大型发酵罐设计及实例上海医药工业设计院(200040) 石荣华全国化工设备设计技术中心站(200040) 虞军随着生化技术的提高和生化产品的需求量不断增加,对发酵罐的大型化、节能和高效提出了越来越高的要求。

目前国际抗生素发酵罐的容积以80～200 米3 为主,而轻工的氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150～300 米3 ,国际上最大标准式发酵罐为美国ADM 公司赖氨酸发酵罐,其容积为10 万加仑,折合公称容积为380 米3 。

众所周知发酵是一个无菌的通气(或厌氧) 的复杂生化过程,需要无菌的空气和培养基的纯种浸没培养,因而发酵罐的设计,不仅仅是单体设备的设计,而且涉及培养基灭菌、无菌空气的制备、发酵过程的控制和工艺管道配制的系统工程。

1 国内发酵罐现况改革开放后,国内发酵罐的装备得到了显著改善,具体表现在:容积:抗生素发酵扩大至100～150m3 。

赖氨酸发酵已达200m3 。

材质:逐步由碳钢改为不锈钢。

传热:由单一的罐内多组立式蛇管改为罐壁半圆形外盘管为主,辅之罐内冷却管。

减速机:由皮带减速改为齿轮减速机。

搅拌机:由单一径向叶轮改为轴向和径向组合型叶轮。

但由于发酵罐的系统设计没有受到人们普遍重视,有许多抗生素生产人员往往仅重视发酵工艺和菌种,或限于资金和发酵厂房现状,对发酵罐的大型化和优化缺乏足够重视。

就发酵罐而言,目前头国内基本上在原有50m3 基础上进行改革, 罐径为3.00 毫米,罐筒体略有变化,形成57m3 、60m3 等罐体,电机相应作些变化有75 、95 和1.5kW 不等,传热为立式蛇管和搅拌叶轮基本不变为六叶蜗轮,减速采用皮带轮。

因而同国际上存在不少的差距,有必要通过对发酵罐系统设计的认识提高,将我国抗生素发酵装备水平向前推进。

2 发酵罐的设计2.1 发酵罐的型式发酵过程可以通过固体培养和深层浸没培养来完成,从生产工艺来说可分为间隙分批、半连续和连续发酵等,但是工业化大规模的发酵过程,则以通气纯种培养为主。

通过纯种培养的发酵罐有自吸式发酵罐、标准式发酵罐、气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐和多孔板塔式发酵罐等。

自吸式发酵罐系通过发酵罐内叶轮的高速转动,形成真空将空气吸入罐内,由于叶轮转动产生的真空,其吸入压头和空气流量有一定限制,因而仅适用对通气量要求不高的发酵品种;塔式发酵罐是将发酵液置于多层多孔塔板的细长罐体内,在罐底部通入无菌空气,通过气体分散进行氧的传递,但其供氧量也受到一定限度;气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐均是通过无菌空气在罐内中央管或通过旋转的喷射管和罐外喷射泵将发酵液进行一定规律的运动,从而达到气液传质,目前气升式发酵罐在培养基较稀薄,供氧量要求不过分高的条件下(如(V1C 发酵) 得到了较为广泛使用,其它喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐也有一定的用途;但在发酵工业中,仍数兼具通气又带搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍,标准式发酵罐被广泛使用抗生素、氨基酸、柠檬酸等各个领域。

2.2 标准式发酵罐随着发酵产品需求量增加,发酵过程控制和检测水平提高,发酵机理的了解和最优化的机理认识水平提高,以及空气无菌处理技术水平的提高,发酵罐的容积增大已成为抗生素工业的趋势。

2.2.1 罐的几何尺寸主要是关心发酵罐的H/ D ,一般随着罐体高度和液层增高、氧气的利用率将随之增加,容积传氧系数KLa 随之提高,但其增长关系不是线性关系,随着罐体增高, KLa 的数值增长速率随之减慢,而随着罐体容积增大,液柱增高,进罐的空气压力随之提高,伴随空压机的出口压力提高和能耗的增加,而且压力过大后,特别是在罐底气泡受压后体积缩小,气液界面的面积可能受到影响,过高的液柱高度,虽增加了溶氧的分压,但同样增加溶解二氧化碳分压,增加了二氧化碳浓度,对某些发酵品种又可能抑制其生长,而且罐体的高度,同厂房高度密切相关。

因而发酵罐的H/ D 之比,既有工艺的要求,也应考虑经济和工程问题必须综合考虑后予以确定。

对于细菌发酵罐来说,在筒体高度H/ 罐直径D宜为2～2.5 ,对于放线菌的发酵罐的H/ D 一般为1.8～2.2 。

2.2.2 通气和搅拌好氧发酵是一个复杂的气、液、固三相传质和传热过程,良好的供氧条件和培养基的混和是保证发酵过程传热和传质必要条件。

好氧发酵需要通入充沛的空气,以满足微生物需氧要求,因而空气量通入量越大,微生物获得氧有可能越多;其次培养液层高度越大,空气在培养基停留时间就有可能增加,有益于微生物利用空气中的氧;但是空气中氧是通过培养基传递给微生物,传递速率很大程度上取决气液相的传质面积,也就是说取决气泡的大小和气泡的停留时间,气泡越小和越分散就使微生物可以越充沛获得氧气,但是强化气泡的粉碎单靠气体分布器的形式和结构是不够的,或者说效果是不明显的,只有通过发酵罐内的叶轮转动将气泡粉碎,才可获得最佳的发酵供氧条件。

通过搅拌器的搅拌作用,使培养基在发酵罐内得到充分宏观混和,尽可能使微生物在罐内每一处均能得到充足氧气和培养基中的营养物质,此外良好的搅拌有利于微生物发酵过程产生的热量传递给冷却管和发酵罐的冷却内表面。

这就是具有通气和搅拌的标准式发酵罐普遍使用在生化工程的原因。

2.2.3 搅拌叶轮发酵罐内安装搅拌器首先用来分散气泡以得到尽可能高的传质系数KLa 。

此外还要使被搅拌的发酵液循环来增加气泡的平均停留时间,并在整个系统中均匀分布,阻止其聚并。

早先在机械搅拌式发酵罐通常装有数个径向圆盘涡轮搅拌器,但容易使被搅拌的介质分层而形成几个区,因而在罐下部和上部之间形成氧分压梯度,导致罐内上、下部之间的KLa 值的差异。

近来发酵罐的搅拌系统多采用在罐底部安装一个用来分散空气的涡轮搅拌器,其上再安装一组轴流式搅拌器,用来循环培养介质、均匀分布气泡、加强热量传递和消除罐内上、下部之间含氧量梯度差。

2.2.3.1 搅拌叶型式(1) 带圆盘敞式涡轮搅拌叶———高湍流,径向流。

(2) 倾斜叶片(pitched biade) 涡轮(p - 4) ———45°四叶片,轴向流。

(3) 反向倾斜(Reversing pitch) 搅拌叶———二个向上,二个向下,径向流。

(4) 高效轴流式搅拌叶———A3.0 ,轴向流。

(5) 混合流搅拌叶———A3.5 ,轴向流,少量径向流。

(6) 凹叶径流式搅拌叶( Concave blade radial) ———CD - 6 ,径向流。

2.2.3.2 叶轮选型为了在气体分散系统中,加强速度梯度或剪切率,形成高湍流以减少气相和液相之间的传质阻力,并保持整个混合物的均匀,将径向流涡轮搅拌器与高效轴向流搅拌叶组合起来是较佳选择。

在分散气体作业的罐内,搅拌叶的数目取决于通气的液面高度和罐直径之比。

而搅拌叶之间的距离不得小于最小搅拌叶的直径。

轴流式搅拌叶的直径约为径流式搅拌叶直径的1.3 倍。

径流式搅拌叶直径为罐直径的013～014倍,高效轴流搅拌叶直径为罐直径的014～0165 倍。

空气分配器位于最底部的搅拌叶之下。

气一液反应器的流动型式决定分散的均匀度,并且影响气体的截留率(gas hold up) 、传质速率和局部溶氧浓度。

当气体流量一定时,罐内流型取决于搅拌叶的速度。

搅拌叶转速低时,搅拌叶的作用被上升气流吞没,增加搅拌速度,气体就在整个罐内形成循环,此时这个出现了完全分散的搅拌速度,以Ncd 表示:以后再加大搅拌叶转速,罐内整体流型保持不变、增加搅拌强度也就增加了气体截留率和传质速率。

在整体流型变化的同时,围绕着搅拌叶叶片的流动也在变化。

在气体流速低时,气体在叶片后部形成涡流。

随着气体流量的增加,空穴(cavity) 逐渐加大,直到空穴依附到叶片后缘。

气流速度更高时就形成一系列大的空穴。

搅拌叶所需功率的多少与空穴生成的过程和相应通气的流型密切相关。

空穴增大则搅拌叶功率减小,相对功率需求(即:通气功率Pg 与不通气功率PN 之比) 是在夫劳德准数不变时的通气准数的函数。

进行搅拌器设计时,需同时计算出Pg 和PN 。

搅拌叶的不通气功率可用下式计算。

PN = NpρN3D5功率准数NP 是搅拌叶的雷诺准数NRe的函数。

容积传氧系数KLa 数值的求取,文献报导有很多,最成功的是将其与气体表面线速度和单位体积输入功率相关联:KLa = C( PgV)αηβC —受液体性质的强烈影响,此外还包括表面活性剂、不溶性油等。

Pg —通气功率;V —发酵液体积;η—空气线速度;α、β—指数。

2.2.3.3 轴向流和径向流相结合的叶轮对于泵或者搅拌器而言,功率就是流量和压头的乘积,即: P∞QH。

“压头”一项不但包括了流体净排出压头,而且还包括由于涡流损失、内部再循环和磨擦等形成的内部压头损失。

如果搅拌叶的直径和转速已定,增加其功率准数(例如,采用更多、更宽的叶片,更陡的投入角等) ,压头的增加要大于流量的增加。

在多数发酵过程中流量往往显得更为重要。

如果为了分散气体而加大压头,则可在罐底部用一个径向涡轮搅拌叶来分散气体。

罐内其余的搅拌叶则采用低功率、高流量的轴向流搅拌叶。

后者增加了向罐底部的涡轮搅拌叶供给的流体量,也有助于分散作用。

并可减少气泡的聚并(coalescence) ,改善传质。

2.2.4 传热发酵过程中微生物的生化反应要产生大量热量,这些热量必须及时被带出罐体,否则培养基温度升高,就会影响发酵最佳条件,引起微生物发酵中断。

一般抗生素在发酵过程中会产生每米3 ,每小时约16～25MJ (即4000～6000 大卡/ 米3·时) ,另外培养基经实消和连消后温度较高,需要将其冷却至培养温度,这就需要发酵罐具有足够的传热面积和合适的冷却介质,将热量及时带出罐体。

冷却介质一般应采用低温水和循环水。

某些北方的工厂“因地制宜”采用深井水冷却,如果深井水目前水需付较高的费用,也许会认为可降低生产成本,但是发酵罐冷却水量极大,如果采用深井水,这对于水资源是极大浪费,因而是不可取的。

发酵罐的冷却,主要是考虑微生物发酵过程的发酵热和机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量。

此外还要考虑,发酵罐消毒的冷却或实消后的冷却时间。

目前一般发酵罐的冷却传热面的型式,小型罐(5 米3 以下) 为夹套、大型发酵罐为几组立式蛇管。

立式蛇管虽具有传热系数高的优点,但他占据了发酵罐容积,据计算罐内立式蛇管体积约占发酵罐的1.5 %容积,若罐内的蛇管一旦发生泄漏,将造成整个罐批的发酵液染菌、此外罐内蛇管也给罐体清洗带来了不便。

近来新型发酵罐的冷却面移至罐外,采用半圆形外蛇管,该蛇管具有传热系数高,罐体容易清洗,增强罐体强度,因而可大大降低罐体壁厚,使整个发酵罐造价降低,且提高发酵罐的容积,增大放罐体积,因而是值得推广的新技术,国内已经建立了专业的制造厂,解决了对蛇管加工技术难关,为发酵罐设计开创一个新的罐型。