1、轴流式通用发酵罐的研究现状和对策崔 政 伟（无锡轻工大学，无锡，214036)提要 分析和比较了翼形搅拌桨与圆盘涡轮桨的流体力学性能特点，指出了轴流式通用发酵罐的现状及存在的问题，提出了一些今后研究的对策。关键词 轴流式发酵罐，溶氧，能耗发酵工业中大多数产品(如抗生素、味精、酶制剂等)是在发酵罐中通过深层发酵而得到的。虽然目前有各种各样的发酵罐，如自吸式、液提式、气升式，但发酵工厂用得最多的还是传统的通用发酵罐。一个性能优良的发酵罐首先要能为菌株提供良好的生长和代谢环境，提高发酵单位；此外发酵罐的能耗越小越好，因为发酵罐的功率较大，如 50 m3的通用发酵罐搅拌功率约需 75 kW，发酵周期又
2、长，能耗费用在产品成本中往往占相当大的比例。目前传统的通用发酵罐均采用径向流式圆盘涡轮桨，其主要缺点是全罐的混合性能差，能耗大，目前国内外很多人主张将圆盘涡轮桨全部或局部改为翼形桨，即所谓的轴流式通用发酵罐。自 80年代以来，美国 Cheminer公司和英国 APV公司进行了轴流式发酵罐的研究和实践，其产品已开始进入中国市场。轴流式发酵罐虽然克服了传统通用发酵罐的不少缺点，但也有弊端，需要进一步加以克服。1 单个翼形桨和涡轮桨性能的比较为使发酵菌株在合适的环境条件下充分显示其优越性，发酵过程中需实现发酵罐中培养基成分浓度、温度和 pH等的均匀，同时还需要气-液接触充分，以提供足够的溶氧。发酵罐
3、内设置搅拌的首要作用是打碎气泡，提高气-液接触面积，以提高气-液间的传质速率；其次是为了使发酵液充分混合，液体中的固形物料保持悬浮状态。不同型式的搅拌桨打碎气泡的能力及流体混合的效果不一样。因此，体积氧传递速率，混合性能及能耗是评价一个搅拌桨好坏的重要指标。对于圆盘涡轮桨，其结构形式有直叶式、弯叶式和箭叶式，叶片数量 38 个，常用的为 6个。在相同的搅拌功率下打碎气泡的能力，直叶大于弯叶，弯叶大于箭叶，但其翻动流体的能力正好相反，传统通用式发酵罐最常用的是六直叶涡轮桨。翼形桨是基于机翼理论和船用螺旋桨理论等而出现的一种轴流搅拌桨，如图 1(a)，它的叶片采用机翼断面，叶型参数如拱度比、沿直径
4、方向的螺距、弦长、厚度等是变化的，叶片一般为 46 个，且较宽，其投影覆盖率近 90%。它不同于传统的推进式叶轮，后者叶片沿直径方向是等厚的，一般只用 3片，且叶片宽度较窄，投影覆盖率约 5%，对气流的控制能力差，容易造成液泛。翼形桨的结构形式也有多样，图 1(b)是英国 APV公司研制的翼形桨 1 。1.1 混合性能图 1 翼形桨翼形桨的结构与涡轮桨明显不同，它能使液体同时产生径向和轴向流动，主体循环量增大，有利于罐内发酵液混合均匀；而涡轮桨却在罐内形成以盘面为界的上下两个循环区，全罐混合性差。据文献2报道，无通气条件下，在水或 CMC水溶液中，相同单位体积功率下，单个翼形桨的混合时间是涡轮
5、桨的一半。在通气条件下情况比较复杂，在低转速范围内，由于翼形桨搅拌所产生的主体循环量有限，尤其对粘性大的流体，通常不易形成罐内循环，混合效果不很理想，通气后，由于气体的介入，诱导液体的相对运动，有利于混合，此时通气对混合有显著的影响；当转速较高时，翼形桨搅拌产生的主体循环足以形成全面的整体混合，并不一定要借助气体的诱导作用来促进混合，有时还因气体的介入而影响主体循环，此时通气可能不利于混合的改善。涡轮桨通气条件下功率下降幅度较大。总之，在通气和非通气的情况下，翼形桨的混合效果都好于涡轮桨。由翼形桨排出流中流体速度分布，计算得到翼形桨的泵送系数 Nqd0.75，其泵送效率为：N qd/Nq0.6
6、7，而涡轮桨的泵送效率为 0.143 ，这也说明翼形桨具有较好的混合效果。1.2 流体剪切速率搅拌桨产生的流体剪切速率大小对打碎气泡有较大影响。翼形桨产生流体的最大剪切速率 max和平均剪切速率 av是叶轮转速 N的函数，与叶轮的直径 D无关，最大剪切速率大约是平均剪切速率的 2倍，并有如下关系 3 max0.113N av0.056N涡轮桨产生流体的最大和平均剪切速率关系 3 为 max3.15ND av0.25N涡轮桨产生流体的最大剪切速率不仅是叶轮转速的函数，也是叶轮直径的函数，其数值比翼形桨大得多。涡轮桨产生的高剪切速率有利于打碎气泡，对提高氧传递速率有利，但剪切速率分布很不均匀，在桨
7、叶端附近过大的剪切速率对剪切敏感的菌体(如一些丝状菌体)有伤害，严重时会使发酵过程恶化。1.3 传质系数好氧发酵最为普遍，许多菌株对溶氧要求较高，因此维持较高的溶氧，对增加发酵单位非常重要；而氧在发酵液里的溶解度很低，通常比其他营养成分难溶解。传氧的关键是空气向液体的传递。空气通常由一根指向罐底中心的管通入液体中，考虑到清洗方便，工业发酵罐一般不加空气分布器；空气自管中出来后，由于通气量相当大，气泡不可能为单个，而是成串产生，形成气泡群，气泡的直径较大。为有利于气泡的氧溶于发酵液中，要求气液接触面积越大越好。涡轮桨打碎气泡的效果比翼形桨好，因此在相同的转速下，涡轮桨的体积氧传递系数 KLa要比
8、翼形桨大很多。提高翼形桨的转速，流体湍流度增大，剪切速率提高，会提高 KLa。很多研究 4，5 表明，在湍流条件下，不论何种搅拌桨，氧的 KLa基本相同。K LaA( T) (vs)式中，A， 为与溶液性质有关的常数； T为通气条件下单位体积能耗， TP g/V； s为气体的表观粘度；P g为通气功率；V 为发酵液的体积。Nienow 等 1 模拟了不同溶液，测试了(P g/V)相同条件下，翼形桨和涡轮桨氧的体积传质系数 KLa，两者基本相同；戴干策等 2 试验结果是：在相同搅拌功率下，翼形桨体积氧传递系数 KLa要略高于涡轮桨。1.4 能耗搅拌功率与搅拌桨一定半径上的断面阻力系数成正比，从流
9、体力学的理论分析可知，涡轮直叶断面的阻力系数远大于翼形断面的阻力系数。理论研究 6，7 表明，涡轮桨阻力系数 CD约为 2.0；翼形桨阻力系数CD2sin( 为翼形攻角， 为翼形螺旋距角)，由机翼理论研究结论及应用可知，对于一个良好的翼形轴流桨而言，在典型半径 0.7R(R为桨的半径)处，通常 3，20，由此算得 CD0.113，此值仅为直叶桨的 1/18，沿着半径方向，由于 ， 变化很小，C D的变化也很小。搅拌桨的功率 P可用下式计算，式中，n 为转速；r 为半径； 液体密度；h 为桨高度；C D为阻力系数。由此可见，翼形桨的功率远小于直叶涡轮桨功率。在高雷诺数下，翼形桨功率准数约为 1.
10、0(不同结构的翼形桨其值可能有微小差异)，而涡轮桨在湍流状态下功率准数 5.06.0，这也说明翼形桨的搅拌功率较小 3 。2 轴流式通用发酵罐及存在的问题工业上为了提高生产效率，发酵罐的体积一般较大，国内外 200 m3发酵罐已很普遍，因此工业发酵罐需多层搅拌。图 2示为传统的通用发酵罐。图 3为轴流式通用发酵罐。图3(a)是将涡轮桨全部改为翼形桨，图 3(b)保留最下一层搅拌桨仍为涡轮桨，其余改为翼形桨。与传统的通用发酵罐相比，全罐的混合效果提高了，但由于翼形桨产生的流体剪切力小，打碎气泡的能力差，在相同的转速下，轴流式发酵罐的体积氧传递系数要比传统的通用发酵罐低得多，图 3(b)虽然最下层
11、保留了涡轮桨，发挥其打碎气泡的能力，溶氧要比图 3(a)好，但由于工业发酵罐搅拌桨的转速较小，不超过 200 r/min，而进气量较大，光靠 1层涡轮桨气泡打碎得不够充分、均匀，未打碎的气泡经上面的翼形桨也很难打碎；不像传统通用发酵罐，经第 1层涡轮桨未打碎的气泡，可经第 2层、第 3层涡轮桨继续打碎。为保证较高的KLa，只能靠提高翼形桨的转速，增加流体的湍流度；但转速增大了，功耗也上升了，节能的目的可能就难以达到或节能幅度较小。此外，流体的湍流度增加了，不利于微生物生长代谢，理想的情况应是在满足 KLa及混合均匀的条件下，流体的湍流度越小越好。图 2 涡轮桨图 3 轴流式通用发酵罐从以上分析
12、看出，目前的轴流式通用发酵罐的体积氧传递系数和节能之间存在矛盾，如何充分发挥翼形桨混合性能好、能耗低的优点，关键是要解决打碎气泡问题。在发酵罐内打碎气泡关键是靠进气口的第 1层搅拌桨，如果能研究出一种新型搅拌桨作为第 1层桨，或用其他方法，将气泡打碎得充分、均匀，其余的使用翼形桨，起混合物料，防止气泡聚集作用，这样既能保证高的溶氧，又充分利用了翼形桨的优点，达到既保证发酵单位，又大幅度节能的目的，这样的轴流发酵罐将具有强大的市场竞争力。3 建议(1)用翼形桨或六直叶圆盘涡轮桨作为轴流发酵罐的第 1层搅拌桨都不够理想，需要我们研究出一种新型搅拌桨作为第 1层搅拌桨，或采用其他技术，使空气一进入发
13、酵液就能被充分打碎。研制出真正高溶氧、低能耗的轴流发酵罐。(2)对翼形桨的结构参数还需进一步优化。(3)对轴流式通用发酵罐的几何尺寸设计也需要进一步优化，不能照搬传统通用发酵罐的数据。4 参考文献1 Nienow A W.Chemical Engineering Researsh and Design,1996,74(4):4174232 戴干策等.化学反应工程与工艺，1993，9(4)：4574603 Weetman R,JOldshue J Y.6th European conf on Mixing,Paria,Italy,1988.434 Dawson M K.The influence
14、 of agitator type on fluid daynamics and oxygen mass transfer in a pilot scale vessel,Ph.D Thesis,(University of Birminghan.UK),19935 Whitton M J,Nienow A W.Scale-up correlations for gas hold-up and mass transfer coefficients in stirred tank reactors,3rd Int conf on Bioreactor and Bioprocess Fluid D
15、ynamics,1993.1351456 吴望一.流体力学(下册).北京：北京大学出版社，19837 朱雪琴.无锡轻工大学学报，1995，14(3)：233238致谢：本论文的部分工作是在华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室完成的。Status of Fermentation Tank with Axial Hydrofoil ImpellersCui Zhengwei(Wuxi University of Light Industry,Wuxi,214036)Abstract The hydrodynamic properties and characteristics of both
16、the conventional Rushton turbine and axial hydrofoil impellers are analyzed and compared.The drawbacks of using fermentation tank with axial hydrofoil are pointed out and some new ideas of overcoming are also proposed.Key words fermentation tank with axial hydrofoil impellers,oxygen transfer,power consumption崔政伟 男，34 岁。硕士，讲师。发表论文 5篇，取得专利 2项。1998-03-04 收稿。
