大型智能好氧发酵装备研发与应用
丁春华 章金元 刘登如 石建伟
镇江东方生物工程设备技术有限责任公司
摘要: 对于大宗发酵产品的生产而言，发酵装备大型化是当前的发展趋势和迫切需求。攻克450~1200 m3超大型好氧发酵装备溶氧搅拌系统设计制造等关键技术瓶颈，通过开发具有国际先进水平的超大型智能好氧发酵装备，打破国外技术垄断并形成自主知识产权，对于推动我国生物技术产业发展具有重大而深远的意义。镇江东方生物工程设备技术有限责任公司长期以来致力于生物发酵装备的研发与应用，在发酵装备的大型化、智能化及节能降耗等方面取得了阶段性成果。
1. 国内外现状
我国是工业生物技术大国，氨基酸、抗生素、维生素、核苷酸、酒精等发酵产品单项产量和出口产值均居世界前列，主要产品产值已突破2500亿元以上。根据发酵工业发展规划要求，到“十二五”末，发酵工业总产量有望达3000万吨，年均增长率达15%左右；总产值达4600亿元以上，涉及相关应用行业总产值翻番，达到100000亿元左右。
对于大宗发酵产品的生产而言，发酵设备大型化是当前的发展趋势和迫切需求，单体发酵罐规模将从现有100~300立方米左右，提升到450立方米以上，最大可以到单罐1200立方米，从而实现高强度和高转化率的发酵生产，降低生产成本和能耗。同时，发酵过程控制也将会从单参数控制发展为结合代谢流、神经网络以及企业资源计划(ERP)的综合控制技术。因此，高效节能的大型智能发酵装备己经是我国发展生物技术产业必不可少的重要支撑。
国际上大型发酵成套设备市场被国外公司占领，主要有德国费林氏、美国莱宁、韩国KBT、日本丸菱等。例如在酵母SCP行业，80年代英国帝国化学公司单体发酵装备已达到1000 m3，且发酵强度高，生产成本低；而我国目前酵母发酵规模仍停留在100~300 m3，且存在易染菌、高能耗、自动化程度低、成套性不够等技术问题，制约了我国生物产业的发展。
发酵工艺与装备的自主创新能力低下是造成我国生物制造产业与国外相关产业差距日渐拉大的重要因素之一。
2. 大型智能好氧发酵装备的研发
大型智能发酵装备是现代生物技术产业体系和产业链的重要支撑，是现代生物技术成果产业化的必要条件。
生物技术是一个综合性的产业，不仅需要有上游的研究开发，还需要有后续的工业生产与之相衔接。但由于中间环节薄弱，制约了生物技术成果的转化和产业化进程。
项目的实施将不仅解决我国现有工业生物技术的产业化问题，促进生物技术产品的规模化生产形成，提高生产能力，降低生产成本，从而实现巨大的经济效益。
生物技术产业化的路线如图1所示，其中发酵设备是核心设备。
图1 生物技术产业化路线图
本项目产品将促进我国生物发酵产业升级为大规模、自动化制造水平，解决大型发酵设备设计与制造的技术瓶颈，实现大型发酵成套设备的国产化和自主知识产权，打破国外技术和市场垄断，形成大型发酵设备的国家或行业标准。项目符合国家产业政策和国家十二五新兴产业发展规划要求，符合江苏省新兴产业发展方向，对提升我国生物工程装备设计与制造技术，培育地方经济增长点、推动地方经济和社会发展具有重要意义。
主要创新点：
①自主研制超大型智能好氧发酵罐，首次形成国内单体1200 m3罐体设计制造能力，为大宗发酵产品生产提供设备支撑。
②针对不同特性的发酵液，自主设计系列溶氧搅拌系统，降低对细胞生长的剪切力，提高溶氧和传质效果。
③突破超大型发酵搅拌器制造瓶颈，为整体搅拌系统的制造、打破国外技术垄断提供支撑。
④首次将生物发酵代谢流与神经网络控制模式结合，研制出发酵智能控制系统。
⑤首次将超大型发酵系统的节能降耗设计技术与设备制造技术相结合，降低能耗和用水量。
已实现或有望实现的重大技术突破：
①超大型好氧发酵罐系统成套设备技术集成
将在国内发酵工程成套装备领域第一次集成生物发酵最新技术并使之产业化，包括大型搅拌技术、节能降耗综合技术、生物发酵过程自控技术、大型先进发酵罐制造技术等。在此基础上建成国内最大最先进的大型生物发酵成套装备的生产基地，发酵罐体积最大到1200立方米。
②发酵过程的智能控制系统应用
在现有控制系统基础上，实现新的突破：多通道数据采集与分析系统、基于OPC技术的组态软件开发、发酵过程智能SCADA开发、全系数自适应控制软件开发。
③超大型好氧发酵罐系统生产的系列化、标准化、规范化设计。
④超大型好氧发酵罐系统生产自动化焊接、安装、检测生产流水线的研发。
3. 大型智能好氧发酵装备的应用
大型智能好氧发酵装备在国内生物产业的应用方兴未艾。随着生物产业的发展，特别是市场竞争的加剧，大型化、智能化、低耗高效的大型发酵装备必将成为生物产业升级换代的首选。
镇江东方生物工程设备技术有限责任公司致力于发酵装备的成套化、智能化、大型化研究与应用。在引进和消化江南大学和天津科技大学科研成果基础上，充分利用公司大型发酵设备精密加工技术、智能生物发酵控制技术，经过自主研发，形成具有自主知识产权产品。目前450立方米发酵罐中试产品已通过国家技术监督局部门的检测，取得了特种设备合格证。
例1：在丽珠集团福兴制药公司苯丙氨酸发酵生产中(高密度、高溶氧)，应用本司150立方米发酵设备，电耗降低12%，蒸汽消耗降低24%，水消耗降低9%，人员减少30%，发酵水平提高19%，综合成本降低18.6%。
例2：在内蒙润帮生物公司黄原胶高粘度发酵生产中，应用本司450立方米发酵设备，黄原胶产率达35g/L，综合消耗与传统设备相比降低13.6%。