计量泵

上海医药工业设计院(200040) 石草木开花

全国化工设备设计技能中间站(200040) 虞 军

跟着生化技能的提高和生化产品的需求量不断增加,对发酵罐的大型化、节能和高效提出了越来越高的要求。今朝国际抗生素发酵罐的容量以80～200 米3 为主,而轻工的氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150～300 米3 ,国际上最大标准式发酵罐为美国ADM 公司赖氨酸发酵罐,其容量为10 万加仑,折合公称容量为380 米3 。家喻户晓发酵是一个无菌的通气(或厌氧) 的复杂生化过程,需要无菌的空气和培养基的纯种浸没培养,故而发酵罐的设计,不仅仅是单体设备的设计,而且涉及培养基灭菌、无菌空气的制备、发酵过程的控制和工艺管道配制的系统工程。

1 国内发酵罐现况

改革开放后,国内发酵罐的装备患上到了显著改善,具体表现在:

容量:抗生素发酵扩大至100～150m3 。

赖氨酸发酵已达200m3 。

材质:逐步由碳钢改成不锈钢。

导热:由单一的罐内多组立式蛇管改成罐壁半圆形外盘管为主,辅之罐内冷却管。

降低速度机:由皮带降低速度改成齿轮降低速度机。

搅拌机:由单一径向叶轮改成轴向和径向组合型叶轮。

但由于发酵罐的系统设计没有受到许多人普遍重视,有许多抗生素生产职员往往仅重视发酵工艺和菌种,或限于资金和发酵厂房现状,对发酵罐的大型化和优化缺乏足够重视。就发酵罐而言,今朝头国内基本上在原有50m3 根蒂根基长进行改革, 罐径为3.00 毫米,罐筒体略有变化,形成57m3 、60m3 等罐体,机电响应作些变化有75 、95 和1.5kW 不等,导热为立式蛇管和搅拌叶轮基本不变为六叶蜗轮,降低速度采用皮带轮。故而同国际上存在不少的差距,有必要通过对发酵罐系统设计的熟悉提高,将我国抗生素发酵装备水平向前推进。

2 发酵罐的设计

2.1 发酵罐的型式

发酵过程可以通过固体培养和深层浸没培养来完成,从生产工艺来说可分为间隙分批、半连续和连续发酵等,但是工业化大规模的发酵过程,则以通气纯种培养为主。

通过纯种培养的发酵罐有自吸式发酵罐、标准式发酵罐、气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐和多孔板塔式发酵罐等。自吸式发酵罐系通过发酵罐内叶轮的高速转动,形成真空将空气吸入罐内,由于叶轮转动产生的真空,其吸入压头和空气流量有必然限制,故而仅合用对通气量要求不高的发酵品种;塔式发酵罐是将发酵液置于多层多孔塔板的细长罐体内,在罐底部通入无菌空气,通过气体分散进行氧的传递,但其供氧量也受到必然限度;

气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐均是通过无菌空气在罐内中央管或通过旋转的喷射管和罐外喷射泵将发酵液进行必然纪律的运动,从而达到气液传质,今朝气升式发酵罐在培养基较稀薄,供氧量要求不过分高的条件下(如(V1C 发酵) 患上到了较为广泛使用,其他喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐也有必然的用场;但在发酵工业中,仍数兼具通气又带搅拌的标准式发酵罐用场最为普遍,标准式发酵罐被广泛使用抗生素、氨基酸、柠檬酸等各个领域。

2.2 标准式发酵罐

跟着发酵产品需求量增加,发酵过程控制和检测水平提高,发酵机理的了解和最优化的机理熟悉水平提高,以及空气无菌处置惩罚技能水平的提高,发酵罐的容量增大已成为抗生素工业的趋势。

2.2.1 罐的几何尺寸

首要是关心发酵罐的H/ D ,一般跟着罐体高度和液层增高、氧气的利用率将随之增加,容量传氧系数KLa 随之提高,但其增长关系不是线性关系,跟着罐体增高, KLa 的数值增长速率随之减慢,而跟着罐体容量增大,液柱增高,进罐的空气压力随之提高,伴随空压机的出口压力提高和能耗的增加,而且压力过大后,特别是在罐底气泡儿受压后体积缩小,气液界面的面积可能受到影响,过高的液柱高度,虽增加了溶氧的分压,但同样增加溶解碳酐分压,增加了碳酐浓度,对某些发酵品种又可能按捺其生长,而且罐体的高度,同厂房高度密切相干。故而发酵罐的H/ D 之比,既有工艺的要求,也应试虑经济和工程问题必须综合考虑后予以确定。

对于细菌发酵罐来说,在筒体高度H/ 罐直径D

宜为2～2.5 ,对于放线菌的发酵罐的H/ D 通常是1.8～2.2 。

2.2.2 通气和搅拌

好氧发酵是一个复杂的气、液、固三相传质和导热过程,杰出的供氧条件和培养基的混和是保证发酵过程导热和传质必要条件。

好氧发酵需要通入充沛的空气,以满足微生物需氧要求,故而空气量通入量越大,微生物获患上氧有可能越多;其次培养液层高度越大,空气在培养基停留时间就有可能增加,有益于微生物利用空气中的氧;但是空气中氧是通过培养基传递给微生物,传递速率很大程度上取决气液相的传质面积,也就是说取决气泡儿的大小和气泡儿的停留时间,气泡儿越小和越分散就使微生物可以越充沛获患上氧气,但是强化气泡儿的粉碎单靠气体分布器的形式和结构是不够的,或者说效果是不较着的,只有通过发酵罐内的叶轮转动将气泡儿粉碎,才可获患上最佳的发酵供氧条件。通过搅拌器的搅拌效用,使培养基在发酵罐内

患上到充分宏观混和,尽可能使微生物在罐内每一处均能患上到充沛氧气和培养基中的胚乳,此外杰出的搅拌有利于微生物发酵过程产生的热量传递给冷却管和发酵罐的冷却内表面。这就是具有通气和搅拌的标准式发酵罐普遍使用在生化工程的原因。

2.2.3 搅拌叶轮

发酵罐内安装搅拌器起首用来分散气泡儿以患上到

尽可能高的传质系数KLa 。此外还要使被搅拌的发酵液循环来增加气泡儿的平均停留时间,并在整个系统中均匀分布,阻止其聚并。

早先在机械搅拌式发酵罐凡是装有数个径向圆盘涡轮搅拌器,但容易使被搅拌的介质分层而形成几个区,故而在罐下部和上部之间形成氧分压梯度,导致罐内上、下部之间的KLa 值的差异。

近来发酵罐的搅拌系统多采用在罐底部安装一个用来分散空气的涡轮搅拌器,其上再安装一组轴流式搅拌器,用来循环培养介质、均匀分布气泡儿、加强热量传递和消弭罐内上、下部之间含氧量梯度差。

2.2.3.1 搅拌叶型式

(1) 带圆盘敞式涡轮搅拌叶———高湍流,径向流。

(2) 倾侧叶片(pitched biade) 涡轮(p - 4) ———45°四叶片,轴向流。

(3) 反向倾侧(Reversing pitch) 搅拌叶———二个向上,二个向下,径向流。

(4) 高效轴流式搅拌叶———A3.0 ,轴向流。

(5) 混合流搅拌叶———A3.5 ,轴向流,少量径向流。

(6) 凹叶径流式搅拌叶( Concave blade radial) ———CD - 6 ,径向流。

2.2.3.2 叶轮选型

为了在气体分散系统中,加强速度梯度或剪切率,形成高湍流以削减气相和液相之间的传质阻力,并保持整个混合物的均匀,将径向流涡轮搅拌器与高效轴向流搅拌叶组合起来是较佳选择。

在分散气体作业的罐内,搅拌叶的数量取决于通气的液面高度和罐直径之比。

而搅拌叶之间的距离不患上小于最小搅拌叶的直径。轴流式搅拌叶的直径约为径流式搅拌叶直径的1.3 倍。径流式搅拌叶直径为罐直径的013～014倍,高效轴流搅拌叶直径为罐直径的014～0165 倍。空气分配器位于最底部的搅拌叶之下。

气一液反应器的流动型式决议分散的均匀度,并且影响气体的截留率(gas hold up) 、传质速率和局部溶氧浓度。

当气体流量必然时,罐内流型取决于搅拌叶的速度。搅拌叶转速低时,搅拌叶的效用被上升气流吞没,增加搅拌速度,气体就在整个罐内形成循环,此时这个出现了完全分散的搅拌速度,以Ncd 表示:以后再加大搅拌叶转速,罐内整体流型保持不变、增加搅拌强度也就增加了气体截留率和传质速率。

在整体流型变化的同时,围绕着搅拌叶叶片的流动也在变化。在气体流速低时,气体在叶片后部形成涡流。跟着气体流量的增加,空穴(cavity) 逐渐加大,直到空穴依附到叶片后缘。气流速度更高时就形成一系列大的空穴。

搅拌叶所需功率的几多与空穴生成的过程和响应通气的流型密切相干。空穴增大则搅拌叶功率减小,相对功率需求(即:通气功率Pg 与不通气功率PN 之比) 是在夫劳德准数不变时的通气准数的函数。

进行搅拌器设计时,需同时计较出Pg 和PN 。

搅拌叶的不通气功率可用下式计较。

PN = NpρN3D5

功率准数NP 是搅拌叶的雷诺准数NRe的函数。

容量传氧系数KLa 数值的求取,文献报导有很多,最成功的是将其与气体表面线速度和单位体积输入功率相干联:

KLa = C( PgV)αηβ

C —受液体性质的强烈影响,此外还包括表面

活性剂、不溶性油等。

Pg —通气功率;

V —发酵液体积;

η—空气线速度;

α、β—指数。

2.2.3.3 轴向流和径向流相结合的叶轮对于泵或者搅拌器而言,功率就是流量和压头的乘积,即: P ∞QH。“压头”一项不但包括了流体净排出压头,而且还包括由于涡流损失、内部再循环和摩擦等形成的内部压头损失。如果搅拌叶的直径和转速已定,增加其功率准数(例如,采用更多、更宽的叶片,更陡的投入角等) ,压头的增加要大于流量的增加。

在多数发酵过程当中流量往往显患上更为重要。如果为了分散气体而加大压头,则可在罐底部用一个径向涡轮搅拌叶来分散气体。罐内其余的搅拌叶则采用低功率、高流量的轴向流搅拌叶。后者增加了向罐底部的涡轮搅拌叶提供的流体量,也有助于分散效用。并可削减气泡儿的聚并(coalescence) ,改善传质。

2.2.4 导热

发酵过程当中微生物的生化反应要产生大量热量,这些热量必须实时被带出罐体,否则培养基温度升高,就会影响发酵最佳条件,引起微生物发酵中断。

一般抗生素在发酵过程当中会产生每米3 ,每小时约16～25MJ (即4000～6000 千卡/ 米3·时) ,另外培养基经实消和连消后温度较高,需要将其冷却至培养温度,这就需要发酵罐具有足够的导热面积和合适的冷却介质,将热量实时带出罐体。

冷却介质一般应采用低温水和循环水。某些北方的工厂“随机应变”采用深井水冷却,如果深井水今朝水需付较高的费用,也许会认为可降低生产成本,但是发酵罐冷却水量极大,如果采用深井水,这对于水资源是极大浪费,故而是不成取的。

发酵罐的冷却,首要是考虑微生物发酵过程的发酵热和机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量。此外还要考虑,发酵罐消毒的冷却或实消后的冷却时间。今朝一般发酵罐的冷却导热面的型式,小型罐(5 米3 以下) 为夹套、大型发酵罐为几组立式蛇管。立式蛇管虽具有导热系数高的优点,但他占据了发酵罐容量,据计较罐内立式蛇管体积约占发酵罐的1.5 %容量,若罐内的蛇管一旦发生泄漏,将造成整个罐批的发酵液染菌、此外罐内蛇管也给罐体清洗带来了不便。

近来新型发酵罐的冷却面移至罐外,采用半圆形外蛇管,该蛇管具有导热系数高,罐体容易清洗,增强罐体强度,故而可大大降低罐体壁厚,使整个发酵罐造价降低,且提高发酵罐的容量,增大放罐体积,故而是值患上推广的新技能,国内已经建立了专业的制造厂,处理完成了对蛇管加工技能因难关口,为发酵罐设计开创一个新的罐型。外蛇管的设计首要要处理完成外蛇管的冷却介质的流速和阻力降,故而外蛇管的大小和分组,需要通过计较才能获患上满意的效果。

2.2.5 变速搅拌

由于发酵过程当中,微生物的培养要求是差别的,往往在发酵中期,微生物处于旺盛生长时间对氧的需要量较高,而在发酵开始的一段时间和发酵后期微生物的需氧量较低,特别是发酵后期,菌丝体已处于老化阶段,培养基的粘度也较高,剧烈的搅拌会加速菌丝体的自溶,影响发酵水平的提高。如果能设计一个变速搅拌,按照微生物需氧量来调节搅拌转速,如许不但能创造最佳的培养条件,也能节约发酵过程的能+量消耗,故而不少生物工程设备职员试图在大型发酵罐上采用变速搅拌。

由于抗生素品种的差别,微生物在发酵全过程对氧需求变化的程度纷歧,在中小型罐内的变速搅拌获患上了成功,据文献介绍,可提高发酵单位10～20 % ,降低搅拌能耗10～30 % ,但是在大型罐内,由于变速装置的复杂性和投资增加限制了它的推广使用。

在大型发酵罐如果培养基采用实罐消毒时,为了使消毒时培养基的导热较为理想,故而需要开动搅拌,但此时往往不通入空气,故而使搅拌功率上升,如果操作不当,就有可能损坏机电。今朝发酵罐设计时,推荐使用多极机电,可以在实消时低速搅拌,在正常发酵时搅拌全速运行,今朝这种双速马达已使用于发酵过程当中满足差别需氧量的搅拌操作。

2.2.6 发酵罐的能+量消耗

发酵罐的能+量消耗首要由如次三部分组成:搅拌器机电耗能、通入无菌空气的制备能+量及培养基消毒和冷却能+量。培养基消毒和冷却能+量首要取决于工艺过程和菌种特征,而搅拌功率和无菌空气消耗能+量两者的目的相同,首要是为了供应微生物足够的氧气。

如一个50 米3 抗生素发酵罐,搅拌功率为75～95kW ,通气量为35 标米3/ 分,要制备35 标米3/ 分无菌空气,空压站大约需要消耗175kW 电能,也即该50 米3 发酵罐消耗270kW 电能,从上面所说的数字可以获知发酵罐的60～70 %能+量用于无菌空气的制备,为了剖析搅拌功率和无菌空气消耗能+量的关系,我们采用溶氧速率KLa 来分析:

KLa =α( Pg

V

)αηβ

式中Pg

V 为单位发酵液的耗能,η为空气在罐内线速度,α、β为指数,根据试验测定α的数值要弘远于β数值,也就是说适当降低通气量或适当增加搅拌功率,可以获患上同样的供氧速率。但是无菌空气的制备需要投资较大的空压站,而且空气量的增大,降低了发酵罐装料系数,增加了发酵液在尾气中的夹带,而且也增加了无菌过滤系统的费用,相对而言,增加搅拌功率化费的投资就较少。故而外洋抗生素发酵的一条经验为:适当增加机电功率和降低通气量,对发酵的总能耗降低是非常有利的。

3 丈量仪表和控制

发酵过程的自动化依赖于对发酵过程当中工艺参数的检测,丈量的物理参数为温度、压力、流量、泡沫(液位) 、搅拌转速、功率、浊度、粘度。化学参数为pH、氧化还原电位、溶解O2 、溶解CO2 、排气身分、糖、氮、磷及效价分析。

今朝使用患上比较普遍的是罐温、罐压、pH、补糖、补水和加油消沫的丈量及自动控制;空气流量、发酵液体积、溶氧、机电电流和功率进行检测。由于生化工程的要求,这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能对发酵液产生污染。

在生物合成中必须对生长环境中各个控制变量进行综合、进行过程的监控和患上到新的状况变量,如呼吸商、碳平衡等,利用计较机的在线控制和离线控制,获患上最佳的控制效果。

今朝国内华北制药厂、山东新华济宁抗生素厂、哈尔滨制药厂、新昌制药厂等数十个发酵车间已经使用计较机来控制发酵生产,有些工厂已经实现全厂计较机办理,取患上了杰出效果。

控制系统采用集散型微机,它是一种中小型DCS 控制系统,由操作工作站现场控制(或监视) 单元、信号转换单元、通讯总站组成,系统靠患上住性高,具有人杰机接口界面。

生化反应过程当中,补料和调节pH 是一个较为复杂系统、一般采用流量计丈量加之调节阀补料、也有使用计量泵定量控制流量或采用定量小罐脉冲定数补料。

为了保证计较机控制顺利完成操作,不变和优质的仪表是关键,仪表的丈量点的位置应根据罐内发酵液的流型进行合理的布点,以避免测患上的参数仅表示局部的指标,此外仪表使用一段时间后的纠偏也十分重要。

为了更好发挥计较机控制的长处,尽可能完美的工艺方针数据确定和开展对发酵生化机理的研究越来越显患上重要。

4 设计实例

4.. 范围和用场

我院自90 年代初就开始了对新型发酵罐进行系统研究和开发,为了更好地学习兄弟厂的先进发酵罐装备,和将外洋的成熟经验向国内同行进行宣传,故而成立了发酵罐及其系统协作组,并同有关设备制造厂联合共同对新型搅拌叶轮和传动装置进行完善和提高。

自1992 年起我院在乙酰螺旋霉素、盘尼西林、黄原胶、可的松、酶制剂、柠檬酸、维生素B、利福霉素、赤霉素、红霉素、泰乐霉素及中药保健品等品种中采用了新型发酵罐,其发酵罐体积为抗生素发酵罐最大为150 米3 、柠檬酸发酵罐最大为280 米3 。搅拌型式为轴向流和径向流的组合叶轮。该搅拌器合用于低通气量的发酵罐、各种球状菌、丝状菌、真菌和霉素。发酵罐和气、液、固多相的反应,特别在高粘度的发酵液中取患上了杰出效果(如黄原胶发酵罐) ,近年来,我院已设计了新型发酵罐图纸30 余套,绝大部分数已用于生产实践。据返回的信息表明,其性能均优于单纯径向流的传统发酵罐,在能+量消耗的降低、空气量的削减、发酵单位的提高、操作不变性等指标上取患上了较好的效果。现将设计的首要发酵罐列表如次:

我院设计的首要发酵罐一览表

发酵罐

容量

发酵罐几

何尺寸

规格用于品种备注

15 米3