發(fā)酵工程因其諸多優(yōu)良特質(zhì)，在醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、化工、冶金、廢水治理等許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在制藥工業(yè)的抗生素生產(chǎn)、生物藥生產(chǎn)、氨基酸生產(chǎn)中不可或缺，逐步形成了規(guī)模龐大的工程市場。因此，對發(fā)酵工程技術(shù)的研究和設(shè)計的優(yōu)化，就變得十分必要。希望本文下面對發(fā)酵工程設(shè)計重點內(nèi)容的闡述、難點問題的分析、多年累積優(yōu)化經(jīng)驗的分享，能給相關(guān)技術(shù)人員帶來價值和幫助。
1 發(fā)酵罐設(shè)計
1.1 發(fā)酵罐分類及基本結(jié)構(gòu)
除少數(shù)厭氧反應(yīng)器外，發(fā)酵設(shè)備一般多為需（好）氧微生物反應(yīng)器，又稱通氣式發(fā)酵罐。通氣式發(fā)酵罐根據(jù)攪拌形式的不同又分為機械式攪拌和氣升式攪拌發(fā)酵罐。氣升式攪拌適合維生素C、動植物細(xì)胞等低耗氧品種，目前國內(nèi)適合這種攪拌的產(chǎn)品較少見。通氣式機械攪拌發(fā)酵罐又被稱為通用式發(fā)酵罐，絕大部分品種均采用該類發(fā)酵罐進(jìn)行生產(chǎn)。本文重點闡述該類發(fā)酵罐及其系統(tǒng)配置設(shè)計。
通用式發(fā)酵罐是最常用的需氧微生物反應(yīng)器，它主要由罐體、裙座、電機、減速機、攪拌器、擋板、空氣分布裝置、軸封換熱器、內(nèi)部換熱器、外半管夾套等部件組成，詳見圖1。
1.2 發(fā)酵罐設(shè)計的重點
1.2.1 單罐體積和數(shù)量的確定
A.發(fā)酵罐體積的確定
圖1 酵罐結(jié)構(gòu)
需要根據(jù)年產(chǎn)量、放罐周期及批次、生產(chǎn)品種、培養(yǎng)基的性質(zhì)、菌種需氧量、攪拌裝置水平、動力匹配性、勞動生產(chǎn)率要求等因素綜合確定。
首先，發(fā)酵罐設(shè)計需要考慮規(guī)模經(jīng)濟，即在消耗同等能耗情況下，能夠有較多的產(chǎn)出。同時，根據(jù)發(fā)酵周期考慮每天放罐的合理批次，以求降低能耗，節(jié)省人力。改造工程還要考慮與原廠區(qū)動力系統(tǒng)的匹配情況，如原廠區(qū)的空壓系統(tǒng)壓頭、冷水系統(tǒng)壓力等，以利于并網(wǎng)平穩(wěn)運行，減少備機。
其次，在規(guī)模經(jīng)濟以上，還要考慮染菌的風(fēng)險。單罐容積越大，一旦染菌，造成的損失也越大。造成染菌的因素較多，例如，種子帶菌、操作失誤、設(shè)備管路閥門泄漏、消毒不徹底等，很難絕對杜絕。
對提取車間能力的匹配性和投資強度也要進(jìn)行綜合考量，提取負(fù)荷越均勻，提取車間投資越經(jīng)濟，人力使用越合理?？傊?，在設(shè)計過程中，確定發(fā)酵罐體積，需要多因素綜合考量。
目前，國內(nèi)廠家出于降低投資和生產(chǎn)運行成本的考慮，傾向于發(fā)酵罐的設(shè)計越大越好?？陀^上，攪拌系統(tǒng)配置水平的提高，裝備制作水平的提升，使溶氧水平能較易得以保證，發(fā)酵罐容積適當(dāng)增大對溶氧產(chǎn)生的不利影響不顯著。因此，國內(nèi)某些氨基酸類的品種，例如谷氨酸、賴氨酸等最大發(fā)酵單罐做到了800立方米。但這些產(chǎn)品通常為兼性好氧，發(fā)酵液較稀，通氣比低，對氧需求低。對于氧需求較高的品種，大發(fā)酵罐對發(fā)酵整體生產(chǎn)水平還是有顯著影響的。因此，這類產(chǎn)品發(fā)酵罐容積還需綜合考慮比選確定。
通過對國內(nèi)某品種生產(chǎn)廠家調(diào)研，得到的比選數(shù)據(jù)。這個品種的特點是發(fā)酵液對溶氧量需求較大、產(chǎn)熱較高，發(fā)酵液的性質(zhì)也使溶氧困難。通過比選可知，156 m3發(fā)酵罐對該品種較530 m3發(fā)酵罐更具綜合優(yōu)勢，并非罐體體積越大越好。
表1 某品種工程關(guān)鍵設(shè)備選型比選表
B.發(fā)酵罐臺數(shù)確定
需考慮年產(chǎn)量、發(fā)酵周期、發(fā)酵單罐容積、生產(chǎn)工藝、廠房建筑條件、提取設(shè)備能力匹配、工人技術(shù)素質(zhì)等綜合因素確定。
具體根據(jù)年產(chǎn)量、發(fā)酵周期（天數(shù)），生產(chǎn)輔助（放罐、洗罐和檢修、滅菌、冷卻等）時間，結(jié)合發(fā)酵單罐容積，來確定發(fā)酵罐總臺數(shù)。同時，也要考慮發(fā)酵液的性質(zhì)和提煉設(shè)備的處理能力，做到綜合運行負(fù)荷平衡。為了均衡生產(chǎn)，生產(chǎn)廠家大多采用24小時放1～2罐。例如發(fā)酵全周期為8天（含輔助時間），1天放1罐，則設(shè)計為8臺發(fā)酵罐。也可以設(shè)計為1天放2罐，選擇16臺發(fā)酵罐。
1.2.2 高徑比的選擇
A.通用式發(fā)酵罐的高徑比范圍一般為H/D=1.75～3.0;
H/D=2～2.8更為多見；
高徑比的選擇也要進(jìn)行綜合考慮。高徑比大，使空氣在發(fā)酵液中有相對長的停留時間，能提高液體中的溶解氧，有利于發(fā)酵產(chǎn)物的生成。但較高的罐高，必然要求提高發(fā)酵罐空氣入口壓頭，以保證進(jìn)氣壓力大于發(fā)酵液柱靜壓加發(fā)酵操作罐壓之和，這樣空壓機的出口壓力也必隨之增大，從而使空壓機電耗增加。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一些大型離心空壓機每增加0.01 MPa壓頭，則空壓機的耗電量增加5%左右。
通常，對于容積較小設(shè)有設(shè)備法蘭的種子罐，由于結(jié)構(gòu)上的原因，其高徑比受到限制，一般只為1.75～2.0。罐直徑大于等于1.2 m的發(fā)酵罐，封頭直接焊在筒體上，上封頭設(shè)置人孔，可安裝攪拌軸的中間軸承，因而此類發(fā)酵罐的筒身高徑比可適當(dāng)提高，多為2.0～3.0。發(fā)酵罐容積增大到一定程度，受綜合因素影響，發(fā)酵罐通常由細(xì)長型逐變?yōu)榘中停?/span>H/D減少）。國內(nèi)實踐較成功的150 m3發(fā)酵罐型，其高徑比為2.75，而典型500 m3發(fā)酵罐的高徑比為2.3。
B.發(fā)酵罐直筒段高度絕對值不宜過高。
近年來新建發(fā)酵罐容積趨向大型化，從50 m3、120 m3、150 m3幾種成熟罐型，一直擴增到300～500 m3罐，甚至更大。但綜合考慮空壓機經(jīng)濟運行的壓力保證、建筑物常規(guī)高度控制等因素，罐體直筒高度絕對值一般不宜超過15 m。
1.2.3 攪拌流場技術(shù)方案及系統(tǒng)配置
A.攪拌流場技術(shù)方案
攪拌過程是通過攪拌器向發(fā)酵罐內(nèi)輸入機械能，助力動量、熱量和質(zhì)量的傳遞。因此，形成氣泡打碎均勻、喘流程度高的全釜混流效果是我們要追求的理想狀態(tài)，其將利于三個傳遞的良好實現(xiàn)。經(jīng)過多年來的研究結(jié)果和實踐經(jīng)驗，目前多采用底部徑向流，整體軸向流的流場技術(shù)方案。
發(fā)酵罐的攪拌層數(shù)根據(jù)罐體高度一般設(shè)為2～4層，最底部應(yīng)選用徑向流式的攪拌葉，上部幾層選用下壓式軸向流式的攪拌葉。下層攪拌起到打碎氣泡的作用，并產(chǎn)生徑向流使流體徑向擴散，向四周運動，上面幾層攪拌產(chǎn)生軸向流使流體沿軸向向下運動，罐壁附近流體向上運動，從而整體形成一個喘動的循環(huán)流動。其中，底層攪拌的功率準(zhǔn)數(shù)最高，攪拌消耗功率超過上面2層或3層的總和。
B.攪拌葉形式配置
目前底層經(jīng)向流攪拌配置多采用非對稱拋物線圓盤渦輪攪拌器或者半圓管圓盤渦輪槳，上面1～3層多采用四寬葉旋漿式軸流型攪拌器，詳見圖2。
圖2 攪拌器形式選擇
槳葉直徑與發(fā)酵罐直徑比值d/D為。槳葉直徑的大小及攪拌轉(zhuǎn)速的設(shè)定，是影響攪拌功率的兩個關(guān)鍵因素，也是影響氧傳遞系數(shù)的最敏感因素。
C.通氣管形式配置
發(fā)酵罐的通氣一般均由罐體底部通入，空氣分配管常采用三種方式。
第一種為單管式。其出口位置于底部攪拌的正下方，開口向下，同時可起到翻騰沉積于罐底的固體物料作用。其結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛應(yīng)用。
第二種為環(huán)形空氣分布管式。安裝時環(huán)形分布管的中心應(yīng)正對攪拌軸中心，并水平布置。在分布管上下、左右均開有φ5～8 mm的小孔，開孔尺寸可以根據(jù)發(fā)酵液性質(zhì)適當(dāng)縮放。
第三種為旋流混合器或噴射攪拌器。旋流混合器基本原理是利用壓縮空氣本身的靜壓能，使空氣噴射產(chǎn)生對周邊流體的抽吸帶動作用，轉(zhuǎn)化為高速旋轉(zhuǎn)的氣液混合流，并呈徑向旋流產(chǎn)生動能，在旋流混合的過程中，增加空氣和發(fā)酵液接觸表面積及停留時間，提高發(fā)酵空氣利用率；噴射攪拌的基本原理是當(dāng)壓縮空氣通過進(jìn)口管道進(jìn)入噴嘴時，會產(chǎn)生高速運動，并在噴嘴中心形成一個低壓區(qū)域。此時，發(fā)酵液被注入到低壓區(qū)域中，與氣體發(fā)生湍流和剪切，實現(xiàn)了發(fā)酵液與壓縮空氣的均勻混合。這兩種方式都可以做到空氣和液體在發(fā)酵罐底部混合充分，其中氣泡直徑微小，呈乳化狀態(tài)，空氣利用率提高。比傳統(tǒng)發(fā)酵溶解氧提高5%～20%或發(fā)酵電耗降低5%～30%。
在實際設(shè)計中，對是否選用節(jié)能混合器，要從菌種、發(fā)酵液性質(zhì)等綜合考慮。例如阿維菌素發(fā)酵罐使用這種方式，節(jié)電可達(dá)30%～40%，發(fā)酵單位提高3%～5%。而某些品種在節(jié)電上雖有降低，但幅度并不大，發(fā)酵單位也沒有提高，一次性投資卻有較大增加，性價比不高，就不一定選用。
1.2.4 換熱裝置設(shè)計
溫度是影響微生物生產(chǎn)發(fā)育及代謝活動的重要因素，換熱裝置的設(shè)計對控制溫度起著決定性作用。
A.換熱器的常用形式
夾套式換熱裝置：
罐外部配上夾套，夾套內(nèi)通冷卻水，夾套高度比液面高度稍高即可。這種裝置多用于容積較小的種子罐、發(fā)酵罐。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，罐內(nèi)死角少，容易進(jìn)行清洗滅菌；缺點：傳熱系數(shù)低，降溫效果差。
豎式“蛇管”換熱裝置：
這種裝置是將豎式U型管分多組安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，內(nèi)通冷卻水。根據(jù)罐體直徑和高度，分組數(shù)不同。容積在5 m3以上的發(fā)酵罐多采用這種換熱裝置。優(yōu)點：冷卻水在罐內(nèi)流速大，傳熱系數(shù)高；缺點：需要更多的設(shè)備投資，結(jié)構(gòu)詳見圖3。
圖3 豎式“蛇管”換熱發(fā)酵罐示意圖
水平螺旋環(huán)管換熱裝置：
這種裝置是以多組同心圓環(huán)構(gòu)成的換熱管盤旋結(jié)構(gòu)安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，內(nèi)通冷卻水。優(yōu)點：在體積一定的發(fā)酵罐內(nèi)安裝水平螺旋管可得到更大的換熱面積，傳熱系數(shù)高；可在設(shè)備滅菌時排凈管內(nèi)冷媒，提高滅菌效率，節(jié)約蒸汽；環(huán)管可上下分組布置，根據(jù)罐內(nèi)物料體積靈活使用。缺點：增加一定的設(shè)備投資成本。結(jié)構(gòu)詳見圖4。
圖4 水平螺旋管換熱發(fā)酵罐示意圖
B.換熱面積計算及分析
發(fā)酵的冷卻面積計算可由下式得出：
式中F——換熱面積；
Q——發(fā)酵熱；
Δtm——發(fā)酵液與冷卻水間的平均溫差。
發(fā)酵熱一定，如果換熱面積設(shè)計較大，則Δtm可以較小，則使用循環(huán)水的周期可延長，切換使用低溫水的周期可變短，從而節(jié)約生產(chǎn)成本。通過采用水平螺旋管換熱裝置，由于其傳熱系數(shù)高，換熱面積大，在內(nèi)蒙某項目實踐中，整個夏天發(fā)酵車間一直使用循環(huán)水，未切換使用低溫冷水，動力費用顯著降低，效果良好。
在換熱器配管設(shè)計中，應(yīng)采用多組并聯(lián)形式，使Δtm值更低，這種設(shè)計更利于降低生產(chǎn)運行成本，提高經(jīng)濟效益。
2 發(fā)酵系統(tǒng)配置設(shè)計
發(fā)酵生產(chǎn)從流程上可劃分為配料系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)三個單元。發(fā)酵系統(tǒng)本身又可劃分為種子制備、發(fā)酵培養(yǎng)、生物生化檢驗三個部分。從發(fā)酵運行及管路配置考慮，涉及空氣系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、物料系統(tǒng)五個系統(tǒng)。本文重點就這五個系統(tǒng)配置設(shè)計進(jìn)行闡述。
2.1 總體設(shè)計原則
發(fā)酵車間的管道布置要符合化工、一般制藥管道的要求，如：盡可能使管線最短，閥件最少；便于安裝、檢修和操作管理。管道一般采用明線敷設(shè)，安裝費用低，檢修安裝方便，操作人員容易掌握管道的排列和操作。
除此之外，發(fā)酵車間的特殊性在于需考慮管道布置是否符合無菌生產(chǎn)的要求，即保證蒸汽對物料管道滅菌時暢通無阻，無死角等。
2.2 各系統(tǒng)配置要點
2.2.1 空氣系統(tǒng)配置
發(fā)酵罐使用的壓縮空氣，經(jīng)過粗過濾器進(jìn)入無油空壓機制備，經(jīng)空氣冷卻器、氣水分離器進(jìn)行冷卻、除水，再通過空氣加熱器將溫度較低的空氣加熱到適合進(jìn)入發(fā)酵系統(tǒng)的空氣。
A.空氣系統(tǒng)配置：
第一種方案是發(fā)酵車間的空氣經(jīng)過總過濾器再分散到不同的發(fā)酵罐，每一個發(fā)酵罐設(shè)空氣的預(yù)過濾器和精過濾器，在消毒蒸汽進(jìn)過濾器的時候，蒸汽要先經(jīng)過蒸汽過濾器。
第二種方案是發(fā)酵車間取消總空氣過濾器，每一發(fā)酵罐分別設(shè)置三級過濾，即初效過濾器、預(yù)過濾器和精過濾器。
第一種方案更經(jīng)濟；第二種方案在使用中更加靈活，各罐可以隨時更換第一級過濾器濾芯。
B.空氣系統(tǒng)設(shè)計關(guān)注重點：
要控制進(jìn)初效過濾器（或總空）前的相對濕度；
空氣總管路及總空氣過濾器防止積水；
空氣系統(tǒng)防止氣液倒流；
空氣系統(tǒng)在車間設(shè)置兩路總管時需要設(shè)置聯(lián)通管路。
2.2.2 蒸汽系統(tǒng)配置
A.蒸汽系統(tǒng)配置：
蒸汽管路一般用于設(shè)備、管道的消毒滅菌。蒸汽供應(yīng)分為濕飽和蒸汽、飽和蒸汽和過熱蒸汽。這三種蒸汽質(zhì)量不同，在具體使用上，滅菌操作及效果也不同：濕飽和蒸汽因含有水分，熱含量低，熱穿透力差，滅菌效率低，因此，在滅菌時要適當(dāng)延長時間；過熱蒸汽，溫度高于飽和蒸汽，穿透率低，滅菌效率低；飽和蒸汽的效果相對最好。整個蒸汽系統(tǒng)在配置時要做成“活蒸汽”，即時刻使消毒管路的蒸汽處于少量通氣狀態(tài)。全部蒸汽管路應(yīng)無死角，避免冷凝水的聚集，造成雜菌的污染。
B.蒸汽系統(tǒng)設(shè)計關(guān)注重點：
蒸汽總管路應(yīng)當(dāng)采用并聯(lián)形式或蒸汽分配站形式，最常用的是蒸汽主管進(jìn)入蒸汽分配包后再進(jìn)入各蒸汽系統(tǒng)；
連消系統(tǒng)與發(fā)酵罐消毒系統(tǒng)蒸汽分開；
滅菌系統(tǒng)與非滅菌系統(tǒng)（公共系統(tǒng)）蒸汽分開；
進(jìn)罐前設(shè)置總控制閥，盡可能避免停止總系統(tǒng)更換閥門；
蒸汽系統(tǒng)加水方案需要慎重選擇，必須設(shè)置報警及自控系統(tǒng)；
2.2.3 排氣系統(tǒng)配置
A.排氣系統(tǒng)配置：
排氣分為消毒排氣和發(fā)酵排氣。消毒排氣是指在消毒過程中滿足滅菌壓力要求后排掉的乏蒸汽。消毒排氣一般情況下是高溫的，因此，需要進(jìn)行冷卻處理后才能排入尾氣處理系統(tǒng)。發(fā)酵排氣一般情況下是在發(fā)酵培養(yǎng)過程中的排氣，為夾帶微生物代謝物、發(fā)酵液、二氧化碳的廢氣。該排氣壓力較低，氣量較大。因此，兩種排氣系統(tǒng)需要分成不同的分支分別處理。
B.排氣系統(tǒng)設(shè)計關(guān)注重點：
消毒尾氣應(yīng)在操作面分開設(shè)置，且消毒排氣管徑低于正常排氣管徑；
排氣需進(jìn)入旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣液分離后，方可進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)；
消毒尾氣與正常發(fā)酵排氣不串接，避免消毒排氣倒灌進(jìn)入正常生產(chǎn)的發(fā)酵罐等無菌生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)部；
2.2.4 冷卻水系統(tǒng)配置
A.冷卻水系統(tǒng)配置：
冷卻水按用途分為常規(guī)發(fā)酵過程冷卻水、滅菌后降溫冷卻水。根據(jù)生產(chǎn)工藝控制溫度的需求，多數(shù)情況下，發(fā)酵過程冷卻水需要配置循環(huán)水冷卻水和低溫冷卻水兩個系統(tǒng)，用于生產(chǎn)時切換使用。
B.冷卻水系統(tǒng)設(shè)計關(guān)注重點：
滅菌后冷卻水系統(tǒng)是否單獨設(shè)置冷卻水塔及相應(yīng)管路系統(tǒng)，需要根據(jù)具體情況而定。一般當(dāng)整體系統(tǒng)規(guī)模較小，而單罐體積較大情況下，應(yīng)單獨設(shè)置。在南方地區(qū)，循環(huán)水溫度非常敏感，稍高會影響整個廠區(qū)生產(chǎn)，這種情況也應(yīng)單獨設(shè)置為宜。
蛇形換熱管設(shè)計，內(nèi)部冷卻水流速控制在0.5～1米/秒，進(jìn)出口溫差控制在4～7℃為宜，為較經(jīng)濟數(shù)據(jù)。
2.2.5 物料系統(tǒng)配置
A.物料系統(tǒng)配置原則：
管線布置應(yīng)盡量短，防止物料管內(nèi)滯留；
管線分支管處盡可能上彎，并使閥門安裝盡可能靠近主管，避免存料；
物料管道應(yīng)避免泄漏和死角。靠罐一閥盡量靠近罐壁，以免積液形成死角，一閥與二閥之間接管盡量短，并接蒸汽管路，以利于滅菌；
不把物料無菌管路當(dāng)作排污管使用，不做壓出洗罐水、染菌液使用；
不用的物料管路需要及時割除，無菌物料管路要保證蒸汽暢通；
B.物料管道系統(tǒng)設(shè)計關(guān)注重點：
發(fā)酵車間移種、補料系統(tǒng)管道生產(chǎn)過程中應(yīng)始終處于無菌狀態(tài)，與發(fā)酵罐連接處的管道也均需處于無菌狀態(tài)，需要采用“活蒸汽”滅菌。
這些無菌管道的材質(zhì)一般為無縫不銹鋼管，且需進(jìn)行內(nèi)拋光。
閥門選擇通常選用可更換密封面的抗閥。
與物料管線相連的蒸汽管線通常使用的是碳鋼管道，因此，與不銹鋼物料管連接處用兩片法蘭分開為宜，橡膠板或聚四氟乙烯板做分界面。
移種管道系統(tǒng)的設(shè)計分為兩種方式：移種主管式和分配站式。這兩種方式各有優(yōu)缺點，如何選擇也要尊重甲方的操作習(xí)慣。兩種方式見圖5和圖6所示。
采用主管形式是從種子罐的移種總管直接到各發(fā)酵罐。優(yōu)點是各個移種支管比較短，管道用量小，費用低。缺點是因為總管較長，對發(fā)酵的種子液浪費比較多；在操作上由于各個閥門相對較遠(yuǎn)，人員走動比較多，操作容易出現(xiàn)誤差；在滅菌操作的時候，各個支管根部和總管連接處容易形成死角。
分配站形式是將各級種子和發(fā)酵罐之間的移種閥門集中到一起，各個移種支管連接到一個較短的主管上。不進(jìn)行操作時，主管處于蒸汽汽封狀態(tài)。其優(yōu)點是實現(xiàn)了移種的集中操作，減少了人員的操作距離，較為方便，誤差減少。采用這種形式，發(fā)酵液浪費比較少，滅菌的效果也比較可靠。其缺點是由于支管比較長，管道總長耗量比較大，占的空間也比較多。
圖5 移種主管管方式
圖6 分配站方式
發(fā)酵分配站的閥門一般應(yīng)布置在主管的上方，避免支管的根部存殘種子液造成污染。另外一種方式是采用三通閥連接形式，三通閥本體作為主管，三通閥支管作為移種管道，管道可直接向下接出。
補料管道同樣分為主管式和分配站式。補料主管式由于操作面對美觀性的要求、操作的便捷性、安裝等都存在著一定的局限性，現(xiàn)在的設(shè)計上使用較少。一般推薦分配站式補料設(shè)計。
無菌管道將整個發(fā)酵廠房的設(shè)備連接起來，對整個發(fā)酵車間的設(shè)計是非常重要的，同時也是進(jìn)行無菌生產(chǎn)的基礎(chǔ)。無菌管道的設(shè)計方案要根據(jù)具體布局、生產(chǎn)規(guī)模、甲方操作習(xí)慣等綜合考慮。
3 發(fā)酵生產(chǎn)自動化及節(jié)能設(shè)計
3.1 發(fā)酵生產(chǎn)自動化控制設(shè)計
發(fā)酵生產(chǎn)過程是微生物次級代謝的生化反應(yīng)過程，機理復(fù)雜。生產(chǎn)工藝包括生物技術(shù)，化工技術(shù)。部分過程參數(shù)既相互關(guān)聯(lián)，又相互制約。且生產(chǎn)過程涉及無菌操作，實現(xiàn)完全自動化有較大難度，并需付出較高投資。但是，自動化控制的優(yōu)勢和必要性也十分突出，是發(fā)展的必然趨勢。
發(fā)酵車間的自動化控制和監(jiān)控點主要包括：發(fā)酵溫度、發(fā)酵罐壓、空氣流量、滅菌、消沫、pH值、補料、移種、溶氧、攪拌轉(zhuǎn)速等。其主要特殊點是無菌概念。物料系統(tǒng)需采用衛(wèi)生型閥門和儀表，避免藏污納垢。且由于物料和空氣管道需高溫高壓蒸汽滅菌，儀表和閥門管件還要選擇耐溫、耐壓的型式。
隨著國內(nèi)自動化領(lǐng)域的發(fā)展，一些先進(jìn)發(fā)酵生產(chǎn)線已實現(xiàn)全過程自動化控制。自控系統(tǒng)多采用分散控制、集中操作、分級管理、組態(tài)方便的方式，即DCS方式。
發(fā)酵車間自控難點在于滅菌操作全自動化控制。自控滅菌的優(yōu)點是滅菌過程中培養(yǎng)基溫度控制一致性好，培養(yǎng)基的破壞程度均勻性強，又能降低人工勞動強度和節(jié)省勞動力，還能減少人為不確定因素導(dǎo)致滅菌失敗的風(fēng)險。出現(xiàn)異常情況時，利用DCS系統(tǒng)可以做出迅速反應(yīng)，縮短處理時間。采取全自動滅菌也有缺點：由于大量自控閥門代替手動閥門，導(dǎo)致投資額較大。另外，全自動滅菌對操作人員的素質(zhì)要求有所提高，出現(xiàn)故障，要求操作人員能夠迅速判斷異常，迅速解決自控系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。
在設(shè)計過程中是否采用全自動控制系統(tǒng)，要根據(jù)業(yè)主的投資預(yù)算、發(fā)酵規(guī)模、項目當(dāng)?shù)夭僮魅藛T素質(zhì)、品種特點等綜合因素決定。隨著我國自控軟硬件水平的不斷提高，人工成本的不斷增加，勞動力短缺情況的出現(xiàn)，以及其他等諸多因素的影響，全自動化控制方案必將成為發(fā)酵工廠設(shè)計的趨勢。圖7為典型發(fā)酵罐自控流程圖。
圖7 典型發(fā)酵罐自控流程圖
3.2 發(fā)酵車間節(jié)能設(shè)計
發(fā)酵工業(yè)是高耗能產(chǎn)業(yè)，隨著能源價格的持續(xù)提高，動力成本占生產(chǎn)成本的比例可達(dá)40%～55%。所以，在發(fā)酵工廠設(shè)計時，越來越注重采用節(jié)能設(shè)備和節(jié)能工藝。例如，在近期一些項目設(shè)計中，采用永磁電機、磁懸浮空壓機等節(jié)電設(shè)備已比較常見。又例如，在空壓機站的設(shè)計中，用從離心空壓機出來的高溫壓縮空氣與要升溫的壓空（除濕以后的壓縮空氣）換熱，達(dá)到回收熱量，節(jié)省蒸汽的目的。
目前，發(fā)酵車間比較流行的工藝節(jié)能措施，當(dāng)屬采用熱交換利用的高溫高壓快速連消滅菌裝置代替實罐消毒。
其具體方案是（1）在連消系統(tǒng)采用預(yù)熱器，用消后高溫物料作為預(yù)熱器熱源，一方面物料經(jīng)過預(yù)熱器升溫可節(jié)省消毒蒸汽的用量，同時，將消后高溫物料送到預(yù)熱器里給低溫的物料做預(yù)熱熱源，可使其出料溫度將至50～60℃，也降低了循環(huán)水對其進(jìn)行冷卻的負(fù)荷，一舉兩得。（2）為了進(jìn)一步提高節(jié)能效果，并降低物料破壞程度，也可采用高溫快速滅菌新型連消工藝裝置。圖8為該種節(jié)能型連消裝置流程示意圖。
圖8 節(jié)能型連消裝置流程示意圖
注重回收廢蒸汽，也是當(dāng)下節(jié)能設(shè)計中的一個方面。
發(fā)酵過程中的廢蒸汽主要包括：排氣管道在滅菌過程中排氣，發(fā)酵車間無菌維持時的小排氣（小辮子）中的廢蒸汽。對這些廢蒸汽的收集利用，用于預(yù)熱配料水水溫，也可以達(dá)到一定程度的熱量回收。同時，也可以降低廢蒸汽亂排對車間環(huán)境帶來的溫度升高、濕度增大等不利影響。圖9為消毒尾氣回收流程示意圖。
圖9 消毒尾氣回收流程示意圖
4 結(jié)論
本文對發(fā)酵設(shè)計的重點及難點問題進(jìn)行了闡述和分析。指出：發(fā)酵關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計水平以及發(fā)酵生產(chǎn)系統(tǒng)配置水平是決定整個發(fā)酵系統(tǒng)是否先進(jìn)的兩個重要方面；發(fā)酵罐的容積規(guī)模是否合適、高徑比選擇是否合理、攪拌流場技術(shù)是否先進(jìn)、換熱裝置是否高效，是發(fā)酵罐設(shè)計需關(guān)注的四個關(guān)鍵點；空氣系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、物料系統(tǒng)為發(fā)酵生產(chǎn)的五個主要配置系統(tǒng)，應(yīng)該緊緊圍繞無菌保證、安全保障、低成本運行、節(jié)能高效、維護(hù)方便的總體原則，根據(jù)不同系統(tǒng)的特殊性，分別做好每一個系統(tǒng)的設(shè)計；發(fā)酵全自動化控制生產(chǎn)是未來工程設(shè)計發(fā)展的必然趨勢，每一個工程自控水平的確定，需根據(jù)工程的具體情況做出切合實際的選擇。
