變頻器在發(fā)酵罐中的節(jié)能應(yīng)用

1 醫(yī)藥與生化企業(yè)的前期生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀

目前在國內(nèi)醫(yī)藥、生化企業(yè)的生產(chǎn)中，大多數(shù)廠家的前期生產(chǎn)工藝發(fā)酵罐采用傳統(tǒng)的恒定轉(zhuǎn)速攪拌器來攪拌發(fā)酵液。這種攪拌器的轉(zhuǎn)速是根據(jù)產(chǎn)生的菌種特性及產(chǎn)生菌在不同生長代謝階段的攝氧要求的最高轉(zhuǎn)速設(shè)定的，并且是按照整個發(fā)酵罐滿負(fù)荷(發(fā)酵罐盛滿發(fā)酵液)的狀態(tài)下選擇電機(jī)額定功率的，而在實際生產(chǎn)中為了防止攪拌過程中產(chǎn)生的泡沫溢出罐外，罐內(nèi)實際液位通常都在設(shè)計容積的70%以下，因此攪拌電機(jī)經(jīng)常在輕載工況下運行。本文針對國內(nèi)發(fā)酵生產(chǎn)中存在的這一典型問題，討論了變頻器在這一領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

2 發(fā)酵罐攪拌器的轉(zhuǎn)速與產(chǎn)生菌生長代謝的關(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(yǎng)基、PH值、溫度、通氣和攪拌等條件下進(jìn)行生長與合成的代謝活動。發(fā)酵工藝的持續(xù)時間與發(fā)酵液內(nèi)氧的傳遞能力、營養(yǎng)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)生菌提供生長代謝活動的氧源，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)酵液的各個角落，增加氣液接觸的有效面積，使發(fā)酵液隨攪拌葉轉(zhuǎn)動形成渦流并提高其湍動程度，以減少菌絲因缺氧而產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使氧的傳遞面積增大，延長氧在發(fā)酵液中的停留時間，達(dá)到增加產(chǎn)量的目的。攪拌罐簡單原理如圖1 所示。

2.2 攪拌器轉(zhuǎn)速對發(fā)酵工藝的影響

發(fā)酵罐的罐內(nèi)壓力維持微正狀態(tài)雖然可以避免負(fù)壓時造成的染菌和延長氧在發(fā)酵液中的停留時間，但是還應(yīng)當(dāng)考慮到，如將罐壓從微正狀態(tài)提高時，既不利于產(chǎn)生菌代謝時廢氣的排出及氧在酵液內(nèi)的傳遞，又增加了設(shè)備的負(fù)荷，同時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提高供氧濃度，將會加快發(fā)酵液水分蒸發(fā)，隨之也會帶走更多的揮發(fā)性有機(jī)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，發(fā)酵液的黏度會上升，這會影響液體的湍動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，泡沫將劇增而穩(wěn)定，且不易破裂，使氣液接觸的總面積降低。因此，為了消除過多的泡沫就要耗用大量的消沫劑。但是，消沫劑用量過多時，不但不能消除泡沫，反而引起泡沫調(diào)節(jié)失控，使PH值波動，最終導(dǎo)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)酵液中滯留的時間有限，對溶氧濃度的影響也將遠(yuǎn)小于對攪拌器轉(zhuǎn)速的影響。

由此可見，在發(fā)酵工藝中，并不提倡一味地增大空氣流量，而應(yīng)當(dāng)調(diào)整攪拌器的轉(zhuǎn)速，以便滿足不同產(chǎn)生菌及其在不同生長代謝階段對溶氧的需求。

但是，如果攪拌器的轉(zhuǎn)速過高，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)生過多的泡沫。

3 變頻器在發(fā)酵生產(chǎn)中的應(yīng)用

根據(jù)不同生產(chǎn)菌種與不同生長代謝階段對攝氧量的不同要求及攪拌器轉(zhuǎn)速對溶氧濃度占據(jù)的主導(dǎo)地位，對發(fā)酵罐的傳統(tǒng)攪拌器進(jìn)行技術(shù)改造非常必要。通過改造工程，使發(fā)酵工藝中攪拌器轉(zhuǎn)速、通氣量、溶氧濃度和罐壓等工藝參數(shù)有機(jī)結(jié)合，促使產(chǎn)生菌的生長代謝條件達(dá)到最佳狀態(tài)。

在生產(chǎn)初期可以將電機(jī)頻率調(diào)低，大約在35 Hz就可以滿足溶氧、壓差等技術(shù)參數(shù)要求，隨著培養(yǎng)時間的加長可以將頻率逐漸提高，最后在培養(yǎng)階段達(dá)到以工頻運行的狀態(tài)。

設(shè)備額定參數(shù)為電機(jī)AC 380 V，4P，90 kW/183 A，每批次32 h。

1)安裝變頻器之前電機(jī)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(jié)能績效對比為：

平均節(jié)電率是[(64-50) / 64]伊100%=21.88%。

改善后每批次節(jié)約的電量(64-50)kW伊32 h=448 kW·h。

4 結(jié)語

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(shù)月運行考驗，證實其節(jié)能效果良好：

1)試驗數(shù)據(jù)證實，當(dāng)發(fā)酵罐攪拌器的轉(zhuǎn)速下調(diào)10%~20%時，用電量分別減少20%耀40%，節(jié)電效果十分顯著，并且在滿足產(chǎn)生菌不同生長代謝階段對攝氧濃度需求的情況下，攪拌器轉(zhuǎn)速均有下調(diào)的余地。

2)在發(fā)酵工藝周期內(nèi)，適度地降低了攪拌器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速得以有效地控制與調(diào)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(diào)控制電動機(jī)的軟啟動工作方式，并且具有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償和提升功能，因此避免了電動機(jī)全壓啟動時，對電網(wǎng)、電氣設(shè)備與機(jī)械設(shè)備的沖擊，有效地延長了電氣系統(tǒng)設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的大修期和使用壽命。