攪拌技術(shù)--在制藥發(fā)酵工藝中的經(jīng)典應(yīng)用

發(fā)酵攪拌技術(shù)

攪拌器的主要作用

混合：將混溶的液體混合均勻，在整個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)形成均一的濃度分布。

傳熱：將發(fā)酵過程中產(chǎn)生的大量的熱量移出發(fā)酵罐 (冷卻盤管或者罐外螺旋板冷卻夾套等)

氣體分散：無菌空氣通過氣體噴射環(huán)或分布管引入發(fā)酵罐內(nèi)。攪拌槳必須能夠有效地將氣體分散到液體中去，以促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，生成最終產(chǎn)品。

槳型設(shè)計(jì) ：

必須兼顧剪切（有助于氣體分散到液體中去）和宏觀混合流動(dòng)兩方面。

槳型設(shè)計(jì)還應(yīng)充分考慮產(chǎn)品的特性，根據(jù)產(chǎn)品對(duì)剪切的敏感性的不同，可分別選擇高剪切攪拌槳或者低剪切攪拌槳。

高剪切型渦輪槳 – 適用于對(duì)剪切不敏感的產(chǎn)品

低剪切型渦輪槳– 適用于對(duì)剪切敏感的產(chǎn)品

生物制藥 －幾種特殊的無菌級(jí)發(fā)酵攪拌槳

發(fā)酵罐內(nèi)攪拌槳配置

某公司 120m³ 土霉素發(fā)酵罐現(xiàn)狀

設(shè)備的直徑為3800mm，直邊高度為9300mm，上下為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，全容積約120m³，裝料體積約100m³。設(shè)備內(nèi)設(shè)置六組換熱管，垂直布置。

發(fā)酵罐的攪拌器采用四層六箭葉圓盤渦輪，槳葉直徑1250mm，配備的電機(jī)功率為280kW，10級(jí)電機(jī)，采用皮帶減速，攪拌轉(zhuǎn)速分別為125rpm。

120m³ 土霉素發(fā)酵罐存在的主要問題

1、能耗分配問題

由于發(fā)酵罐的氣體進(jìn)口位于發(fā)酵罐的底部，底部攪拌器（即第1個(gè)攪拌器）的氣體剪切分散能力顯得十分重要，攪拌的能量耗散應(yīng)主要集中在此攪拌器，其他位置攪拌器的主要功能是維持氣泡的分散狀態(tài)和釜內(nèi)的宏觀混合及傳熱，能耗相對(duì)較小。而本發(fā)酵罐上下均為相同直徑相同形狀的攪拌器，消耗了同等的攪拌功率，顯然本發(fā)酵罐各攪拌器的能耗分配是不合理的，上面幾層攪拌器的剪切作用近乎于浪費(fèi)。

2、槳型選擇問題

原發(fā)酵罐的攪拌器采用四層箭葉圓盤渦輪，為常規(guī)的氣體分散攪拌器。該攪拌器為徑流槳，比較適合低粘體系小氣量的攪拌，當(dāng)氣體流量增大時(shí)，其葉片背面形成氣穴，表觀密度下降，攪拌器由于“打滑”而功率下降，氣體的分散能力削弱。右圖為實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，當(dāng)氣量到達(dá)1VVM時(shí)（單位體積液體中每分鐘通過的氣體量），圖中6DT攪拌器（即六直葉圓盤渦輪）的功率下降近25%，同樣六彎葉、六箭葉等圓盤渦輪的特性也基本相似。本發(fā)酵罐的通氣量約為0.96VVM，攪拌器的氣體處理能力已明顯下降。所以本槳型不合理。

3、流型問題

當(dāng)發(fā)酵液粘度較低時(shí)，其攪拌器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是氣體的分散，良好氣體的分散，可增加氣含率、減小氣泡直徑、提高容積傳質(zhì)系數(shù)，從而提高空氣中氧氣的利用率，減小氣體的需求量，節(jié)約能耗。但當(dāng)發(fā)酵液粘度較高時(shí)，發(fā)酵罐內(nèi)流體的宏觀混合問題就凸現(xiàn)出來，就有可能產(chǎn)生混合分區(qū)，氣泡盡管得到了局部的分散，但在整個(gè)攪拌槽內(nèi)得不到均勻的分布。所以，宏觀混合的問題在中高粘度發(fā)酵中與氣體的分散同樣重要。

右圖中彩色箭頭表示的是物料的流動(dòng)方向。可以看出，現(xiàn)發(fā)酵罐內(nèi)采用的是四層徑流槳，流體從攪拌器沿徑向發(fā)散，再從攪拌器的上下吸入，每個(gè)攪拌器均產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立的流型，從而產(chǎn)生四個(gè)混合分區(qū)，各混合分區(qū)之間的物質(zhì)與能量的交換受到了阻礙，宏觀混合比較差。

120m³ 土霉素發(fā)酵罐改造方案

1、合理分配各攪拌器的能耗

改造后本發(fā)酵罐的攪拌功率約為165kW，其中55%分配給底層的氣體分散渦輪DT604，主要用于氣體的分散；其余45%分配給上三層軸流攪拌器SP403，主要用于維持氣泡的分散狀態(tài)和釜內(nèi)的宏觀混合及傳熱，形成均一的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)，并有利于體系氣含率的提高。

六凹葉圓盤渦輪攪拌器

2、槳型選擇與流型改善

鑒于原發(fā)酵罐攪拌器存在的槳型和流型問題，我們認(rèn)為可進(jìn)行以下幾方面的改造：

上三層徑流槳改為SP403高效軸流槳，使整個(gè)攪拌槽內(nèi)成為一個(gè)混合區(qū)域，從而消除混合分區(qū)。此外，發(fā)酵罐內(nèi)每分鐘的循環(huán)次數(shù)約為5次，增強(qiáng)了氣泡的再循環(huán)能力，并可提高氣含率和氧氣的利用率。SP403為寬葉軸流槳，可以兼顧到氣液分散和宏觀混合兩個(gè)方面，這對(duì)于發(fā)酵工藝來說是至關(guān)重要的。SP403槳與傳統(tǒng)的六直葉圓盤渦輪相比，可提高傳質(zhì)30%；剪切率可降低75%，適用于對(duì)剪切敏感的發(fā)酵工藝；能耗可降低45%；能夠提高對(duì)剪切敏感的發(fā)酵工藝的得率；

底層六箭葉圓盤渦輪改為DT604六凹葉圓盤渦輪，可防止通氣后功率的下降，從而提高氣體的分散能力和大氣量的處理能力，并可減小對(duì)氣量的要求。DT604六凹葉圓盤渦輪徑向流槳，其葉片型式為最優(yōu)化設(shè)計(jì)的非對(duì)稱拋物面，與傳統(tǒng)的六半管葉片圓盤渦輪相比，不僅可以節(jié)能30%以上，而且還可以分散更多的氣體，并且不會(huì)產(chǎn)生大的壓降，通氣率對(duì)攪拌功率的下降影響較小。

攪拌器選擇：

120m³土霉素發(fā)酵罐攪拌器選型對(duì)比

攪拌機(jī)內(nèi)部情況	宏觀流場(chǎng)和溫度分布均勻性比較

1、氣體分散葉輪不同

索孚采用的氣體分散葉輪為六凹葉圓盤渦輪攪拌器，即DT604攪拌器，葉輪直徑為1250mm，葉片高度為250mm，凹面形狀為更符合氣穴行為的類拋物線曲面，采用專用模具壓制，通氣后功率變化很小，即功率對(duì)氣量變化不敏感，特別適合大氣量的分散。

DT604攪拌器氣含率高，氧利用率也高一些，估計(jì)還可能節(jié)約10%以上的通氣量，這是十分可觀的。

其它方案采用的氣體分散葉輪為六葉圓弧圓盤渦輪攪拌器，葉輪直徑為1250mm，葉片高度為120mm，凹面形狀為圓弧面，采用直徑為219mm的鋼管制造，通氣后功率變化相對(duì)較大，大氣量時(shí)攪拌器背面容易產(chǎn)生氣穴，導(dǎo)致“打滑”，氣體處理能力下降；

2、功率分配不同

六凹葉圓盤渦輪攪拌器	CFD流場(chǎng)模擬圖

由于發(fā)酵罐的氣體進(jìn)口位于發(fā)酵罐的底部，底部攪拌器（即第1個(gè)攪拌器）的分散能力顯得十分重要，攪拌的能量消耗應(yīng)主要集中在此攪拌器，其他位置攪拌器的主要功能是維持氣泡的分散狀態(tài)和釜內(nèi)的宏觀混合及傳熱，能耗相對(duì)較小。

杭州索孚方案中的氣體分散葉輪功率占總能耗的55%左右，達(dá)90kW。

DT604的設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以進(jìn)一步改進(jìn)，如采用傾斜的DT604，具有一定的軸流能力，增加底部物料混合效果，也可適當(dāng)再減小功率。此外，氣體分布管的位置也很重要，一般位于2/3槳葉直徑處。

其它方案中的氣體分散葉輪功率占總能耗的45%左右，僅為73kW，氣體分散能力明顯較低，攪拌器的能耗分配方案不合理。

3、發(fā)酵罐內(nèi)的流型不盡相同