摘要：

    2008年中國(guó)發(fā)酵罐行業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品產(chǎn)出持續(xù)擴(kuò)張，國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)發(fā)酵罐產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)新增投資項(xiàng)目投資逐漸增多。投資者對(duì)發(fā)酵罐行業(yè)的關(guān)注越來(lái)越密切，這使得發(fā)酵罐行業(yè)的發(fā)展研究需求增大。2009-2012年是中國(guó)發(fā)酵罐行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，一批國(guó)家重大工程項(xiàng)目陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)，對(duì)發(fā)酵罐行業(yè)需求市場(chǎng)必將產(chǎn)生極大的拉動(dòng)作用。本文通過(guò)分析傳統(tǒng)發(fā)酵罐存在的問(wèn)題及原因，針對(duì)性的研究了解決的方法，并成功設(shè)計(jì)出一種新型發(fā)酵罐----軸芯通氣噴氣助力式攪拌發(fā)酵罐。

    一、背景：

    二十一世紀(jì)是以生物工程技術(shù)為先導(dǎo)的世紀(jì)，發(fā)酵工程是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)是發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的基礎(chǔ)，而生物反應(yīng)器是發(fā)酵過(guò)程的外部環(huán)境，它同樣影響發(fā)酵過(guò)程的效率與優(yōu)化。

    近年來(lái)，中國(guó)發(fā)酵設(shè)備行業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品產(chǎn)出持續(xù)擴(kuò)張，國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)發(fā)酵罐產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)新增投資項(xiàng)目投資逐漸增多。投資者對(duì)發(fā)酵罐行業(yè)的關(guān)注越來(lái)越密切，這使得發(fā)酵罐行業(yè)的發(fā)展研究需求增大。

    僅2007年1-8月，醫(yī)藥工業(yè)累計(jì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)價(jià)工業(yè)生產(chǎn)總值4328.18億元，比去年同期3471.06億元增長(zhǎng)24.69%。

    二、提出問(wèn)題：

    發(fā)酵設(shè)備是生物工程技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備，它對(duì)于科研向生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化有著重要意義；同樣在生產(chǎn)過(guò)程----發(fā)酵過(guò)程中決定著生產(chǎn)原料成本，產(chǎn)出質(zhì)量，能耗大小，設(shè)備壽命的大小高低。以生物發(fā)酵罐為例：近年來(lái)，生物發(fā)酵工程的生產(chǎn)品種和規(guī)模飛速發(fā)展，抗生素、保健品、飲料添加劑、農(nóng)用生物制品的生產(chǎn)廣泛采用了生物發(fā)酵技術(shù)，單臺(tái)發(fā)酵罐的體積已達(dá)到300～400立方米。但是，生物發(fā)酵設(shè)備是一類高能耗的生產(chǎn)裝置，發(fā)酵供氧需通過(guò)攪拌和通入無(wú)菌空氣來(lái)達(dá)到，培養(yǎng)基消毒加熱需使用大量蒸汽，發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的熱量需通過(guò)低溫水和循環(huán)水帶走。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)的發(fā)酵裝置中，動(dòng)力費(fèi)用約占發(fā)酵液成本的25％～40％。

    傳統(tǒng)的發(fā)酵設(shè)備普遍存在著相對(duì)能耗大、溶氧率低、底物轉(zhuǎn)化率低、設(shè)備壽命短等缺點(diǎn)。尤其隨著水資源的日趨緊張，電力、煤炭、石油等燃料價(jià)格不斷上升，解決生物發(fā)酵成本的問(wèn)題已經(jīng)變得刻不容緩。

    經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究與工業(yè)實(shí)踐，分析存在問(wèn)題的原因，針對(duì)性的研究了解決的方法，并成功設(shè)計(jì)出一種新型發(fā)酵罐----軸芯通氣噴氣助力式攪拌發(fā)酵罐。

    三、原因分析：

    發(fā)酵設(shè)備中通氣攪拌發(fā)酵設(shè)備被廣泛應(yīng)用，其原理是大多數(shù)產(chǎn)物在生長(zhǎng)過(guò)程中耗用大量的氧。這樣就需要在過(guò)程中提供充足的氧氣并與之充分混合接觸。發(fā)酵設(shè)備中通入壓縮空氣和設(shè)置攪拌裝置即為達(dá)到此目的。而產(chǎn)物的質(zhì)量與產(chǎn)量（生產(chǎn)單位）同樣受到通氣和攪拌的影響。（同樣還有培養(yǎng)基、消毒滅菌、操作、種子質(zhì)量系統(tǒng)的影響）。另外，通入空氣實(shí)際利用率由于其難溶性等也受到影響。

    經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐、逐步總結(jié)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的發(fā)酵設(shè)備普遍存在如下問(wèn)題：

    1）.能源大：發(fā)酵生產(chǎn)中的成本相當(dāng)大的部分消耗在能源上，主要表現(xiàn)制備壓縮空氣消耗的功率。

以抗生素發(fā)酵罐的通氣量為例：其一般為每立方米發(fā)酵液每分鐘通入0.7～1.0標(biāo)準(zhǔn)立方米壓縮空氣，制備每標(biāo)立方米無(wú)菌壓縮空氣所需要的動(dòng)力為3～4千瓦，即每立方米發(fā)酵液每小時(shí)通入的無(wú)菌壓縮空氣需消耗的電功率為2.5～3.5千瓦時(shí)。為使空氣與發(fā)酵液充分混合接觸,攪拌裝置所消耗的功率較大（1m³發(fā)酵液的配用攪拌功率在1.5~3千瓦左右）。如上所述降低攪拌功率、充分利用所通入壓縮空氣能量，就成為我們發(fā)酵生產(chǎn)中降低能耗的主要手段。

    2）.氧的利用率低：由前次所述，氧的利用率低，除受攪拌和通氣量的影響外，其他因素也存在著制約：首先通氣氣泡的打碎程度----即氣體與液體的接觸面的大小，嚴(yán)重影響著壓縮空氣的利用率，以往的空氣分布器受發(fā)酵液易堵塞的影響，孔徑不宜做得太小，這樣就容易形成氣泡，又因分布器距攪拌器有一定距離，氣體又有部分聚集并形成短路升至液面，氣泡的產(chǎn)生就會(huì)減小氣液接觸面積，影響氧的利用率，一般的利用率只有2%左右。而且為了克服液下壓強(qiáng)，又消耗一部分功率。其次受生長(zhǎng)物限制又不能無(wú)限提高攪拌程度（打碎產(chǎn)物-如菌絲）從而使溶氧率不宜提高?？傊畼?biāo)準(zhǔn)發(fā)酵設(shè)備有的在提高氧的溶解率上進(jìn)行必要的探索。

    3）.底物轉(zhuǎn)化率：基于如上原因在產(chǎn)物生長(zhǎng)的過(guò)程中受到了溶氧的影響，必然直接造成發(fā)酵單位下降，或達(dá)不到理論水平及生產(chǎn)不穩(wěn)定。即造成底物轉(zhuǎn)化率低、原料成本上升。

    4）.設(shè)備壽命降低：由于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵罐的空氣分布器都設(shè)置在發(fā)酵罐的底部，開(kāi)口向下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的空氣（或氣液混合物）的長(zhǎng)期沖刷，封底局部減薄大大快于發(fā)酵罐的其他部位。通常對(duì)于碳鋼材質(zhì)在5年左右發(fā)酵罐損失掉70%左右的壁厚，封底就要大封更換時(shí)加強(qiáng)。這樣大大縮短了設(shè)備使用周期，也提高了生產(chǎn)成本。例如：西安利君制藥有限責(zé)任公司通過(guò)對(duì)運(yùn)行了6年的紅霉素50m³碳鋼發(fā)酵罐底封頭早期破壞情況的現(xiàn)象和原因分析得出以下結(jié)論：一個(gè)50m³發(fā)酵罐為立式容器，直徑Φ3200mm，高度7680mm，直筒高度6000mm，罐壁厚12mm，筒體材質(zhì)為Q235A。下封頭中心空氣分布器周圍，直徑Φ1200mm的范圍內(nèi)，由于空氣沖刷和葉片攪拌時(shí)液體對(duì)筒壁的沖擊力，使封頭壁厚逐漸減薄破損，且有大量的不規(guī)則的點(diǎn)狀蝕坑凹凸不平，最深的凹坑約11mm，封頭鋼板拼接接頭已形成深約9~11mm、寬度約18~25mm之間、長(zhǎng)約1200mm的溝槽。經(jīng)超聲波測(cè)厚儀檢測(cè)，底封頭破損處由原來(lái)的12mm減薄至0.8~1mm，冷卻蛇管、攪拌軸、盤、葉片材質(zhì)均為304不銹鋼，還能繼續(xù)使用，根據(jù)等壽命原理選擇將底封頭更換為304不銹鋼材質(zhì)。

    四、設(shè)備改造

    通過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行分析觀察，我們從改變通氣方式上入手，對(duì)普通發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行了改造，提出了一個(gè)全新的觀點(diǎn)----軸芯通氣攪拌發(fā)酵設(shè)備，（本設(shè)備改造已通過(guò)初審：發(fā)明名稱：《一種軸芯通氣噴氣助力式攪拌發(fā)酵罐》，申請(qǐng)?zhí)枺?00710000013.9，公開(kāi)號(hào)：CN101007997A）力圖通過(guò)改造達(dá)到降低能源、提高溶氧率，從而提高底物轉(zhuǎn)化率、提高生產(chǎn)水平的目的。

    發(fā)酵罐采用通用機(jī)械攪拌發(fā)酵罐罐體結(jié)構(gòu)，電機(jī)1側(cè)置與減速器2直聯(lián)形式的定型產(chǎn)品，減速器設(shè)計(jì)選型為上下兩端直通式輸出軸形式。

減速器2通過(guò)支架3安裝于發(fā)酵罐罐體4的上端。

    攪拌軸5選用厚壁無(wú)縫管，經(jīng)過(guò)精密加工（保證同心度）。一般應(yīng)做成兩部分，即上半軸和下半軸（特別小型的反應(yīng)器可做成一根軸）。軸的固定支撐方法與普通反應(yīng)器基本相同。不同之處就在于軸的上端伸出部分裝有倒置機(jī)械密封6，以便壓縮空氣導(dǎo)入。即上端倒置機(jī)械密封經(jīng)支架7與減速器相連，并安裝動(dòng)環(huán)。靜環(huán)與外界空氣導(dǎo)入管8相連接，機(jī)械密封動(dòng)環(huán)與攪拌軸相配合。這個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成了在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下經(jīng)過(guò)空心攪拌軸（等同空氣導(dǎo)管）將壓縮空氣導(dǎo)入發(fā)酵罐。

    壓縮空氣導(dǎo)入空心攪拌軸后，經(jīng)由空心攪拌槳葉9噴射到生物反應(yīng)器中（攪拌器不用采用中心帶盤的形式，氣泡不會(huì)沿?cái)嚢栎S短路升到液面）。攪拌葉同樣采用空心經(jīng)沖壓或焊接制造，可根據(jù)不同發(fā)酵產(chǎn)品的品種設(shè)計(jì)槳葉形式和確定漿葉數(shù)量。在槳葉下沿非均勻分布開(kāi)孔焊接噴嘴10，噴嘴向斜下方布置且與攪拌旋轉(zhuǎn)方向相反。遠(yuǎn)端相對(duì)噴嘴孔徑加大，即加大空氣流量。這樣可盡量保證空氣在液體中分布均勻。另外空氣導(dǎo)出后在離心力的作用下會(huì)充分分散，并在下一個(gè)攪拌葉的作用下經(jīng)過(guò)很短的路程被充分打碎并混合，避免了氣泡未經(jīng)打碎上升至液面的情況發(fā)生。大大提高了空氣的利用率，從而使液體中溶氧率提高。同時(shí)空氣噴嘴的反作用力對(duì)攪拌器到助推的作用，有利于攪拌效率的提高、能源的節(jié)約。攪拌器產(chǎn)生的離心力，使噴嘴處產(chǎn)生負(fù)壓，有利于壓縮空氣動(dòng)力源的節(jié)約。

    通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)通氣攪拌發(fā)酵設(shè)備的改造與重新設(shè)計(jì)，我們達(dá)到了如下目的：

    1）.由于空氣出口相距發(fā)酵攪拌設(shè)置的攪拌葉相對(duì)近，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣的充分打碎，減少了空氣短路現(xiàn)象的產(chǎn)生，使空氣中的氧得到了充分利用，從而提高了底物轉(zhuǎn)化率，同時(shí)提高了發(fā)酵單位。

    2）.由于空氣噴出時(shí)對(duì)攪拌槳反作用力，起到了助推作用，這樣可以節(jié)約攪拌動(dòng)力，達(dá)到節(jié)能的目的，理論計(jì)算一立方壓縮空氣可以提供700瓦左右的空氣動(dòng)力考慮到其他因素，經(jīng)過(guò)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可較以往傳統(tǒng)設(shè)備節(jié)能15%左右。

    3）.由于改變了壓縮空氣的導(dǎo)入方式與位置，克服了原空氣分布器對(duì)封底的破壞，大大提高了設(shè)備使用周期，延長(zhǎng)了壽命，同時(shí)也可節(jié)約大量資金。

    這里需補(bǔ)充說(shuō)明，經(jīng)過(guò)改造后，設(shè)備必然有不斷完善與提高的環(huán)節(jié)，例如：1）.由于空氣導(dǎo)入位置相對(duì)較高，需要適當(dāng)增加發(fā)酵液的軸向流動(dòng)，達(dá)到液體氧氣分配的均勻性；2）.由于壓縮空氣噴嘴相對(duì)可能數(shù)量增加或孔徑變小，故當(dāng)特殊情況發(fā)生時(shí)有可能堵塞（停電倒料）可在軸芯通氣上接口處接入清洗水、滅菌蒸汽已達(dá)到清洗疏通，滅菌徹底的目的；3）.由于增加了一套機(jī)械密封，設(shè)備制造精度要求有所提高，但制造成本相對(duì)而言不會(huì)發(fā)生太大變化。

    五、結(jié)束語(yǔ)

    總上所述,隨著我國(guó)大規(guī)模經(jīng)濟(jì)發(fā)展,水資源的日趨緊張,電力、煤炭、石油等能源價(jià)格不斷上升,發(fā)酵設(shè)備的優(yōu)化改造刻不容緩。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)通氣攪拌發(fā)酵設(shè)備通氣方式的改造達(dá)到了降低能源、提高溶氧率，從而提高底物轉(zhuǎn)化率、提高生產(chǎn)水平的目的。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的綜合考慮,有必要把本設(shè)備經(jīng)過(guò)完善投入到生產(chǎn)實(shí)踐中,這樣必定會(huì)為廣大企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，并且使企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲勝,有利于企業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展