變頻器在發(fā)酵罐中的節能應用

1 醫藥與生化企業(yè)的前期生產(chǎn)工藝現狀

目前在國內醫藥、生化企業(yè)的生產(chǎn)中，大多數廠(chǎng)家的前期生產(chǎn)工藝發(fā)酵罐采用傳統的恒定轉速攪拌器來(lái)攪拌發(fā)酵液。這種攪拌器的轉速是根據產(chǎn)生的菌種特性及產(chǎn)生菌在不同生長(cháng)代謝階段的攝氧要求的最高轉速設定的，并且是按照整個(gè)發(fā)酵罐滿(mǎn)負荷(發(fā)酵罐盛滿(mǎn)發(fā)酵液)的狀態(tài)下選擇電機額定功率的，而在實(shí)際生產(chǎn)中為了防止攪拌過(guò)程中產(chǎn)生的泡沫溢出罐外，罐內實(shí)際液位通常都在設計容積的70%以下，因此攪拌電機經(jīng)常在輕載工況下運行。本文針對國內發(fā)酵生產(chǎn)中存在的這一典型問(wèn)題，討論了變頻器在這一領(lǐng)域的應用情況。

2 發(fā)酵罐攪拌器的轉速與產(chǎn)生菌生長(cháng)代謝的關(guān)系

2.1 發(fā)酵工藝

發(fā)酵工藝是產(chǎn)生菌種在適合的培養基、PH值、溫度、通氣和攪拌等條件下進(jìn)行生長(cháng)與合成的代謝活動(dòng)。發(fā)酵工藝的持續時(shí)間與發(fā)酵液內氧的傳遞能力、營(yíng)養物質(zhì)的消耗程度、有毒性和有抑制性化合物的形成及菌種的物質(zhì)特性有關(guān)。其中通氣和攪拌功能是給產(chǎn)生菌提供生長(cháng)代謝活動(dòng)的氧源，而攪拌器的功能則是在發(fā)酵液通氣的條件下，將空氣打碎成小氣泡，使其均勻分布在發(fā)酵液的各個(gè)角落，增加氣液接觸的有效面積，使發(fā)酵液隨攪拌葉轉動(dòng)形成渦流并提高其湍動(dòng)程度，以減少菌絲因缺氧而產(chǎn)生結團現象，使氧的傳遞面積增大，延長(cháng)氧在發(fā)酵液中的停留時(shí)間，達到增加產(chǎn)量的目的。攪拌罐簡(jiǎn)單原理如圖1 所示。

2.2 攪拌器轉速對發(fā)酵工藝的影響

發(fā)酵罐的罐內壓力維持微正狀態(tài)雖然可以避免負壓時(shí)造成的染菌和延長(cháng)氧在發(fā)酵液中的停留時(shí)間，但是還應當考慮到，如將罐壓從微正狀態(tài)提高時(shí)，既不利于產(chǎn)生菌代謝時(shí)廢氣的排出及氧在酵液內的傳遞，又增加了設備的負荷，同時(shí)還提高了有害氣體的溶解度。在這種情況下，如果單一考慮增大空氣流量來(lái)提高供氧濃度，將會(huì )加快發(fā)酵液水分蒸發(fā)，隨之也會(huì )帶走更多的揮發(fā)性有機酸等其他的中間產(chǎn)物，對產(chǎn)生菌的代謝十分有利。

但同時(shí)，發(fā)酵液的黏度會(huì )上升，這會(huì )影響液體的湍動(dòng)程度和氧從氣相傳遞到發(fā)酵液中的液膜阻力，使氧的傳遞阻力增大。此外，發(fā)酵液粘度較大時(shí)，泡沫將劇增而穩定，且不易破裂，使氣液接觸的總面積降低。因此，為了消除過(guò)多的泡沫就要耗用大量的消沫劑。但是，消沫劑用量過(guò)多時(shí)，不但不能消除泡沫，反而引起泡沫調節失控，使PH值波動(dòng)，最終導致異常發(fā)酵，造成不可挽回的生產(chǎn)工藝損失。由于空氣在發(fā)酵液中滯留的時(shí)間有限，對溶氧濃度的影響也將遠小于對攪拌器轉速的影響。

由此可見(jiàn)，在發(fā)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(mǎn)足不同產(chǎn)生菌及其在不同生長(cháng)代謝階段對溶氧的需求。

但是，如果攪拌器的轉速過(guò)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(tài)和產(chǎn)生過(guò)多的泡沫。

3 變頻器在發(fā)酵生產(chǎn)中的應用

根據不同生產(chǎn)菌種與不同生長(cháng)代謝階段對攝氧量的不同要求及攪拌器轉速對溶氧濃度占據的主導地位，對發(fā)酵罐的傳統攪拌器進(jìn)行技術(shù)改造非常必要。通過(guò)改造工程，使發(fā)酵工藝中攪拌器轉速、通氣量、溶氧濃度和罐壓等工藝參數有機結合，促使產(chǎn)生菌的生長(cháng)代謝條件達到最佳狀態(tài)。

在生產(chǎn)初期可以將電機頻率調低，大約在35 Hz就可以滿(mǎn)足溶氧、壓差等技術(shù)參數要求，隨著(zhù)培養時(shí)間的加長(cháng)可以將頻率逐漸提高，最后在培養階段達到以工頻運行的狀態(tài)。

設備額定參數為電機AC 380 V，4P，90 kW/183 A，每批次32 h。

1)安裝變頻器之前電機運行狀態(tài)為平均功率和電流分別為64 kW，126 A。

2)安裝變頻器后運行狀態(tài)為平均功率和電流分別為50 kW，80 A。

3)改善前后節能績(jì)效對比為：

平均節電率是[(64-50) / 64]伊100%=21.88%。

改善后每批次節約的電量(64-50)kW伊32 h=448 kW·h。

4 結語(yǔ)

采用變頻器對發(fā)酵罐的恒速攪拌器進(jìn)行技術(shù)改造，經(jīng)數月運行考驗，證實(shí)其節能效果良好：

1)試驗數據證實(shí)，當發(fā)酵罐攪拌器的轉速下調10%~20%時(shí)，用電量分別減少20%耀40%，節電效果十分顯著(zhù)，并且在滿(mǎn)足產(chǎn)生菌不同生長(cháng)代謝階段對攝氧濃度需求的情況下，攪拌器轉速均有下調的余地。

2)在發(fā)酵工藝周期內，適度地降低了攪拌器轉速，有效地遏制了發(fā)酵液泡沫劇烈地生成，減少了染菌事故率，每批罐的消沫劑用量減少了24%左右。

3)由于發(fā)酵罐的攪拌器轉速得以有效地控制與調整，因此成功地改善了生產(chǎn)工藝條件，使產(chǎn)出的發(fā)酵原單位提高了15.30%。

4)由于變頻器采用電壓/頻率協(xié)調控制電動(dòng)機的軟啟動(dòng)工作方式，并且具有轉矩補償和提升功能，因此避免了電動(dòng)機全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，對電網(wǎng)、電氣設備與機械設備的沖擊，有效地延長(cháng)了電氣系統設備和機械設備的大修期和使用壽命。