摘要：

    2008年中國發酵罐行業發展迅速，產品產出持續擴張，國家產業政策鼓勵發酵罐產業向高技術產品方向發展，國內企業新增投資項目投資逐漸增多。投資者對發酵罐行業的關注越來越密切，這使得發酵罐行業的發展研究需求增大。2009-2012年是中國發酵罐行業發展的關鍵時期，一批國家重大工程項目陸續開工建設，對發酵罐行業需求市場必將產生極大的拉動作用。本文通過分析傳統發酵罐存在的問題及原因，針對性的研究了解決的方法，并成功設計出一種新型發酵罐----軸芯通氣噴氣助力式攪拌發酵罐。

    一、背景：

    二十一世紀是以生物工程技術為先導的世紀，發酵工程是生物技術產業化的基礎。生物反應宏觀動力學是發酵過程優化的基礎，而生物反應器是發酵過程的外部環境，它同樣影響發酵過程的效率與優化。

    近年來，中國發酵設備行業發展迅速，產品產出持續擴張，國家產業政策鼓勵發酵罐產業向高技術產品方向發展，國內企業新增投資項目投資逐漸增多。投資者對發酵罐行業的關注越來越密切，這使得發酵罐行業的發展研究需求增大。

    僅2007年1-8月，醫藥工業累計實現現價工業生產總值4328.18億元，比去年同期3471.06億元增長24.69%。

    二、提出問題：

    發酵設備是生物工程技術中的關鍵設備，它對于科研向生產的轉化有著重要意義；同樣在生產過程----發酵過程中決定著生產原料成本，產出質量，能耗大小，設備壽命的大小高低。以生物發酵罐為例：近年來，生物發酵工程的生產品種和規模飛速發展，抗生素、保健品、飲料添加劑、農用生物制品的生產廣泛采用了生物發酵技術，單臺發酵罐的體積已達到300～400立方米。但是，生物發酵設備是一類高能耗的生產裝置，發酵供氧需通過攪拌和通入無菌空氣來達到，培養基消毒加熱需使用大量蒸汽，發酵過程中產生的熱量需通過低溫水和循環水帶走。據統計，目前我國的發酵裝置中，動力費用約占發酵液成本的25％～40％。

    傳統的發酵設備普遍存在著相對能耗大、溶氧率低、底物轉化率低、設備壽命短等缺點。尤其隨著水資源的日趨緊張，電力、煤炭、石油等燃料價格不斷上升，解決生物發酵成本的問題已經變得刻不容緩。

    經過長期的研究與工業實踐，分析存在問題的原因，針對性的研究了解決的方法，并成功設計出一種新型發酵罐----軸芯通氣噴氣助力式攪拌發酵罐。

    三、原因分析：

    發酵設備中通氣攪拌發酵設備被廣泛應用，其原理是大多數產物在生長過程中耗用大量的氧。這樣就需要在過程中提供充足的氧氣并與之充分混合接觸。發酵設備中通入壓縮空氣和設置攪拌裝置即為達到此目的。而產物的質量與產量（生產單位）同樣受到通氣和攪拌的影響。（同樣還有培養基、消毒滅菌、操作、種子質量系統的影響）。另外，通入空氣實際利用率由于其難溶性等也受到影響。

    經過長期的生產實踐、逐步總結發現現有的發酵設備普遍存在如下問題：

    1）.能源大：發酵生產中的成本相當大的部分消耗在能源上，主要表現制備壓縮空氣消耗的功率。

以抗生素發酵罐的通氣量為例：其一般為每立方米發酵液每分鐘通入0.7～1.0標準立方米壓縮空氣，制備每標立方米無菌壓縮空氣所需要的動力為3～4千瓦，即每立方米發酵液每小時通入的無菌壓縮空氣需消耗的電功率為2.5～3.5千瓦時。為使空氣與發酵液充分混合接觸,攪拌裝置所消耗的功率較大（1m³發酵液的配用攪拌功率在1.5~3千瓦左右）。如上所述降低攪拌功率、充分利用所通入壓縮空氣能量，就成為我們發酵生產中降低能耗的主要手段。

    2）.氧的利用率低：由前次所述，氧的利用率低，除受攪拌和通氣量的影響外，其他因素也存在著制約：首先通氣氣泡的打碎程度----即氣體與液體的接觸面的大小，嚴重影響著壓縮空氣的利用率，以往的空氣分布器受發酵液易堵塞的影響，孔徑不宜做得太小，這樣就容易形成氣泡，又因分布器距攪拌器有一定距離，氣體又有部分聚集并形成短路升至液面，氣泡的產生就會減小氣液接觸面積，影響氧的利用率，一般的利用率只有2%左右。而且為了克服液下壓強，又消耗一部分功率。其次受生長物限制又不能無限提高攪拌程度（打碎產物-如菌絲）從而使溶氧率不宜提高。總之標準發酵設備有的在提高氧的溶解率上進行必要的探索。

    3）.底物轉化率：基于如上原因在產物生長的過程中受到了溶氧的影響，必然直接造成發酵單位下降，或達不到理論水平及生產不穩定。即造成底物轉化率低、原料成本上升。

    4）.設備壽命降低：由于標準發酵罐的空氣分布器都設置在發酵罐的底部，開口向下，經過長時間的空氣（或氣液混合物）的長期沖刷，封底局部減薄大大快于發酵罐的其他部位。通常對于碳鋼材質在5年左右發酵罐損失掉70%左右的壁厚，封底就要大封更換時加強。這樣大大縮短了設備使用周期，也提高了生產成本。例如：西安利君制藥有限責任公司通過對運行了6年的紅霉素50m³碳鋼發酵罐底封頭早期破壞情況的現象和原因分析得出以下結論：一個50m³發酵罐為立式容器，直徑Φ3200mm，高度7680mm，直筒高度6000mm，罐壁厚12mm，筒體材質為Q235A。下封頭中心空氣分布器周圍，直徑Φ1200mm的范圍內，由于空氣沖刷和葉片攪拌時液體對筒壁的沖擊力，使封頭壁厚逐漸減薄破損，且有大量的不規則的點狀蝕坑凹凸不平，最深的凹坑約11mm，封頭鋼板拼接接頭已形成深約9~11mm、寬度約18~25mm之間、長約1200mm的溝槽。經超聲波測厚儀檢測，底封頭破損處由原來的12mm減薄至0.8~1mm，冷卻蛇管、攪拌軸、盤、葉片材質均為304不銹鋼，還能繼續使用，根據等壽命原理選擇將底封頭更換為304不銹鋼材質。

    四、設備改造

    通過長期的生產實踐，對標準的發酵設備進行分析觀察，我們從改變通氣方式上入手，對普通發酵設備進行了改造，提出了一個全新的觀點----軸芯通氣攪拌發酵設備，（本設備改造已通過初審：發明名稱：《一種軸芯通氣噴氣助力式攪拌發酵罐》，申請號：200710000013.9，公開號：CN101007997A）力圖通過改造達到降低能源、提高溶氧率，從而提高底物轉化率、提高生產水平的目的。

    發酵罐采用通用機械攪拌發酵罐罐體結構，電機1側置與減速器2直聯形式的定型產品，減速器設計選型為上下兩端直通式輸出軸形式。

減速器2通過支架3安裝于發酵罐罐體4的上端。

    攪拌軸5選用厚壁無縫管，經過精密加工（保證同心度）。一般應做成兩部分，即上半軸和下半軸（特別小型的反應器可做成一根軸）。軸的固定支撐方法與普通反應器基本相同。不同之處就在于軸的上端伸出部分裝有倒置機械密封6，以便壓縮空氣導入。即上端倒置機械密封經支架7與減速器相連，并安裝動環。靜環與外界空氣導入管8相連接，機械密封動環與攪拌軸相配合。這個機構設計完成了在轉動狀態下經過空心攪拌軸（等同空氣導管）將壓縮空氣導入發酵罐。

    壓縮空氣導入空心攪拌軸后，經由空心攪拌槳葉9噴射到生物反應器中（攪拌器不用采用中心帶盤的形式，氣泡不會沿攪拌軸短路升到液面）。攪拌葉同樣采用空心經沖壓或焊接制造，可根據不同發酵產品的品種設計槳葉形式和確定漿葉數量。在槳葉下沿非均勻分布開孔焊接噴嘴10，噴嘴向斜下方布置且與攪拌旋轉方向相反。遠端相對噴嘴孔徑加大，即加大空氣流量。這樣可盡量保證空氣在液體中分布均勻。另外空氣導出后在離心力的作用下會充分分散，并在下一個攪拌葉的作用下經過很短的路程被充分打碎并混合，避免了氣泡未經打碎上升至液面的情況發生。大大提高了空氣的利用率，從而使液體中溶氧率提高。同時空氣噴嘴的反作用力對攪拌器到助推的作用，有利于攪拌效率的提高、能源的節約。攪拌器產生的離心力，使噴嘴處產生負壓，有利于壓縮空氣動力源的節約。

    通過對標準通氣攪拌發酵設備的改造與重新設計，我們達到了如下目的：

    1）.由于空氣出口相距發酵攪拌設置的攪拌葉相對近，較好地實現了對空氣的充分打碎，減少了空氣短路現象的產生，使空氣中的氧得到了充分利用，從而提高了底物轉化率，同時提高了發酵單位。

    2）.由于空氣噴出時對攪拌槳反作用力，起到了助推作用，這樣可以節約攪拌動力，達到節能的目的，理論計算一立方壓縮空氣可以提供700瓦左右的空氣動力考慮到其他因素，經過實際經驗可較以往傳統設備節能15%左右。

    3）.由于改變了壓縮空氣的導入方式與位置，克服了原空氣分布器對封底的破壞，大大提高了設備使用周期，延長了壽命，同時也可節約大量資金。

    這里需補充說明，經過改造后，設備必然有不斷完善與提高的環節，例如：1）.由于空氣導入位置相對較高，需要適當增加發酵液的軸向流動，達到液體氧氣分配的均勻性；2）.由于壓縮空氣噴嘴相對可能數量增加或孔徑變小，故當特殊情況發生時有可能堵塞（停電倒料）可在軸芯通氣上接口處接入清洗水、滅菌蒸汽已達到清洗疏通，滅菌徹底的目的；3）.由于增加了一套機械密封，設備制造精度要求有所提高，但制造成本相對而言不會發生太大變化。

    五、結束語

    總上所述,隨著我國大規模經濟發展,水資源的日趨緊張,電力、煤炭、石油等能源價格不斷上升,發酵設備的優化改造刻不容緩。通過對標準通氣攪拌發酵設備通氣方式的改造達到了降低能源、提高溶氧率，從而提高底物轉化率、提高生產水平的目的。從技術和經濟的綜合考慮,有必要把本設備經過完善投入到生產實踐中,這樣必定會為廣大企業帶來良好的經濟效益，并且使企業在市場競爭中獲勝,有利于企業的長期發展