变频器在发酵罐中的节能应用

1 医药与生化企业的前期生产工艺现状

目前在国内医药、生化企业的生产中，大多数厂家的前期生产工艺发酵罐采用传统的恒定转速搅拌器来搅拌发酵液。这种搅拌器的转速是根据产生的菌种特性及产生菌在不同生长代谢阶段的摄氧要求的最高转速设定的，并且是按照整个发酵罐满负荷(发酵罐盛满发酵液)的状态下选择电机额定功率的，而在实际生产中为了防止搅拌过程中产生的泡沫溢出罐外，罐内实际液位通常都在设计容积的70%以下，因此搅拌电机经常在轻载工况下运行。本文针对国内发酵生产中存在的这一典型问题，讨论了变频器在这一领域的应用情况。

2 发酵罐搅拌器的转速与产生菌生长代谢的关系

2.1 发酵工艺

发酵工艺是产生菌种在适合的培养基、PH值、温度、通气和搅拌等条件下进行生长与合成的代谢活动。发酵工艺的持续时间与发酵液内氧的传递能力、营养物质的消耗程度、有毒性和有抑制性化合物的形成及菌种的物质特性有关。其中通气和搅拌功能是给产生菌提供生长代谢活动的氧源，而搅拌器的功能则是在发酵液通气的条件下，将空气打碎成小气泡，使其均匀分布在发酵液的各个角落，增加气液接触的有效面积，使发酵液随搅拌叶转动形成涡流并提高其湍动程度，以减少菌丝因缺氧而产生结团现象，使氧的传递面积增大，延长氧在发酵液中的停留时间，达到增加产量的目的。搅拌罐简单原理如图1 所示。

2.2 搅拌器转速对发酵工艺的影响

发酵罐的罐内压力维持微正状态虽然可以避免负压时造成的染菌和延长氧在发酵液中的停留时间，但是还应当考虑到，如将罐压从微正状态提高时，既不利于产生菌代谢时废气的排出及氧在酵液内的传递，又增加了设备的负荷，同时还提高了有害气体的溶解度。在这种情况下，如果单一考虑增大空气流量来提高供氧浓度，将会加快发酵液水分蒸发，随之也会带走更多的挥发性有机酸等其他的中间产物，对产生菌的代谢十分有利。

但同时，发酵液的黏度会上升，这会影响液体的湍动程度和氧从气相传递到发酵液中的液膜阻力，使氧的传递阻力增大。此外，发酵液粘度较大时，泡沫将剧增而稳定，且不易破裂，使气液接触的总面积降低。因此，为了消除过多的泡沫就要耗用大量的消沫剂。但是，消沫剂用量过多时，不但不能消除泡沫，反而引起泡沫调节失控，使PH值波动，最终导致异常发酵，造成不可挽回的生产工艺损失。由于空气在发酵液中滞留的时间有限，对溶氧浓度的影响也将远小于对搅拌器转速的影响。

由此可见，在发酵工艺中，并不提倡一味地增大空气流量，而应当调整搅拌器的转速，以便满足不同产生菌及其在不同生长代谢阶段对溶氧的需求。

但是，如果搅拌器的转速过高，不仅溶氧浓度趋向饱和，并且浪费能源，还容易损伤菌体形态和产生过多的泡沫。

3 变频器在发酵生产中的应用

根据不同生产菌种与不同生长代谢阶段对摄氧量的不同要求及搅拌器转速对溶氧浓度占据的主导地位，对发酵罐的传统搅拌器进行技术改造非常必要。通过改造工程，使发酵工艺中搅拌器转速、通气量、溶氧浓度和罐压等工艺参数有机结合，促使产生菌的生长代谢条件达到最佳状态。

在生产初期可以将电机频率调低，大约在35 Hz就可以满足溶氧、压差等技术参数要求，随着培养时间的加长可以将频率逐渐提高，最后在培养阶段达到以工频运行的状态。

设备额定参数为电机AC 380 V，4P，90 kW/183 A，每批次32 h。

1)安装变频器之前电机运行状态为平均功率和电流分别为64 kW，126 A。

2)安装变频器后运行状态为平均功率和电流分别为50 kW，80 A。

3)改善前后节能绩效对比为：

平均节电率是[(64-50) / 64]伊100%=21.88%。

改善后每批次节约的电量(64-50)kW伊32 h=448 kW·h。

4 结语

采用变频器对发酵罐的恒速搅拌器进行技术改造，经数月运行考验，证实其节能效果良好：

1)试验数据证实，当发酵罐搅拌器的转速下调10%~20%时，用电量分别减少20%耀40%，节电效果十分显著，并且在满足产生菌不同生长代谢阶段对摄氧浓度需求的情况下，搅拌器转速均有下调的余地。

2)在发酵工艺周期内，适度地降低了搅拌器转速，有效地遏制了发酵液泡沫剧烈地生成，减少了染菌事故率，每批罐的消沫剂用量减少了24%左右。

3)由于发酵罐的搅拌器转速得以有效地控制与调整，因此成功地改善了生产工艺条件，使产出的发酵原单位提高了15.30%。

4)由于变频器采用电压/频率协调控制电动机的软启动工作方式，并且具有转矩补偿和提升功能，因此避免了电动机全压启动时，对电网、电气设备与机械设备的冲击，有效地延长了电气系统设备和机械设备的大修期和使用寿命。