王鵬飛，翟秀超

無(wú)錫中糧工程科技有限公司 (無(wú)錫 214035)

賴氨酸作為人體8種必需氨基酸之一，是世界上僅次于味精的第二大氨基酸產(chǎn)業(yè)。由于賴氨酸在人體不能靠自身合成L-賴氨酸，只能從食物中攝取，故而也被稱為第一限制性氨基酸。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)際國(guó)內(nèi)政策利好，賴氨酸產(chǎn)能不斷擴(kuò)張，從全球賴氨酸產(chǎn)能分布情況來(lái)看，我國(guó)是全球賴氨酸產(chǎn)能最大的國(guó)家，2018年賴氨酸產(chǎn)能占比達(dá)70%，成為全球第一大賴氨酸生產(chǎn)和出口國(guó)。賴氨酸生產(chǎn)發(fā)酵過(guò)程中，由于微生物生長(zhǎng)增殖及代謝活動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生多種有機(jī)酸，所以隨著發(fā)酵的進(jìn)行，發(fā)酵液的PH值不斷下降[1]。在我國(guó)賴氨酸工廠中，發(fā)酵過(guò)程pH的調(diào)節(jié)基本采用液氨，小試或中試一般采用氨水。但是國(guó)外的情況有所不同，因受到液氨供應(yīng)的限制，大部分工廠傾向于選用氨水。本文基于國(guó)內(nèi)外賴氨酸項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，分別從危害性、設(shè)備選型、設(shè)備及管路系統(tǒng)維護(hù)、發(fā)酵指標(biāo)和過(guò)程壓力控制這五種不同影響因素，對(duì)國(guó)外賴氨酸工廠采用氨水調(diào)控pH值和國(guó)內(nèi)采用液氨調(diào)節(jié)pH值來(lái)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 危害性因素

液氨是液態(tài)，常溫常壓下為氣態(tài)。一旦液氨泄漏會(huì)迅速的變成氣態(tài)，氣態(tài)氨具有強(qiáng)烈刺激性，對(duì)人體有毒害作用，嚴(yán)重可導(dǎo)致死亡，另外氨氣具有燃爆性，與空氣混合能形成爆炸性氣體，遇火源能發(fā)生爆炸[2]。而氨水是氨氣與水的混合物，工業(yè)氨水氨含量大多是25%～28% ，具有揮發(fā)性，能夠揮發(fā)出氨氣，同樣對(duì)人體有毒害作用。但由于濃度不同，氨氣化和揮發(fā)時(shí)間的不同，氨水危害性要低于液氨。在我國(guó)，存儲(chǔ)量大于10 t的液氨定為重大危險(xiǎn)源；氨水根據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品名錄中規(guī)定，氨水濃度10%～50%為堿性腐蝕品，氨水濃度小于10%不屬于危險(xiǎn)品，所以說(shuō)氨水的危害性要小于液氨[3]。從危害性和安全角度考慮，氨水在使用上要優(yōu)于液氨。

2 設(shè)備選型因素

首先，在儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)備方面，液氨罐屬于壓力容器，儲(chǔ)存量大于10 t又是重大危險(xiǎn)源，在液氨罐區(qū)的設(shè)計(jì)和選型上必須符合相關(guān)強(qiáng)制性規(guī)范要求，設(shè)備選型制作要求高，且投資較高。氨水則可選擇常壓罐，根據(jù)賴氨酸的產(chǎn)能來(lái)確定儲(chǔ)存量，在設(shè)計(jì)選型時(shí)按照危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)計(jì)即可，投資相對(duì)較小。

其次，在車間內(nèi)部設(shè)備配置方面，使用液氨調(diào)節(jié)pH值，車間內(nèi)部不設(shè)置臨時(shí)緩沖罐，用管道直接輸送至發(fā)酵罐，輸送壓力一般為7～9 bar(700～900 kPa)。由于液氨純度極高，微生物很難在液氨環(huán)境中生存，所以一般賴氨酸工廠都是直接通入發(fā)酵罐或者在車間各工段加一個(gè)除雜過(guò)濾器即可。而氨水則不同，在賴氨酸工廠里，一般選用工業(yè)級(jí)氨水，氨水的雜質(zhì)比較多，必須先經(jīng)過(guò)一道除雜過(guò)濾器進(jìn)行除雜；又因氨水濃度比較低，有微生物存活的風(fēng)險(xiǎn)，所以為了防止氨水帶菌導(dǎo)致發(fā)酵染菌，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)置除菌過(guò)濾器[4]；再者，為了保證發(fā)酵過(guò)程的連續(xù)性和無(wú)菌性，在通氨水之前，必須對(duì)流加罐到發(fā)酵罐之間的沿途管路進(jìn)行蒸汽消毒，保證氨水是無(wú)菌狀態(tài)。綜合來(lái)看，選用液氨對(duì)設(shè)備和管路系統(tǒng)的壓力等級(jí)有很高要求；選用氨水的設(shè)備配置，尤其是過(guò)濾裝置復(fù)雜。

3 設(shè)備及管路系統(tǒng)維護(hù)因素

在國(guó)內(nèi)的賴氨酸工廠中，基本采用液氨直接通入發(fā)酵罐內(nèi)，僅需考慮管路系統(tǒng)的密封性問(wèn)題，不需要考慮設(shè)備的維修或者消毒。一般會(huì)在進(jìn)車間前增設(shè)除雜過(guò)濾器，因液氨純度高，雜質(zhì)相對(duì)較少，定期清理周期為每月1次；清理時(shí)需要打開(kāi)過(guò)濾器，人工佩帶防毒面具，防止氨氣吸入中毒，打開(kāi)過(guò)濾器后先用自來(lái)水沖洗過(guò)濾器內(nèi)部，讓氨氣迅速溶解水中，稀氨水收集排回回收罐內(nèi)，然后再進(jìn)行過(guò)濾器濾芯清洗更換。

而使用氨水時(shí)，其設(shè)備及管路系統(tǒng)的維護(hù)檢修相對(duì)繁瑣，首先我們要定期對(duì)除雜過(guò)濾器進(jìn)行清洗更換，還要對(duì)氨水流加罐進(jìn)行蒸汽消毒，最后對(duì)流加罐之后的氨水除菌過(guò)濾器和管路消毒，確保氨水通過(guò)的管路是無(wú)菌狀態(tài)[5]。由于氨水中的雜質(zhì)相對(duì)較多，氨水本身也具有腐蝕性，根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，正常氨水過(guò)濾器在使用3～5個(gè)周期(6～10 d)就要進(jìn)行清理消毒，清洗頻率明顯高于使用液氨的工況；每次清洗消毒都要將過(guò)濾器打開(kāi)，不可避免的會(huì)有揮發(fā)的氨氣，對(duì)操作人員造成一定的傷害。

綜合上述，無(wú)論選用液氨還是氨水，再設(shè)計(jì)及設(shè)備選型時(shí)嚴(yán)格遵守規(guī)范，確保設(shè)備及管路系統(tǒng)的壓密性，嚴(yán)防泄露問(wèn)題；從過(guò)濾、消毒及維護(hù)頻率角度來(lái)看，在賴氨酸發(fā)酵過(guò)程控制中，液氨使用更方便、可靠。

4 發(fā)酵指標(biāo)影響因素

在賴氨酸發(fā)酵過(guò)程中，液氨/氨水的作用除了調(diào)控pH值外，還是微生物增殖和代謝的無(wú)機(jī)氮源，流加過(guò)程可及時(shí)的補(bǔ)充微生物活動(dòng)消耗的氮。以300 m3發(fā)酵罐，產(chǎn)賴氨酸58 t為例，如用液氨，則其消耗量約6 t；使用25%氨水，則其消耗量約24 t。從使用數(shù)據(jù)上看，氨水量約占到賴氨酸發(fā)酵培養(yǎng)體積的10%，此種情況下，必須考慮氨水的流加量對(duì)培養(yǎng)體積的影響，否則發(fā)酵指標(biāo)中產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)會(huì)有計(jì)算偏差。但整體來(lái)看，大生產(chǎn)使用氨水來(lái)調(diào)控pH值，最終得到發(fā)酵液的產(chǎn)酸率略低于使用液氨的工況。

5 過(guò)程壓力控制因素

正常情況下，液氨因自身飽和蒸氣壓的存在，液氨輸送管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力約為8 bar(800 kPa)；因環(huán)境溫度降低或儲(chǔ)存量變少等因素導(dǎo)致液氨罐內(nèi)壓力不足，則會(huì)啟動(dòng)氨壓縮機(jī)來(lái)輸送液氨，所以在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)因發(fā)酵罐內(nèi)壓力的增加導(dǎo)致液氨無(wú)法流加的情況。氨水是由儲(chǔ)罐泵入流加罐，以通入無(wú)菌壓縮空氣的方法來(lái)保證罐內(nèi)壓力維持在1.5～2.0 bar(150～200 kPa)，此壓力也是氨水的流加壓力，相對(duì)液氨來(lái)說(shuō)，流加壓力較小。而發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵罐的罐內(nèi)壓力一般為0.8～1.1 bar(80～110 kPa) ，且流加管道伸入罐底，會(huì)產(chǎn)生液位差；氨水的流加壓力要高于罐內(nèi)壓及液位差之和，氨水才能被加入到發(fā)酵罐中。在pH值微調(diào)時(shí)，閥門開(kāi)度較小，這種情況下，便會(huì)出現(xiàn)氨水加不進(jìn)發(fā)酵罐的情況，嚴(yán)重影響了賴氨酸培養(yǎng)環(huán)境，導(dǎo)致產(chǎn)酸不穩(wěn)定。

從控制精度角度，氨水因濃度低，控制要求沒(méi)有液氨高，易操作；液氨要求高精度控制，尤其在發(fā)酵前期，pH值變動(dòng)幅度不大時(shí)。

綜上所述，液氨或氨水在賴氨酸發(fā)酵調(diào)節(jié)pH值中均有應(yīng)用，有些國(guó)家由于受到產(chǎn)能和運(yùn)輸?shù)挠绊?，加上?guó)家對(duì)液氨的安全環(huán)保方面的規(guī)范嚴(yán)格要求，從平衡角度考慮選擇氨水會(huì)多一些。而我們國(guó)家則在賴氨酸工業(yè)化大生產(chǎn)中全部采用液氨，液氨雖然危險(xiǎn)性高，只要我們嚴(yán)格按照規(guī)范去設(shè)計(jì)，加強(qiáng)管理，落實(shí)責(zé)任風(fēng)險(xiǎn)是可控的，從生產(chǎn)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性上更有利。