液體好氧發(fā)酵過程節(jié)能降耗技術(shù)研究進(jìn)展

何俊鋒,張義萍

(希杰(聊城)生物科技有限公司,山東 聊城 252000)

隨著生物技術(shù)的發(fā)展,越來越多的產(chǎn)品采用微生物發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn),其中采用好氧發(fā)酵,尤其是液體好氧發(fā)酵居多。在液體好氧發(fā)酵進(jìn)程中,通常要通入壓縮空氣鼓泡來提供氧氣,通過設(shè)置機(jī)械攪拌來增加傳質(zhì)速度和增加氣液接觸面積,改善溶氧,而兩者均需要消耗大量的能源。隨著全世界范圍的保護(hù)環(huán)境、節(jié)能降耗的要求及生產(chǎn)企業(yè)本身節(jié)減成本的需要,發(fā)酵過程節(jié)能降耗技術(shù)成為了人們廣為研究的課題。目前,大多數(shù)研究者的研究方向集中在發(fā)酵罐形式的節(jié)能優(yōu)化、通氣裝置的節(jié)能優(yōu)化和攪拌過程的節(jié)能優(yōu)化或者是將其相結(jié)合進(jìn)行節(jié)能改造。通過這些優(yōu)化和改造,筆者在取得了良好的節(jié)能效果的同時(shí)也使發(fā)酵水平有所改善。

1 發(fā)酵罐形式的節(jié)能優(yōu)化

液體好氧發(fā)酵大多數(shù)采用機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐,耗能較高。氣升式發(fā)酵罐由于具有優(yōu)越的流體力學(xué)性能和節(jié)能前景,在微藻養(yǎng)殖及動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)中廣泛應(yīng)用,在微生物好氧發(fā)酵領(lǐng)域也逐漸成為研究熱點(diǎn)。陳少南等[1]早在上世紀(jì)90年代就進(jìn)行了氣升式發(fā)酵罐在谷氨酸發(fā)酵中的應(yīng)用研究,其結(jié)果表明了氣升式發(fā)酵罐完全可以應(yīng)用于谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn),且可有效提高谷氨酸糖酸轉(zhuǎn)化率;賈士儒等[2]在氣升式發(fā)酵罐中加入篩網(wǎng),改善了反應(yīng)器傳質(zhì)性能,有效地提高了氧氣供給。利用其發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸的研究結(jié)果表明:采用氣升式發(fā)酵罐與機(jī)械攪拌罐相比,產(chǎn)酸提高14%,轉(zhuǎn)化率提高16%,生產(chǎn)能力提高38%;為了應(yīng)對(duì)高粘度發(fā)酵體系和流加補(bǔ)料發(fā)酵過程,范代娣等[3]設(shè)計(jì)出分段導(dǎo)流筒氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器,并將其應(yīng)用在紅霉素發(fā)酵中,使發(fā)酵水平提高10.8%,培養(yǎng)時(shí)間縮短24 h,大幅降低了能源消耗。

氣升式發(fā)酵罐通常分為內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式,萬紅貴等[4]分別研究了內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)氣升式反應(yīng)器在L-苯丙氨酸產(chǎn)酶發(fā)酵過程中的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械攪拌罐相比,轉(zhuǎn)氨酶酶活分別提高了20%和10%,產(chǎn)酶周期也相應(yīng)縮短。氣升式發(fā)酵罐相較于機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐雖然有動(dòng)力成本低、無菌條件好和對(duì)生產(chǎn)菌剪切損傷小的優(yōu)點(diǎn),但是由于氣升式發(fā)酵罐相比機(jī)械攪拌罐去掉了攪拌,氣泡直接上升,為了保證氣泡在發(fā)酵液中的滯留時(shí)間,通常發(fā)酵罐要維持4～12的高徑比,工業(yè)化應(yīng)用時(shí)發(fā)酵罐高度會(huì)達(dá)到30 m左右。如此大的高徑比和發(fā)酵罐高度導(dǎo)致氣液分布均勻度欠佳,限制了機(jī)械攪拌罐改造為氣升式發(fā)酵罐的可能性。趙柏松等[5]基于對(duì)實(shí)際應(yīng)用中氣升式循環(huán)發(fā)酵罐的分析研究,提出了利用文丘里管抽吸空氣,以混合流體為噴射介質(zhì)的新型動(dòng)力輸入方式,延長(zhǎng)了氣體在發(fā)酵液中所走路徑,并由此開發(fā)了內(nèi)外雙環(huán)流氣升式發(fā)酵罐。試驗(yàn)證明:無菌壓縮空氣耗量與通氣攪拌式發(fā)酵罐相比減少12%,總能量消耗下降25%,為機(jī)械攪拌罐改造為氣升式發(fā)酵罐提供了可能;陸寧洲等[6]將發(fā)酵罐通氣裝置改為氣液旋流混合器,實(shí)現(xiàn)氣液充分混合,從而為氣升式發(fā)酵罐的擴(kuò)大應(yīng)用創(chuàng)造了條件;田小峰等[7]通過CFD(Computational fluid dynamics)模擬,研究了不同高徑比、環(huán)隙比下氣升式環(huán)流反應(yīng)器的氣液兩相流動(dòng),得到反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)液流速和氣含率等參數(shù)的詳細(xì)分布,為氣升式環(huán)流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了思路。

目前,大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品仍然以機(jī)械攪拌為主流,相信隨著人們對(duì)發(fā)酵過程空氣動(dòng)力學(xué)和氣升設(shè)備技術(shù)研究的深入,會(huì)促進(jìn)節(jié)能型氣升發(fā)酵罐的快速發(fā)展。除氣升式發(fā)酵罐外,也有研究者對(duì)自吸式發(fā)酵罐進(jìn)行了研究。自吸式發(fā)酵罐利用攪拌渦輪或液體流動(dòng)產(chǎn)生的真空自主吸入空氣[8],雖然攪拌轉(zhuǎn)速偏高,總動(dòng)力消耗仍降低約30%,但是因自吸式發(fā)酵罐較難清洗、易染菌,其應(yīng)用基本局限于醋、酵母和聚羥基丁酸的發(fā)酵生產(chǎn),未能獲得廣泛研究。

2 通氣裝置的節(jié)能優(yōu)化

一般的液體好氧發(fā)酵罐均采用下部空氣分布裝置進(jìn)行通氣?？諝夥植佳b置的作用是吹入無菌空氣,并使空氣均勻分布。分布裝置的形式多數(shù)是單管式、單管式加圓盤和環(huán)形結(jié)構(gòu),管、盤或環(huán)形結(jié)構(gòu)上開有小孔,空氣自小孔中噴出后,與發(fā)酵液相混合進(jìn)行氧的傳質(zhì)。為了進(jìn)一步提高溶氧、降低能耗,研究者對(duì)于空氣分布裝置的優(yōu)化主要集中在優(yōu)化氣泡分布,延長(zhǎng)氣泡在液相中滯留時(shí)間,減少氣泡直徑3個(gè)方面進(jìn)行開展。四川制藥廠開發(fā)的射流混合器使其發(fā)酵水平提高13%,能耗降低20%;楊瑞等[9]對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了分析,得出空氣射流攪拌系統(tǒng)的射流能量對(duì)自由射流氣泡區(qū)的良好分散導(dǎo)致氣含率上升和氧傳遞增強(qiáng)是主要原因,認(rèn)為該系統(tǒng)極具推廣價(jià)值。由于射流混合器既可強(qiáng)化第1次氣體的分散效果,又可減輕第2次攪拌的分散負(fù)擔(dān),可以顯著提高溶氧、降低能耗;徐清華等[10]將其運(yùn)用在谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)中,并相應(yīng)調(diào)減了攪拌槳的數(shù)量和直徑,使能耗平均降低32.5%以上;方明庠等[11]則在罐底設(shè)置噴射混合器和環(huán)流反應(yīng)器,形成了噴環(huán)式空氣分布裝置,應(yīng)用在檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn),使其產(chǎn)率提高6.8%,電量消耗下降46%。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)空氣在發(fā)酵罐內(nèi)的均勻分布,劉辰等[12]通過在發(fā)酵罐中配置3D射流空氣分布器,提出了空氣能發(fā)酵罐的概念。配置3D射流空氣分布器的發(fā)酵罐可充分利用壓縮空氣的噴射動(dòng)能,達(dá)到既增強(qiáng)氧傳遞速率又降低能耗的目的;陸寧洲等[13-14]則利用壓縮空氣本身的靜壓能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換開發(fā)了氣液旋流混合器,使溶氧濃度提升5%～20%,將其應(yīng)用在維生素發(fā)酵中,最終通過結(jié)合攪拌結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)節(jié)電10%～30%,發(fā)酵單位提高2%～6%的效果。

氣泡直徑越小,氣泡比表面積越大,溶氧傳質(zhì)面積也就越大。為了實(shí)現(xiàn)氣泡直徑的降低,趙英健等[15]采用微孔陶瓷膜制取了微孔分布器,研究和比較了攪拌罐內(nèi)微孔分布器和環(huán)形分布器在氣液分散過程的分散性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:微孔分布器具有更強(qiáng)的氣泛控制能力,同時(shí)形成的氣泡直徑也較小。但是采用此種結(jié)構(gòu)的微孔分布器進(jìn)行培養(yǎng)時(shí),需要對(duì)原有清洗和殺菌工藝進(jìn)行必要的改進(jìn)。

通過對(duì)上述射流混合器和氣液旋流混合器等的應(yīng)用以及微孔分布器的應(yīng)用進(jìn)展綜述,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的單管式和圓環(huán)式空氣分布器將會(huì)逐漸被淘汰。

3 攪拌過程節(jié)能優(yōu)化

當(dāng)發(fā)酵罐采用機(jī)械攪拌時(shí),氣泡在上升過程中被攪拌槳打碎,從而增加氣泡比表面積來加強(qiáng)氧的傳遞,而此過程中攪拌驅(qū)動(dòng)裝置所消耗的電能較大。對(duì)于攪拌器的節(jié)能優(yōu)化研究,目前文獻(xiàn)中報(bào)道的主要集中在攪拌器形狀和組合形式的優(yōu)化研究、變頻器技術(shù)的應(yīng)用。

3.1 攪拌器形狀和組合形式的優(yōu)化

液體好氧發(fā)酵過程采用的攪拌槳多為圓盤渦輪槳(Disc turbine,簡(jiǎn)稱為T)和軸流式槳葉(Paddle,簡(jiǎn)稱為P)的組合。Arjunwadkara等[16]將上軸流式槳葉、下軸流式槳葉和圓盤渦輪槳3種攪拌槳組成9種不同的攪拌器組合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在靠近空氣分布器處設(shè)置徑向流型的圓盤渦輪槳是獲得較高氣含率的必要條件,而上部采用下軸流式槳葉獲得的氣含率則明顯高于其他組合;魏洪普等[17]通過分析提出,下層采用圓盤渦輪槳,上層采用軸流式寬葉旋槳,葉片向下壓的方式有利于延長(zhǎng)空氣在發(fā)酵液中的滯留時(shí)間;Zheng等[18]將圓盤渦輪槳的葉片由常見的直葉、彎葉改為拋物線扇葉式,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在保持相近氣含率和傳氧速率的同時(shí),其功率準(zhǔn)數(shù)相比前2種分別下降了26%和64%。

不僅攪拌槳的形狀影響著發(fā)酵液中氣含率、傳氧速率和攪拌功耗,多層攪拌槳的排布型式也有著重要影響。洪厚勝等[19]將300 m3的賴氨酸發(fā)酵罐攪拌槳形式從T-P-P-P組合改善為T-P-T-P組合并采用CFD軟件對(duì)改造前后的攪拌效果進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果顯示出改造后的攪拌器強(qiáng)化了混合效果,改善了氣液傳質(zhì)。經(jīng)發(fā)酵實(shí)驗(yàn),賴氨酸的糖酸轉(zhuǎn)化率相比未改造發(fā)酵罐提高了2%,而且產(chǎn)量更穩(wěn)定。張慶文等[20]采用CFD數(shù)值模擬對(duì)600 m3檸檬酸發(fā)酵罐的攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析,結(jié)合檸檬酸發(fā)酵工藝改進(jìn)了攪拌組合方式,對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬及傳質(zhì)混合能力分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):通過對(duì)比氣含率提高了5%,攪拌功率下降2%。近年來,隨著3D打印技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,攪拌器的節(jié)能優(yōu)化技術(shù)正在快速發(fā)展。

3.2 變頻技術(shù)的應(yīng)用

發(fā)酵過程的不同階段對(duì)于溶氧的要求是變化的。采用工頻額定轉(zhuǎn)速攪拌不僅浪費(fèi)電力,還導(dǎo)致攪拌設(shè)備的啟動(dòng)負(fù)荷過大,引起電機(jī)或減速機(jī)頻繁故障。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,變頻器雖然在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用起來,但是變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上(風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載采用變頻調(diào)速后,節(jié)電率為20%～60%),而且變頻器多為進(jìn)口、價(jià)格較為昂貴,投資較大,在發(fā)酵行業(yè)應(yīng)用很少。然而,隨著國(guó)內(nèi)變頻器生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的發(fā)酵廠家開始對(duì)發(fā)酵罐配備變頻器。浙江蜂蜜集團(tuán)[21]在谷氨酸發(fā)酵罐上加裝變頻控制裝置,并對(duì)發(fā)酵轉(zhuǎn)速分三段控制,根據(jù)pH,DO和耗糖的變化,及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速,谷氨酸轉(zhuǎn)化率提高2%,節(jié)約用電達(dá)36%;沈英才[22]將變頻器技術(shù)應(yīng)用在土霉素發(fā)酵過程的控制,根據(jù)DO在線調(diào)整攪拌轉(zhuǎn)速,新工藝節(jié)約用電達(dá)33%;魏廷林等[23]將變頻器技術(shù)成功應(yīng)用在黃原膠發(fā)酵罐上,實(shí)現(xiàn)節(jié)能25%;為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速優(yōu)化的全自動(dòng)調(diào)整,馬凱等[24]基于串行通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵罐變頻調(diào)速的閉環(huán)控制,使攪拌器轉(zhuǎn)速根據(jù)預(yù)先設(shè)定參數(shù)關(guān)聯(lián)DO水平進(jìn)行自動(dòng)控制,為發(fā)酵過程變頻控制的精準(zhǔn)優(yōu)化提供了借鑒。變頻器的應(yīng)用不僅是在節(jié)能降耗方面具有重要作用,而且對(duì)促進(jìn)發(fā)酵調(diào)控技術(shù)的發(fā)展,提升發(fā)酵行業(yè)的綜合技術(shù)水平具有重要意義。

4 結(jié) 論

在液體好氧發(fā)酵節(jié)能改造中,發(fā)酵罐形式從機(jī)械攪拌向氣流攪拌過渡是主要趨勢(shì),氣升式發(fā)酵罐有著良好的應(yīng)用前景。近年來,空氣動(dòng)力學(xué)研究和CFD技術(shù)不斷應(yīng)用到發(fā)酵工程中來,在此基礎(chǔ)上開發(fā)的射流攪拌、旋流混合器的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。同時(shí),3D打印技術(shù)以及CFD技術(shù)的應(yīng)用也極大促進(jìn)了新型攪拌槳開發(fā)和攪拌槳組合優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展。另外,變頻器技術(shù)的應(yīng)用為發(fā)酵過程節(jié)能和發(fā)酵調(diào)控技術(shù)的升級(jí)提供了廣闊空間。