摘要：本文介紹了新風光變頻器在新疆天富陽光生物科技有限公司泰妙菌素的生產中的應用，說明了變頻器在發酵攪拌生產中調速節能、改善生產工藝，提高發酵效果等方面的作用， 對于生物科技與現代電力電子技術的結合又提供了新的應用領域，揭示了新的發展前景。
Abstract: This paper introduces the new scenery drive in Xinjiang Tianfu Sunshine Biotech Co., Ltd. Tiamulin production application, indicating the frequency mixing in fermentation production speed control, improved production processes, improve fermentation effects, etc. role for the biotechnology and the combination of modern power electronics technology has provided a new application areas, revealing a new development prospects.
關鍵詞：泰妙菌素的生產 發酵 變頻器 工藝改進
Key wors：Tiamulin production Ferment Inverter Process Improvement
引言：
新疆天富陽光生物科技有限公司是由新疆天富熱電股份有限公司和浙大陽光控股的江蘇賽奧生化有限公司共同出資組建的科技型企業。公司成立于2010年8月5日，注冊資本金4000萬元。主要從事生物獸藥中間體、生物飼料添加劑等農業生物科技產品的研發、制造和營銷。公司擁有新疆天富熱電股份公司熱電聯產，發、供、調一體化的電力能源優勢；擁有浙江浙大陽光營養技術有限公司成熟的生物制藥技術、高素質的管理團隊和強有力的營銷隊伍。新疆天富陽光生物科技有限公司必將成為廣袤的新疆大地上一支突起的生物制藥產業的生力軍。
公司主要生產泰妙菌素，主要用做家禽和家畜的飼料添加劑，在飼料中添加該產品可以預防多種傳染病，對家禽體內革蘭氏陽性菌及支原體有特效。
在生產過程中對于發酵工藝，要采用調速方法改善生產工藝，而調速的方式有多種，但在現代電力電子飛速發展的今天，變頻調速的方法已在普遍應用。而蘇江科技生產的變頻調速器，已在江蘇賽奧生化有限公司的發酵生產中應用很普遍，并具有多年的應用經驗和相關的技術工藝，因此在該公司的投產中，依然采用了該公司生產的變頻調速器，作為生產的主要調速設備，應用于生產的關鍵環節。
1、泰妙菌素的生產過程：
泰妙菌素的生產是從菌種的培養開始，菌種由沙土管孢子接入試管斜面培養，而后接入搖瓶培養，成熟后接入一級種子罐培養48h，然后接入二級種子罐培養48h，再接入三級種子罐培養48h，最后接入150m3發酵罐進行發酵250h左右，放入發酵液緩沖罐，發酵液經板框過濾，濾液排入污水處理設施，濾餅經閃蒸干燥得到干菌絲。
在上述過程中，發酵罐的發酵過程就是很關鍵的工藝。發酵行業是現代生物工程重要組成部分，近幾年來得到迅速的發展，眾所周知，發酵工業離不開發酵罐，隨著生產工藝的不斷改進，發酵的不同階段，對發酵罐的攪拌速度需要不斷調整。而目前在國內的生產中，大多數廠家的前期生產工藝發酵罐采用傳統的恒定轉速攪拌器來攪拌發酵液。這種攪拌器的轉速是根據菌種特性與參照菌種在不同生長代謝階段的攝氧要求的最高轉速設定的，這種定速攪拌方式限制了發酵工藝流程的改進，同時也浪費了大量能源。
在泰妙菌素的生產成本中，電和蒸氣成本約占總成本的40%，為了降低發酵電耗成本，改善工藝流程，天富陽光生物科技有限公司領導決定在攪拌過程中采用變頻調速進行攪拌速度的調整，基于蘇江科技在發酵行業的良好表現，及江蘇賽奧生化有限公司的發酵生產中的大量應用，通過招標方式選擇了該公司生產的變頻器JD-BP32型對其進行配套，通過近期的試投產，達到了預期的目的。
2、發酵罐攪拌器的轉速與泰妙菌素菌種生長代謝的關系
2.1攪拌器
泰秒菌素生產發酵工藝是泰秒菌素菌種在適合的培養性、PH值、溫度、通氣和攪拌等條件下進行生長與合成泰秒菌素的代謝活動。發酵工藝的持續時間與發酵液內氧的傳遞能力、營養物質的消耗程度、有毒性和有抑制性化合物的形成及菌種的物質特性有關。其中通氣和攪拌功能是對泰秒菌素菌種提供生長代謝活動的氧源，而攪拌器的功能則是在發酵液通氣的條件下，將空氣打碎成小氣泡，使其均勻分布在發酵液的各個角落，增加氣液接觸的有效面積，使發酵液隨攪拌葉轉動形成渦流并提高其湍動程度，減少菌絲因缺氧而產生結團現象，使氧的傳遞面積增大，延長氧在發酵液中的停留時間，達到增加泰秒菌素產量的目的。
2.2攪拌器轉速對泰秒菌素發酵工藝的影響
發酵罐的罐壓維持微正狀態雖然可以避免負壓時造成的染菌和延長氧在發酵液中的停留時間，但是還應當考慮到，如將罐壓從微正狀態提高時，既不利于泰秒菌素菌種代謝時廢氣的排除與氧在發酵液內的傳遞，又增加了設備的負載，同時提高了有害氣體的溶解度。在這種情況下，如果單一考慮增大空氣流量來提高供氧濃度，將會加快發酵液水分蒸發，隨之也會帶走更多的揮發性有機酸等其他的中間產物，對泰秒菌素菌種的代謝十分有利。同時，發酵液的黏度也會上升，還會影響液體的湍動程度和氧從氣相傳遞到發酵液中的液膜阻力，使氧的傳遞阻力增大。此外，發酵液粘度較大時，泡沫將劇增而穩定，且不易破裂，使氣液接觸的總面積降低。因此，為了消除過多的泡沫就要耗用大量的消沫劑。但是，消沫劑用量過多時，不但不能消除泡沫，反而引起泡沫調節失控，PH值波動，最終導致異常發酵，造成不可挽回的泰秒菌素生產工藝損失。由于空氣在發酵液中滯留的時間有限，對溶氧濃度的影響也將遠小于攪拌器轉速的影響。由此可見，在泰秒菌素發酵工藝中，并不提倡一味地增大空氣流量，而應當調整攪拌器的轉速，以便滿足不同泰秒菌素菌種及其在不同生長代謝階段對溶氧的需求，同時可以改善泰秒菌素發酵工藝流程，達到節約能源的目的。
根據泰秒菌素的菌種在不同生長代謝階段對攝氧量的不同要求及攪拌器轉速對溶氧濃度占據的主導地位，對泰秒菌素發酵罐的傳統攪拌器進行調速技術改造非常必要。通過改造工程，使泰秒菌素發酵工藝中攪拌器轉速、通氣量、溶氧濃度和罐壓等工藝參數有機結合，使泰秒菌素菌種的生長代謝條件達到最佳狀態。如圖1是現場發酵罐的圖片。
圖1、發酵罐圖片
3、現場負載工況
負載名稱：發酵罐攪拌機
電機參數:
型號YSL500-12
額定功率 380KW
額定電流 772A
額定電壓 380V
額定頻率 50Hz
功率因數 0.8
生產廠家 無錫華達電機股份有限公司
大功率皮帶減速機:
型號 YPV11a-380/1351
輸入功率 380KW
傳動比 3.5
轉速輸入 490r/min
轉速輸出 135r/min
生產廠家:浙江長城減速機有限公司
基本工作原理:
圖2、變頻器的基本原理圖
如圖所示是變頻器最基本的主回路圖，三相交流380V/50Hz的工頻電源，經三相全波整流后，變成脈動的直流，再經過大電解電容平滑濾波后，變成比較平穩的直流電源，經過IGBT開關管的控制，逆變成頻率和電壓都可以調節的交流電，供電機運行。而由直流變成交流的逆變環節，是變頻器的核心控制部分。
由電動機的轉速公式知道：
n=60f/P*(1-s)
可知當電機的極對數p、轉差率s不變時，改變電源的供電頻率，就可以平滑的改變電機的轉速，即：n=Kf，n與f成正比，這就是改變頻率可以平滑改變電機轉速的原理。
對于異步交流電機，變頻器輸出電壓與頻率以及氣空隙磁通存在以下對應關系：
U=4.44fs*Ns*Ks*Φ
式中， N s 為定子每相繞組串聯匝數； Ks 為基波繞組系數；Φ為電機氣隙中每極合成磁通。
在變頻器調速過程中，要保證磁通恒定，因為對于電動機而言，磁通太大，電機繞組容易飽和，嚴重時會燒毀電機，磁通太弱，電機力矩就會不足，電機在重載下就會啟動不了，難以正常運轉。從上式來看，在調頻的過程中，4.44、Ns、Ks都是常數，要保證磁通Φ恒定，在改變頻率fs的同時，必須同時改變電壓U，即保證U/fs=KΦ，K為常數，這就是變頻同時變壓的原理，也即恒V/f控制。
當然隨著變頻器的發展，為了適應現場電機及電源電壓的要求，又派生出變頻器的許多不同品類，如：
為了適應大功率電機的需要，采用IGBT模塊、整流模塊直接并聯或單元并聯的方式，產生低壓大功率變頻器。
為了適應電壓升高的需要，產生了中壓變頻器，采用整流模塊、IGBT模塊直接串聯，采用三電平、五電平、七電平等主回路方式，使輸出波形及電源諧波盡量滿足現場需要。
對于高壓大功率變頻器，現在主要采用美國羅賓康公司的單元串聯完美無諧波的主電路及控制電路的方式進行控制，實現用低壓配件進行高壓控制的目的。
為了適應控制方式的需要，又在V/f控制的基礎上，研發了矢量控制、直接轉矩控制等多種控制方式。
這些都是普通變頻器的派生產品。我們現在的380V/50Hz/400KW的變頻器，就是采用整流模塊、IGBT模塊直接并聯的方式進行控制的。如圖3所示。
圖3、模塊并聯變頻器原來示意圖。
圖4是變頻器外形圖。
圖4、變頻器的外形圖
5、攪拌機變頻改造使用效果
天富陽光公司發酵罐攪拌機變頻技改工程選用我公司生產的JD-BP32-400F(400KW/380V)低壓變頻器,共計8臺，對攪拌罐進行控制，工程于2011年11月完成，改造達了預期的效果。
1） 由于發酵罐的攪拌器轉速得以有效地控制與調整，實現了最佳工況運行，使泰妙菌素產出的發酵單位提高了10%左右。
2） 在發酵工藝周期內，適當地降低了攪拌器轉速，有效地遏制了發酵液泡沫劇烈地生成，減少了染菌事故率。
3） 減少了維護工作量和維護費用，延長了設備的使用壽命。
由于變頻器采用軟起動、軟停止工作方式，因此避免了電動機全壓啟動時，對電網、電氣設備及機械設備的沖擊，有效地延長了設備的大修期和使用壽命，大大降低了維護工作量和維護成本。
4） 變頻器具有多項保護功能，十分完善。
與原來傳統的工頻控制系統相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機，最大限度保證了設備的連續運行。
5）節能效果顯著。泰妙菌素的生產是從菌種的培養開始，菌種由沙土管孢子接入試管斜面培養，而后接入搖瓶培養，成熟后接入一級種子罐培養48h，變頻器調制35Hz，然后接入二級種子罐培養48h，變頻器調制40Hz，再接入三級種子罐培養48h，變頻器調節：
1）0-18小時為35Hz
2）18-48小時為45Hz
最后接入150m3發酵罐進行發酵250h左右，變頻器調節：
1) 0-15小時為25Hz
2) 15-200小時為45Hz
3) 200-250小時為30Hz
放入發酵液緩沖罐，發酵液經板框過濾，濾液排入污水處理設施，濾餅經閃蒸干燥得到干菌絲。
從以上情況看，變頻器運行頻率最高不超過45Hz，最低不低于25Hz，平均在35Hz左右，經測試，在同樣的工況下，攪拌機變頻運行與工頻運行相比，用電量減少40%左右，節電效果十分明顯。
6、結束語
從天富陽光公司泰妙菌素的生產發酵罐變頻改造效果來看，蘇江科技生產的JD-BP32-400F變頻器不僅滿足了發酵生產工藝的要求，改善了發酵效果，節能效果顯著，而且性能可靠，運行穩定。達到了預期的經濟效益，為變頻器的推廣應用提供了又一經典范例。
參考文獻：1、魏廷林 《國產高壓變頻器在發酵罐攪拌機上的應用》
《變頻器世界》2008.12
2、《DSP低壓變頻器說明書V3.0版》
