搅拌器在发酵生产中的应用和选择

张俊刚　吴泽华

【摘要】发酵搅拌器在近些年来取得了很大的发展，本文综述了这方面的进展情况。重点对搅拌器在发酵中的应用和选择方面做进行了综述与评价，并就国内和国外的研究现状进行了简单概述。

【关键词】搅拌；发酵；搅拌器

1.搅拌器在发酵生产中的作用

发酵技术是非常古老的一项技术，在食品、饲料等生产中应用也非常广泛[1]。发酵罐是在发酵过程的反应容器。在发酵生产过程中，从配料到种子罐的培养再到发酵罐发酵生产，全部都需要搅拌设备。搅拌器的作用涉及到固液悬浮、气体分散、混匀和传热等。搅拌器的选择是发酵罐设计中最关键的关键步骤。

发酵过程根据需氧量的多少可分为厌氧发酵和需氧发酵。对于厌氧发酵，例如酒类和活性污泥处理等，只需要发酵培养物的混匀，对搅拌的强度要求相对较低；而在好氧发酵过程中，由于菌种的生长、生产对氧气要求高，因而对搅拌条件的影响非常敏感。

在好氧微生物发酵过程中，在微生物种子培养和发酵生产阶段都需要充足的氧供给。在实际发酵生产中，通常使用过滤除菌后的空气作为氧的来源。微生物的呼吸作用也可以看做是葡萄糖完全氧化过程:C6H12O6+6O2→6H2O+6C02。因此氧的供给程度在好氧发酵过程中是影响发酵生产效率的一个重要因素。选择合理的搅拌器可以有效改善发酵罐的传氧特性。

随着工厂规模的不断增大，发酵工艺技术的不断提高，实际发酵生产对发酵罐的尺寸需求也越来越大，对于发酵搅拌器的要求也越来越高。

搅拌器主要有如下作用：(1)让两种及以上互溶的液体充分混匀；(2)互不相溶的液体之间混合均匀；(3)气相与液相混合；(4)液体中固体颗粒的悬浮；(5)混匀化学物质，加速化学反应、传热、传质等。搅拌器通过工艺的实际需要而设定。

2.发酵搅拌器的类别

在发酵生产中搅拌器的直接作用是把气泡打碎，强化流体在反应器中湍动的程度，从而使气泡和发酵液充分混合，使气、液、固三相得到全面的接触[2]，进而达到改善供氧性能的目的。目前应用中的搅拌器按流型可分为轴向流型和径向流型两种。

2.1径向流涡轮搅拌器

传统发酵罐中，最典型的径向流搅拌器是Rushton涡轮搅拌器。其结构非常简单，底部有一个圆盘，在上面带有六个直叶叶片，称为六直叶圆盘涡轮。涡轮带有圆盘的目的是防止气体在没有来得及分散之前，就直接从轴的周围溢出液面，导致传氧效率降低。在发酵工业发展初期，发酵罐的规模相对比较小，而Rushton涡轮结构很简单，容易加工和制造，因此应用比较广泛。

2.2轴向流搅拌器

径向流搅拌器虽然分散气体的能力较强，然而其作用范围较小，随着发酵生产规模的不断扩大，发酵罐直径和高的尺寸也越来越大，径向流搅拌器逐渐不能满足生产发展的需求。在要求整槽混匀好，并且剪切性能温和的发酵生产中，径向流搅拌器显得无能为力。因此必须寻找新的搅拌器来满足生产需求。随着近代流体力学理论的发展，一种基于机翼理论、船用螺旋桨理论和边界层分离理论等而出现的新型的轴向流发酵用搅拌器被设计出来。传统的推进式叶轮，例如：LINGHT2NINA310搅拌器，一般只有3个叶片，叶片宽度很窄，投影覆盖率只有22%左右，因此对气体的控制较弱，容易造成液泛。然而新型发酵用轴向流搅拌器则一般拥有4～6片宽叶片，投影覆盖率可达90%，大大加强了对气体的控制能力。并且由于其自身特有的轴流特性，能够产生较大的循环体积，节能高效，而且造价低廉，工艺上易于实现大型化，因而逐步成为主流产品。其中最有代表性的是美国莱宁公司开发的A-310、搅拌器A-31搅拌器和美国凯米尼尔公司的HE-3搅拌器以及美国费城搅拌设备公司的LS和HS两个产品系列，还有法国豪斑公司的HPM搅拌器等。

2.3组合式搅拌器

径向流涡轮搅拌器与轴向流搅拌器各有优点，单独应用都会受到一定的限制。如果把径向流搅拌器与轴向流搅拌器组合起来使用，利用径向流搅拌器来控制气体的分散，使主体对流扩散与涡轮扩散来实现较小范围内的充分气液混合，再通过轴向流搅拌器的主体对流作用让全部液体周期性的依次与气体混合，以此来实现较大范围的气液混合，将会得到较为理想的应用效果，能够满足发酵罐大型化的生产需求。同时，根据发酵罐通常是从下部通气的特点，将下层搅拌器选择径向流搅拌器，而上层搅拌器采用轴向流搅拌器。与单纯采用径向流搅拌器相比，该组合形式可以提高传质系数，减少功率消耗，对于剪切敏感的细菌发酵过程还能够减少剪切作用，增加收率。随着发酵罐的规模不断扩大，充分利用这两种搅拌器优势，互相补充，采用多级多种的组合方式将会是今后大型发酵罐设计发展的方向。

搅拌器选择不同的直径和转速配比，将对应不同的搅拌特性，大的搅拌直径对应着大的循环量Q搅，将有利于液体混合；大转速则对应着高液流速度压头H搅，将会加强湍流程度，有利于提高溶氧水平。实际应用中，二者要做到兼顾。既要有一定的液体速度压头，以确保溶氧水平，又要有一定的搅拌循环量，来确保混合均匀，避免局部缺氧。另外搅拌器转速和搅拌直径提高，同时会带来发酵罐搅拌功率提高，因此要根据具体情况确定搅拌器的转速n和搅拌器桨叶直径d。

3.结语

发酵搅拌器的选择和应用，对各种产品发酵的发酵水平、成本、收率及发酵的成败等起的非常重要的作用；发酵生产中根据发酵罐结构和形状情况、发酵品种情况、发酵工艺情况、发酵菌种情况、通风情况等，采用合适的搅拌器型号、组合形式、电机功率及叶轮数量，同时采用无级变速电机或是用变频器来调整转速等，能有效提高溶氧效果，有利于发酵液中培养基与菌体的充分接触，进一步提高发酵水平，降低生产成本。[科]

【参考文献】

［１］黄志坚，虞培清等.发酵罐用搅拌器的工业应用进展.医药工程设计杂志,2004,25(1).

［２］施庆珊，陈仪本等.影响发酵过程中氧利用效率的一些因素.发酵科技通讯，2008,37(1).