發(fā)酵攪拌技術(shù)

攪拌器的主要作用

混合：將混溶的液體混合均勻,，在整個發(fā)酵罐內(nèi)形成均一的濃度分布。

傳熱：將發(fā)酵過程中產(chǎn)生的大量的熱量移出發(fā)酵罐 (冷卻盤管或者罐外螺旋板冷卻夾套等)

氣體分散：無菌空氣通過氣體噴射環(huán)或分布管引入發(fā)酵罐內(nèi),。攪拌槳必須能夠有效地將氣體分散到液體中去,，以促進微生物生長,，生成最終產(chǎn)品。

槳型設(shè)計 ：

必須兼顧剪切（有助于氣體分散到液體中去）和宏觀混合流動兩方面,。

槳型設(shè)計還應(yīng)充分考慮產(chǎn)品的特性,，根據(jù)產(chǎn)品對剪切的敏感性的不同，可分別選擇高剪切攪拌槳或者低剪切攪拌槳,。

高剪切型渦輪槳 – 適用于對剪切不敏感的產(chǎn)品

低剪切型渦輪槳– 適用于對剪切敏感的產(chǎn)品

生物制藥 －幾種特殊的無菌級發(fā)酵攪拌槳

發(fā)酵罐內(nèi)攪拌槳配置

某公司 120m³ 土霉素發(fā)酵罐現(xiàn)狀

設(shè)備的直徑為3800mm,，直邊高度為9300mm，上下為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭,，全容積約120m³,，裝料體積約100m³。設(shè)備內(nèi)設(shè)置六組換熱管,，垂直布置,。

發(fā)酵罐的攪拌器采用四層六箭葉圓盤渦輪，槳葉直徑1250mm,，配備的電機功率為280kW,，10級電機，采用皮帶減速,，攪拌轉(zhuǎn)速分別為125rpm,。

120m³ 土霉素發(fā)酵罐存在的主要問題

1、能耗分配問題

由于發(fā)酵罐的氣體進口位于發(fā)酵罐的底部,，底部攪拌器（即第1個攪拌器）的氣體剪切分散能力顯得十分重要,，攪拌的能量耗散應(yīng)主要集中在此攪拌器，其他位置攪拌器的主要功能是維持氣泡的分散狀態(tài)和釜內(nèi)的宏觀混合及傳熱,，能耗相對較小,。而本發(fā)酵罐上下均為相同直徑相同形狀的攪拌器，消耗了同等的攪拌功率,，顯然本發(fā)酵罐各攪拌器的能耗分配是不合理的,，上面幾層攪拌器的剪切作用近乎于浪費。

2,、槳型選擇問題

原發(fā)酵罐的攪拌器采用四層箭葉圓盤渦輪,，為常規(guī)的氣體分散攪拌器。該攪拌器為徑流槳,，比較適合低粘體系小氣量的攪拌,，當(dāng)氣體流量增大時，其葉片背面形成氣穴,，表觀密度下降,，攪拌器由于“打滑”而功率下降，氣體的分散能力削弱,。右圖為實驗室結(jié)果,，當(dāng)氣量到達1VVM時（單位體積液體中每分鐘通過的氣體量）,，圖中6DT攪拌器（即六直葉圓盤渦輪）的功率下降近25%，同樣六彎葉,、六箭葉等圓盤渦輪的特性也基本相似,。本發(fā)酵罐的通氣量約為0.96VVM，攪拌器的氣體處理能力已明顯下降,。所以本槳型不合理。

3,、流型問題

當(dāng)發(fā)酵液粘度較低時,，其攪拌器的設(shè)計關(guān)鍵是氣體的分散，良好氣體的分散,，可增加氣含率,、減小氣泡直徑、提高容積傳質(zhì)系數(shù),，從而提高空氣中氧氣的利用率,，減小氣體的需求量，節(jié)約能耗,。但當(dāng)發(fā)酵液粘度較高時,，發(fā)酵罐內(nèi)流體的宏觀混合問題就凸現(xiàn)出來，就有可能產(chǎn)生混合分區(qū),，氣泡盡管得到了局部的分散,，但在整個攪拌槽內(nèi)得不到均勻的分布。所以,，宏觀混合的問題在中高粘度發(fā)酵中與氣體的分散同樣重要,。

右圖中彩色箭頭表示的是物料的流動方向?？梢钥闯?，現(xiàn)發(fā)酵罐內(nèi)采用的是四層徑流槳，流體從攪拌器沿徑向發(fā)散,，再從攪拌器的上下吸入,，每個攪拌器均產(chǎn)生一個獨立的流型，從而產(chǎn)生四個混合分區(qū),，各混合分區(qū)之間的物質(zhì)與能量的交換受到了阻礙,，宏觀混合比較差。

120m³ 土霉素發(fā)酵罐改造方案

1,、合理分配各攪拌器的能耗

改造后本發(fā)酵罐的攪拌功率約為165kW,，其中55%分配給底層的氣體分散渦輪DT604，主要用于氣體的分散,；其余45%分配給上三層軸流攪拌器SP403,，主要用于維持氣泡的分散狀態(tài)和釜內(nèi)的宏觀混合及傳熱,，形成均一的溫度場和濃度場，并有利于體系氣含率的提高,。

六凹葉圓盤渦輪攪拌器

2,、槳型選擇與流型改善

鑒于原發(fā)酵罐攪拌器存在的槳型和流型問題，我們認為可進行以下幾方面的改造：

上三層徑流槳改為SP403高效軸流槳,，使整個攪拌槽內(nèi)成為一個混合區(qū)域,，從而消除混合分區(qū)。此外,，發(fā)酵罐內(nèi)每分鐘的循環(huán)次數(shù)約為5次,，增強了氣泡的再循環(huán)能力，并可提高氣含率和氧氣的利用率,。SP403為寬葉軸流槳,，可以兼顧到氣液分散和宏觀混合兩個方面，這對于發(fā)酵工藝來說是至關(guān)重要的,。SP403槳與傳統(tǒng)的六直葉圓盤渦輪相比,，可提高傳質(zhì)30%；剪切率可降低75%,，適用于對剪切敏感的發(fā)酵工藝,；能耗可降低45%；能夠提高對剪切敏感的發(fā)酵工藝的得率,；

底層六箭葉圓盤渦輪改為DT604六凹葉圓盤渦輪,，可防止通氣后功率的下降，從而提高氣體的分散能力和大氣量的處理能力,，并可減小對氣量的要求,。DT604六凹葉圓盤渦輪徑向流槳，其葉片型式為最優(yōu)化設(shè)計的非對稱拋物面,，與傳統(tǒng)的六半管葉片圓盤渦輪相比,，不僅可以節(jié)能30%以上，而且還可以分散更多的氣體,，并且不會產(chǎn)生大的壓降,，通氣率對攪拌功率的下降影響較小。

攪拌器選擇：

120m³土霉素發(fā)酵罐攪拌器選型對比

攪拌機內(nèi)部情況	宏觀流場和溫度分布均勻性比較

1,、氣體分散葉輪不同

索孚采用的氣體分散葉輪為六凹葉圓盤渦輪攪拌器,，即DT604攪拌器，葉輪直徑為1250mm,，葉片高度為250mm,，凹面形狀為更符合氣穴行為的類拋物線曲面，采用專用模具壓制,，通氣后功率變化很小,，即功率對氣量變化不敏感,，特別適合大氣量的分散。

DT604攪拌器氣含率高,，氧利用率也高一些,，估計還可能節(jié)約10%以上的通氣量，這是十分可觀的,。

其它方案采用的氣體分散葉輪為六葉圓弧圓盤渦輪攪拌器,，葉輪直徑為1250mm，葉片高度為120mm,，凹面形狀為圓弧面,，采用直徑為219mm的鋼管制造，通氣后功率變化相對較大,，大氣量時攪拌器背面容易產(chǎn)生氣穴，導(dǎo)致“打滑”,，氣體處理能力下降,；

2、功率分配不同

六凹葉圓盤渦輪攪拌器	CFD流場模擬圖

由于發(fā)酵罐的氣體進口位于發(fā)酵罐的底部,，底部攪拌器（即第1個攪拌器）的分散能力顯得十分重要,，攪拌的能量消耗應(yīng)主要集中在此攪拌器，其他位置攪拌器的主要功能是維持氣泡的分散狀態(tài)和釜內(nèi)的宏觀混合及傳熱,，能耗相對較小,。

杭州索孚方案中的氣體分散葉輪功率占總能耗的55%左右，達90kW,。

DT604的設(shè)計根據(jù)實驗結(jié)果還可以進一步改進,，如采用傾斜的DT604，具有一定的軸流能力,，增加底部物料混合效果,，也可適當(dāng)再減小功率。此外,，氣體分布管的位置也很重要,，一般位于2/3槳葉直徑處。

其它方案中的氣體分散葉輪功率占總能耗的45%左右,，僅為73kW,，氣體分散能力明顯較低，攪拌器的能耗分配方案不合理,。

3,、發(fā)酵罐內(nèi)的流型不盡相同