于現(xiàn)代發(fā)酵罐攪拌器與空氣分布器的組合設計

1、于現(xiàn)代發(fā)酵罐攪拌器與空氣分布器的組合設計于現(xiàn)代發(fā)酵罐攪拌器與空氣分布器的組合設計[p][p]1攪拌系統(tǒng)設計是發(fā)酵罐放大設計中的關鍵，直接決定了放大是否成功。宏觀液流對攪拌效果影響巨大，但是傳統(tǒng)徑流組合攪拌系統(tǒng)難以解決宏觀液流造成的死區(qū)現(xiàn)象。近年來，世界各混合設備公司相繼開發(fā)成功新型軸流、徑流攪拌器，并在發(fā)酵罐設計中廣泛應用。實踐證明采用軸－徑流組合攪拌系統(tǒng)可以增強罐內(nèi)宏觀液流。但是伴隨各種大型發(fā)酵罐的出現(xiàn)，各種問題也不斷的出線。2新型攪

2、拌器2.1新型軸流攪拌器隨著攪拌技術的發(fā)展，新型攪拌器開發(fā)成功。其中最有代表性的軸流攪拌器是美國萊寧(LIGHTNIN)公司開發(fā)的A310攪拌器、A315攪拌器，美國凱米尼爾(CHEMINEER)公司的HE3攪拌器，美國費城(PHILADELPHIA)攪拌設備公司的LS和HS兩個產(chǎn)品系列，法國豪斑(ROBIN)公司的HPM攪拌器等。這些新型軸流攪拌器消耗的功率低，并且由于其軸流特性，可以產(chǎn)生較大的體積循環(huán)，具有節(jié)能、高效、造價低廉且易于

3、大型化的特點。2.2新型徑流攪拌器新型的徑流攪拌器的杰出代表是凱米尼爾公司的凹面葉盤式攪拌器CD6。新型徑流凹面葉盤式攪拌器具有強大的氣體處理能力。據(jù)文獻報道，在高能量攪拌和高氣體流率情況下，在單位體積和氣體表觀速度相同的條件下，用CD6攪拌器比用常規(guī)的平葉盤式攪拌器傳質(zhì)系數(shù)可增加近一倍。同時CD6攪拌器比平葉盤式攪拌器處理氣體的能力能提高46%。3軸－徑流組合攪拌系統(tǒng)在實際工作中，這些新型攪拌器為我們提供了新的選擇。在大型發(fā)酵罐中選用

4、軸徑流組合攪拌系統(tǒng)是一種可以兼顧宏觀液流與微觀液流要求的較佳選擇。即底層攪拌器選用新型徑流凹面葉盤式攪拌器，上面其它層選用新型軸流攪拌器。例如，在實踐中可以使用一個CD6攪拌器和三個HE3攪拌器。在相同攪拌功率的情況下，同純徑流攪拌器組合相比，這種軸－徑流攪拌器的組合配置主要功能明確，CD6攪拌器起最初的氣體分散作用，而HE3能產(chǎn)生從頂部到底部的總體軸向流動。在發(fā)酵操作中，這種組合攪拌系統(tǒng)可使溶解氧在發(fā)酵罐中均勻分布，可縮短補料的混合時

5、間。這種軸徑流組合攪拌系統(tǒng)比較好地解決了傳統(tǒng)徑流攪拌系統(tǒng)中存在的問題，下面對此進行分析。3.1軸－徑流組合攪拌系統(tǒng)可獲得更好的氣液分散和氣液傳質(zhì)效果由于軸流攪拌器的軸流特性，軸流攪拌器組成的攪拌系統(tǒng)能夠提供較高的宏觀液流，加強宏觀液流可以改善攪拌效果。但是僅僅由軸流攪拌器組成的攪拌系統(tǒng)形成微觀液流的能力較差，往往不能滿足大體積發(fā)酵罐在高通氣量時對空氣分散的要求。因此選用徑－軸流混編組合攪拌系統(tǒng)是一種可以兼顧宏觀液流與微觀液流要求的較佳選

6、擇。在軸－徑流組合攪拌系統(tǒng)中，上層軸流攪拌器的功率因數(shù)大大低于徑流型攪拌器的功率因數(shù)，因此其所耗用的攪拌功率較小，可以將更多的攪拌功率集中用于底層攪拌器，從而底層攪拌器可以選用較大的直徑，提高底層攪拌的氣－液分散能力。由于上面各層軸流攪拌器的大循環(huán)量的作用，氣體會多次被帶回軸流攪拌器中央，再被上面的軸流攪拌器接力似地向下送回到底層攪拌器，并被再次分散。氣體在離開發(fā)酵液之前，會多次在罐中上下往返運動，因此氣體在發(fā)酵液中有更多的停留時間，也

7、就是說，有更長的氣－液傳質(zhì)時間。純徑流攪拌器系統(tǒng)不能實現(xiàn)富氧區(qū)、富營養(yǎng)區(qū)和富菌群區(qū)的“三區(qū)重合”。在這種情況下，發(fā)酵罐下部發(fā)酵液中營養(yǎng)成分不足，影響代謝過程；上部發(fā)酵液則因為菌群濃度不夠而影響了氧的利用。這種情況會導致發(fā)酵液中的溶氧濃度偏高，從而減小了溶氧濃度與飽和氧濃度的濃度差，即減小了氣－液傳質(zhì)的推動力。而在軸－徑流攪拌器組合系統(tǒng)中，在軸流攪拌器自上而下的大循環(huán)量連續(xù)泵送流體的作用下，由罐頂部加入的營養(yǎng)成分被迅速送到底部，罐內(nèi)的流動

8、死區(qū)基本上被消除，加速了耗氧代謝的速度。從而使局部的溶氧富集現(xiàn)象得到克服，確保氣－液傳質(zhì)推動力比較大。軸－徑流組合攪拌系統(tǒng)在氣液相界面更新和避免發(fā)生氣泡聚并方面的能力也比較強。因為軸流攪拌器能夠提供遠大于徑流攪拌器的液體循環(huán)流量和循環(huán)次數(shù)，這樣可以使氣－液相界面的液相側(cè)得到更快的更新，從而獲得更大的傳質(zhì)推動力；另外還可以將被粉碎了的氣泡更快的疏散開，避免因局部氣泡過多，碰撞而發(fā)生再次聚并，可以確保較大的氣相面積存在。這兩個因素都有利于氣

9、－液傳質(zhì)過程。3.2軸－徑流組合攪拌系統(tǒng)可改善固－液懸浮和液－液混合效果軸－徑流組合攪拌系統(tǒng)形成了在全罐范圍內(nèi)的整體循環(huán)流動。由于軸流攪拌提供的循環(huán)量大，在單位時間內(nèi)完成的全罐循環(huán)次數(shù)多，流速高，從而大大強化了固－液懸浮和液－液混合的效果。由罐頂加入的營養(yǎng)物質(zhì)，在上面軸流攪拌器的強力推動下，迅速抵達罐底，匯入那里的富氧區(qū)和富菌群區(qū)；罐底部富含菌群和溶氧的發(fā)酵液，則在快速、大流量的循環(huán)流帶動下，不斷地進入罐頂部的富營養(yǎng)區(qū)。三個區(qū)的界限被軸

10、向的大流量連續(xù)循環(huán)流沖破，實現(xiàn)了富氧區(qū)、富營養(yǎng)區(qū)和富菌群區(qū)“三區(qū)重合”。基本消除了死區(qū)，避免了營養(yǎng)物質(zhì)或代謝物局部過濃，因而消除了一些對菌體生長或抗生素生成的反饋抑制作用或傷害作用。從而為微生物提供了良好的生長環(huán)境。有助于提高發(fā)酵生產(chǎn)過程的新陳代謝水平，加快抗生素的產(chǎn)生，對于提高產(chǎn)率、質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本是有極大好處的。3.3軸－徑流組合攪拌系統(tǒng)可提高傳熱系數(shù)由于發(fā)酵液的非牛頓型特性，造成由攪拌器尖端到罐壁之間有較大的速度梯度，在大型抗生

11、素發(fā)酵罐中，這一問題表現(xiàn)得更為明顯。在攪拌器直徑較小，循環(huán)流量也較小的情況下，常會在靠近罐壁處產(chǎn)生流動死區(qū)。因為發(fā)酵罐中的傳熱裝置，通常采用外壁管、外夾套，或安裝于罐內(nèi)壁附近的立式內(nèi)蛇管，流動死區(qū)的存在，對于傳熱是極為不利的。特別是當發(fā)酵過程日益激烈，需要被帶走的發(fā)酵熱大量增加的情況下，這一矛盾更加突出。由于徑流型攪拌器本身的特性所決定，在以往的大型發(fā)酵罐設計中，這一問題始終無法得到很好解決。研究表明，給熱系數(shù)的高低，與攪拌器的直徑正向

12、關聯(lián)，與容器的直徑負向關聯(lián)。軸－徑流攪拌器組合系統(tǒng)的各層攪拌器直徑均大于純徑流攪拌器組合系統(tǒng)，較大的攪拌器直徑減小了攪拌器邊緣到罐壁的距離，減小了流體速度衰減量，既提高了罐內(nèi)換熱器表面的流體更新速度又減薄了滯留層，因此能獲得更高的給熱系數(shù)，提高換熱效率。4結(jié)論雖然通過各種葉片形式的組合，改進了發(fā)酵的傳質(zhì)傳熱效果，但是各家的數(shù)據(jù)及使用效果多少有夸大的成分，發(fā)酵攪拌系統(tǒng)沒有標準的設計依據(jù)，現(xiàn)代發(fā)酵罐逐漸向大型化發(fā)展，目前有120t、150t