轴-径流组合搅拌系统在发酵罐中的应用研究
2007-10-06 22:50:47   来源：医药工程设计   评论：0 点击：

1　概述
搅拌系统设计是发酵罐放大设计中的关键，直接决定了放大是否成功。宏观液流对搅拌效果影响巨大，但是传统径流组合搅拌系统难以解决宏观液流造成的死区现象。近年来，世界各混合设备公司相继开发成功新型轴流、径流搅拌器，并在发酵罐设计中广泛应用。实践证明采用轴－径流组合搅拌系统可以增强罐内宏观液流。
2　新型搅拌器
2.1　新型轴流搅拌器
随着搅拌技术的发展，新型搅拌器开发成功。其中最有代表性的轴流搅拌器是美国莱宁(LIGHTNIN)公司开发的A-310搅拌器、A-315搅拌器，美国凯米尼尔(CHEMINEER)公司的HE-3搅拌器，美国费城(PHILADELPHIA)搅拌设备公司的LS和HS两个产品系列，法国豪斑(ROBIN)公司的HPM搅拌器等。这些新型轴流搅拌器消耗的功率低，并且由于其轴流特性，可以产生较大的体积循环，具有节能、高效、造价低廉且易于大型化的特点。
2.2　新型径流搅拌器
新型的径流搅拌器的杰出代表是凯米尼尔公司的凹面叶盘式搅拌器CD-6。新型径流凹面叶盘式搅拌器具有强大的气体处理能力。据文献报道，在高能量搅拌和高气体流率情况下，在单位体积和气体表观速度相同的条件下，用CD-6搅拌器比用常规的平叶盘式搅拌器传质系数可增加近一倍。同时CD-6搅拌器比平叶盘式搅拌器处理气体的能力能提高46%。
3　轴－径流组合搅拌系统
在实际工作中，这些新型搅拌器为我们提供了新的选择。在大型发酵罐中选用轴-径流组合搅拌系统是一种可以兼顾宏观液流与微观液流要求的较佳选择。即底层搅拌器选用新型径流凹面叶盘式搅拌器，上面其它层选用新型轴流搅拌器。例如，在实践中可以使用一个CD-6搅拌器和三个HE-3搅拌器。在相同搅拌功率的情况下，同纯径流搅拌器组合相比，这种轴－径流搅拌器的组合配置主要功能明确，CD-6搅拌器起最初的气体分散作用，而HE-3能产生从顶部到底部的总体轴向流动。在发酵操作中，这种组合搅拌系统可使溶解氧在发酵罐中均匀分布，可缩短补料的混合时间。这种轴-径流组合搅拌系统比较好地解决了传统径流搅拌系统中存在的问题，下面对此进行分析。
3.1　轴－径流组合搅拌系统可获得更好的气液分散和气液传质效果由于轴流搅拌器的轴流特性，轴流搅拌器组成的搅拌系统能够提供较高的宏观液流，加强宏观液流可以改善搅拌效果。但是仅仅由轴流搅拌器组成的搅拌系统形成微观液流的能力较差，往往不能满足大体积发酵罐在高通气量时对空气分散的要求。因此选用径－轴流混编组合搅拌系统是一种可以兼顾宏观液流与微观液流要求的较佳选择。
在轴－径流组合搅拌系统中，上层轴流搅拌器的功率因数大大低于径流型搅拌器的功率因数，因此其所耗用的搅拌功率较小，可以将更多的搅拌功率集中用于底层搅拌器，从而底层搅拌器可以选用较大的直径，提高底层搅拌的气－液分散能力。由于上面各层轴流搅拌器的大循环量的作用，气体会多次被带回轴流搅拌器中央，再被上面的轴流搅拌器接力似地向下送回到底层搅拌器，并被再次分散。气体在离开发酵液之前，会多次在罐中上下往返运动，因此气体在发酵液中有更多的停留时间，也就是说，有更长的气－液传质时间。纯径流搅拌器系统不能实现富氧区、富营养区和富菌群区的“三区重合”。在这种情况下，发酵罐下部发酵液中营养成分不足，影响代谢过程；上部发酵液则因为菌群浓度不够而影响了氧的利用。这种情况会导致发酵液中的溶氧浓度偏高，从而减小了溶氧浓度与饱和氧浓度的浓度差，即减小了气－液传质的推动力。而在轴－径流搅拌器组合系统中，在轴流搅拌器自上而下的大循环量连续泵送流体的作用下，由罐顶部加入的营养成分被迅速送到底部，罐内的流动死区基本上被消除，加速了耗氧代谢的速度。从而使局部的溶氧富集现象得到克服，确保气－液传质推动力比较大。轴－径流组合搅拌系统在气液相界面更新和避免发生气泡聚并方面的能力也比较强。因为轴流搅拌器能够提供远大于径流搅拌器的液体循环流量和循环次数，这样可以使气－液相界面的液相侧得到更快的更新，从而获得更大的传质推动力；另外还可以将被粉碎了的气泡更快的疏散开，避免因局部气泡过多，碰撞而发生再次聚并，可以确保较大的气相面积存在。这两个因素都有利于气－液传质过程。
3.2　轴－径流组合搅拌系统可改善固－液悬浮和液－液混合效果
轴－径流组合搅拌系统形成了在全罐范围内的整体循环流动。由于轴流搅拌提供的循环量大，在单位时间内完成的全罐循环次数多，流速高，从而大大强化了固－液悬浮和液－液混合的效果。由罐顶加入的营养物质，在上面轴流搅拌器的强力推动下，迅速抵达罐底，汇入那里的富氧区和富菌群区；罐底部富含菌群和溶氧的发酵液，则在快速、大流量的循环流带动下，不断地进入罐顶部的富营养区。三个区的界限被轴向的大流量连续循环流冲破，实现了富氧区、富营养区和富菌群区“三区重合”。基本消除了死区，避免了营养物质或代谢物局部过浓，因而消除了一些对菌体生长或抗生素生成的反馈抑制作用或伤害作用。从而为微生物
提供了良好的生长环境。有助于提高发酵生产过程的新陈代谢水平，加快抗生素的产生，对于提高产率、质量，降低生产成本是有极大好处的。
3.3　轴－径流组合搅拌系统可提高传热系数
由于发酵液的非牛顿型特性，造成由搅拌器尖端到罐壁之间有较大的速度梯度，在大型抗生素发酵罐中，这一问题表现得更为明显。在搅拌器直径较小，循环流量也较小的情况下，常会在靠近罐壁处产生流动死区。因为发酵罐中的传热装置，通常采用外壁管、外夹套，或安装于罐内壁附近的立式内蛇管，流动死区的存在，对于传热是极为不利的。特别是当发酵过程日益激烈，需要被带走的发酵热大量增加的情况下，这一矛盾更加突出。由于径流型搅拌器本身的特性所决定，在以往的大型发酵罐设计中，这一问题始终无法得到很好解决。研究表明，给热系数的高低，与搅拌器的直径正向关联，与容器的直径负向关联。轴－径流搅拌器组合系统的各层搅拌器直径均大于纯径流搅拌器组合系统，较大的搅拌器直径减小了搅拌器边缘到罐壁的距离，减小了流体速度衰减量，既提高了罐内换热器表面的流体更新速度又减薄了滞留层，因此能获得更高的给热系数，提高换热效率。
4　结论
综上所述，在抗生素发酵生产中采用新型轴流搅拌器和凹面叶盘式径流搅拌器组成的轴-径流组合搅拌系统，与纯径流组合搅拌系统相比，能够在功率相同的前提下，显著提高发酵罐内的宏观液流水平，改善微观液流水平，从而提高罐内的气-液传质水平、传热系数，实现罐内富营养区、富氧区和富菌群区的“三区重合”，使罐内微生物的生长代谢环境得到大大改善，促进产物的形成。
这一结论有助于突破大体积发酵罐设计中长期存在的技术瓶颈，对于解决大体积发酵罐设计中的放大难题是一种较好的选择。由于组合系统中的轴流搅拌器功率因数较低，实践中可以通过合理分配各层搅拌器的搅拌功率，以使在获得高宏观液流的同时，底层搅拌乃至全罐的微观液流水平也得到较大提高。其效果已经得到了实践的验证，目前在120 t、150 t、180 t、360 t发酵罐中运行良好。