大型发酵罐的设计及实例.docVIP

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