軸芯通氣噴氣助力式攪拌發(fā)酵罐簡析
僅2007年1-8月,，醫(yī)藥工業(yè)累計實現(xiàn)現(xiàn)價工業(yè)生產(chǎn)總值4328.18億元,，比去年同期3471.06億元增長24.69%。
二,、提出問題：
發(fā)酵設(shè)備是生物工程技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備,，它對于科研向生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化有著重要意義；同樣在生產(chǎn)過程----發(fā)酵過程中決定著生產(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,，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)酵供氧需通過攪拌和通入無菌空氣來達(dá)到,，培養(yǎng)基消毒加熱需使用大量蒸汽，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱量需通過低溫水和循環(huán)水帶走,。據(jù)統(tǒng)計,，目前我國的發(fā)酵裝置中,，動力費(fèi)用約占發(fā)酵液成本的25％～40％。
傳統(tǒng)的發(fā)酵設(shè)備普遍存在著相對能耗大,、溶氧率低,、底物轉(zhuǎn)化率低、設(shè)備壽命短等缺點,。尤其隨著水資源的日趨緊張,，電力、煤炭,、石油等燃料價格不斷上升,，解決生物發(fā)酵成本的問題已經(jīng)變得刻不容緩。
經(jīng)過長期的研究與工業(yè)實踐,，分析存在問題的原因,，針對性的研究了解決的方法，并成功設(shè)計出一種新型發(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)物在生長過程中耗用大量的氧,。這樣就需要在過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,，通入空氣實際利用率由于其難溶性等也受到影響,。
經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐、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)立方米無菌壓縮空氣所需要的動力為3～4千瓦,，即每立方米發(fā)酵液每小時通入的無菌壓縮空氣需消耗的電功率為2.5～3.5千瓦時,。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,。其次受生長物限制又不能無限提高攪拌程度（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)物生長的過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,，開口向下，經(jīng)過長時間的空氣（或氣液混合物）的長期沖刷,，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)任公司通過對運(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液體對筒壁的沖擊力，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,、長約1200mm的溝槽,。經(jīng)超聲波測厚儀檢測，底封頭破損處由原來的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
通過長期的生產(chǎn)實踐，對標(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,，對普通發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行了改造，提出了一個全新的觀點----軸芯通氣攪拌發(fā)酵設(shè)備,，（本設(shè)備改造已申請專利并通過初審：發(fā)明名稱：《一種軸芯通氣噴氣助力式攪拌發(fā)酵罐》,，申請?zhí)枺?00710000013.9，公開號：CN101007997A）力圖通過改造達(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)計選型為上下兩端直通式輸出軸形式,。
減速器2通過支架3安裝于發(fā)酵罐罐體4的上端。
攪拌軸5選用厚壁無縫管,，經(jīng)過精密加工（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,，并安裝動環(huán)。靜環(huán)與外界空氣導(dǎo)入管8相連接,，機(jī)械密封動環(huán)與攪拌軸相配合,。這個機(jī)構(gòu)設(shè)計完成了在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下經(jīng)過空心攪拌軸（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,，氣泡不會沿攪拌軸短路升到液面）,。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)計槳葉形式和確定漿葉數(shù)量,。在槳葉下沿非均勻分布開孔焊接噴嘴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充分分散,，并在下一個攪拌葉的作用下經(jīng)過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,。同時空氣噴嘴的反作用力對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,，有利于壓縮空氣動力源的節(jié)約,。
通過對標(biāo)準(zhǔn)通氣攪拌發(fā)酵設(shè)備的改造與重新設(shè)計，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)置的攪拌葉相對近,，較好地實現(xiàn)了對空氣的充分打碎,，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,，同時提高了發(fā)酵單位。
2）.由于空氣噴出時對攪拌槳反作用力,，起到了助推作用,，這樣可以節(jié)約攪拌動力，達(dá)到節(jié)能的目的,，理論計算一立方壓縮空氣可以提供700瓦左右的空氣動力考慮到其他因素,，經(jīng)過實際經(jīng)驗可較以往傳統(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封底的破壞,，大大提高了設(shè)備使用周期，延長了壽命,，同時也可節(jié)約大量資金,。
這里需補(bǔ)充說明,，經(jīng)過改造后，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)入位置相對較高,，需要適當(dāng)增加發(fā)酵液的軸向流動，達(dá)到液體氧氣分配的均勻性,；2）.由于壓縮空氣噴嘴相對可能數(shù)量增加或孔徑變小,，故當(dāng)特殊情況發(fā)生時有可能堵塞（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,，但制造成本相對而言不會發(fā)生太大變化,。
五、結(jié)束語
總上所述,隨著我國大規(guī)模經(jīng)濟(jì)發(fā)展,水資源的日趨緊張,電力,、煤炭,、石油等能源價格不斷上升,發(fā)酵設(shè)備的優(yōu)化改造刻不容緩。通過對標(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)過完善投入到生產(chǎn)實踐中,這樣必定會為廣大企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益,，并且使企業(yè)在市場競爭中獲勝,有利于企業(yè)的長期發(fā)展
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