狀態(tài)的耐受承度。氣升式發(fā)酵罐的發(fā)酵液下沉區(qū)域為相對缺氧區(qū)域，對于缺氧耐受性較差的生產(chǎn)菌，較長時間的缺氧會使細胞活力下降，改變代謝路徑，導(dǎo)致產(chǎn)率低，影響發(fā)酵生產(chǎn)效率。通常，循環(huán)時間不超過1 min才能達到預(yù)期效果，該參數(shù)需要進行相關(guān)實驗驗證來獲得[11]。

2) 導(dǎo)流筒徑與罐徑比、空氣分布器直徑與反應(yīng)器直徑比和導(dǎo)流筒上下端面到罐頂與罐底的距離均對發(fā)酵液的混合與流動、溶氧等有重要影響。

3) 對于初始料液位較低的流加工藝，導(dǎo)流筒需分段，以保證低液位時發(fā)酵液的循環(huán)。

4) 可以在導(dǎo)流筒內(nèi)外層上采用米勒板焊接工藝設(shè)置冷卻結(jié)構(gòu)，增加冷卻面積，省去傳統(tǒng)內(nèi)置式冷卻盤管。

5) 氣升式發(fā)酵罐可將人孔開在中心位置，排氣管疊加在人孔接管上，簡化設(shè)計，方便CIP清洗，提高裝料系數(shù)。

6 結(jié) 論

新型氣升式發(fā)酵罐擯棄傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐大高徑比的設(shè)計思路，采取常規(guī)機械攪拌通氣罐的高徑比，利用新型節(jié)能發(fā)酵罐進氣裝置——氣液旋流混合器增加溶氧，結(jié)合物料特性和工藝特點進行綜合設(shè)計。與機械攪拌式發(fā)酵罐相比，該發(fā)酵罐可以節(jié)能70%以上，已在部分發(fā)酵品種的實踐運用中得到驗證；其無菌可靠性高，設(shè)備簡潔高效，更容易實現(xiàn)大型化和自動化控制。對于高好氧、高黏度的發(fā)酵產(chǎn)品，采用新型氣升自吸式發(fā)酵罐，保留了一級推進式攪拌，強化了氣液旋流混合器的氣液混合效果，解決了傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵罐不適宜高黏度發(fā)酵的局限性。隨著對新型氣升式發(fā)酵裝備及相關(guān)工藝的不斷實踐和深入研究，新型氣升式發(fā)酵罐將在更為廣泛的發(fā)酵品種中得到應(yīng)用，推動好氣性發(fā)酵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。