變頻器在發酵罐中的節能應用

1 醫藥與生化企業的前期生產工藝現狀

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

2 發酵罐攪拌器的轉速與產生菌生長代謝的關系

2.1 發酵工藝

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

2.2 攪拌器轉速對發酵工藝的影響

發酵罐的罐內壓力維持微正狀態雖然可以避免負壓時造成的染菌和延長氧在發酵液中的停留時間，但是還應當考慮到，如將罐壓從微正狀態提高時，既不利于產生菌代謝時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，將會加快發酵液水分蒸發，隨之也會帶走更多的揮發性有機酸等其他的中間產物，對產生菌的代謝十分有利。

但同時，發酵液的黏度會上升，這會影響液體的湍動程度和氧從氣相傳遞到發酵液中的液膜阻力，使氧的傳遞阻力增大。此外，發酵液粘度較大時，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，反而引起泡沫調節失控，使PH值波動，最終導致異常發酵，造成不可挽回的生產工藝損失。由于空氣在發酵液中滯留的時間有限，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，在發酵工藝中，并不提倡一味地增大空氣流量，而應當調整攪拌器的轉速，以便滿足不同產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和產生過多的泡沫。

3 變頻器在發酵生產中的應用

根據不同生產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速對溶氧濃度占據的主導地位，對發酵罐的傳統攪拌器進行技術改造非常必要。通過改造工程，使發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，促使產生菌的生長代謝條件達到最佳狀態。

在生產初期可以將電機頻率調低，大約在35 Hz就可以滿足溶氧、壓差等技術參數要求，隨著培養時間的加長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。

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為平均功率和電流分別為50 kW，80 A。

3)改善前后節能績效對比為：

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

采用變頻器對發酵罐的恒速攪拌器進行技術改造，經數月運行考驗，證實其節能效果良好：

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

2)在發酵工藝周期內，適度地降低了攪拌器轉速，有效地遏制了發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工藝條件，使產出的發酵原單位提高了15.30%。

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