改變青霉素發酵罐的攪拌形式來提高發酵單位

房新連

【摘要】目前，帶攪拌的青霉素發酵罐是醫藥領域中常用的反應設備，它是在一定壓力和溫度下借助攪拌器將一定容積的液體或氣體物料混勻促進其反應的一種設備。對于青霉素的發酵而言，怎樣充分利用溶解在發酵液中的氧氣是提高發酵單位的關鍵所在，為此本文從改進青霉素發酵罐的攪拌形式方面對如何提高發酵單位進行了系統的論述。

【關鍵詞】發酵罐；攪拌器；攪拌形式；發酵質量

【中圖分類號】TQ027.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672—5158（2013）01—0343—01

在青霉素的發酵生產過程中，一直使用的是發酵罐單層直葉攪拌方式進行發酵，這種攪拌形式有很大優點如結構簡單、安裝成本較低，但由于只采用位于發酵罐底部一層攪拌器，隨著從發酵罐底部進來的高壓空氣的大量涌入，一層攪拌顯然并不能將高壓空氣充分打碎于水中，導致發酵單位質量不高，由此可見，改變發酵罐的攪拌形式充分利用罐內氧氣才是提高發酵罐發酵單位的重點。

一、改變發酵罐攪拌方式的必要性

1、攪拌器對青霉素發酵工藝的影響

發酵罐的罐壓維持微正狀態可以避免負壓時造成的染菌，也能延長氧在發酵液中的停留時間，但是如將罐壓從微正狀態提高時將不利于廢氣的排除和發酵液內氧的傳遞。在這種情況下就不能單一考慮用增大空氣流量的形式來提高供氧濃度，因為這樣會帶走更多的揮發性有機酸對產生菌的代謝十分不利，同時隨著發酵液黏度的上升，還會影響液體的湍動程度和氧從氣相傳遞到發酵液中的液膜阻力，使氧的傳遞阻力增大。除此之外，在發酵液粘度較大的時候還會使氣液接觸的總面積降低。因此為了消除過多的泡沫就要耗用大量的消沫劑。但是要注意消沫劑的用量如果過多時，不但不能消除泡沫反而會引起泡沫的調節失控最終導致異常發酵，從而給青霉素的生產工藝造成不可挽回的損失。綜上可見在青霉素發酵工藝中并不提倡一味地增大空氣流量，而應當調整攪拌器的轉速，以便滿足不同產生菌及其在不同生長代謝階段對溶氧的需求。但是，如果攪拌器的轉速過高，不僅溶氧濃度趨向飽和，并且浪費能源，還容易損傷菌體形態和產生過多的泡沫。

2、發酵罐的攪拌方式改變的必要性

青霉素是青霉菌在發酵代謝過程中產生的次級代謝產物，青霉素生產菌種是決定生產能力的內在因素，所以對青霉素的發酵過程進行有效控制就顯得非常重要。目前為了不斷降低消耗和制造成本，提高青霉素的發酵水平，很多企業都在不斷改革工藝進行設備上的優化，以達到高產的目的。青霉素菌種的發酵水平與原材料和種子制作工藝等都有關系，還有一個重要因素就是設備。發酵罐指工業上用來進行微生物發酵的裝置，其主體一般用不銹鋼板制成，在設計和加工中應注意結構的嚴密性及合理性。發酵罐能耐受蒸汽滅菌，有一定操作彈性而且物料與能量傳遞性能強，并可進行一定調節以便于清洗及減少污染，適合于多種產品的生產以及減少能量消耗。一個優秀的生物反應器必須能提供微生物所需的各種條件，而其中溶解氧是重中之重，而攪拌又是提高溶解氧所必須的手段，所以若改換成更高效的攪拌形式則溶解氧水平肯定會提高，從而使發酵水平在一定程度上提到最高。

二、發酵罐新型攪拌方案的選擇

青霉菌是一種好氧菌，它的生長代謝和合成青霉素都需要充分的氧供給。所以在現有空氣供給條件下及限定的攪拌功率下提高溶氧水平，可通過優化改進攪拌系統達此目的。目前可運用力學、流體力學等從現有生產晴況分析人手，不斷改進氣體分散狀態液體混合，使氣泡得運動形式達到提高供氧能力的目標。通過分析和不斷試驗發現U型攪拌器的攪拌效果非常好，能夠在在攪拌電流略低和空氣流量不增的情況下提高了溶氧水平。

1、三層U型攪拌設計方案

攪拌器是一種使液體、氣體介質強迫對流并均勻混合的器件，攪拌器的類型、尺寸、轉速、功率等參數對介質的攪拌混合效果有著非常重要的影響。不同的攪拌過程需要由不同的攪拌裝置運行來實現，在設計選型時首先要根據工藝對攪拌作業的目的和要求確定攪拌器的類型、電機功率、攪拌速度，然后選擇減速機、機架、攪拌軸及軸封等各部件。在青霉素的發酵罐中，新的發酵罐攪拌形式把原來攪拌器的一層攪拌增加到了三層，并且將原來直葉形式的攪拌方式改為“U”型，這樣的實際處理能夠大大增加發酵液中的氧氣濃度，減少了由于增加兩層攪拌葉所帶來的增加運轉電流，而且U型攪拌葉的運轉電流比直葉型小，如此設計為發酵罐的充分發酵提供了技術上的有效支撐。

2、設備設計要求精確

在進行設計時必須對工藝給定外的隱含條件進行綜合考慮，對構件的形式也要進行合理的選擇以做到數據精確。在青霉素生產中采用的攪拌器設備在生產過程中所起的作用非同小可，所以要求設備的形狀、尺寸和結構型式也要非常精確，所以對攪拌器進行優化合理的設計是非常重要的—件事。在具體的設計中要注意熟練掌握攪拌器的基礎知識和工藝特性才能設計出符合要求的新型攪拌器。

3、三層U型攪拌設計的可行性研究及優勢

每一種方案的選擇必須經過充分的論證之后才能被采用，U型攪拌設計是在選取了充足的實驗材料下，對單層直葉形式和三層U型進行了充分的比較下進行的選擇。

3.1 可行性研究

實驗方案選取的是在100噸發酵罐上分別裝上兩種不同形式的攪拌器，分別運轉四個批次，對其最后放罐效價及指數做對比分析。經初步分析，采用U型攪拌設計能夠提高發酵罐的溶解氧將發酵水平提高了1.5%，但是由于只測試了U型攪拌葉在運轉過程中的電流比直葉攪拌形式小，而未考慮到啟動瞬間的電流大小問題，導致在第一次啟動安裝U型攪拌的發酵罐時，由于啟動電流過大，造成電機燒毀。為此在進行實驗時要充分運用調頻器來達到對攪拌轉速的控制。把安裝了U型攪拌葉的發酵罐批次用調頻器進行轉速控制，使之在開啟攪拌的時候緩慢轉動，這就會使得啟動瞬間的電流由于攪拌轉速的降低而大幅降低，從而保證電機的實際電流為額定電流之下。從所得的實驗數據上看，采用原來單層直葉攪拌所得的平均發酵指數明顯低于安裝新式U型攪拌發酵罐所得的平均發酵指數，由此證明新型設計能夠提高發酵生產水平，能達到預期的提高生產水平的目的。

3.2 U型攪拌設計的優勢

在機械攪拌通風發酵罐中，攪拌所消耗的能源占發酵全過程的一半左右，所以在機械攪拌通風發酵罐內強化通風就能使加速發酵罐的溶氧過程，并且能夠有效的降低發酵能耗。采用U型攪拌器能夠強化發酵罐內的氣體分散，所以在設計時要合理設計各層攪拌器的直徑。U型攪拌器比傳統的機械攪拌通風發酵罐能耗上能夠降低很多，還提高了溶氧效果及發酵水平。傳統青霉素的發酵罐攪拌大多數都是多檔攪拌才能達到發酵溶氧的要求，但是通過實驗我們可知發酵液中的溶氧水平主要取決于發酵罐底檔攪拌氣液的混合效果。經改進攪拌器結構形式，就可以在罐底部使氣液達到充分的混合，從而使氣泡直徑達到微型化直至乳化狀態，這樣就能更有效的提高溶解氧。

結束語

總而言之，由于青霉素的不同產生菌與不同生長代謝階段對攝氧量的要求不同，加之攪拌器轉速對溶氧濃度的重要性，所以要加大對青霉素發酵罐的傳統攪拌形式進行技術改造的力度。由此通過青霉素生產發酵罐攪拌器的改造來實現節約能源和提高發酵單位的作用。