金霉素发酵机械消泡技术的研究

娄百勇 王鹤峰

摘 要：文章分析了金霉素发酵过程中产生泡沫的原因，以及泡沫对发酵生产过程的影响。概述了近年来机械消泡方面取得的成果，从节能降耗的角度评价它们的优劣，并提出一种节能型的机械消泡装置——筛式消泡装置，它安装于发酵罐顶部的排风管处，利用排风推动泡沫高速经过成组的消泡器达到消泡的目的，结果表明消泡效果良好。

关键词：机械消泡装置；金霉素发酵；技术

中图分类号：TQ927 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0158-03

Abstract： This paper analyzes the causes of foam in the process of chlortetracycline fermentation and the effect of foam on the fermentation process. Also， the paper summarizes the achievements of mechanical defoaming in recent years， evaluates their merits and demerits from the angle of energy saving and consumption reduction， and puts forward a kind of energy-saving mechanical defoaming device， the sieve-type defoaming device， which is installed at the top of the venting duct of fermenter. The defoaming effect is achieved using exhaust air to push the foam to pass through a group of defoamers at high speed， and the results show that it has a good defoaming effect.

Keywords： mechanical defoaming device； chlortetracycline fermentation； technology

金霉素发酵过程中有许多参数需要控制，如温度、pH值、溶氧和灭菌时间等，除此之外，泡沫的控制也是较为重要的一个方面，如控制不当会产生不良影响[1-2]。笔者总结泡沫对金霉素发酵过程的影响有：（1）泡沫会通过排风管随尾气排出发酵罐，即“逃液”，引起环境的污染。逃液也会使环境中存在大量活菌体，对生产环境控制造成一定的危险；（2）过多的泡沫会影响发酵生产水平，降低发酵罐的利用率，减少单罐产量，从而间接引起生产成本增加；（3）大量的泡沫产生可能会从轴封处溢出，增加染菌的概率。因此，在金霉素发酵过程中控制泡沫的重要性就显而易见。目前，消泡方法主要有物理消泡、化学消泡和机械消泡。在工业企业生产中，化学消泡虽有一些不足，但其效率高、种类多而被广泛使用。而机械式消泡装置因不影响生产和无毒副作用也被广泛使用[3]。本文主要对后一种形式进行讨论。

1 金霉素发酵过程泡沫的产生

在金霉素发酵过程中，泡沫的产生有以下两种形式：金霉素發酵过程中自身呼吸作用产生的气泡；外界无菌空气的通入，加上罐内搅拌桨的高速搅拌，发酵液中会形成大量的气泡，当气泡到达液面顶部，由于表面活性和粘性等原因，引起大量气泡的产生。

2 机械消泡法

近年来，机械消泡装置的研究取得了一定进展。本文根据消泡原理的不同，将机械消泡分为机械破碎和离心分离两种形式。

2.1 机械破碎式消泡装置

机械式消泡装置通常是利用旋转的装置产生剪切力、冲击力等将泡沫打碎，起到一定的消泡作用。该类性的装置有：耙式消泡装置、梳式和刷式消泡器[4，5]、变孔径式消泡器[6]和锥孔式消泡器[7]等。

2.1.1 耙式消泡装置

耙式消泡装置安装在发酵液液面上部，固定于发酵罐内的搅拌轴上。发酵罐搅拌电机带动该装置旋转，产生旋转运行，将发酵液上层的泡沫打碎，起到消泡作用。其结构形式见图1所示。该消泡器是较早的研究成果，其结构简单，是基本的消泡器结构。但消泡效果达不到预期效果，对于特定的泡沫几乎没有作用。另外，该消泡器对发酵液液面高度的控制有较高的要求，如发酵液液面高于该消泡器时，会产生较大的阻力，引起搅拌电机电流增大，能耗升高。

2.1.2 刷式消泡装置和栅式消泡装置

刷式消泡装置和栅式消泡装置是耙式消泡器的变形，两种消泡装置均安装在发酵液液面上部，固定在发酵搅拌轴上，由若干消泡浆组成狭小的缝隙，利用搅拌轴的旋转，产生剪切力，将泡沫打碎，起到消泡作用。其结构形式见图2和图3所示。这两种消泡装置比耙式消泡装置能提供更高的剪切力，对泡沫的冲击力更强。因此，消泡效果比耙式消泡装置好，消泡的能耗也减少，但它们也不能完全消除泡沫以及发酵液外溢。另外，其消泡效果和转速有关，因此，其消泡效果还会受到发酵搅拌工艺的限制。

2.1.3 变孔径式消泡装置和锥孔式消泡装置

变孔径式消泡装置和锥孔式消泡装置结构基本相同，也是耙式消泡装置改进的成果，是新型的消泡装置，其结构形式见图4和图5所示。它们安装与发酵罐内发酵液面上部，固定在搅拌轴上，依靠搅拌轴的转动，泡沫进入孔径变化的消泡浆或锥孔内时，由于受力环境变化，泡沫破碎，起到消泡作用。这种形式的消泡装置会引起能耗的增加，且对发酵罐内液面的控制要求较高。发酵最高液面超过消泡浆时，能耗显著增加。另外，转速也是两种消泡装置消泡效果的主要影响因素。因此，消泡效果也会受到发酵搅拌转速的影响。

2.2 离心式消泡

离心式消泡装置是利用离心力的作用，将泡沫和发酵液体分离，达到消泡的效果。主要形式有离心消泡装置[8]和旋风分离消泡器[9]等。该类型消泡器通常是将泡沫引出罐外，使其产生离心加速、气液分离，达到消泡的目的。因此，通常要有外围的装置[10]，增加灭菌的难度。

2.2.1 离心消泡装置

离心消泡装置是安装在发酵罐外部，它由消泡电机、筛框和外壳等组成。结构形式见图6所示。消泡过程是：将泡沫从发酵罐内引出，进入到筛框顶部，筛框在消泡电机的带动下转动，依靠离心分离的作用将泡沫向筛框周围扩散，并最终消除泡沫。该装置消泡效果较好，可降低消泡剂的使用量，且可以通过调整消泡电机的转速改善消泡的效果。但也存在不足之处，如需要外围设备，改造费用高；需要额外的消泡电机，能耗升高；由于该装置安装在罐外，灭菌要求较高，既增加灭菌时间，又增加了染菌的风险。

2.2.2 旋风分离消泡装置

旋风分离消泡装置也是安装在发酵罐外，该装置通常不需要消泡电机。它利用排风将泡沫排出罐外，以较高的速度进入旋风分离消泡装置，泡沫在离心力的作用下破碎，实现气液分离，气体从顶部排出，液体回流至发酵罐内。结构形式见图7所示。该旋风分离消泡装置是新型的消泡装置，相比其它离心消泡装置，它没有消泡电机，从而降低了运行费用。但其设备尺寸大、改造费用较高、灭菌时间延长和增加染菌风险是其不足之处。另外，当泡沫过多时，其难以全部消除泡沫，会有发酵液逃液现象。

2.3 机械消泡特点

对以上不同消泡装置进行分析发现：机械消泡装置可以降低消泡剂的使用量，对消泡起到一定的作用，但不能完全取代消泡剂。笔者对机械消泡装置的缺点从以下几个方面进行总结：在能耗方面，机械消泡装置通常是利用发酵罐搅拌电机或另加消泡电机，带动消泡装置的旋转运动，这势必引起能耗的升高，如发酵后期泡沫大量产生会引起电流急剧增加[11]。在改造费用方面，其改造费用较高，尤其是在发酵罐外增加大型气液分离设备时。在消泡效果方面，机械消泡装置通常难以完全消除泡沫，且泡沫较多时消泡速度慢，会有逃液现象。在发酵工艺方面，对于安装罐外离心式消泡器的发酵设备，其灭菌持续时间增加，既延长了生产周期，又增加了蒸汽的使用量，且染菌概率增加。

3 变孔径筛式消泡装置

笔者结合以往机械消泡装置的特点，从节能、改造費用低、易灭菌和消泡效果好四个方面考虑，提出了一种新型的筛式消泡装置。并依据我公司实际生产过程，将该装置与泡沫传感器连用，实现自动添加消泡剂。筛式消泡装置由三组不同孔径的筛网组成，安装在发酵罐顶部的排风管上。泡沫在排风管内以较高的速度通过成组的筛网，利用筛网的拦截作用，将泡沫破碎、发酵液体回流，气体随排风管道排出。当泡沫过多，该装置难以处理时，泡沫传感器会自动控制添加消泡剂。实践证明，该消泡装置改造成本低、不引起额外的能源消耗、不影响灭菌，且效果较好。其结构形式见图8所示。

4 结束语

当前，发酵工业竞争激烈，如何降低生产成本，提高公司的竞争力，是每个企业面临的巨大挑战。笔者结合本公司金霉素发酵过程实际情况，提出新的机械消泡装置，并将其与自动添加消泡剂配合使用，使泡沫得到较好的控制，降低了生产成本。这对一些微生物发酵企业有一定的借鉴意义。

参考文献：

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