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发酵系统设计沉点内容论述及分析2023-11-13

发酵工程因其诸多良好特质，在医药工业、食品工业、化工、冶金、废水治理等很多领域都得到了宽泛的利用，尤其在造药工业的抗生素出产、生物药出产、氨基酸出产中不成或缺，逐步形成了规模重大的工程市场。因而，对发酵工程技术的钻研和设计的优化，就变得极度必要。但愿本文下面对发酵工程设计沉点内容的论述、难点问题的分析、多年累积优化经验的分享，能给有关技术人员带来价值和援手。

1 发酵罐设计

1.1 发酵罐分类及根基结构

除少数厌氧反映器表，发酵设备通常多为需（好）氧微生物反映器，又称通气式发酵罐。通气式发酵罐凭据搅拌大局的分歧又分为机械式搅拌和气升式搅拌发酵罐。气升式搅拌适合维生素C、动植物细胞等低耗氧种类，目前国内适合这种搅拌的产品较少见。通气式机械搅拌发酵罐又被称为通用式发酵罐，绝大部门种类均选取该类发酵罐进行出产。本文沉点论述该类发酵罐及其系统配置设计。

通用式发酵罐是最常用的需氧微生物反映器，它重要由罐体、裙座、电机、减速机、搅拌器、挡板、空气散布装置、轴封换热器、内部换热器、表半管夹套等部件组成，详见图1。

1.2 发酵罐设计的沉点

1.2.1 单罐体积和数量简直定

A.发酵罐体积简直定

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图1 酵罐结构

必要凭据年产量、放罐周期及批次、出产种类、造就基的性质、菌种需氧量、搅拌装置水平、动力匹配性、劳动出产率要求等成分综合确定。

首先，发酵罐设计必要思考规模经济，即在亏损一致能耗情况下，可能有较多的产出。同时，凭据发酵周期思考每天放罐的合理批次，以求降低能耗，节俭人力。刷新工程还要思考与原厂区动力系统的匹配情况，如原厂区的空压系统压头、冷水系统压力等，以利于并网安稳运行，削减备机。

其次，在规模经济以上，还要思考染菌的风险。单罐容积越大，一旦染菌，造成的损失也越大。造成染菌的成分较多，例如，种子带菌、操作失误、设备管路阀门泄漏、消毒不彻底等，很难绝对杜绝。

对提取车间能力的匹配性和投资强度也要进行综合考量，提取负荷越均匀，提取车间投资越经济，人力使用越合理。总之，在设计过程中，确定发酵罐体积，必要多成分综合考量。

目前，国内厂家出于降低投资和出产运行成本的思考，偏差于发酵罐的设计越大越好�？凸凵�，搅拌系统配置水平的提高，设备造作水平的提升，使溶氧水平能较易得以保障，发酵罐容积适当增大对溶氧产生的不利影响不显著。因而，国内某些氨基酸类的种类，例如谷氨酸、赖氨酸等最大发酵单罐做到了800立方米。但这些产品通常为兼性好氧，发酵液较稀，通气比低，对氧需要低。对于氧需要较高的种类，大发酵罐对发酵整体出产水平还是有显著影响的。因而，这类产品发酵罐容积还需综合思考比选确定。

通过对国内某种类出产厂家调研，得到的比选数据。这个种类的特点是发酵液对溶氧量需要较大、产热较高，发酵液的性质也使溶氧难题。通过比选可知，156 m3发酵罐对该种类较530 m3发酵罐更具综合优势，并非罐体体积越大越好。

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表1 某种类工程关键设备选型比选表

B.发酵罐台数确定

需思考年产量、发酵周期、发酵单罐容积、出产工艺、厂房构筑前提、提取设备能力匹配、工人技术素质等综合成分确定。

具体凭据年产量、发酵周期（天数），出产辅助（放罐、洗罐和检建、灭菌、冷却等）功夫，结合发酵单罐容积，来确定发酵罐总台数。同时，也要思考发酵液的性质和提炼设备的处置能力，做到综合运行负荷平衡。为了平衡出产，出产厂家大多选取24幼时放1～2罐。例如发酵全周期为8天（含辅助功夫），1天放1罐，则设计为8台发酵罐。也能够设计为1天放2罐，选择16台发酵罐。

1.2.2 高径比的选择

A.通用式发酵罐的高径比领域通常为H/D=1.75～3.0;

H/D=2～2.8更为多见；

高径比的选择也要进行综合思考。高径比大，使空气在发酵液中有相对长的停顿功夫，能提高液体中的溶化氧，有利于发酵产品的天生。但较高的罐高，必然要求提高发酵罐空气入口压头，以保障进气压力大于发酵液柱静压加发酵操作罐压之和，这样空压机的出口压力也必随之增大，从而使空压机电耗增长。凭据经验数据，一些大型离心空压机每增长0.01 MPa压头，则空压机的耗电量增长5%左右。

通常，对于容积较幼设有设备法兰的种子罐，由于结构上的原因，其高径比受到限度，通常只为1.75～2.0。罐直径大于蹬宗1.2 m的发酵罐，封头直接焊在筒体上，上封头设置人孔，可装置搅拌轴的中央轴承，因而此类发酵罐的筒身高径比可适当提高，多为2.0～3.0。发酵罐容积增大到肯定水平，受综合成分影响，发酵罐通常由细长型逐变为矮胖型（H/D削减）。国内实际较成功的150 m3发酵罐型，其高径比为2.75，而典型500 m3发酵罐的高径比为2.3。

B.发酵罐直筒段高度绝对值不宜过高。

近年来新建发酵罐容积趋向大型化，从50 m3、120 m3、150 m3几种成熟罐型，一向扩增到300～500 m3罐，甚至更大。但综合思考空压机经济运行的压力保障、构筑物通例高度节造等成分，罐体直筒高度绝对值通常不宜超过15 m。

1.2.3 搅拌流场技术规划及系统配置

A.搅拌流场技术规划

搅拌过程是通过搅拌器向发酵罐内输入机械能，助力动量、热量和质量的传递。因而，形成气泡打碎均匀、喘流水平高的全釜混流成效是我们要钻营的梦想状态，其将利于三个传递的优良实现。经过多年来的钻研了局和实际经验，目前多选取底部径向流，整体轴向流的流场技术规划。

发酵罐的搅拌层数凭据罐体高度通常设为2～4层，最底部应选用径向流式的搅拌叶，上部几层选用下压式轴向流式的搅拌叶。基层搅拌起到打碎气泡的作用，并产生径向流使流体径向扩散，向周围运动，上面几层搅拌产生轴向流使流体沿轴向向下运动，罐壁左近流体向上运动，从而整体形成一个喘动的循环流动。其中，底层搅拌的功率准数最高，搅拌亏损功率超过上面2层或3层的总和。

B.搅拌叶大局配置

目前底层经向流搅拌配置多选取非对称抛物线圆盘涡轮搅拌器或者半圆管圆盘涡轮桨，上面1～3层多选取四宽叶旋浆式轴流型搅拌器，详见图2。

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图2 搅拌器大局选择

桨叶直径与发酵罐直径比值d/D为。桨叶直径的大幼及搅拌转速的设定，是影响搅拌功率的两个关键成分，也是影响氧传递系数的最敏感成分。

C.通气管大局配置

发酵罐的通气通常均由罐体底部通入，空气分配管常选取三种方式。

第一种为单管式。其出口地位于底部搅拌的正下方，开口向下，同时可起到翻滚沉积于罐底的固体物料作用。其结构单一，被宽泛利用。

第二种为环形空气散布管式。装置时环形散布管的中心应正对搅拌轴中心，并水安全插。在散布管高低、左右均开有φ5～8 mm的幼孔，开孔尺寸能够凭据发酵液性质适当缩放。

第三种为旋流混合器或喷射搅拌器。旋流混合器根基道理是利用压缩空气自身的静压能，使空气喷射产生对周边流体的抽吸带作为用，转化为高速旋转的气液混合流，并呈径向旋流产活泼能，在旋流混合的过程中，增长空气和发酵液接触表表积及停顿功夫，提高发酵空气利用率；喷射搅拌的根基道理是当压缩空气通过进口管路进入喷嘴时，会产生高速运动，并在喷嘴中心形成一个低压区域。此时，发酵液被注入到低压区域中，与气体产生湍流和剪切，实现了发酵液与压缩空气的均匀混合。这两种方式都能够做到空气和液体在发酵罐底部混合充分，其中气泡直径微幼，呈乳化状态，空气利用率提高。比传统发酵溶化氧提高5%～20%或发酵电耗降低5%～30%。

在现实设计中，对是否选用节能混合器，要从菌种、发酵液性质等综合思考。例如阿维菌素发酵罐使用这种方式，节电可达30%～40%，发酵单元提高3%～5%。而某些种类在节电上虽有降低，但幅度并不大，发酵单元也没有提高，一次性投资却有较大增长，性价比不高，就不愿定选用。

1.2.4 换热装置设计

温度是影响微生物出产发育及代谢活动的沉要成分，换热装置的设计对节造温度起着决定性作用。

A.换热器的常用大局

夹套式换热装置：

罐表部配上夹套，夹套内通冷却水，夹套高度比液面高度稍高即可。这种装置多用于容积较幼的种子罐、发酵罐。利益：结构单一、加工容易，罐内死角少，容易进行洗濯灭菌；弊端：传热系数低，降温成效差。

竖式“蛇管”换热装置：

这种装置是将竖式U型管分多组装置于发酵罐内，内通冷却水。凭据罐体直径和高度，分组数分歧。容积在5 m3以上的发酵罐多选取这种换热装置。利益：冷却水在罐内流速大，传热系数高；弊端：必要更多的设备投资，结构详见图3。

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图3 竖式“蛇管”换热发酵罐示意图

水平螺旋环管换热装置：

这种装置是以多组同心圆环组成的换热管回旋结构装置于发酵罐内，内通冷却水。利益：在体积肯定的发酵罐内装置水平螺旋管可得到更大的换热面积，传热系数高；可在设备灭菌时排净管内冷媒，提高灭菌效能，节约蒸汽；环管可高凳字组安插，凭据罐内物料体积矫捷使用。弊端：增长肯定的设备投资成本。结构详见图4。

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图4 水平螺旋管换热发酵罐示意图

B.换热面积推算及分析

发酵的冷却面积推算可由下式得出：

式中F——换热面积；

Q——发酵热；

Δtm——发酵液与冷却水间的均匀温差。

发酵热肯定，若是换热面积设计较大，则Δtm能够较幼，则使用循环水的周期可耽搁，切换使用低温水的周期可变短，从而节约出产成本。通过选取水平螺旋管换热装置，由于其传热系数高，换热面积大，在内蒙某项目实际中，整个夏天发酵车间一向使用循环水，未切换使用低温冷水，动力用度显著降低，成效优良。

在换热器配管设计中，应选取多组并联大局，使Δtm值更低，这种设计更利于降低出产运行成本，提高经济效益。

2 发酵系统配置设计

发酵出产从流程上可划分为配料系统、发酵系统、过滤系统三个单元。发酵系统自身又可划分为种子造备、发酵造就、生物生化检验三个部门。从发酵运行及管路配置思考，涉及空气系统、蒸汽系统、冷却水系统、排气系统、物料系统五个系统。本文沉点就这五个系统配置设计进行论述。

2.1 总体设计准则

发酵车间的管路安插要切合化工、通常造药管路的要求，如：尽可能使管线最短，阀件至少；便于装置、检建和操作治理。管路通常选取明线敷设，装置用度低，检建装置方便，操作人员容易把握管路的分列和操作。

除此之表，发酵车间的特殊性在于需思考管路安插是否切合无菌出产的要求，即保障蒸汽对物料管路灭菌时通顺无阻，无死角等。

2.2 各系统配置重点

2.2.1 空气系统配置

发酵罐使用的压缩空气，经过粗过滤器进入无油空压机造备，经空气冷却器、气水分离器进行冷却、除水，再通过空气加热器将温度较低的空气加热到适合进入发酵系统的空气。

A.空气系统配置：

第一种规划是发酵车间的空气经过总过滤器再分散到分歧的发酵罐，每一个发酵罐设空气的预过滤器和精过滤器，在消毒蒸汽进过滤器的时辰，蒸汽要先经过蒸汽过滤器。

第二种规划是发酵车间取缔总空气过滤器，每一发酵罐别离设置三级过滤，即初效过滤器、预过滤器和精过滤器。

第一种规划更经济；第二种规划在使用中越发矫捷，各罐能够随时更换第一级过滤器滤芯。

B.空气系统设计关注沉点：

要节造进初效过滤器（或总空）前的相对湿度；

空气总管路及总空气过滤器预防积水；

空气系统预防气液倒流；

空气系统在车间设置两路总管时必要设置联通管路。

2.2.2 蒸汽系统配置

A.蒸汽系统配置：

蒸汽管路通常用于设备、管路的消毒灭菌。蒸汽供给分为湿鼓和蒸汽、鼓和蒸汽和过热蒸汽。这三种蒸汽质量分歧，在具体使用上，灭菌操作及成效也分歧：湿鼓和蒸汽因含有水分，热含量低，热穿透力差，灭菌效能低，因而，在灭菌时要适当耽搁功夫；过热蒸汽，温度高于鼓和蒸汽，穿透率低，灭菌效能低；鼓和蒸汽的成效相对最好。整个蒸汽系统在配置时要做成“活蒸汽”，即时刻使消毒管路的蒸汽处于少量通气状态。全数蒸汽管路应无死角，预防冷凝水的荟萃，造成杂菌的传染。

B.蒸汽系统设计关注沉点：

蒸汽总管路该当选取并联大局或蒸汽分配站大局，最常用的是蒸汽主管进入蒸汽分配包后再进入各蒸汽系统；

连消系统与发酵罐消毒系统蒸汽分隔；

灭菌系统与非灭菌系统（公共系统）蒸汽分隔；

进罐前设置总节造阀，尽可能预防终场总系统更换阀门；

蒸汽系统加水规划必要慎沉选择，必须设置报警及自控系统；

2.2.3 排气系统配置

A.排气系统配置：

排气分为消毒排气和发酵排气。消毒排气是指在消毒过程中满足灭菌压力要求后排掉的乏蒸汽。消毒排气通常情况下是高温的，因而，必要进行冷却处置后能力排入尾气处置系统。发酵排气通常情况下是在发酵造就过程中的排气，为夹带微生物代谢物、发酵液、二氧化碳的废气。该排气压力较低，气量较大。因而，两种排气系统必要分成分歧的分支别离处置。

B.排气系统设计关注沉点：

消毒尾气应在操作面分隔设置，且消毒排气管径低于正常排气管径；

排气需进入旋风分离器进行气液分离后，方可进入尾气处置系统；

消毒尾气与正常发酵排气不串接，预防消毒排气倒灌进入正常出产的发酵罐等无菌出产设备内部；

2.2.4 冷却水系统配置

A.冷却水系统配置：

冷却水按用处罚为通例发酵过程冷却水、灭菌后降温冷却水。凭据出产工艺节造温度的需要，无数情况下，发酵过程冷却水必要配置循环水冷却水和低温冷却水两个系统，用于出产时切换使用。

B.冷却水系统设计关注沉点：

灭菌后冷却水系统是否单独设置冷却水塔及相应管路系统，必要凭据具体情况而定。通常倒佧体系统规模较幼，而单罐体积较大情况下，应单独设置。在南方地域，循环水温度极度敏感，稍高会影响整个厂区出产，这种情况也应单独设置为宜。

蛇形换热管设计，内部冷却水流速节造在0.5～1米/秒，进出口温差节造在4～7℃为宜，为较经济数据。

2.2.5 物料系统配置

A.物料系统配置准则：

管线安插应尽量短，预防物料管内滞留；

管线分支管处尽可能上弯，并使阀门装置尽可能靠近主管，预防存料；

物料管路应预防泄漏和死角�？抗抟环Ь×靠拷薇�，以免积液形成死角，一阀与二阀之间收受尽量短，并接蒸汽管路，以利于灭菌；

不把物料无菌管路当作排污管使用，不做压出洗罐水、染菌液使用；

不用的物料管路必要实时割除，无菌物料管路要保障蒸汽通顺；

B.物料管路系统设计关注沉点：

发酵车间移种、补料系统管路出产过程中应始终处于无菌状态，与发酵罐衔接处的管路也均需处于无菌状态，必要选取“活蒸汽”灭菌。

这些无菌管路的材质通常为无缝不锈钢管，且需进行内抛光。

阀门选择通常选用可更换密封面的抗阀。

与物料管线相连的蒸汽管线通常使用的是碳钢管路，因而，与不锈钢物料管衔接处用两片法兰分隔为宜，橡胶板或聚四氟乙烯板做分界面。

移种管路系统的设计分为两种方式：移种主管式和分配站式。这两种方式各有优弊端，若何选择也要尊沉甲方的操作习惯。两种方式见图5和图6所示。

选取主管大局是从种子罐的移种总管直接到各发酵罐。利益是各个移种支管比力短，管路用量幼，用度低。弊端是由于总管较长，对发酵的种子液浪费比力多；在操作上由于各个阀门相对较远，人员走动比力多，操作容易出现误差；在灭菌操作的时辰，各个支管根部和总管衔接处容易形成死角。

分配站大局是将各级种子和发酵罐之间的移种阀门集中到一路，各个移种支管衔接到一个较短的主管上。不进行操作时，主管处于蒸汽汽封状态。其利益是实现了移种的集中操作，削减了人员的操作距离，较为方便，误差削减。选取这种大局，发酵液浪费比力少，灭菌的成效也比力靠得住。其弊端是由于支管比力长，管路总长耗量比力大，占的空间也比力多。

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图5 移种主管管方式

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图6 分配站方式

发酵分配站的阀门通常应安插在主管的上方，预防支管的根部存残种子液造成传染。另表一种方式是选取三通阀衔接大局，三通阀本体作为主管，三通阀支管作为移种管路，管路可直接向下接出。

补料管路同样分为主管式和分配站式。补料主管式由于操作面对美观性的要求、操作的便捷性、装置等都存在着肯定的局限性，此刻的设计上使用较少。通常推荐分配站式补料设计。

无菌管路将整个发酵厂房的设备衔接起来，对整个发酵车间的设计是极度沉要的，同时也是进行无菌出产的基础。无菌管路的设计规划要凭据具体布局、出产规模、甲方操作习惯等综合思考。

3 发酵出产自动化及节能设计

3.1 发酵出产自动化节造设计

发酵出产过程是微生物次级代谢的生化反映过程，机理复杂。出产工艺蕴含生物技术，化工技术。部门过程参数既互有关联，又相互造约。且出产过程涉及无菌操作，实现齐全自动化有较大难度，并需支出较高投资。但是，自动化节造的优势和必要性也极度凸起，是发展的必然趋向。

发酵车间的自动化节造和监控点重要蕴含：发酵温度、发酵罐压、空气流量、灭菌、消沫、pH值、补料、移种、溶氧、搅拌转速等。其重要特殊点是无菌概想。物料系统需选取卫生型阀门和仪表，预防藏污纳垢。且由于物料和空气管路需高温高压蒸汽灭菌，仪表和阀门管件还要选择耐温、耐压的型式。

随着国内自动化领域的发展，一些先进发酵出产线已实现全过程自动化节造。自控系统多选取分散节造、集中操作、分级治理、组态方便的方式，即DCS方式。

发酵车间自控难点在于灭菌操作全自动化节造。自控灭菌的利益是灭菌过程中造就基温度节造一致性好，造就基的粉碎水平均匀性强，又能降低人为劳动强度和节俭劳动力，还能削减报答不确定成分导致灭菌失败的风险。出现异常情况时，利用DCS系统能够做出迅速反映，缩短处置功夫。采取全自动灭菌也出弊端：由于大量自控阀门包办手动阀门，导致投资额较大。另表，全自动灭菌对操作人员的素质要求有所提高，出现故障，要求操作人员可能迅速判断异常，迅速解决自控系统出现的问题。

在设计过程中是否选取全自动节造系统，要凭据业主的投资预算、发酵规模、项目本地操作人员素质、种类特点等综合成分决定。随着我国自控软硬件水平的不休提高，人为成本的不休增长，劳动力欠缺情况的出现，以及其他等诸多成分的影响，全自动化节造规划必将成为发酵工厂设计的趋向。图7为典型发酵罐自控流程图。

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图7 典型发酵罐自控流程图

3.2 发酵车间节能设计

发酵工业是高耗能产业，随着能源价值的持续提高，动力成本占出产成本的比例可达40%～55%。所以，在发酵工厂设计时，越来越注沉选取节能设备和节能工艺。例如，在近期一些项目设计中，选取永磁电机、磁悬浮空压机等节电设备已比力常见。又例如，在空压机站的设计中，用从离心空压机出来的高温压缩空气与要升温的压空（除湿以来的压缩空气）换热，达到回收热量，节俭蒸汽的主张。

目前，发酵车间比力盛行的工艺节能措施，当属选取热互换利用的高温高压急剧连扑灭菌装置包办实罐消毒。

其具体规划是（1）在连消系统选取预热器，用消后高温物料作为预热器热源，一方面物料经过预热器升温可节俭消毒蒸汽的用量，同时，将消后高温物料送到预热器里给低温的物料做预热热源，可使其出料温度将至50～60℃，也降低了循环水对其进行冷却的负荷，两全其美。（2）为了进一步提高节能成效，并降低物料粉碎水平，也可选取高温急剧灭菌新型连消工艺装置。图8为该种节能型连消装置流程示意图。

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图8 节能型连消装置流程示意图

注沉回收废蒸汽，也是当下节能设计中的一个方面。

发酵过程中的废蒸汽重要蕴含：排气管路在灭菌过程中排气，发酵车间无菌维持时的幼排气（幼辫子）中的废蒸汽。对这些废蒸汽的网络利用，用于预热配料水水温，也能够达到肯定水平的热量回收。同时，也能够降低废蒸汽乱排对车间环境带来的温度升高、湿度增大等不利影响。图9为消毒尾气回收流程示意图。

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图9 消毒尾气回收流程示意图

4 结论

本文对发酵设计的沉点及难点问题进行了论述和分析。指出：发酵关键设备的设计水平以及发酵出产系统配置水平是决定整个发酵系统是否先进的两个沉要方面；发酵罐的容积规模是否相宜、高径比选择是否合理、搅拌流场技术是否先进、换热装置是否高效，是发酵罐设计需关注的四个关键点；空气系统、蒸汽系统、冷却水系统、排气系统、物料系统为发酵出产的五个重要配置系统，应该紧紧萦绕无菌保障、安全保险、低成本运杏注节能高效、守护方便的总体准则，凭据分歧系统的特殊性，别离做好每一个系统的设计；发酵全自动化节造出产是未来工程设计发展的必然趋向，每一个工程自控水平简直定，需凭据工程的具体情况做出切合现实的选择。

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