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(chǎng)。因此，對(duì)發(fā)酵工程技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)的優(yōu)化，就變得十分必要。希望本文下面對(duì)發(fā)酵工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)內(nèi)容的闡述、難點(diǎn)問題的分析、多年累積優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)的分享，能給相關(guān)技術(shù)人員帶來價(jià)值和幫助。
1 發(fā)酵罐設(shè)計(jì)
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(jī)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(dòng)植物細(xì)胞等低耗氧品種，目前國(guó)內(nèi)適合這種攪拌的產(chǎn)品較少見。通氣式機(jī)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(diǎn)闡述該類發(fā)酵罐及其系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)。
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(jī)、減速機(jī)、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(jì)的重點(diǎn)
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(dòng)力匹配性、勞動(dòng)生產(chǎn)率要求等因素綜合確定。
首先，發(fā)酵罐設(shè)計(jì)需要考慮規(guī)模經(jīng)濟(jì)，即在消耗同等能耗情況下，能夠有較多的產(chǎn)出。同時(shí)，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(dòng)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(yùn)行，減少備機(jī)。
其次，在規(guī)模經(jīng)濟(jì)以上，還要考慮染菌的風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)杜絕。
對(duì)提取車間能力的匹配性和投資強(qiáng)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(jì)，人力使用越合理?？傊?，在設(shè)計(jì)過程中，確定發(fā)酵罐體積，需要多因素綜合考量。
目前，國(guó)內(nèi)廠家出于降低投資和生產(chǎn)運(yùn)行成本的考慮，傾向于發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)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(duì)溶氧產(chǎn)生的不利影響不顯著。因此，國(guó)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(duì)氧需求低。對(duì)于氧需求較高的品種，大發(fā)酵罐對(duì)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(duì)國(guó)內(nèi)某品種生產(chǎn)廠家調(diào)研，得到的比選數(shù)據(jù)。這個(gè)品種的特點(diǎn)是發(fā)酵液對(duì)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(duì)該品種較530 m3發(fā)酵罐更具綜合優(yōu)勢(shì)，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(tái)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(shí)間，結(jié)合發(fā)酵單罐容積，來確定發(fā)酵罐總臺(tái)數(shù)。同時(shí)，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(yùn)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(shí)放1～2罐。例如發(fā)酵全周期為8天（含輔助時(shí)間），1天放1罐，則設(shè)計(jì)為8臺(tái)發(fā)酵罐。也可以設(shè)計(jì)為1天放2罐，選擇16臺(tái)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(duì)長(zhǎng)的停留時(shí)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(jī)的出口壓力也必隨之增大，從而使空壓機(jī)電耗增加。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一些大型離心空壓機(jī)每增加0.01 MPa壓頭，則空壓機(jī)的耗電量增加5%左右。
通常，對(duì)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(zhǎng)型逐變?yōu)榘中停?/span>H/D減少）。國(guó)內(nèi)實(shí)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(duì)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(kuò)增到300～500 m3罐，甚至更大。但綜合考慮空壓機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(duì)值一般不宜超過15 m。
1.2.3 攪拌流場(chǎng)技術(shù)方案及系統(tǒng)配置
A.攪拌流場(chǎng)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(jī)械能，助力動(dòng)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(gè)傳遞的良好實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過多年來的研究結(jié)果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，目前多采用底部徑向流，整體軸向流的流場(chǎng)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(kuò)散，向四周運(yùn)動(dòng)，上面幾層攪拌產(chǎn)生軸向流使流體沿軸向向下運(yùn)動(dòng)，罐壁附近流體向上運(yùn)動(dòng)，從而整體形成一個(gè)喘動(dòng)的循環(huán)流動(dòng)。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(duì)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(gè)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(shí)可起到翻騰沉積于罐底的固體物料作用。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用。
第二種為環(huán)形空氣分布管式。安裝時(shí)環(huán)形分布管的中心應(yīng)正對(duì)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(duì)周邊流體的抽吸帶動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)，并在噴嘴中心形成一個(gè)低壓區(qū)域。此時(shí)，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(shí)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(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)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(jià)比不高，就不一定選用。
1.2.4 換熱裝置設(shè)計(jì)
溫度是影響微生物生產(chǎn)發(fā)育及代謝活動(dòng)的重要因素，換熱裝置的設(shè)計(jì)對(duì)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易，罐內(nèi)死角少，容易進(jìn)行清洗滅菌；缺點(diǎn)：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(diǎn)：冷卻水在罐內(nèi)流速大，傳熱系數(shù)高；缺點(diǎn)：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(diǎn)：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(shí)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(diǎn)：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(jì)算及分析
發(fā)酵的冷卻面積計(jì)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(jì)較大，則Δtm可以較小，則使用循環(huán)水的周期可延長(zhǎng)，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(xiàng)目實(shí)踐中，整個(gè)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(dòng)力費(fèi)用顯著降低，效果良好。
在換熱器配管設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用多組并聯(lián)形式，使Δtm值更低，這種設(shè)計(jì)更利于降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。
2 發(fā)酵系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)
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(gè)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(yàn)三個(gè)部分。從發(fā)酵運(yùn)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(gè)系統(tǒng)。本文重點(diǎn)就這五個(gè)系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。
2.1 總體設(shè)計(jì)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(fèi)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(duì)物料管道滅菌時(shí)暢通無阻，無死角等。
2.2 各系統(tǒng)配置要點(diǎn)
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(jī)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(gè)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(shí)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(jí)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(jì)；第二種方案在使用中更加靈活，各罐可以隨時(shí)更換第一級(jí)過濾器濾芯。
B.空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)注重點(diǎn)：
要控制進(jìn)初效過濾器（或總空）前的相對(duì)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(shí)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(shí)要適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)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(duì)最好。整個(gè)蒸汽系統(tǒng)在配置時(shí)要做成“活蒸汽”，即時(shí)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(jì)關(guān)注重點(diǎn)：
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(bào)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(jì)關(guān)注重點(diǎn)：
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(gè)系統(tǒng)，用于生產(chǎn)時(shí)切換使用。
B.冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)注重點(diǎn)：
滅菌后冷卻水系統(tǒng)是否單獨(dú)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(dú)設(shè)置。在南方地區(qū)，循環(huán)水溫度非常敏感，稍高會(huì)影響整個(gè)廠區(qū)生產(chǎn)，這種情況也應(yīng)單獨(dú)設(shè)置為宜。
蛇形換熱管設(shè)計(jì)，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(jì)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?？抗抟婚y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(shí)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(jì)關(guān)注重點(diǎn)：
發(fā)酵車間移種、補(bǔ)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(jì)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(diǎn)，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(diǎn)是各個(gè)移種支管比較短，管道用量小，費(fèi)用低。缺點(diǎn)是因?yàn)榭偣茌^長(zhǎng)，對(duì)發(fā)酵的種子液浪費(fèi)比較多；在操作上由于各個(gè)閥門相對(duì)較遠(yuǎn)，人員走動(dòng)比較多，操作容易出現(xiàn)誤差；在滅菌操作的時(shí)候，各個(gè)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(jí)種子和發(fā)酵罐之間的移種閥門集中到一起，各個(gè)移種支管連接到一個(gè)較短的主管上。不進(jìn)行操作時(shí)，主管處于蒸汽汽封狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)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(fèi)比較少，滅菌的效果也比較可靠。其缺點(diǎn)是由于支管比較長(zhǎng)，管道總長(zhǎng)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(bǔ)料管道同樣分為主管式和分配站式。補(bǔ)料主管式由于操作面對(duì)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(jì)上使用較少。一般推薦分配站式補(bǔ)料設(shè)計(jì)。
無菌管道將整個(gè)發(fā)酵廠房的設(shè)備連接起來，對(duì)整個(gè)發(fā)酵車間的設(shè)計(jì)是非常重要的，同時(shí)也是進(jìn)行無菌生產(chǎn)的基礎(chǔ)。無菌管道的設(shè)計(jì)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(dòng)化及節(jié)能設(shè)計(jì)
3.1 發(fā)酵生產(chǎn)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)
發(fā)酵生產(chǎn)過程是微生物次級(jí)代謝的生化反應(yīng)過程，機(jī)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(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化有較大難度，并需付出較高投資。但是，自動(dòng)化控制的優(yōu)勢(shì)和必要性也十分突出，是發(fā)展的必然趨勢(shì)。
發(fā)酵車間的自動(dòng)化控制和監(jiān)控點(diǎn)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(bǔ)料、移種、溶氧、攪拌轉(zhuǎn)速等。其主要特殊點(diǎn)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(guó)內(nèi)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展，一些先進(jìn)發(fā)酵生產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)化控制。自控系統(tǒng)多采用分散控制、集中操作、分級(jí)管理、組態(tài)方便的方式，即DCS方式。
發(fā)酵車間自控難點(diǎn)在于滅菌操作全自動(dòng)化控制。自控滅菌的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)，又能降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和節(jié)省勞動(dòng)力，還能減少人為不確定因素導(dǎo)致滅菌失敗的風(fēng)險(xiǎn)。出現(xiàn)異常情況時(shí)，利用DCS系統(tǒng)可以做出迅速反應(yīng)，縮短處理時(shí)間。采取全自動(dòng)滅菌也有缺點(diǎn)：由于大量自控閥門代替手動(dòng)閥門，導(dǎo)致投資額較大。另外，全自動(dòng)滅菌對(duì)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(jì)過程中是否采用全自動(dòng)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(xiàng)目當(dāng)?shù)夭僮魅藛T素質(zhì)、品種特點(diǎn)等綜合因素決定。隨著我國(guó)自控軟硬件水平的不斷提高，人工成本的不斷增加，勞動(dòng)力短缺情況的出現(xiàn)，以及其他等諸多因素的影響，全自動(dòng)化控制方案必將成為發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。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(jì)
發(fā)酵工業(yè)是高耗能產(chǎn)業(yè)，隨著能源價(jià)格的持續(xù)提高，動(dòng)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(jì)時(shí)，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(xiàng)目設(shè)計(jì)中，采用永磁電機(jī)、磁懸浮空壓機(jī)等節(jié)電設(shè)備已比較常見。又例如，在空壓機(jī)站的設(shè)計(jì)中，用從離心空壓機(jī)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(shí)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(shí)，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(duì)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(jì)中的一個(gè)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(shí)的小排氣（小辮子）中的廢蒸汽。對(duì)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(shí)，也可以降低廢蒸汽亂排對(duì)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(duì)發(fā)酵設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及難點(diǎn)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(jì)水平以及發(fā)酵生產(chǎn)系統(tǒng)配置水平是決定整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)是否先進(jìn)的兩個(gè)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(chǎng)技術(shù)是否先進(jìn)、換熱裝置是否高效，是發(fā)酵罐設(shè)計(jì)需關(guān)注的四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)；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(gè)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(yùn)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(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；發(fā)酵全自動(dòng)化控制生產(chǎn)是未來工程設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，每一個(gè)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(shí)際的選擇。
