液氨或氨水在赖氨酸发酵pH调控过程中的应用分析

王鹏飞，翟秀超

无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)

赖氨酸作为人体8种必需氨基酸之一，是世界上仅次于味精的第二大氨基酸产业。由于赖氨酸在人体不能靠自身合成L-赖氨酸，只能从食物中摄取，故而也被称为第一限制性氨基酸。随着科学技术的发展和国际国内政策利好，赖氨酸产能不断扩张，从全球赖氨酸产能分布情况来看，我国是全球赖氨酸产能最大的国家，2018年赖氨酸产能占比达70%，成为全球第一大赖氨酸生产和出口国。赖氨酸生产发酵过程中，由于微生物生长增殖及代谢活动，会产生多种有机酸，所以随着发酵的进行，发酵液的PH值不断下降[1]。在我国赖氨酸工厂中，发酵过程pH的调节基本采用液氨，小试或中试一般采用氨水。但是国外的情况有所不同，因受到液氨供应的限制，大部分工厂倾向于选用氨水。本文基于国内外赖氨酸项目经验，分别从危害性、设备选型、设备及管路系统维护、发酵指标和过程压力控制这五种不同影响因素，对国外赖氨酸工厂采用氨水调控pH值和国内采用液氨调节pH值来进行了对比分析。

1 危害性因素

液氨是液态，常温常压下为气态。一旦液氨泄漏会迅速的变成气态，气态氨具有强烈刺激性，对人体有毒害作用，严重可导致死亡，另外氨气具有燃爆性，与空气混合能形成爆炸性气体，遇火源能发生爆炸[2]。而氨水是氨气与水的混合物，工业氨水氨含量大多是25%～28% ，具有挥发性，能够挥发出氨气，同样对人体有毒害作用。但由于浓度不同，氨气化和挥发时间的不同，氨水危害性要低于液氨。在我国，存储量大于10 t的液氨定为重大危险源；氨水根据危险化学品名录中规定，氨水浓度10%～50%为碱性腐蚀品，氨水浓度小于10%不属于危险品，所以说氨水的危害性要小于液氨[3]。从危害性和安全角度考虑，氨水在使用上要优于液氨。

2 设备选型因素

首先，在储罐区设备方面，液氨罐属于压力容器，储存量大于10 t又是重大危险源，在液氨罐区的设计和选型上必须符合相关强制性规范要求，设备选型制作要求高，且投资较高。氨水则可选择常压罐，根据赖氨酸的产能来确定储存量，在设计选型时按照危险化学品储罐区设计即可，投资相对较小。

其次，在车间内部设备配置方面，使用液氨调节pH值，车间内部不设置临时缓冲罐，用管道直接输送至发酵罐，输送压力一般为7～9 bar(700～900 kPa)。由于液氨纯度极高，微生物很难在液氨环境中生存，所以一般赖氨酸工厂都是直接通入发酵罐或者在车间各工段加一个除杂过滤器即可。而氨水则不同，在赖氨酸工厂里，一般选用工业级氨水，氨水的杂质比较多，必须先经过一道除杂过滤器进行除杂；又因氨水浓度比较低，有微生物存活的风险，所以为了防止氨水带菌导致发酵染菌，在工艺设计时需要设置除菌过滤器[4]；再者，为了保证发酵过程的连续性和无菌性，在通氨水之前，必须对流加罐到发酵罐之间的沿途管路进行蒸汽消毒，保证氨水是无菌状态。综合来看，选用液氨对设备和管路系统的压力等级有很高要求；选用氨水的设备配置，尤其是过滤装置复杂。

3 设备及管路系统维护因素

在国内的赖氨酸工厂中，基本采用液氨直接通入发酵罐内，仅需考虑管路系统的密封性问题，不需要考虑设备的维修或者消毒。一般会在进车间前增设除杂过滤器，因液氨纯度高，杂质相对较少，定期清理周期为每月1次；清理时需要打开过滤器，人工佩带防毒面具，防止氨气吸入中毒，打开过滤器后先用自来水冲洗过滤器内部，让氨气迅速溶解水中，稀氨水收集排回回收罐内，然后再进行过滤器滤芯清洗更换。

而使用氨水时，其设备及管路系统的维护检修相对繁琐，首先我们要定期对除杂过滤器进行清洗更换，还要对氨水流加罐进行蒸汽消毒，最后对流加罐之后的氨水除菌过滤器和管路消毒，确保氨水通过的管路是无菌状态[5]。由于氨水中的杂质相对较多，氨水本身也具有腐蚀性，根据使用经验，正常氨水过滤器在使用3～5个周期(6～10 d)就要进行清理消毒，清洗频率明显高于使用液氨的工况；每次清洗消毒都要将过滤器打开，不可避免的会有挥发的氨气，对操作人员造成一定的伤害。

综合上述，无论选用液氨还是氨水，再设计及设备选型时严格遵守规范，确保设备及管路系统的压密性，严防泄露问题；从过滤、消毒及维护频率角度来看，在赖氨酸发酵过程控制中，液氨使用更方便、可靠。

4 发酵指标影响因素

在赖氨酸发酵过程中，液氨/氨水的作用除了调控pH值外，还是微生物增殖和代谢的无机氮源，流加过程可及时的补充微生物活动消耗的氮。以300 m3发酵罐，产赖氨酸58 t为例，如用液氨，则其消耗量约6 t；使用25%氨水，则其消耗量约24 t。从使用数据上看，氨水量约占到赖氨酸发酵培养体积的10%，此种情况下，必须考虑氨水的流加量对培养体积的影响，否则发酵指标中产酸率和转化率等指标会有计算偏差。但整体来看，大生产使用氨水来调控pH值，最终得到发酵液的产酸率略低于使用液氨的工况。

5 过程压力控制因素

正常情况下，液氨因自身饱和蒸气压的存在，液氨输送管道系统内的压力约为8 bar(800 kPa)；因环境温度降低或储存量变少等因素导致液氨罐内压力不足，则会启动氨压缩机来输送液氨，所以在整个发酵过程中，不会出现因发酵罐内压力的增加导致液氨无法流加的情况。氨水是由储罐泵入流加罐，以通入无菌压缩空气的方法来保证罐内压力维持在1.5～2.0 bar(150～200 kPa)，此压力也是氨水的流加压力，相对液氨来说，流加压力较小。而发酵过程中，发酵罐的罐内压力一般为0.8～1.1 bar(80～110 kPa) ，且流加管道伸入罐底，会产生液位差；氨水的流加压力要高于罐内压及液位差之和，氨水才能被加入到发酵罐中。在pH值微调时，阀门开度较小，这种情况下，便会出现氨水加不进发酵罐的情况，严重影响了赖氨酸培养环境，导致产酸不稳定。

从控制精度角度，氨水因浓度低，控制要求没有液氨高，易操作；液氨要求高精度控制，尤其在发酵前期，pH值变动幅度不大时。

综上所述，液氨或氨水在赖氨酸发酵调节pH值中均有应用，有些国家由于受到产能和运输的影响，加上国家对液氨的安全环保方面的规范严格要求，从平衡角度考虑选择氨水会多一些。而我们国家则在赖氨酸工业化大生产中全部采用液氨，液氨虽然危险性高，只要我们严格按照规范去设计，加强管理，落实责任风险是可控的，从生产稳定性和经济性上更有利。