摘要：本文介绍了新风光变频器在新疆天富阳光生物科技有限公司泰妙菌素的生产中的应用，说明了变频器在发酵搅拌生产中调速节能、改善生产工艺，提高发酵效果等方面的作用， 对于生物科技与现代电力电子技术的结合又提供了新的应用领域，揭示了新的发展前景。
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.
关键词：泰妙菌素的生产   发酵   变频器   工艺改进
Key wors：Tiamulin production  Ferment  Inverter   Process Improvement
引言：
    新疆天富阳光生物科技有限公司是由新疆天富热电股份有限公司和浙大阳光控股的江苏赛奥生化有限公司共同出资组建的科技型企业。公司成立于2010年8月5日，注册资本金4000万元。主要从事生物兽药中间体、生物饲料添加剂等农业生物科技产品的研发、制造和营销。公司拥有新疆天富热电股份公司热电联产，发、供、调一体化的电力能源优势；拥有浙江浙大阳光营养技术有限公司成熟的生物制药技术、高素质的管理团队和强有力的营销队伍。新疆天富阳光生物科技有限公司必将成为广袤的新疆大地上一支突起的生物制药产业的生力军。
    公司主要生产泰妙菌素，主要用做家禽和家畜的饲料添加剂，在饲料中添加该产品可以预防多种传染病，对家禽体内革兰氏阳性菌及支原体有特效。
    在生产过程中对于发酵工艺，要采用调速方法改善生产工艺，而调速的方式有多种，但在现代电力电子飞速发展的今天，变频调速的方法已在普遍应用。而苏江科技生产的变频调速器，已在江苏赛奥生化有限公司的发酵生产中应用很普遍，并具有多年的应用经验和相关的技术工艺，因此在该公司的投产中，依然采用了该公司生产的变频调速器，作为生产的主要调速设备，应用于生产的关键环节。
1、泰妙菌素的生产过程：
    泰妙菌素的生产是从菌种的培养开始，菌种由沙土管孢子接入试管斜面培养，而后接入摇瓶培养，成熟后接入一级种子罐培养48h，然后接入二级种子罐培养48h，再接入三级种子罐培养48h，最后接入150m3发酵罐进行发酵250h左右，放入发酵液缓冲罐，发酵液经板框过滤，滤液排入污水处理设施，滤饼经闪蒸干燥得到干菌丝。
    在上述过程中，发酵罐的发酵过程就是很关键的工艺。发酵行业是现代生物工程重要组成部分，近几年来得到迅速的发展，众所周知，发酵工业离不开发酵罐，随着生产工艺的不断改进，发酵的不同阶段，对发酵罐的搅拌速度需要不断调整。而目前在国内的生产中，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菌种特性与参照菌种在不同生长代谢阶段的摄氧要求的最高转速设定的，这种定速搅拌方式限制了发酵工艺流程的改进，同时也浪费了大量能源。
    在泰妙菌素的生产成本中，电和蒸气成本约占总成本的40%，为了降低发酵电耗成本，改善工艺流程，天富阳光生物科技有限公司领导决定在搅拌过程中采用变频调速进行搅拌速度的调整，基于苏江科技在发酵行业的良好表现，及江苏赛奥生化有限公司的发酵生产中的大量应用，通过招标方式选择了该公司生产的变频器JD-BP32型对其进行配套，通过近期的试投产，达到了预期的目的。
2、发酵罐搅拌器的转速与泰妙菌素菌种生长代谢的关系
2.1搅拌器
    泰秒菌素生产发酵工艺是泰秒菌素菌种在适合的培养性、PH值、温度、通气和搅拌等条件下进行生长与合成泰秒菌素的代谢活动。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对泰秒菌素菌种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，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，达到增加泰秒菌素产量的目的。
2.2搅拌器转速对泰秒菌素发酵工艺的影响
    发酵罐的罐压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，既不利于泰秒菌素菌种代谢时废气的排除与氧在发酵液内的传递，又增加了设备的负载，同时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，对泰秒菌素菌种的代谢十分有利。同时，发酵液的黏度也会上升，还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，PH值波动，最终导致异常发酵，造成不可挽回的泰秒菌素生产工艺损失。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搅拌器转速的影响。由此可见，在泰秒菌素发酵工艺中，并不提倡一味地增大空气流量，而应当调整搅拌器的转速，以便满足不同泰秒菌素菌种及其在不同生长代谢阶段对溶氧的需求，同时可以改善泰秒菌素发酵工艺流程，达到节约能源的目的。
    根据泰秒菌素的菌种在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，对泰秒菌素发酵罐的传统搅拌器进行调速技术改造非常必要。通过改造工程，使泰秒菌素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，使泰秒菌素菌种的生长代谢条件达到最佳状态。如图1是现场发酵罐的图片。
 

           图1、发酵罐图片

3、现场负载工况
负载名称：发酵罐搅拌机
电机参数:
型号YSL500-12
额定功率  380KW
额定电流  772A
额定电压  380V
额定频率  50Hz
功率因数 0.8
生产厂家 无锡华达电机股份有限公司
大功率皮带减速机:
型号 YPV11a-380/1351
输入功率 380KW
传动比 3.5
转速输入 490r/min
转速输出 135r/min
生产厂家:浙江长城减速机有限公司
基本工作原理:
 

                 图2、变频器的基本原理图

    如图所示是变频器最基本的主回路图，三相交流380V/50Hz的工频电源，经三相全波整流后，变成脉动的直流，再经过大电解电容平滑滤波后，变成比较平稳的直流电源，经过IGBT开关管的控制，逆变成频率和电压都可以调节的交流电，供电机运行。而由直流变成交流的逆变环节，是变频器的核心控制部分。
由电动机的转速公式知道：
n=60f/P*(1-s)
可知当电机的极对数p、转差率s不变时，改变电源的供电频率，就可以平滑的改变电机的转速，即：n=Kf，n与f成正比，这就是改变频率可以平滑改变电机转速的原理。
对于异步交流电机，变频器输出电压与频率以及气空隙磁通存在以下对应关系：
U=4.44fs*Ns*Ks*Φ
式中， N s 为定子每相绕组串联匝数； Ks 为基波绕组系数；Φ为电机气隙中每极合成磁通。
在变频器调速过程中，要保证磁通恒定，因为对于电动机而言，磁通太大，电机绕组容易饱和，严重时会烧毁电机，磁通太弱，电机力矩就会不足，电机在重载下就会启动不了，难以正常运转。从上式来看，在调频的过程中，4.44、Ns、Ks都是常数，要保证磁通Φ恒定，在改变频率fs的同时，必须同时改变电压U，即保证U/fs=KΦ，K为常数，这就是变频同时变压的原理，也即恒V/f控制。
当然随着变频器的发展，为了适应现场电机及电源电压的要求，又派生出变频器的许多不同品类，如：
为了适应大功率电机的需要，采用IGBT模块、整流模块直接并联或单元并联的方式，产生低压大功率变频器。
为了适应电压升高的需要，产生了中压变频器，采用整流模块、IGBT模块直接串联，采用三电平、五电平、七电平等主回路方式，使输出波形及电源谐波尽量满足现场需要。
对于高压大功率变频器，现在主要采用美国罗宾康公司的单元串联完美无谐波的主电路及控制电路的方式进行控制，实现用低压配件进行高压控制的目的。
为了适应控制方式的需要，又在V/f控制的基础上，研发了矢量控制、直接转矩控制等多种控制方式。
这些都是普通变频器的派生产品。我们现在的380V/50Hz/400KW的变频器，就是采用整流模块、IGBT模块直接并联的方式进行控制的。如图3所示。
 

          图3、模块并联变频器原来示意图。
 

  图4是变频器外形图。

            图4、变频器的外形图

5、搅拌机变频改造使用效果
    天富阳光公司发酵罐搅拌机变频技改工程选用我公司生产的JD-BP32-400F(400KW/380V)低压变频器,共计8台，对搅拌罐进行控制，工程于2011年11月完成，改造达了预期的效果。
1） 由于发酵罐的搅拌器转速得以有效地控制与调整，实现了最佳工况运行，使泰妙菌素产出的发酵单位提高了10%左右。
2） 在发酵工艺周期内，适当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。
3） 减少了维护工作量和维护费用，延长了设备的使用寿命。
由于变频器采用软起动、软停止工作方式，因此避免了电动机全压启动时，对电网、电气设备及机械设备的冲击，有效地延长了设备的大修期和使用寿命，大大降低了维护工作量和维护成本。
4） 变频器具有多项保护功能，十分完善。
与原来传统的工频控制系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升保护等多项保护功能，更精确地保护了电机，最大限度保证了设备的连续运行。
5）节能效果显著。泰妙菌素的生产是从菌种的培养开始，菌种由沙土管孢子接入试管斜面培养，而后接入摇瓶培养，成熟后接入一级种子罐培养48h，变频器调制35Hz，然后接入二级种子罐培养48h，变频器调制40Hz，再接入三级种子罐培养48h，变频器调节：
1）0-18小时为35Hz
2）18-48小时为45Hz
最后接入150m3发酵罐进行发酵250h左右，变频器调节：
1) 0-15小时为25Hz
2) 15-200小时为45Hz
3) 200-250小时为30Hz
放入发酵液缓冲罐，发酵液经板框过滤，滤液排入污水处理设施，滤饼经闪蒸干燥得到干菌丝。
从以上情况看，变频器运行频率最高不超过45Hz，最低不低于25Hz，平均在35Hz左右，经测试，在同样的工况下，搅拌机变频运行与工频运行相比，用电量减少40%左右，节电效果十分明显。
6、结束语
    从天富阳光公司泰妙菌素的生产发酵罐变频改造效果来看，苏江科技生产的JD-BP32-400F变频器不仅满足了发酵生产工艺的要求，改善了发酵效果，节能效果显著，而且性能可靠，运行稳定。达到了预期的经济效益，为变频器的推广应用提供了又一经典范例。
参考文献：1、魏廷林 《国产高压变频器在发酵罐搅拌机上的应用》
                          《变频器世界》2008.12
                    2、《DSP低压变频器说明书V3.0版》