攪拌器在發(fā)酵生產中的應用和選擇

張俊剛　吳澤華

【摘要】發(fā)酵攪拌器在近些年來取得了很大的發(fā)展，本文綜述了這方面的進展情況。重點對攪拌器在發(fā)酵中的應用和選擇方面做進行了綜述與評價，并就國內和國外的研究現(xiàn)狀進行了簡單概述。

【關鍵詞】攪拌；發(fā)酵；攪拌器

1.攪拌器在發(fā)酵生產中的作用

發(fā)酵技術是非常古老的一項技術，在食品、飼料等生產中應用也非常廣泛[1]。發(fā)酵罐是在發(fā)酵過程的反應容器。在發(fā)酵生產過程中，從配料到種子罐的培養(yǎng)再到發(fā)酵罐發(fā)酵生產，全部都需要攪拌設備。攪拌器的作用涉及到固液懸浮、氣體分散、混勻和傳熱等。攪拌器的選擇是發(fā)酵罐設計中最關鍵的關鍵步驟。

發(fā)酵過程根據(jù)需氧量的多少可分為厭氧發(fā)酵和需氧發(fā)酵。對于厭氧發(fā)酵，例如酒類和活性污泥處理等，只需要發(fā)酵培養(yǎng)物的混勻，對攪拌的強度要求相對較低；而在好氧發(fā)酵過程中，由于菌種的生長、生產對氧氣要求高，因而對攪拌條件的影響非常敏感。

在好氧微生物發(fā)酵過程中，在微生物種子培養(yǎng)和發(fā)酵生產階段都需要充足的氧供給。在實際發(fā)酵生產中，通常使用過濾除菌后的空氣作為氧的來源。微生物的呼吸作用也可以看做是葡萄糖完全氧化過程:C6H12O6+6O2→6H2O+6C02。因此氧的供給程度在好氧發(fā)酵過程中是影響發(fā)酵生產效率的一個重要因素。選擇合理的攪拌器可以有效改善發(fā)酵罐的傳氧特性。

隨著工廠規(guī)模的不斷增大，發(fā)酵工藝技術的不斷提高，實際發(fā)酵生產對發(fā)酵罐的尺寸需求也越來越大，對于發(fā)酵攪拌器的要求也越來越高。

攪拌器主要有如下作用：(1)讓兩種及以上互溶的液體充分混勻；(2)互不相溶的液體之間混合均勻；(3)氣相與液相混合；(4)液體中固體顆粒的懸??；(5)混勻化學物質，加速化學反應、傳熱、傳質等。攪拌器通過工藝的實際需要而設定。

2.發(fā)酵攪拌器的類別

在發(fā)酵生產中攪拌器的直接作用是把氣泡打碎，強化流體在反應器中湍動的程度，從而使氣泡和發(fā)酵液充分混合，使氣、液、固三相得到全面的接觸[2]，進而達到改善供氧性能的目的。目前應用中的攪拌器按流型可分為軸向流型和徑向流型兩種。

2.1徑向流渦輪攪拌器

傳統(tǒng)發(fā)酵罐中，最典型的徑向流攪拌器是Rushton渦輪攪拌器。其結構非常簡單，底部有一個圓盤，在上面帶有六個直葉葉片，稱為六直葉圓盤渦輪。渦輪帶有圓盤的目的是防止氣體在沒有來得及分散之前，就直接從軸的周圍溢出液面，導致傳氧效率降低。在發(fā)酵工業(yè)發(fā)展初期，發(fā)酵罐的規(guī)模相對比較小，而Rushton渦輪結構很簡單，容易加工和制造，因此應用比較廣泛。

2.2軸向流攪拌器

徑向流攪拌器雖然分散氣體的能力較強，然而其作用范圍較小，隨著發(fā)酵生產規(guī)模的不斷擴大，發(fā)酵罐直徑和高的尺寸也越來越大，徑向流攪拌器逐漸不能滿足生產發(fā)展的需求。在要求整槽混勻好，并且剪切性能溫和的發(fā)酵生產中，徑向流攪拌器顯得無能為力。因此必須尋找新的攪拌器來滿足生產需求。隨著近代流體力學理論的發(fā)展，一種基于機翼理論、船用螺旋槳理論和邊界層分離理論等而出現(xiàn)的新型的軸向流發(fā)酵用攪拌器被設計出來。傳統(tǒng)的推進式葉輪，例如：LINGHT2NINA310攪拌器，一般只有3個葉片，葉片寬度很窄，投影覆蓋率只有22%左右，因此對氣體的控制較弱，容易造成液泛。然而新型發(fā)酵用軸向流攪拌器則一般擁有4～6片寬葉片，投影覆蓋率可達90%，大大加強了對氣體的控制能力。并且由于其自身特有的軸流特性，能夠產生較大的循環(huán)體積，節(jié)能高效，而且造價低廉，工藝上易于實現(xiàn)大型化，因而逐步成為主流產品。其中最有代表性的是美國萊寧公司開發(fā)的A-310、攪拌器A-31攪拌器和美國凱米尼爾公司的HE-3攪拌器以及美國費城攪拌設備公司的LS和HS兩個產品系列，還有法國豪斑公司的HPM攪拌器等。

2.3組合式攪拌器

徑向流渦輪攪拌器與軸向流攪拌器各有優(yōu)點，單獨應用都會受到一定的限制。如果把徑向流攪拌器與軸向流攪拌器組合起來使用，利用徑向流攪拌器來控制氣體的分散，使主體對流擴散與渦輪擴散來實現(xiàn)較小范圍內的充分氣液混合，再通過軸向流攪拌器的主體對流作用讓全部液體周期性的依次與氣體混合，以此來實現(xiàn)較大范圍的氣液混合，將會得到較為理想的應用效果，能夠滿足發(fā)酵罐大型化的生產需求。同時，根據(jù)發(fā)酵罐通常是從下部通氣的特點，將下層攪拌器選擇徑向流攪拌器，而上層攪拌器采用軸向流攪拌器。與單純采用徑向流攪拌器相比，該組合形式可以提高傳質系數(shù)，減少功率消耗，對于剪切敏感的細菌發(fā)酵過程還能夠減少剪切作用，增加收率。隨著發(fā)酵罐的規(guī)模不斷擴大，充分利用這兩種攪拌器優(yōu)勢，互相補充，采用多級多種的組合方式將會是今后大型發(fā)酵罐設計發(fā)展的方向。

攪拌器選擇不同的直徑和轉速配比，將對應不同的攪拌特性，大的攪拌直徑對應著大的循環(huán)量Q攪，將有利于液體混合；大轉速則對應著高液流速度壓頭H攪，將會加強湍流程度，有利于提高溶氧水平。實際應用中，二者要做到兼顧。既要有一定的液體速度壓頭，以確保溶氧水平，又要有一定的攪拌循環(huán)量，來確保混合均勻，避免局部缺氧。另外攪拌器轉速和攪拌直徑提高，同時會帶來發(fā)酵罐攪拌功率提高，因此要根據(jù)具體情況確定攪拌器的轉速n和攪拌器槳葉直徑d。

3.結語

發(fā)酵攪拌器的選擇和應用，對各種產品發(fā)酵的發(fā)酵水平、成本、收率及發(fā)酵的成敗等起的非常重要的作用；發(fā)酵生產中根據(jù)發(fā)酵罐結構和形狀情況、發(fā)酵品種情況、發(fā)酵工藝情況、發(fā)酵菌種情況、通風情況等，采用合適的攪拌器型號、組合形式、電機功率及葉輪數(shù)量，同時采用無級變速電機或是用變頻器來調整轉速等，能有效提高溶氧效果，有利于發(fā)酵液中培養(yǎng)基與菌體的充分接觸，進一步提高發(fā)酵水平，降低生產成本。[科]

【參考文獻】

［１］黃志堅，虞培清等.發(fā)酵罐用攪拌器的工業(yè)應用進展.醫(yī)藥工程設計雜志,2004,25(1).

［２］施慶珊，陳儀本等.影響發(fā)酵過程中氧利用效率的一些因素.發(fā)酵科技通訊，2008,37(1).