近年来，生物发酵工程的生产品种和规模飞速发展，抗生素、保健品、饮料添加剂、农用生物制品的生产广泛采用了生物发酵技术，单台发酵罐的体积已达到300～400立方米。但是，生物发酵设备是一类高能耗的生产装置，发酵供氧需通过搅拌和通入无菌空气来达到，培养基消毒加热需使用大量蒸汽，发酵过程中产生的热量需通过低温水和循环水带走。据统计，目前我国的发酵装置中，动力费用约占发酵液成本的25％～40％。随着水资源的日趋紧张，电力、煤炭、石油等燃料价格不断上升，造成生物发酵成本的增加。然而，从总体情况来看，生物发酵装置的节能尚未引起企业的足够重视，特别是个别地区的企业凭借着天然的地理优势，依靠政府的扶植，使用深井水作为发酵的冷却介质，大量采用廉价的煤和电力而不对能耗进行控制，这是不可取的。从技术和经济角度综合考虑，有必要把生物发酵装置的节能放在企业管理的重要位置上，这样有利于企业的长期发展。
生物发酵装置的能源消耗主要由如下几个方面组成：
■能耗点一：搅拌
企业所用的发酵装置一般为标准式发酵罐，发酵罐中搅拌装置的功能为供应微生物生长所需的氧，以及强化整个罐体内的传质和传热效果。据统计，抗生素发酵罐的搅拌功率一般为每立方米发酵液1.5～3千瓦。
■能耗点二：通气
为了满足微生物生长时对氧的需求，需要通入无菌压缩空气。抗生素发酵罐的通气量一般为每立方米发酵液每分钟通入0.7～1.0标立方米压缩空气，制备每标立方米无菌压缩空气所需要的动力为3～4千瓦，即每立方米发酵液每小时通入的无菌压缩空气需消耗的电功率为2.5～3.5千瓦时。
■能耗点三：冷却
在生物发酵过程中微生物产生的热量，一般每立方米抗生素发酵液每小时为4000～7000大卡。制备每万大卡冷量约需电耗4千瓦时，故冷却每立方米发酵液每小时需要的电功率为1.6～2.8千瓦时。
■能耗点四：培养基消毒
培养基消毒一般是将室温升温至120℃～130℃，经维持灭菌后用循环水冷却至50℃～60℃，然后用低温水冷却至30℃左右。每立方米发酵液的消毒加热需蒸汽200千克，冷却用循环水为10立方米、低温水为3万大卡。
■对策一：适当降低通气量和增加搅拌功率
根据实验测定结果，适当降低通气量和增加搅拌功率，可以获得同样的供氧速率。由于制备无菌空气的耗电量要大于发酵搅拌所需的功率、空压站的投资要大于搅拌所需的投资。而空气量的增大，降低了发酵罐装料系数，增加了发酵过程的尾气夹带，也增加无菌空气过滤系统的费用。因此，生物发酵的节能可从适当增加搅拌设备的电机功率和相应降低通气量来获得较好的效果。
对于一个特定的发酵罐和发酵品种，微生物在发酵前期、中期和后期需氧量往往不同，前期和后期一般需氧量较少，因而相对溶氧浓度偏高，浪费了能量消耗。对此，可采用双速电机予以调整，适当降低空气的通入量，从而方便地达到节约能量的目的。
国内一些红霉素生产企业通过采用调节空气通入量的措施，可节约空气量40％以上，从而降低了生产成本。
■对策二：合理设计无菌空压设备
压缩空气的无菌制备工艺，与发酵系统防止染菌有着密切联系。净化系统的阻力降与发酵装置的能耗有着密切的关系。无菌压缩空气空压机一般排气压力在0.2兆帕左右，净化系统每增加0.01阻力降，就相当于增加空压机能耗的4％以上。这对于大型空压机而言是一个非常大的电耗数，如650立方米/分空压机，电机容量2600千瓦，如果出口压力提高0.01，其电机耗能增加4％（104千瓦），每年将增加80万千瓦时。因而对无菌压缩空气制备系统的冷却器、加热器、过滤器、管路及其阀门均要精心设计，以便尽可能降低系统的阻力降。室外管道、冷却器和加热器的阻力减少和过滤器、管路和阀门的选型同基建投资增加有着一定的联系，因而需要予以综合平衡。
■对策三：增加循环水使用率
微生物的发酵温度一般在30℃左右，过高和过低的温度会影响微生物的新陈代谢。工业上一般夏天采用低温水予以冷却，冬天采用循环水冷却。由于低温水制备的冷却过程采用循环水，当冬天来到，循环水水温低于某一特定数值，停止低温水制备时，可利用冷冻站用的循环水来供应发酵装置，供应发酵装置的低温水和循环水管路在冷冻站切换，利用同一根管路夏天供应低温水，冬天供应循环水，以节约厂区室外管道和车间管路的投资。
由于低温水制备的电耗和循环水制备的电耗相差数倍，其成本也往往相差10倍左右，因而如何增加一年之中循环水冷却使用的时间是发酵装置节能的另一课题。低温水和循环水切换的水温取决于发酵液的发热量、传热面积、传热系数和当地的气象条件。提高发酵搅拌效率和合理组织传热形式及冷却介质的流速有利于罐内传热系数的提高。另外，也可适当增加罐内的传热面积，以有利于增加一年中循环水的使用天数，节约耗电量。但是采取增加传热面积和强化传热系数的措施往往带来一次基建投资费用的增加，因而需要反复计算，采用最优设计。
对于大型发酵罐，一般采用罐外和罐内组合的冷却系统，在春秋两季可采用循环水和低温水组合的冷却系统。对此，需要解决好自动控制的方案，以使春秋两季最大程度地利用循环水进行冷却，降低发酵装置能耗。
■对策四：适时采用连续灭菌工艺
对于培养基的灭菌消毒，目前采用连续灭菌和分批灭菌两种工艺。某些生产厂认为分批灭菌比连续灭菌工艺安全、可靠，因而对100立方米以上发酵罐的培养基灭菌也不采用连续灭菌工艺。实际上，只要对连续灭菌的工艺、装备和仪表进行精心的设计和管理，就可以消除以上担心。
连续灭菌消毒工艺对培养基有效成分破坏少，动力的高峰负荷大幅度降低，因而可节约基建投资和改善日常运行的平稳性。从设计角度上看，50立方米以上发酵罐的培养基的消毒可采用连续灭菌工艺，中小型发酵罐则可采用分批灭菌工艺。
中国医药报
【日期】2006-03-18
【期次】40(总第3151期)
【版次】8
【版名】企业科技
【栏目】节能看台
【类别】医疗科教
【作者】石荣华
