隔爆型臥式螺旋卸料沉降離心機（以下稱“離心機”）屬于全自動連續(xù)運行設備，在工業(yè)生產(chǎn)中應用非常廣泛。青霉素萃取液分離用離心機，需要滿足醫(yī)藥行業(yè)的生產(chǎn)質量管理規(guī)范（GMP）衛(wèi)生等級要求，確保隔爆結構的有效性和實現(xiàn)高效的兩液相分離等多種限制，設備多為國外離心機企業(yè)壟斷，設備購置和維護費用相當高。國內(nèi)離心機制造廠自主研發(fā)生產(chǎn)了隔爆型臥式螺旋卸料沉降離心機，應用在某青霉素生產(chǎn)企業(yè)，其處理量和分離效果達到全進口型離心機水平。

1 離心機工作原理和結構

離心機的主要結構由轉鼓、螺旋卸料器、差速器、傳動系統(tǒng)、隔爆系統(tǒng)和基座組成。轉鼓提供離心力場，使進入到轉鼓內(nèi)壁的待分離物料在離心力的作用下快速沿徑向沉降分層。其出液端結構能夠使液相物料沿排液通道排出轉鼓，另一端設置的物料出口可使物料在螺旋葉片推力的作用下排出轉鼓。螺旋卸料器能夠引導由進料管輸送來的待分離物料進入到轉鼓內(nèi)壁，其流線型引導出料結構改變物料流動方向的同時，提前給物料進行周向加速，減少物料徑向進入轉鼓后對物料進行周向加速，減少物料徑向進入轉鼓后對物料沉降層的沖擊攪拌作用，以免增加物料沉降時間。隔爆系統(tǒng)能夠使離心機內(nèi)部和外界充分隔離，并保證外界空氣不進入到離心機內(nèi)部與易燃易爆氣體混合。

離心機工作原理：混合醋酸丁酯、破乳劑和硫酸的青霉素發(fā)酵液從進料管進入螺旋卸料器的空心軸，經(jīng)由螺旋卸料器筒體的出料口進入轉鼓。在離心力作用下，醋酸丁酯、水溶液（包含水、破乳劑、硫酸）和發(fā)酵菌絲在轉鼓內(nèi)形成環(huán)狀物料層，密度較小的醋酸丁酯（密度約為0.88g/mm3）形成內(nèi)環(huán)，靠近旋轉中心，從轉鼓一端溢流排出。

設備結構設計中優(yōu)化死角部位，配置多線路沖洗管，設置就地清洗（CIP）沖洗程序，確保設備無殘留，滿足GMP要求。

離心機能夠實現(xiàn)兩相液體的分離，是因為螺旋擋板在離心力作用下能夠實現(xiàn)連通器的平衡。忽略溶液混合區(qū)和沉降過渡區(qū)時，螺旋擋板左側可認為是分層的兩相液體，上層為醋酸丁酯，下層為水溶液，螺旋擋板右側為水溶液。在同一離心力作用下，兩側物料因密度不同產(chǎn)生液位差，從而實現(xiàn)兩液相分別排放。

2 生產(chǎn)工藝

在酸環(huán)境下通過醋酸丁酯的萃取作用，可將發(fā)酵液中的青霉素轉移到其溶解度更高的醋酸丁酯中。為實現(xiàn)極大限度的醋酸丁酯萃取效果，采取逆向兩級溶解萃取流程，萃取過程需要兩臺離心機協(xié)調(diào)完成。

物料性質及工藝要求：發(fā)酵液處理量為8～10m3/h；進料固體質量分數(shù)為6%～12%；醋酸丁酯與發(fā)酵液體積比約為1：1；pH=1～2（堿液沖洗時pH=12～14）；分離后醋酸丁酯中水的質量分數(shù)不大于1.5%；分離后水溶液中醋酸丁酯質量分數(shù)不大于3.5%。

工藝流程：青霉素發(fā)酵液與硫酸、破乳劑、醋酸丁酯（丁酯來自于2號離心機）混合后進入1號離心機進行離心分離，分離后的醋酸丁酯在離心機向心泵的作用下進入后續(xù)工藝系統(tǒng)。發(fā)酵液菌絲、含酸和破乳劑的水溶液進入1號離心機后續(xù)重液儲罐，經(jīng)泵打入2號離心機，中間加入新鮮丁酯與少量破乳劑。2號離心機分離后的醋酸丁酯溶液在離心機向心泵的作用下進入1號離心機，而分離后的發(fā)酵液殘渣和其他溶液經(jīng)泵排出進入殘液處理系統(tǒng)。

3 工藝難點和離心機結構功能分析

3.1 多物料準確輸送混合

整個工藝流程需要青霉素發(fā)酵液、硫酸、破乳劑和醋酸丁酯4種物料進行 定量并充分混合。發(fā)酵液中的青霉素含量決定醋酸丁酯的使用量，每批次產(chǎn)品生產(chǎn)時均需在提前化驗后結合醋酸丁酯濃度和破乳劑用量確定醋酸丁酯的用量。一般情況下，發(fā)酵液和醋酸丁酯的體積配比為1：1。硫酸的添加量控制溶液的pH，決定醋酸丁酯的萃取效果，進而決定發(fā)酵液中青霉素的得率；pH一般控制在1～2。破乳劑的使用非實驗室確定添加，小劑量實驗時并不會明顯出現(xiàn)糊狀萃取過程，在大產(chǎn)量正式生產(chǎn)時，酸環(huán)境下的醋酸丁酯和發(fā)酵液混合會產(chǎn)生大量糊狀物，阻礙萃取過程，破乳劑能夠抑制糊狀化，其用量與發(fā)酵液量、酸量及其中青霉素含量有關。

每批次物料處理均需或多或少地調(diào)整混合比例，并及時進行pH和透光度檢測，保證分離效果。

3.2 復雜的控制聯(lián)鎖系統(tǒng)

pH和兩儲罐的液位采用比例、積分、微分控制（PID），可以保證整個工藝流程的平穩(wěn)運行。離心機工作參數(shù)及外部監(jiān)測設備、物料輸送等設備的信號參數(shù)多達25個以上，聯(lián)鎖動作設計20多個基本控制方式。自控系統(tǒng)通常能夠保證平穩(wěn)運行狀態(tài)的調(diào)節(jié)，在開、停機和物料突發(fā)波動時，還需結合人工直接干預的方式。實踐證明，有人工參與的控制系統(tǒng)能夠更快更好地實現(xiàn)平穩(wěn)控制，減少無效分離損失。

3.3 離心機隔爆系統(tǒng)

離心機的隔爆系統(tǒng)包括密封結構和惰性氣體供給控制系統(tǒng)。動密封部位包括2點離心機軸承座處的旋轉軸與基座的間隙部位，以及1點進料管處皮帶輪和進料管的間隙部位；其余部位均采用靜密封。惰性氣體供給控制系統(tǒng)能夠控制動密封部位的氣體供給流量和壓力，根據(jù)壓力值進行設備聯(lián)鎖報警控制。惰性氣體為動密封部位的浮環(huán)結構提供氣體浮力，還為設備空腔填充足夠的惰性氣體來稀釋和驅趕空氣中的氧氣。

動密封部位采用的石墨浮環(huán)密封結構，屬于流阻型非接觸式動密封，依靠密封間隙內(nèi)的流體阻力效應達到阻漏目的。石墨浮環(huán)密封的工作間隙不是定值，而是隨摩擦發(fā)熱狀況自行調(diào)整，石墨材質可實現(xiàn)自潤滑，故有“熱自調(diào)間隙密封”之稱。浮環(huán)密封對機器的運行狀態(tài)并不敏感，密封性能穩(wěn)定，是可靠的離心機隔爆密封結構。

3.4 壓力控制裝置

離心機開關機時的物料進出會導致設備空腔內(nèi)壓力急劇變化，遠超正常值。低壓力發(fā)生時，控制系統(tǒng)快速開啟供氣閥門，在保證設備浮環(huán)結構處供氣壓力不小于2kPa的同時提示檢查相關設備；高壓力時除控制系統(tǒng)停止向設備內(nèi)部供氣，提示檢查相關設備管路外，主要通過壓力平衡裝置排出設備內(nèi)部氣體來平衡壓力。

進氣管與離心機設備空腔連接，排氣管排出的是惰性氣體，管口需至房間外部。進水管與液面高度差決定了系統(tǒng)的壓力，裝置的水溶液能夠阻止醋酸丁酯氣體進入到大氣中，防止污染環(huán)境。

3.5 分離效果

國產(chǎn)離心機與同系列國外離心機在同一生產(chǎn)線上進行分離性能和效果對比實驗，結果如下。

表1：國產(chǎn)離心機處理參數(shù)表

表2：國外離心機處理參數(shù)表

表1和表2是多次同時記錄的數(shù)據(jù)，可看出國產(chǎn)離心機的處理性能和分離效果已經(jīng)達到進口離心機的應用水平。國內(nèi)離心機為 次設計應用，還有更多的改進空間，如加強醋酸丁酯溶液與發(fā)酵液的充分混合、完善PID控制等。

4 結語

（1）兩液相物料分離的離心機使用較少，文中離心機通過螺旋擋板結構配置實現(xiàn)兩液相的分離，為實現(xiàn)某些工廠相似的物料處理的工藝改進提供了參考，增強了離心機制造企業(yè)拓展離心機使用領域的信心。

（2）隔爆型離心機屬于安全性能要求較高的設備，其使用經(jīng)驗證明，石墨浮環(huán)的密封結構能夠達到設備內(nèi)外部徹底隔離的目的，但仍需有壓力、流量控制和聯(lián)鎖報警的輔助。另外，石墨材質的優(yōu)劣對密封壽命影響很大，有經(jīng)驗的浮環(huán)設計廠家提供的壓力差、流量要求數(shù)值是有效使用浮環(huán)密封的關鍵。