液体好氧发酵过程节能降耗技术研究进展

何俊锋,张义萍

(希杰(聊城)生物科技有限公司,山东 聊城 252000)

随着生物技术的发展,越来越多的产品采用微生物发酵技术进行生产,其中采用好氧发酵,尤其是液体好氧发酵居多。在液体好氧发酵进程中,通常要通入压缩空气鼓泡来提供氧气,通过设置机械搅拌来增加传质速度和增加气液接触面积,改善溶氧,而两者均需要消耗大量的能源。随着全世界范围的保护环境、节能降耗的要求及生产企业本身节减成本的需要,发酵过程节能降耗技术成为了人们广为研究的课题。目前,大多数研究者的研究方向集中在发酵罐形式的节能优化、通气装置的节能优化和搅拌过程的节能优化或者是将其相结合进行节能改造。通过这些优化和改造,笔者在取得了良好的节能效果的同时也使发酵水平有所改善。

1 发酵罐形式的节能优化

液体好氧发酵大多数采用机械搅拌式发酵罐,耗能较高。气升式发酵罐由于具有优越的流体力学性能和节能前景,在微藻养殖及动植物细胞培养中广泛应用,在微生物好氧发酵领域也逐渐成为研究热点。陈少南等[1]早在上世纪90年代就进行了气升式发酵罐在谷氨酸发酵中的应用研究,其结果表明了气升式发酵罐完全可以应用于谷氨酸发酵生产,且可有效提高谷氨酸糖酸转化率;贾士儒等[2]在气升式发酵罐中加入筛网,改善了反应器传质性能,有效地提高了氧气供给。利用其发酵生产衣康酸的研究结果表明:采用气升式发酵罐与机械搅拌罐相比,产酸提高14%,转化率提高16%,生产能力提高38%;为了应对高粘度发酵体系和流加补料发酵过程,范代娣等[3]设计出分段导流筒气升式内环流反应器,并将其应用在红霉素发酵中,使发酵水平提高10.8%,培养时间缩短24 h,大幅降低了能源消耗。

气升式发酵罐通常分为内循环式和外循环式,万红贵等[4]分别研究了内循环和外循环气升式反应器在L-苯丙氨酸产酶发酵过程中的应用,发现与标准机械搅拌罐相比,转氨酶酶活分别提高了20%和10%,产酶周期也相应缩短。气升式发酵罐相较于机械搅拌通气发酵罐虽然有动力成本低、无菌条件好和对生产菌剪切损伤小的优点,但是由于气升式发酵罐相比机械搅拌罐去掉了搅拌,气泡直接上升,为了保证气泡在发酵液中的滞留时间,通常发酵罐要维持4～12的高径比,工业化应用时发酵罐高度会达到30 m左右。如此大的高径比和发酵罐高度导致气液分布均匀度欠佳,限制了机械搅拌罐改造为气升式发酵罐的可能性。赵柏松等[5]基于对实际应用中气升式循环发酵罐的分析研究,提出了利用文丘里管抽吸空气,以混合流体为喷射介质的新型动力输入方式,延长了气体在发酵液中所走路径,并由此开发了内外双环流气升式发酵罐。试验证明:无菌压缩空气耗量与通气搅拌式发酵罐相比减少12%,总能量消耗下降25%,为机械搅拌罐改造为气升式发酵罐提供了可能;陆宁洲等[6]将发酵罐通气装置改为气液旋流混合器,实现气液充分混合,从而为气升式发酵罐的扩大应用创造了条件;田小峰等[7]通过CFD(Computational fluid dynamics)模拟,研究了不同高径比、环隙比下气升式环流反应器的气液两相流动,得到反应器内循环液流速和气含率等参数的详细分布,为气升式环流反应器的结构优化提供了思路。

目前,大规模工业发酵产品仍然以机械搅拌为主流,相信随着人们对发酵过程空气动力学和气升设备技术研究的深入,会促进节能型气升发酵罐的快速发展。除气升式发酵罐外,也有研究者对自吸式发酵罐进行了研究。自吸式发酵罐利用搅拌涡轮或液体流动产生的真空自主吸入空气[8],虽然搅拌转速偏高,总动力消耗仍降低约30%,但是因自吸式发酵罐较难清洗、易染菌,其应用基本局限于醋、酵母和聚羟基丁酸的发酵生产,未能获得广泛研究。

2 通气装置的节能优化

一般的液体好氧发酵罐均采用下部空气分布装置进行通气。空气分布装置的作用是吹入无菌空气,并使空气均匀分布。分布装置的形式多数是单管式、单管式加圆盘和环形结构,管、盘或环形结构上开有小孔,空气自小孔中喷出后,与发酵液相混合进行氧的传质。为了进一步提高溶氧、降低能耗,研究者对于空气分布装置的优化主要集中在优化气泡分布,延长气泡在液相中滞留时间,减少气泡直径3个方面进行开展。四川制药厂开发的射流混合器使其发酵水平提高13%,能耗降低20%;杨瑞等[9]对其机理进行了分析,得出空气射流搅拌系统的射流能量对自由射流气泡区的良好分散导致气含率上升和氧传递增强是主要原因,认为该系统极具推广价值。由于射流混合器既可强化第1次气体的分散效果,又可减轻第2次搅拌的分散负担,可以显著提高溶氧、降低能耗;徐清华等[10]将其运用在谷氨酸发酵生产中,并相应调减了搅拌桨的数量和直径,使能耗平均降低32.5%以上;方明庠等[11]则在罐底设置喷射混合器和环流反应器,形成了喷环式空气分布装置,应用在柠檬酸发酵生产,使其产率提高6.8%,电量消耗下降46%。

为了进一步加强空气在发酵罐内的均匀分布,刘辰等[12]通过在发酵罐中配置3D射流空气分布器,提出了空气能发酵罐的概念。配置3D射流空气分布器的发酵罐可充分利用压缩空气的喷射动能,达到既增强氧传递速率又降低能耗的目的;陆宁洲等[13-14]则利用压缩空气本身的静压能和动能转换开发了气液旋流混合器,使溶氧浓度提升5%～20%,将其应用在维生素发酵中,最终通过结合搅拌结构优化实现节电10%～30%,发酵单位提高2%～6%的效果。

气泡直径越小,气泡比表面积越大,溶氧传质面积也就越大。为了实现气泡直径的降低,赵英健等[15]采用微孔陶瓷膜制取了微孔分布器,研究和比较了搅拌罐内微孔分布器和环形分布器在气液分散过程的分散性能。实验结果表明:微孔分布器具有更强的气泛控制能力,同时形成的气泡直径也较小。但是采用此种结构的微孔分布器进行培养时,需要对原有清洗和杀菌工艺进行必要的改进。

通过对上述射流混合器和气液旋流混合器等的应用以及微孔分布器的应用进展综述,发现传统机械搅拌发酵罐的单管式和圆环式空气分布器将会逐渐被淘汰。

3 搅拌过程节能优化

当发酵罐采用机械搅拌时,气泡在上升过程中被搅拌桨打碎,从而增加气泡比表面积来加强氧的传递,而此过程中搅拌驱动装置所消耗的电能较大。对于搅拌器的节能优化研究,目前文献中报道的主要集中在搅拌器形状和组合形式的优化研究、变频器技术的应用。

3.1 搅拌器形状和组合形式的优化

液体好氧发酵过程采用的搅拌桨多为圆盘涡轮桨(Disc turbine,简称为T)和轴流式桨叶(Paddle,简称为P)的组合。Arjunwadkara等[16]将上轴流式桨叶、下轴流式桨叶和圆盘涡轮桨3种搅拌桨组成9种不同的搅拌器组合进行了实验,实验发现:在靠近空气分布器处设置径向流型的圆盘涡轮桨是获得较高气含率的必要条件,而上部采用下轴流式桨叶获得的气含率则明显高于其他组合;魏洪普等[17]通过分析提出,下层采用圆盘涡轮桨,上层采用轴流式宽叶旋桨,叶片向下压的方式有利于延长空气在发酵液中的滞留时间;Zheng等[18]将圆盘涡轮桨的叶片由常见的直叶、弯叶改为抛物线扇叶式,实验发现:在保持相近气含率和传氧速率的同时,其功率准数相比前2种分别下降了26%和64%。

不仅搅拌桨的形状影响着发酵液中气含率、传氧速率和搅拌功耗,多层搅拌桨的排布型式也有着重要影响。洪厚胜等[19]将300 m3的赖氨酸发酵罐搅拌桨形式从T-P-P-P组合改善为T-P-T-P组合并采用CFD软件对改造前后的搅拌效果进行了数值模拟,模拟结果显示出改造后的搅拌器强化了混合效果,改善了气液传质。经发酵实验,赖氨酸的糖酸转化率相比未改造发酵罐提高了2%,而且产量更稳定。张庆文等[20]采用CFD数值模拟对600 m3柠檬酸发酵罐的搅拌系统设计方案进行了分析,结合柠檬酸发酵工艺改进了搅拌组合方式,对其进行了数值模拟及传质混合能力分析,结果发现:通过对比气含率提高了5%,搅拌功率下降2%。近年来,随着3D打印技术和计算机仿真技术的发展,搅拌器的节能优化技术正在快速发展。

3.2 变频技术的应用

发酵过程的不同阶段对于溶氧的要求是变化的。采用工频额定转速搅拌不仅浪费电力,还导致搅拌设备的启动负荷过大,引起电机或减速机频繁故障。随着变频技术的发展,变频器虽然在各行各业中广泛应用起来,但是变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上(风机、泵类负载采用变频调速后,节电率为20%～60%),而且变频器多为进口、价格较为昂贵,投资较大,在发酵行业应用很少。然而,随着国内变频器生产技术的进步,越来越多的发酵厂家开始对发酵罐配备变频器。浙江蜂蜜集团[21]在谷氨酸发酵罐上加装变频控制装置,并对发酵转速分三段控制,根据pH,DO和耗糖的变化,及时调整转速,谷氨酸转化率提高2%,节约用电达36%;沈英才[22]将变频器技术应用在土霉素发酵过程的控制,根据DO在线调整搅拌转速,新工艺节约用电达33%;魏廷林等[23]将变频器技术成功应用在黄原胶发酵罐上,实现节能25%;为了实现转速优化的全自动调整,马凯等[24]基于串行通信技术实现了发酵罐变频调速的闭环控制,使搅拌器转速根据预先设定参数关联DO水平进行自动控制,为发酵过程变频控制的精准优化提供了借鉴。变频器的应用不仅是在节能降耗方面具有重要作用,而且对促进发酵调控技术的发展,提升发酵行业的综合技术水平具有重要意义。

4 结 论

在液体好氧发酵节能改造中,发酵罐形式从机械搅拌向气流搅拌过渡是主要趋势,气升式发酵罐有着良好的应用前景。近年来,空气动力学研究和CFD技术不断应用到发酵工程中来,在此基础上开发的射流搅拌、旋流混合器的应用会越来越广泛。同时,3D打印技术以及CFD技术的应用也极大促进了新型搅拌桨开发和搅拌桨组合优化技术的发展。另外,变频器技术的应用为发酵过程节能和发酵调控技术的升级提供了广阔空间。