射流式好氧发酵罐的研究与应用

1994年第4期化_￡设计4l网嗣‰g掘射流式好氧发酵罐的研究与应用薛才利(浙江否吾j计院)摘要，3-本文在分析发酵罐现状的基础上，升绍了新型发酵罐的开发研究，通过多年的应用研究和推广应用表明；射流式好氧发酵罐突破了传巍的通用式发酵罐的传质机理，具有增产、节能降耗的效果和显著的经济效益，本技术已获得二项国家专利，该成果已列为国家科技成果重点推广项目和八五国家重点新技术推广项目。关键词盟盘盘蝗塑。(-)概况发酵罐是医药农药、食品轻化工等抗生素生产中的关键反应设备。我国抗生索发酵罐的设计大多沿袭5O年代苏联提供图纸为蓝本的通用式发酵罐，其搅拌功率一般勺1．3～1．5kW／m，通气量为0．5～0．8Nm。／m搅拌器的结构型式和通气装置比较陈旧，醢着发酵技术的不断发展、高单位新菌种的获得和丰富培养基的采用，旧式发酵罐已不能满足高产菌种的需氧要求，为使发酵罐能适应不同发酵液的培养条件，以提高单位产量，降低能耗，我国有关专业的科技工作者对改进发酵罐结构，提高发酵罐效率傲了许多研究工作，积累了丰富经验，现介绍如下：1．通气装置有单孔管、多孔环管、环形多支管、冲击式布气器等不同结构型式在发酵过程中。气泡直径仅与通气量有关，而与分布器孔径无关．由于单孔管结构简单、阻力降小．目前被广泛采用。2．挝拌器结构型式常用的有六平叶、六弯叶、六葡叶涡轮式。有一神观点认为平叶的功率虽比箭叶高，但对提高单位产量有积报作用；另一种则认为箭叶的使用效果远不如弯叶的好。目前国内抗生素厂采用功率适中的六弯叶搅拌器较为多见，近期有的厂引进了美国莱宁搅拌设备公司生产的新型高效搅拌器3．为使发酵罐能适应发酵过程中不同生长期对搅拌转速的不同要求并节约电能，一些厂采用可变速电机一。但由于可变速电机存在故障多、噪音大、检修频繁等问题因此，目前可变速电机在抗生素生产上尚未推广应用。4．近年来国内相继设计、引进并发展丁几种型式的发酵罐，如自吸式发酵罐，塔式发酵罐、内外循环空气带升式发酵罐“、从西德B·Braun公司引进的发酵罐系统等。国外育日本Hoechst公司的空气升液循环式发酵罐’和较多国家的发明专利，如美国的《好氧发酵的处理装置》”、法国的《好氧发酵的通气处理方法和装置》”，苏联的《用渣料浸制麦芽汁的发酵装置”’、西德的《液一气喷射环流简式发酵装置》等维普资讯http://www.cqvip.com421994年第4期目前发酵罐的发展趋势是采用增大功率的方法进行工业化生产，国内fIj将搅拌功率提高到2．5～3．kW／m，通气量增加副1，O～1．4Nm／m，这样使氧的传递系数和发酵单位有了一定程度的提高，但导致了r人量能源的消耗和产品成本的提高。(-)基本原理抗生索发酵取得高产水平，取决于优良的菌种和与之相适应的生产工艺条件．包括原材料的质量、数量和发酵设备的合理性，即通气搅拌条件达到抗生素生物合成的需要，才能充分发挥菌种的潜力。抗生素产生菌大多是好氧性微生物，在其菌丝体生长发育和生物合成抗生素过程中需要大量的氧，菌丝悼B乏得愈旺盛，氧的需要量就愈大然而氧是难溶于水的，如在l大气压、25。C时，空气中的氧在水中的溶解度为0．267毫克分子／升，而同洋条件下氧在发酵液中的溶解度仅为0．2毫克分子／升“。氧由气相扩散至细胞内部总的推动力为饱和氧浓度与发酵液中氧浓度之差．主要阻力为液膜阻力，因此，氧在扩散过程中届于液膜控制“，氧的传递方程式为：KI．且(C。一C。)；y(1)式中K一总传质系数米／4,时；a一气、液二相接触比表面积(即单位液体中气泡的总面积)米／米；一饱和氧浓度毫克分子／升；c一发酵液中氧浓度毫克分子／升；T一摄氧率毫克分子／升·小时。可见，单位发酵液体积中的所有细胞在单位时间内的耗氧量(摄氧率)与传质系数，气、液比表面积，饱和氧浓度和发酵液中氧浓度密切相关，而容量传质系数Ka与发酵罐的通气、搅拌和发酵液牯度有关，其关系方程式为tK。．a—k[(P／V)。(V})()一](2)式中k一系数；P／V一发酵液消耗功率千瓦／米；v。一空气线速度米／4'时’一发酵液帖度厘泊；a、口、w一与空气分布器、搅拌器型式有关的指数。显然．著要提高氧的传递系数，必将提高搅梓功率和增加通气量，对于搅拌功率P，它与发酵液的动压头H、翻动量Q和重度有关，可观为：P=H7Q。cHQ(3)一般说来，增加动压头有利于气泡的粉碎，增大翻动量有利于气、液二相的混合．欲同时增大H、Q值，势必相应增加搅拌功率。同样．提高容量传质系数、须增大气、液二相的接触比表面积a，这叉取决于气泡的粉碎程度。当单个气泡的直径d>0．006米时，有羌气泡直径与上升速度的关系方程为：V日一5dR—O．2O(4)式中V一气泡上升速度米／秒；de一气泡直径米／秒；显然，气泡的上升速度与5倍的气泡直径成正比，气泡直径增大．上升速度就迅