摘 要： 介绍已开发成功并在柠檬酸生产中推广应用的喷环式好氧发酵罐，本技术突破了传统的通用式发酵罐的传质机理和设计技术，具有增产、节能、降耗的显著效果。
关键词： 喷环式；好氧发酵罐；开发；应用：
1 概况
我国于60年代开始研制柠檬酸，70年代初进行工业化生产，至今已历经30多年的发展和努力。但发酵生产中的关键生化反应设备——发酵罐较为陈旧，大多仍沿袭50年代苏联提供图纸为兰本的传统的通用式发酵罐，搅拌装置和通气装置较为落后的现状。
浙江省石油化工设计院和杭州柠檬酸厂根据柠檬酸发酵生产的工艺特点，从1995年初起，共同开发《喷环式好氧发酵罐在柠檬酸生产上的应用研究》这一省重点课题，并于1996年底通过省级鉴定。近4年来已在国内、外柠檬酸厂及其它制药，食品和轻化工行业10余家生产厂成功推广应用。
2 机理与特性
众所周知，柠檬酸发酵是黑曲酶素代谢过程失调的一种特殊过程，这种失调来源于营养条件(原材料的质量、数量)，环境条件(生产工艺条件和设备的合理性)以及细胞化学组成、结构和酶系的一系列复杂变化，在这一复杂的生化反应过程中，通气和搅拌是整个柠檬酸发酵过程中的两个重要参数，它不仅影响到溶氧水平，而且影响到发酵体系的传质和菌体的形态，最终必将影响到产酸水平。由于柠檬酸菌体是好氧性微生物，在其菌体生长发育和生物合成过程中需要氧，菌体长得愈旺盛，氧的需要量就愈大， 但氧气是难溶于水的。氧气由气相扩散至细胞内部总的推动力为饱和氧浓度与发酵液中氧浓度之差，主要阻力为液膜阻力，因此，氧在扩散过程中属于液膜控制，氧的传递方程式为：
KLa(C0－C1)=r
式中
KL——总传质系数 m/h
a —— 气、液二相接触比表面积(即单位液体中气泡的总面积) m2/m3
C0——饱和氧浓度 mM/l
C1——发酵液中氧浓度 mM/l
r——摄氧率 mM/l．h
可见，单位发酵液体积中的所有细胞在单位时间内的耗氧量(摄氧率)与传质系数，气、液比表面积，饱和氧浓度和发酵液中氧浓度密切相关。而容量传质系数KLa与发酵罐的通气、搅拌和发酵液粘度有关，其关系方程式为：
KLa=k[(P/V)α(VS)β(ηapp)－W]
式中
K—系数
P/V——发酵液消耗功率 KW/m3
VS——空气线速度 m/h
ηapp——发酵液粘度 μ．106
αβW——与空气分布器、搅拌器型式有关的指数
显然，若要提高氧的传统递系数，必将提高搅拌功率和增加通气量。对于搅拌功率P，它与发酵液的动压头H、翻动量Q和重度r有关，可视为：
P=HRQ≈HQ
一般说来，增加动压头有利于气泡的粉碎，增大翻动量有利于气、液二相的混合，欲同时增大H、Q值，势必相应增加搅拌功率。同样，提高容量传质系数必须增大气、液二相的接触比表面积a，这又取决于气泡的粉碎程度。当单个气泡的直径dB>0.006m时，其气泡直径与上升速度的关系方程为：
VB=5dB＋0.2
式中
VB——气泡上升速度 m/s
dB——气泡直径 m
可见减小气泡直径，有利于气、液二相比表面积的增加、接触时间的增长和容量传质系数的提高。然而当今传统的通用式发酵罐所采用的任何通气装置，其气泡直径随着通气量的增大而增大，气泡上升速度也随之增大；气泡粉碎程度却并不随着搅拌转速的增加而增大，它只能维持在同一个数量级上。因此，增大通气量和增加搅拌功率对容量传质系数不仅不可能有较大幅度的提高，相反将导致大量能源的消耗和产品成本的提高。
喷环式好氧发酵罐基于上述反应机理基础上，罐底设置气——液型喷射混合搅拌装置和环流反应器，气——液型喷射器是该装置中的关键部件，其结构型式和流动模型如图1所示。当通入发酵罐内压力为P1的压缩空气PP从收缩型喷组喷出，在其静压能转换为速度能的同时，使喷射器吸入口的压力降低到P1，在压缩空气的喷射作用下，将重度为r1的发酵液VL吸入并随空气一并进入喷射器扩散管，在扩散管喉部，气、液二相由初步的混合发展为激烈的混合震荡并产生气体动力沫化和压力沫化，使发酵液和空气被粉碎成大量的微小粒群，造就气液间一个高度湍动、扩展且表面不断更新的乳化界面，试验表明：气泡直径随着通气量VP的增大或喷咀推动力(PP－P1)的增加而减小，乳化程度加剧。以后随着扩散管扩张断面的增大，流速下降，静压能得以逐步恢复，依靠喷射器扩散管出、入口处的压力差(P2－P1)和重度差(r1－r2)，并借助于喷射器的切线布置结构，使气液二相混合物产生与机械搅拌器旋转方向一致的径向全循环的喷射旋流运动。尔后进入环流反应器，依靠导流筒内、外气液混合物的重度差和静压力差，再次实现气液混合物的轴向环流运动，以增长气液二相的接触时间，纵观全床，球型小气泡群似蜂窝状向上浮动，在上浮过程中，气泡之间因互相碰撞、合并，直径增大，当气泡上升到与机械搅拌器相遇时，被再次粉碎并随发酵液混合翻动，最后从液面逸出经排气口排出。显然，喷环式好氧发酵罐在生化反应过程中具有深层乳化操作，全床产生小气泡群与高气含率的传质特点和气液二相混合物径、轴向流的流动特性。
图1 喷射器的流动模型
1．喷嘴 2．连接装置 3．扩散管
3 结构与特点
3.1 设备结构
杭州柠檬酸厂有4台100m3通用式发酵罐，罐体尺寸为 3600×10000，采用四级箭叶涡轮式搅拌器和多支管通气装置，设置二挡中间轴承和底轴承。试验在保留罐体，换热装置、机械密封和传动装置四个部件的基础上，设置气——液型喷射混合搅拌装置、环流反应器、二级弯叶涡轮式搅拌器和稳定器，改造成如图2所示的喷环式好氧发酵罐。
图2 喷环式好氧发酵罐
1.气一液型喷射混合搅拌机装置
2.环流反应器 3.机械搅拌机
4.稳定器 5.罐体 6.换热装置
7.机械密封 8.传动装置
3.2 设备特点
3.2.1 利用低能实现乳化传质：充分利用通入罐内0.005－0.015MPa压缩空气的释放能量，通过气——液型喷射混合搅拌装置引射发酵液进行能量与质量的传递转换并实现乳化操作，使气泡上升速度降低，容量传质系数KLa提高。这一技术突破了传统发酵罐的鼓泡传质机理，不但解决当今发酵罐通气装置中气泡直径随着通气量增大而增大的技术难题，而且也解决在蒸汽直接实消操作中罐体和楼层的震动问题。
3.2.2 氧利用率高：利用环流反应器导流筒内、外发酵液的重度差和静压力差，实现气液二相轴向环流运动和气——液喷射混合搅拌装置中乳化操作，使深层发酵液中的氧得到充分利用。
3.2.3 无中间轴承和底轴承：利用稳定器在机械搅拌过程中对流体产生的阻尼作用抵消搅拌器的部分径向力，使搅拌轴的运转挠度和摆动量在允许范围内，从而取消发酵罐任何型式的中间轴承和底轴承，既消除染菌隐患，又节省设备制造费和日常维修费用。
3.2.4 低罐压操作：它仅需0.015～0.025MPa的操作罐压，比传统发酵罐降低50％以上，既可降低搅拌功率，又可减轻空压机的运行负荷与能耗。
3.2.5 气液夹带量少：从液面均匀逸出的小气泡群不易带液且操作液面平稳，使气液夹带量减少，放罐体积增加。
4 试验与成果
试验于1995年2～7月在1台1＃罐上进行(下称试验罐)，试验时原材料、配料、菌种和工艺条件未变，操作规程略作变化。试验罐和其余3台通用式发酵罐(下称非试验罐)同期的搅拌电流，耗电量和生产水平进行对比，列于表1—表3；
表1 搅拌电流对比
项目 非试验罐 试验罐
消毒至70～80℃时的最大电流A 170～180 ＜130
培养前期0～18h的电流A 150～160 100～105
培养后期18h～放罐的电流A 140～150 95～100
表2 搅拌耗电量对比
项目 生产罐数 罐耗电量
Kwh/罐 时耗电量
Kwh/h 耗电量下降
%
非试验罐 110 5509.2 74.16
试验缺 35 3247.5 39.83 ↓46.29
表3 生产水平对比
项目 生产罐数 原料配方
薯干％ 总糖
％ 产酸
％ 转化率
％ 周期
h 体积
m3 总供酸
t 粮耗
t/t
非试验罐 110 20.6 11.32 10.57 93.36 71.84 96.59 10.2212 1.81
试验罐 35 20.5 11.20 11.17 99.75 71.69 98.19 10.9718 1.69
增降％ ↓1.06 ↑5.68 ↑6.84 ↓0.21 ↑1.66 ↑7.34 ↓6.63
通过5个多月的连续生产性试验证明；该项技术具有显著的节电、增产、降耗。杭州柠檬厂于同年8月将余下的3台100m3通用式发酵罐全部改造为喷环式好氧发酵罐，取得年增产162.82吨，节电71.2万度，节粮395吨的效益，投资回收期为4个月。
5 应用与适用性
5.1 推广应用
至今已在杭州柠檬酸厂4台100m3发酵罐、安徽阜阳制药厂柠檬酸分厂3台150M3发酵罐和泰国柠檬酸实业有限公司9台50m3发酵罐上推广应用，同时也已应用于制药阿维菌素、D－对羟基苯甘氨酸，食品糖化酶、衣康酸，轻化工碱性蛋白酶生产中的20、30、50、80m3发酵罐。10余家应用生产厂在不增加原材料、人力和不改变发酵生产工艺、菌种等条件下，均取得增产5～15％。节电30～50％，节粮5～15％，转化率或发酵指数提高5～10％的效果。该项成果已列为国家科技成果重点推广项目。
5.2 适用范围
该项技术可广泛适用于好氧发酵工业，它适用于下列发酵生产工艺条件：
发酵罐有效容积在10M3以上；
气、液比值在0.10以上；
进罐空气压力略大于操作罐压与发酵液静压力二者之和；
培养基为各类淀粉或液糖等；
搅拌转速、培养时间和培养温度不限；
实消和连消生产工艺。
作者简介：方明庠，(1946—)，男，浙江衢州人，杭州柠檬酸厂副厂长，工程师，从事生物化学工程的生产和装备技术的管理、开发和应用研究工作。
方明庠（杭州柠檬酸厂 杭州311115）
薛才利（杭州柠檬酸厂 杭州311115）
何德员（浙江省石油化工设计院 杭州310007）
