英雄史诗主角:浅谈通用发酵罐的搅拌和空气分布器的进展

浅谈通用发酵罐的搅拌和空气分布器的进展     发酵罐的搅拌浆与空气分布器在近些年来取得了很大的发展，本文综述了这方面的进展情况。重点对新型搅拌浆与空气分布器的进展以及其对溶氧和液面控制的影响进行了综述与评价，并就国内的研究现状进行了简单概述。    对于好氧发酵来说，发酵罐（如图1）的搅拌和空气分布器占有一定的重要性，搅拌和空气分布器的先进程度关系到发酵的电力能源消耗、空气的消耗、发酵溶氧情况甚至会关系到发酵指标的好坏。  1 发酵搅拌系统进展：    对于传统的发酵搅拌浆（如图2）大家一直在使用直叶圆盘涡轮搅拌器（类似产品还有斜叶圆盘涡轮搅拌器）、弯叶圆盘涡轮搅拌器、箭叶圆盘涡轮搅拌器对于圆盘涡轮桨，叶片数量3～8个，常用的为6个。传统认为在相同的搅拌功率下打碎气泡的能力，直叶大于弯叶，弯叶大于箭叶，但其翻动流体的能力正好相反，传统通用式发酵罐最常用的是六直叶涡轮桨和六箭叶圆盘涡轮搅拌器。在上世纪90年代，我们的发酵罐搅拌通常为此种类型：

  （ 图 2 ）

     随着科技的不断进步，改革开放的不断深入以及工业技术的发展，上世纪90末一些国际知名的混合设备公司开始进入中国的市场，其中比较著名的有美国的莱宁（Lightnin）公司、凯米尼尔（Cheminer）公司和英国APV公司。其推出的轴流式搅拌无论是在溶氧效果上，还是在动力消耗上都有长足的进步。国内的混合设备公司也开始推出类似的搅拌。（搅拌样式如图3）

（ 图 3 ）

    对与60立方以下的发酵罐单层搅拌浆也许能够满足要求，对于更大体积的发酵罐通常采用多层搅拌浆相组合的方式，通常采用2—4层搅拌将进行组合。目前新型搅拌组合一般最下层采用抛物线型搅拌器，上层采用轴流式搅拌浆，并且大部分轴流式搅拌采用4宽叶的旋浆，叶片向下压的方式。主要由于其覆盖面较大，有利于延长空气在发酵液中的滞留时间。在功率消耗方面，以某抗生素为例，用传统组合式搅拌，功率消耗在1.25KW/m³,而用抛物线型搅拌器与轴流式搅拌相组合的型式，搅拌功率消耗在0.75 KW/m³。（以上数据统计按照发酵罐的总体积进行的计算）

    在提高传质系数方面：    K_La=0.023(P/V_L)^0.49V_G^0.58                                      （1-1）    K_La---传质系数    P-----搅拌功率（W）    V_L----液体体积（m³）    V_G----表观气速(m/s)    根据式（1-1）及上述的功率消耗的经验值可以推算：若在发酵体积及表观气速相同的情况下，用抛物线型搅拌器与轴流式搅拌相组合的搅拌系统可提高传质系数28%。    笔者认为虽然先进的轴流式搅拌浆组合能源消耗、气-液分散效果上有了长足的进步，但其对发酵的液面控制不利。使用传统搅拌浆组合液面可以做到“风平浪静”；但使用轴流式搅拌浆组合（尤其是最上层的轴流式搅拌浆）通常会造成液面的“波澜壮阔”，从而影响放罐体积。以直径为3800mm的发酵罐为例，“波浪”每高出100mm,就会造成一吨多的发酵液的损失，严重降低发酵罐的有效体积。 2 空气分布器的进展：    在上世纪大家一般采用空气直接通入发酵罐的底部，随着认识的不断提高，开始采用环管式空气分布器，环管上开出许多小孔。为保持空气的分布均匀，一般孔的面积之和为环管截面积的0.8。大部分公司采用空气向下的喷射方式（喷射方向为罐底方向）；部分公司采用空气向上的喷射方式（喷射方向为下层搅拌叶方向），以便于空气喷出后经搅拌浆打碎。总之，此段时间大家一直在研究如何使空气分布器中喷出的气泡更小，甚至有人开始用微孔曝气盘进行试验。    上世纪90年代末以上海理工大学的黄为民教授根据泰勒涡柱等原理研制出分布器，据黄教授称：可以使混合时间缩短一半，溶氧系数提高40%。其主要结构为：在球形的分布器上分布３－８个空气喷嘴，在每个喷嘴后都沿其喷射方向安装有二级或多级射流混合器，在混合器内发酵液与空气进行混合，甚至达到乳化的效果。此种空气分布的产生促进了当时发酵工业的发展，国内部分发酵设备厂家开始仿造此类设备。    随着喷环式空气分布器在柠檬酸行业的应用成功，本世纪初期开始向有机酸、阿维菌素、抗生素等方向上发展。在节能方面，有经验证明在不改变原有搅拌系统的前提下，可降低搅拌功率10%以上。其主要是利用文丘里管的引射产生真空的原理(见图4)，利用压缩空气的原有动能，经喷咀（10mm—18mm）高速射出所产生的负压和卷吸作用将罐中的液体吸入混合器（文丘里管）中，在混合器中与气体剧烈混合并达到乳化的效果。从而  （图  4）    对于传质系数K_La：    由于K_L只与体系的性质有关，几乎不随操作条件而变。一般K_L可取4*10^-4m/s。    a=6￠/d_B                                                                                (1-2)    a------比界面积    ￠----持气率    d_B----气泡直径大小    通过式（1-2）看出要想提高容量传质系数，必须增大气、液二相的接触比表面积a，这又取决于气泡的粉碎程度，气泡直径d_B越小，比表面积a越大，对于传质系数K_La越大。 3 搅拌浆与空气分布器的相互配合情况：    在搅拌系统和空气分布系统不断发展的同时，各品种的发酵工艺更是有了革命性的提高。大家越来越清醒的认识到应当将搅拌浆（尤其是最下层搅拌浆）与空气分布器作为一整体进行研究。    对于气泡的打碎，早期研究认为是桨叶片的“剪切”将气泡打碎，从而形成细小的气泡。近期随着“气穴”理论的出现，大家越来越清晰的认为：气体并不是直接被搅拌器剪碎而得到分散的。气泡的分散首先是在桨叶的背面形成较为稳定的气穴，气穴在尾部破裂，形成富含小气泡的分散区，这些气泡在离心力的作用下被甩出。气穴的形态决定了气泡的分散效果。（见图5） 

（图  5）

    由于抛物线式搅拌浆的“后角”阻止了气穴的形成，说明了抛物线式搅拌浆在气-液分散中的优势。因此笔者认为在只有空气分布器与搅拌浆（尤其是最下层搅拌浆）共同配合才能更好的完成气-液分散的任务。“气穴”的形状除与搅拌转速和搅拌浆的型式有关外，涡轮圆盘也担当者空气分度的作用。圆盘一方面阻碍了气体的在循环，另一方面也防止了气体的短路逸出，特别在使用空气向上的喷射的环管式空气分布器，此时更凸显圆盘的重要性。 4 结语：    对于好氧发酵来说，我们不仅要考虑搅拌浆的混合效果与能源消耗；还要研究空气分布器的气-液分散效果；更要将搅拌浆与空气分布器共同研究，以便更好的控制“气穴”，提高溶氧效果；并且要控制好液面的平稳，最大限度的提高发酵体积。