改变青霉素发酵罐的搅拌形式来提高发酵单位

房新连

【摘要】目前，带搅拌的青霉素发酵罐是医药领域中常用的反应设备，它是在一定压力和温度下借助搅拌器将一定容积的液体或气体物料混匀促进其反应的一种设备。对于青霉素的发酵而言，怎样充分利用溶解在发酵液中的氧气是提高发酵单位的关键所在，为此本文从改进青霉素发酵罐的搅拌形式方面对如何提高发酵单位进行了系统的论述。

【关键词】发酵罐；搅拌器；搅拌形式；发酵质量

【中图分类号】TQ027.2 【文献标识码】A 【文章编号】1672—5158（2013）01—0343—01

在青霉素的发酵生产过程中，一直使用的是发酵罐单层直叶搅拌方式进行发酵，这种搅拌形式有很大优点如结构简单、安装成本较低，但由于只采用位于发酵罐底部一层搅拌器，随着从发酵罐底部进来的高压空气的大量涌入，一层搅拌显然并不能将高压空气充分打碎于水中，导致发酵单位质量不高，由此可见，改变发酵罐的搅拌形式充分利用罐内氧气才是提高发酵罐发酵单位的重点。

一、改变发酵罐搅拌方式的必要性

1、搅拌器对青霉素发酵工艺的影响

发酵罐的罐压维持微正状态可以避免负压时造成的染菌，也能延长氧在发酵液中的停留时间，但是如将罐压从微正状态提高时将不利于废气的排除和发酵液内氧的传递。在这种情况下就不能单一考虑用增大空气流量的形式来提高供氧浓度，因为这样会带走更多的挥发性有机酸对产生菌的代谢十分不利，同时随着发酵液黏度的上升，还会影响液体的湍动程度和氧从气相传递到发酵液中的液膜阻力，使氧的传递阻力增大。除此之外，在发酵液粘度较大的时候还会使气液接触的总面积降低。因此为了消除过多的泡沫就要耗用大量的消沫剂。但是要注意消沫剂的用量如果过多时，不但不能消除泡沫反而会引起泡沫的调节失控最终导致异常发酵，从而给青霉素的生产工艺造成不可挽回的损失。综上可见在青霉素发酵工艺中并不提倡一味地增大空气流量，而应当调整搅拌器的转速，以便满足不同产生菌及其在不同生长代谢阶段对溶氧的需求。但是，如果搅拌器的转速过高，不仅溶氧浓度趋向饱和，并且浪费能源，还容易损伤菌体形态和产生过多的泡沫。

2、发酵罐的搅拌方式改变的必要性

青霉素是青霉菌在发酵代谢过程中产生的次级代谢产物，青霉素生产菌种是决定生产能力的内在因素，所以对青霉素的发酵过程进行有效控制就显得非常重要。目前为了不断降低消耗和制造成本，提高青霉素的发酵水平，很多企业都在不断改革工艺进行设备上的优化，以达到高产的目的。青霉素菌种的发酵水平与原材料和种子制作工艺等都有关系，还有一个重要因素就是设备。发酵罐指工业上用来进行微生物发酵的装置，其主体一般用不锈钢板制成，在设计和加工中应注意结构的严密性及合理性。发酵罐能耐受蒸汽灭菌，有一定操作弹性而且物料与能量传递性能强，并可进行一定调节以便于清洗及减少污染，适合于多种产品的生产以及减少能量消耗。一个优秀的生物反应器必须能提供微生物所需的各种条件，而其中溶解氧是重中之重，而搅拌又是提高溶解氧所必须的手段，所以若改换成更高效的搅拌形式则溶解氧水平肯定会提高，从而使发酵水平在一定程度上提到最高。

二、发酵罐新型搅拌方案的选择

青霉菌是一种好氧菌，它的生长代谢和合成青霉素都需要充分的氧供给。所以在现有空气供给条件下及限定的搅拌功率下提高溶氧水平，可通过优化改进搅拌系统达此目的。目前可运用力学、流体力学等从现有生产晴况分析人手，不断改进气体分散状态液体混合，使气泡得运动形式达到提高供氧能力的目标。通过分析和不断试验发现U型搅拌器的搅拌效果非常好，能够在在搅拌电流略低和空气流量不增的情况下提高了溶氧水平。

1、三层U型搅拌设计方案

搅拌器是一种使液体、气体介质强迫对流并均匀混合的器件，搅拌器的类型、尺寸、转速、功率等参数对介质的搅拌混合效果有着非常重要的影响。不同的搅拌过程需要由不同的搅拌装置运行来实现，在设计选型时首先要根据工艺对搅拌作业的目的和要求确定搅拌器的类型、电机功率、搅拌速度，然后选择减速机、机架、搅拌轴及轴封等各部件。在青霉素的发酵罐中，新的发酵罐搅拌形式把原来搅拌器的一层搅拌增加到了三层，并且将原来直叶形式的搅拌方式改为“U”型，这样的实际处理能够大大增加发酵液中的氧气浓度，减少了由于增加两层搅拌叶所带来的增加运转电流，而且U型搅拌叶的运转电流比直叶型小，如此设计为发酵罐的充分发酵提供了技术上的有效支撑。

2、设备设计要求精确

在进行设计时必须对工艺给定外的隐含条件进行综合考虑，对构件的形式也要进行合理的选择以做到数据精确。在青霉素生产中采用的搅拌器设备在生产过程中所起的作用非同小可，所以要求设备的形状、尺寸和结构型式也要非常精确，所以对搅拌器进行优化合理的设计是非常重要的—件事。在具体的设计中要注意熟练掌握搅拌器的基础知识和工艺特性才能设计出符合要求的新型搅拌器。

3、三层U型搅拌设计的可行性研究及优势

每一种方案的选择必须经过充分的论证之后才能被采用，U型搅拌设计是在选取了充足的实验材料下，对单层直叶形式和三层U型进行了充分的比较下进行的选择。

3.1 可行性研究

实验方案选取的是在100吨发酵罐上分别装上两种不同形式的搅拌器，分别运转四个批次，对其最后放罐效价及指数做对比分析。经初步分析，采用U型搅拌设计能够提高发酵罐的溶解氧将发酵水平提高了1.5%，但是由于只测试了U型搅拌叶在运转过程中的电流比直叶搅拌形式小，而未考虑到启动瞬间的电流大小问题，导致在第一次启动安装U型搅拌的发酵罐时，由于启动电流过大，造成电机烧毁。为此在进行实验时要充分运用调频器来达到对搅拌转速的控制。把安装了U型搅拌叶的发酵罐批次用调频器进行转速控制，使之在开启搅拌的时候缓慢转动，这就会使得启动瞬间的电流由于搅拌转速的降低而大幅降低，从而保证电机的实际电流为额定电流之下。从所得的实验数据上看，采用原来单层直叶搅拌所得的平均发酵指数明显低于安装新式U型搅拌发酵罐所得的平均发酵指数，由此证明新型设计能够提高发酵生产水平，能达到预期的提高生产水平的目的。

3.2 U型搅拌设计的优势

在机械搅拌通风发酵罐中，搅拌所消耗的能源占发酵全过程的一半左右，所以在机械搅拌通风发酵罐内强化通风就能使加速发酵罐的溶氧过程，并且能够有效的降低发酵能耗。采用U型搅拌器能够强化发酵罐内的气体分散，所以在设计时要合理设计各层搅拌器的直径。U型搅拌器比传统的机械搅拌通风发酵罐能耗上能够降低很多，还提高了溶氧效果及发酵水平。传统青霉素的发酵罐搅拌大多数都是多档搅拌才能达到发酵溶氧的要求，但是通过实验我们可知发酵液中的溶氧水平主要取决于发酵罐底档搅拌气液的混合效果。经改进搅拌器结构形式，就可以在罐底部使气液达到充分的混合，从而使气泡直径达到微型化直至乳化状态，这样就能更有效的提高溶解氧。

结束语

总而言之，由于青霉素的不同产生菌与不同生长代谢阶段对摄氧量的要求不同，加之搅拌器转速对溶氧浓度的重要性，所以要加大对青霉素发酵罐的传统搅拌形式进行技术改造的力度。由此通过青霉素生产发酵罐搅拌器的改造来实现节约能源和提高发酵单位的作用。