邢書芳 張鐵林 郭 健 胡春光

（核工業(yè)理化工程研究院，天津300180）

0 引言

在生物發(fā)酵生產(chǎn)過程中，發(fā)酵罐內(nèi)會產(chǎn)生大量泡沫，部分泡沫夾帶大量發(fā)酵液隨尾氣排出罐體，該現(xiàn)象在發(fā)酵行業(yè)中被稱為尾氣逃液。在生產(chǎn)過程中若發(fā)生逃液現(xiàn)象，不僅會降低產(chǎn)量，而且逃液中的活菌體會使生產(chǎn)環(huán)境的空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降，增加料液染菌的機(jī)會，發(fā)酵生產(chǎn)的連續(xù)性與穩(wěn)定性得不到保證。因此，如何有效控制尾氣逃液現(xiàn)象，一直是生物發(fā)酵生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)。

為解決尾氣逃液問題，生產(chǎn)廠家通常采用以下方法應(yīng)對：

（1）減少發(fā)酵罐定容；

（2）增加消泡劑用量；

（3）在發(fā)酵罐頂部安裝傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器。

這三種方法在實施過程中存在的問題如表1所示。

從表1可知，上述方法均存在不同缺陷，各生產(chǎn)廠家都在尋求一種更好的控制尾氣逃液現(xiàn)象的新方法，尋求更先進(jìn)的設(shè)備解決尾氣逃液問題。

1 研發(fā)背景

目前，生物發(fā)酵行業(yè)在發(fā)酵罐上端的排氣口設(shè)有逃液分離設(shè)備，以解決發(fā)酵罐逃液中的氣液分離問題。在分離設(shè)備中，國外產(chǎn)品的分離效率較高，一般在99%以上，但價格是國內(nèi)產(chǎn)品的數(shù)倍以上。由于價格相差懸殊，絕大多數(shù)企業(yè)仍選用國內(nèi)分離設(shè)備，普遍選用的是傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器。該產(chǎn)品名義上分離效率為80%～90%，實際分離效率只能達(dá)到60%～70%，仍有相當(dāng)一部分尾氣中的液體沒有得到有效分離。

發(fā)酵生產(chǎn)企業(yè)為了實現(xiàn)全天候生產(chǎn)，迫切需要一種高效、可靠、價廉的氣液分離設(shè)備。因此，為滿足市場和用戶需求，在參考國內(nèi)外先進(jìn)分離設(shè)備及查詢專利的基礎(chǔ)上，我院研發(fā)了QYF-A、QYF-B型兩種高效氣液分離器，其中QYF-B型高效氣液分離器又稱高效逃液捕集器，是一種高效、免維護(hù)、成本低廉的氣液分離設(shè)備。

含QYF-A、QYF-B型兩種高效氣液分離器的空氣凈化系統(tǒng)流程如圖1所示。

表1 解決尾氣逃液問題所用方法及其存在的問題

圖1 無菌空氣凈化系統(tǒng)流程圖

2 氣液分離器

2.1 氣液分離器原理

氣液分離器的基本工作原理是利用氣體、液體及固體的比重不同，飽和氣體進(jìn)入分離器后，液體、固體瞬間失重與氣體分離，并利用出口處氣體的流速形成旋渦，使比重大的液體和固體沉積到分離器下部，分離后的氣體從分離器上部流出。其中，帶折流擋板和絲網(wǎng)的分離器的分離效果更好，適用于對氣體要求更高的場合。

2.2 氣液分離器的分離形式

（1）根據(jù)氣液比重不同，在較大空間內(nèi)隨流速變化，在主流體轉(zhuǎn)向的過程中，氣相中細(xì)微的液滴下沉而與氣體分離。（2）利用旋風(fēng)分離器，氣相中細(xì)微的液滴被進(jìn)口處的高速氣流甩到器壁上，碰撞后失去動能而與轉(zhuǎn)向氣體分離。

2.3 氣液分離器的分離方法

2.3.1 重力沉降法

由于氣體與液體密度不同，當(dāng)液體與氣體一起流動時，液體會受重力作用產(chǎn)生一個向下的速度，而氣體仍然朝著原來的方向流動，也就是說，液體與氣體在重力場中有分離的傾向，向下的液體附著在壁面上匯集在一起，通過排放管排出。

優(yōu)點：設(shè)計簡單；設(shè)備制作簡單；阻力小。

缺點：分離效率低；設(shè)備體積大；占用空間多。

2.3.2 折流分離法

由于氣體與液體密度不同，當(dāng)液體與氣體一起流動時，如果遇到阻擋，氣體會折流而走，而液體由于慣性，繼續(xù)有一個向前的速度，向前的液體附著在阻擋壁面上，由于重力作用向下匯集到一起，通過排放管排出。

優(yōu)點：分離效率比重力沉降法高；設(shè)備體積比重力沉降分離器小，折流分離結(jié)構(gòu)可以用在壓力容器內(nèi)；設(shè)備工作穩(wěn)定。

缺點：分離負(fù)荷范圍窄，超過氣液混合物規(guī)定流速后，分離效率急速下降；阻力比重力沉降分離器大。

2.3.3 離心分離法

由于氣體與液體密度不同，當(dāng)液體與氣體一起流動時，液體受到的離心力大于氣體，所以液體有離心分離傾向，液體附著在阻擋壁面上，由于重力作用向下匯集到一起，通過排放管排出。

該方法的優(yōu)缺點與折流分離法類似。

2.3.4 絲網(wǎng)分離法

由于氣體與液體密度不同，當(dāng)液體與氣體混合在一起旋轉(zhuǎn)流動時，如果經(jīng)過絲網(wǎng)，就像過篩一樣，氣體通過了，而液體被攔截留在絲網(wǎng)上，并在重力作用下，下流至分離器底部排出，絲網(wǎng)的篩分作用類似折流分離。

優(yōu)點：分離效率比普通的折流分離法或離心分離法高；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，只需制作一個絲網(wǎng)固定裝置；設(shè)備體積比普通的折流分離器或離心分離器小。

缺點；分離負(fù)荷范圍窄，超過氣液混合物規(guī)定流速或者液氣比后，分離效率急速下降；阻力比普通的折流分離器或離心分離器大；設(shè)備工作不穩(wěn)定，容易帶液；絲網(wǎng)的目數(shù)及材料選擇很重要。絲網(wǎng)目數(shù)不同，其分離性能也不同，但不管采用何種絲網(wǎng)，由于液體下流速度很慢，絲網(wǎng)容易被固體雜質(zhì)堵塞。若想降低氣液混合流速，就要增加分離器體積。

2.3.5 微孔過濾分離法

由于氣體與液體的微粒大小不同，液體與氣體混合在一起旋轉(zhuǎn)流動時，如果經(jīng)過微孔過濾，就像過篩一樣，氣體通過了，而液體被攔截留在微孔過濾器上，并在重力作用下，下流至分離器底部排出。微孔過濾分離器的篩分作用是真正意義上的篩分，其微孔一般在50μm以下，大于其微孔直徑的液體微粒則不能通過。其分離機(jī)理比較復(fù)雜，微孔過濾分離器的阻擋收集表面積極大，折流次數(shù)和篩分次數(shù)在單位體積內(nèi)比絲網(wǎng)分離器更多。

優(yōu)點：分離效率極高；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，只需制作一個微孔過濾器固定裝置；設(shè)備體積比絲網(wǎng)分離器小。

缺點：分離負(fù)荷范圍窄，超過氣液混合物規(guī)定流速或者液氣比后，分離效率急速下降；超過氣液混合物規(guī)定流速或者液氣比后，容易發(fā)生液阻現(xiàn)象，阻力急劇上升；阻力比普通的折流分離器或離心分離器大；設(shè)備工作不穩(wěn)定，容易帶液。

2.3.6 比較

常用的機(jī)械分離方法有重力慣性分離法、過濾分離法和離心沉降分離法。其中，過濾分離器的分離效率不高，可靠性差；重力慣性分離器需要較大的占地空間，且分離效率也不高。在實際應(yīng)用中，普遍使用離心沉降分離技術(shù)。傳統(tǒng)的應(yīng)用離心分離技術(shù)制作的各種旋風(fēng)分離設(shè)備，雖然名義上稱分離效率很高，但處理風(fēng)量的范圍較小，不能滿足實際生產(chǎn)需要。

發(fā)酵行業(yè)中的氣液分離設(shè)備性能比較如表2所示。

3 逃液捕集器

QYF-B型高效氣液分離器（以下簡稱逃液捕集器）是我院在參考了國外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)與國內(nèi)傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器相比有很大的改變。

3.1 結(jié)構(gòu)比較

3.1.1 傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器由6部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。氣液混合體由進(jìn)氣口切向進(jìn)入分離器，氣體由直線運動轉(zhuǎn)為圓周運動，在離心力作用下，將密度較大的液體顆粒甩向筒體內(nèi)壁，顆粒與筒壁碰撞后，在重力作用下進(jìn)入收集口；旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣流在到達(dá)圓錐體時，因錐形的收縮向分離器靠攏。氣體到達(dá)錐體下端的某一位置時，以同樣的旋轉(zhuǎn)方向從分離器中部由下而上繼續(xù)做螺旋運動，即內(nèi)旋流；最后凈化氣體經(jīng)排氣口排出分離器外，一部分未被捕集的液體顆粒由此逃逸。

表2 發(fā)酵行業(yè)中的氣液分離設(shè)備性能比較

圖2 傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡圖

影響旋風(fēng)分離器分離效率的主要因素是其殼體內(nèi)部存在的二次渦流。

（1）短路流：在旋風(fēng)分離器頂蓋、排氣口外面與筒壁間，由于徑向速度與軸向速度的存在，形成局部渦流，夾帶著相當(dāng)數(shù)量的顆粒向中心流動，并沿排氣口外表面下降，最后隨著中心上升氣流逸出排氣口。

（2）縱向旋流：以分離器內(nèi)、外旋流分界面為中心，在分離器內(nèi)再循環(huán)而形成的縱向旋流。

（3）外層旋流中的局部旋渦：由于分離筒壁表面不光滑，可以產(chǎn)生與主流體相垂直的渦流。這種流動會使壁面附近或者已被分離到筒壁的粒子重新甩到內(nèi)層流，使液體微粒在分離后的氣體中出現(xiàn)。

（4）底部夾帶：外層旋流在錐體底部向上返轉(zhuǎn)時，可產(chǎn)生局部渦流，將顆粒重新卷起，被上升氣流帶走。

圖3為傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器殼體內(nèi)部存在的渦流示意。

圖3 傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器殼體內(nèi)部存在的渦流示意

3.1.2 逃液捕集器結(jié)構(gòu)

逃液捕集器將旋風(fēng)分離、離心沉降分離和重力分離巧妙地合為一體，利用強(qiáng)制整流超速噴發(fā)原理對氣體、液體進(jìn)行有效分離，在結(jié)構(gòu)上消除了旋渦氣流對分率效率的影響。逃液捕集器主要由8個部分組成，如圖4所示。

圖4 逃液捕集器結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 逃液捕集器工作原理

圖5 為逃液捕集器的三次逃液分離過程。從圖4可以看到，混合氣體由進(jìn)氣口切向進(jìn)入殼體，氣體由直線運動改為圓周運動；旋轉(zhuǎn)氣流沿筒壁呈螺旋形旋轉(zhuǎn)向下；液體顆粒在離心力作用下，密度較大的液體顆粒被甩向殼壁，失去慣性，由于重力作用沿筒壁下落，進(jìn)入凝并區(qū)，完成第一次氣液分離。

向下旋轉(zhuǎn)的氣體進(jìn)入整流罩與筒體之間的環(huán)縫，強(qiáng)制進(jìn)行離心分離，當(dāng)氣流在脫離環(huán)縫的瞬間，氣流體積膨脹，濕度略降低，形成快速的局部混合流場，使氣流中的液體發(fā)生碰撞凝并，形成有效沉降，完成第二次氣液分離。

旋轉(zhuǎn)向下的氣流經(jīng)過整流板，流向發(fā)生改變，旋轉(zhuǎn)氣流向中心軸線（排氣孔）移動。在前兩次分離過程中沒有來得及分離出的液體，在上旋過程中由于離心力作用被分離出來，分離出的液滴通過上腔分離管設(shè)置的間隙排出，經(jīng)回液管流回腔體底部，完成第三次氣液分離。

筒體整流板以下部分設(shè)計較大的空間是為了進(jìn)一步冷凝被處理的氣體?；旌蠚怏w經(jīng)過三次分離后，氣體經(jīng)出氣口上部排出分離器外。分離后的液體在殼體底部匯集，通過殼體底部的收集口排出。

圖5 逃液捕集器逃液分離過程簡圖

3.3 逃液捕集器特點

逃液捕集器的結(jié)構(gòu)有效消除了旋風(fēng)分離器的渦流：（1）整流板迫使氣流在整流板及筒體的間隙中做旋轉(zhuǎn)運動，氣流沒有機(jī)會形成短路，直接進(jìn)入排氣孔，這樣消除了上述第一種渦流。（2）在出氣管內(nèi)進(jìn)行氣液的第三次離心分離，大大減弱了由縱向旋流、外層旋流中的局部渦流、底部夾帶所引起的液體逃逸現(xiàn)象。

渦流的消除，極大地提高了逃液捕集器的分離效率，比傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器高10%～20%，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、運行可靠。在風(fēng)量產(chǎn)生波動的情況下，其分離效率穩(wěn)定，風(fēng)量適應(yīng)度好。在發(fā)酵運行過程中，該設(shè)備和發(fā)酵罐視為同一系統(tǒng)，一同對這兩者進(jìn)行蒸汽消毒。消毒完成后，逃液捕集器內(nèi)部也清洗完畢。逃液捕集器采用免維護(hù)運行設(shè)計，設(shè)備可長期連續(xù)使用，正常運行時不需要維護(hù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不會出現(xiàn)堵塞、破損。設(shè)備內(nèi)部無死角，一般不會發(fā)生染菌現(xiàn)象。逃液捕集器的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

3.4 逃液捕集器的安裝

以新疆某生物科技公司QYF-B-180型逃液捕集器為例，其安裝示意如圖6所示，安裝要點如下：

（1）逃液捕集器安裝高度要盡量高，以便增大回收料液的回流動力。依據(jù)勢能和料液重力回流，有利于將捕集到的料液回流到發(fā)酵罐內(nèi)。

（2）逃液捕集器安裝的進(jìn)、出口方向應(yīng)垂直安裝，當(dāng)攪拌軸轉(zhuǎn)動時，可以減輕攪拌軸與發(fā)酵罐的震動。

（3）發(fā)酵罐內(nèi)的回料管焊接固定后，要進(jìn)行相關(guān)部分的拋光處理，杜絕料液染菌的隱患。

（4）逃液捕集器回料管的端口方向，要與攪動料液的旋轉(zhuǎn)同向，以防止料液進(jìn)入回料管造成倒灌。

（5）確定發(fā)酵罐料液攪拌過程中形成的負(fù)壓區(qū)位置，它與料液回收效果有直接關(guān)系。發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)工藝、發(fā)酵罐容積、發(fā)酵罐內(nèi)的攪拌方式、攪拌葉片形式等，都與確定負(fù)壓區(qū)位置有直接關(guān)系。因此，確定負(fù)壓區(qū)位置沒有固定模式，建議廠家安裝前與發(fā)酵罐設(shè)計廠家確認(rèn)負(fù)壓區(qū)基本位置后，再進(jìn)行回料管的安裝。

表3 逃液捕集器的主要技術(shù)參數(shù)

圖6 QYF-B-180型逃液捕集器安裝示意圖

（6）無論是新購置還是在原有發(fā)酵罐上添加逃液捕集器，發(fā)酵罐排氣口與逃液捕集器的進(jìn)口管路之間不應(yīng)設(shè)置閥門，防止發(fā)酵罐底部的進(jìn)氣壓力與發(fā)酵罐上部的排氣壓力形成反向壓差，造成生產(chǎn)損失。逃液捕集器回料管與發(fā)酵罐間的管路也不應(yīng)設(shè)有閥門，防止經(jīng)分離后的料液經(jīng)回料管回至發(fā)酵罐時受阻，影響捕集回收的效果。

（7）逃液捕集器中無更換部件，免維護(hù)運行。在使用中一般不會發(fā)生故障，只需一次性投資。

（8）逃液捕集器中的回料管安裝有兩種方式，如圖7所示。一種是通過發(fā)酵罐體上方從罐體進(jìn)入，沿筒體內(nèi)壁向下到負(fù)壓區(qū)域，如圖7（a）所示，此種安裝方式為大多數(shù)廠家所采納；另一種是沿發(fā)酵罐外垂直向下到負(fù)壓區(qū)域筒壁外，通過罐體進(jìn)入，如圖7（b）所示。

4 逃液捕集器的應(yīng)用

逃液捕集器用于生物發(fā)酵行業(yè)的尾液回收始于2003年，梅花集團(tuán)二公司投資擴(kuò)建10萬t/年的味精生產(chǎn)線，廠家經(jīng)多方調(diào)研，最后選用了分離效率高、價格相對低廉的QYF-B型逃液捕集器，用以解決尾氣逃液問題。根據(jù)廠家提供的工作參數(shù)（流量、工作壓力、進(jìn)出口要求等），我院為其設(shè)計了10臺80m3/m in的逃液捕集器。投產(chǎn)運行后，該設(shè)備的逃液控制效果明顯，通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯高于同類廠家。

圖7 逃液捕集器的回料管安裝形式示意圖

4.1 應(yīng)用效果

4.1.1 放罐體積增大

該廠家的放罐體積一般在260～270m3/次，平均可達(dá)83%左右，而其他廠家的放罐體積平均為75%左右，兩者相差近10%。放罐體積的大幅度增加，提高了生產(chǎn)線的設(shè)備利用率，同時證明了逃液捕集器具有很高的分離效率。

4.1.2 消泡劑用量減少

該廠家生產(chǎn)谷氨酸所使用的消泡劑為5 kg/t，而其他味精生產(chǎn)廠家的消泡劑用量為8～10 kg/t，消泡劑用量減少37%～50%，減輕了提取、精制等下道工序的負(fù)擔(dān)，后續(xù)處理費用下降。

4.1.3 無逃液現(xiàn)象發(fā)生

逃液捕集器的分離效率較高，使發(fā)酵過程避免了逃液現(xiàn)象的發(fā)生，有效保證了周圍的空氣質(zhì)量，避免了由生產(chǎn)空間空氣循環(huán)所造成的空氣首尾交叉感染，為制備無菌空氣提供了可靠的保證，為生產(chǎn)的穩(wěn)定運行起到了重要作用。

4.1.4 消毒無死角、無染菌問題

由于逃液捕集器安裝在發(fā)酵罐上部，在發(fā)酵罐運行過程中和發(fā)酵罐視為同一系統(tǒng)，借罐壓作用，不需要外界的動力和額外能耗，對發(fā)酵罐和逃液捕集器一同蒸汽消毒，無染菌死角，自運行以來，未發(fā)生染菌現(xiàn)象，保證了產(chǎn)品合格率。放罐體積及消泡劑用量參數(shù)如表4所示。

4.1.5 經(jīng)濟(jì)效果

梅花集團(tuán)二公司的味精生產(chǎn)線年產(chǎn)量為10萬t，由于放罐體積增加了近10%，其年產(chǎn)值增加了1萬t，按當(dāng)時味精市場價格8 000元/t計算，僅此一項可增加產(chǎn)值8 000萬元/年。同時，生產(chǎn)1 t谷氨酸所節(jié)約的消泡劑用量達(dá)0.003 t，按當(dāng)時消泡劑市場價格1 000元/t計算，可節(jié)約成本30萬元/年。

4.2 推廣應(yīng)用

通遼梅花味精生物科技有限公司使用了逃液捕集器后，深有感觸。原先使用自制的旋風(fēng)分離器的分離效果不理想，在谷氨酸發(fā)酵過程中，尾液排放處理不當(dāng)，易發(fā)生發(fā)酵逃液現(xiàn)象，使環(huán)境中的菌體濃度過高，提高染菌發(fā)生率。選用QYF-B型高效氣液分離器后，效果顯著：（1）有效杜絕了尾氣逃液現(xiàn)象，無液滴和泡沫帶出；（2）發(fā)酵罐放罐體積增加了5%～6%；（3）發(fā)酵罐消泡劑用量減少了20%。

西王藥業(yè)有限公司主產(chǎn)葡萄糖酸鈉，在發(fā)酵罐的尾氣排放處理中，一直沿用傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器，使用效果不理想。2017年選用了QYF-B型高效氣液分離器，對比設(shè)備使用前后的生產(chǎn)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，效果明顯：（1）杜絕了逃液現(xiàn)象，無液滴和泡沫帶出；（2）發(fā)酵消泡劑用量減少；（3）與原發(fā)酵罐相比，發(fā)酵液產(chǎn)量提高了11%；（4）發(fā)酵罐容積增加了10%以上，發(fā)酵罐單罐產(chǎn)能也有明顯提高。

表4 味精行業(yè)放罐體積及消泡劑用量參數(shù)

在肌苷發(fā)酵生產(chǎn)中，排放的發(fā)酵罐尾氣氣味較大，濟(jì)南明鑫制藥有限公司對肌苷發(fā)酵生產(chǎn)工藝進(jìn)行了幾次改進(jìn)，但實際除味效果并不理想，氣味帶來的環(huán)保問題影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)。此外，排出的混合氣體中的料液若通過逃液捕集器回至發(fā)酵罐，黏稠度較高的料液有可能與筒壁粘連，帶來染菌隱患。2012年該公司使用了QYF-B型逃液捕集器，經(jīng)逃液捕集器分離后的料液未回到發(fā)酵罐，而是回收到另外的收集罐，消除了料液染菌的風(fēng)險，解決了因尾氣排放產(chǎn)生的環(huán)保問題，能夠回收發(fā)酵尾氣中80%以上的料液分子，除味效果明顯，空氣質(zhì)量得到很大改善。設(shè)備投入少，除氣味效果明顯，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

逃液捕集器在發(fā)酵車間中的應(yīng)用如圖8所示。

圖8 逃液捕集器在發(fā)酵車間中的應(yīng)用

5 結(jié)語

逃液捕集器經(jīng)用戶使用證明，其設(shè)計合理，技術(shù)先進(jìn)，領(lǐng)先國內(nèi)同類產(chǎn)品，滿足發(fā)酵罐的逃液收集需求，其使用效果明顯高于傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器，是傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器的替代產(chǎn)品，必將在食品、生物醫(yī)藥等行業(yè)得到更好的推廣和應(yīng)用。