涡轮萃取技术在国内生物发酵行业目前还未见文献报道，本研究拟通过小试涡轮萃取塔的研究，为工业装置的设计提供依据。目前萃取技术的发展还依赖于实验室的研究，从小、中试规模摸索工艺条件，然后再放大到工业装置。由于萃取系统涉及的领域范围之大，到目前为止还没有一套完整的设计方法可不依赖于实验数据进行放大的。所以本研究拟针对不同抗生素发酵液性质和萃取要求，通过调节相比、转速及传质方向等来提高塔的分离能力及处理能力，以适应不同抗生素体系物性的变化。通过小试规模获得的运行数据，为中试规模和生产规模涡轮萃取塔的设计提供有价值的设计参数，逐步将涡轮萃取塔推广到抗生素提取生产中。

主要研究内容：

1以林可霉素为代表的抗生素和以乳酸为代表的有机酸为研究对象，开发适用于二者涡轮萃取的萃取体系

2.对小试涡轮萃取塔进行调试使其适合于抗生素的萃取；

3.在小试装置中针对不同抗生素发酵液性质和萃取要求，通过调节相比、转速及传质方向等，研究小试涡轮萃取塔对抗生素的萃取能力及处理能力，根据小试装置所获得的数据，为中试规模和生产规模涡轮萃取塔的设计提供有价值的设计参数。

研究思路和方法：

A 涡轮萃取塔流体力学特征的研究

涡轮萃取塔的通量；

涡轮萃取塔的滞留率； A.转速对分散相滞留率的影响；B.总通量不变时对分散相滞留率的影响； C.连续相流量的变化对分散相滞留率的影响；        

分散相流量对两相夹带的影响；

B．涡轮萃取塔质量传递特征的研究

不同转速对质量传递的影响；

转速固定，总通量不变时，不同相比对质量传递的影响；

转速固定，分散相不变时，不同相比对质量传递的影响；

固定相比，不同转速时，对质量传递的影响；

目前生物发酵行业的萃取设备相对比较落后，传统的萃取设备是搅拌混合罐,利用搅拌将料液和萃取剂相混合，其缺点为间歇操作, 体积大，停留时间较长,传质效率较低。对于分离要求很高的场合，如分离所需的理论级数需要几十级，甚至上百级，萃取设备大都为混合澄清槽和离心萃取器。混合澄清槽设备简单、萃取效果稳定。但其占地面积大、需要较大的建筑面积；其次萃取体系庞大，造成有机相溶剂在设备中的储存量就很大，对于一个价格昂贵的萃取剂来说，其生产操作成本就会很高；另外混合澄清槽无法完全密封，现场环境差，离心萃取机是一个高效的萃取设备，萃取效率高，物料停留时间短，是其特点，但萃取通量小，能源消耗高，设备维护成本高，是离心萃取机的不足。离心萃取机一般适用于两相密度差较小、分离要求不是很高，物系界面张力较小，非常容易乳化的物系，不适合于大规模工业化应用。

萃取塔类设备在萃取行业应用已经非常广泛，具有通量大、易于实现自动化控制等优势，非常适合大规模萃取生产。国外抗生素行业使用非常广泛，规模很大。国内在抗生素方面应用不多，但在其它化工医药行业已经有较多应用案例，具有较好的工业化生产经验。

生物发酵行业萃取规模较大，适合于采用萃取塔设备。无搅拌型萃取塔一般只适用于分离要求不高的场合，对于需要理论级数较高的体系，一般均采用具有机械搅拌型萃取塔。搅拌型塔式萃取设备主要有：scheibel塔（夏贝尔塔）、转盘塔（RDC）、偏心转盘塔（ARDC）、立式混合澄清塔、涡轮萃取塔（Kühni）、往复板式塔等。

涡轮萃取塔是一种机械搅拌型萃取设备，主要应用于石油化工、制药、湿法冶金及废水处理等分离过程。涡轮萃取塔是一种装有多孔板的机械搅拌型萃取塔，闭式涡轮混合器是一个双入口的径向流动叶轮，以产生涡轮萃取塔的特征流型。涡轮萃取塔属于微分形式的萃取设备，物料和溶剂在塔中一般分为连续相和分散相，无论轻相还是重相均可作为分散相或连续相。一般轻相从萃取塔的下部进入塔内，重相从萃取塔的上部进入塔内。当轻相为连续相，相界面在萃取塔的下部；当重相为连续相，相界面在萃取塔的上部。塔的上、下两端分别为轻相和重相的澄清段或分离段。物料和溶剂依据各自的密度，在塔中呈逆流形式流动。无论轻相或重相作为分散相，液滴的大小沿塔的不同高度都呈现出自下而上或自上而下逐步递减的分布，溶质在萃取相或萃余相中也随塔的不同高度，呈现逐步增加或递减的浓度分布。

涡轮萃取塔作为一种高效的萃取设备，也应用于制药、化工等行业的维生素、生物碱、 有机物的萃取。目前，国内外在促进涡轮萃取塔在萃取工业的应用方面进行深入研究，Seikova研究了单液滴运动，并模拟了涡轮萃取塔中液滴的可能轨迹。Moutasem等基于布居平衡方程（PBE）理论建立数学模型，用于计算和预测涡轮萃取塔的流体力学行为，并计算塔内液滴速度。Hlawitschka等人研究了涡轮萃取塔叶轮下液滴积聚的影响，发现在塔内高转速下可以获得更好的液滴分散。Samer应用截面力矩测量来研究涡轮萃取塔的动态液滴运动。Fang等人发现滴落断裂也明显受到托盘上的孔边缘的影响。

涡轮萃取塔在塔式萃取设备中具有以下特点：级效率高；相比大；结构简单；操作方便；适应性强；易于自动控制等。涡轮萃取塔目前使用的领域有：制药和化工中用于从发酵液或合成混合物中萃取维生素，苷类，生物碱及其他有机物；石油化工中用于芳烃抽提和从原油馏分中萃取润滑油；从水溶液中萃取醋酸；回收和净化N,N-二甲基苯甲酸胺、吡啶、二甲亚砜、二氯苯等溶剂。萃取香草类化合物和从糖浆中萃取柠檬酸等。环境工程废水处理工业用于从废水中萃取除酚和硝基苯等有机物，从合成革废水中回收DMF等。

目前工业中有机酸和抗生素提取萃取设备相对比较落后，本研究拟将具有较高萃取效率的涡轮萃取塔应用于有机酸和抗生素的萃取上，首先设计实验用涡轮萃取塔，然后对发酵液的性质，相比、转数、流量等流体特性进行研究，为将涡轮萃取塔用于工业生产提供有价值的设计参数。

本研究针对具有代表性的抗生素和有机酸，即林可霉素和乳酸作为研究对象，在给定的具体条件下，设计萃取塔的参数，不断试验探究不同影响因素之间的关系，分析萃取塔对于林可霉素和乳酸的萃取能力及处理能力，以获得有参考意义的设计参数，从而进一步推广到其他抗生素的萃取。

拟解决的问题：开发适用于林可霉素和乳酸涡轮萃取的萃取体系并推广应用。

预期成果：申请专利一项；参加竞赛；推广应用。

2024年上半年，开发合适的萃取体系；

2024年下半年，乳酸和林可霉素涡轮萃取技术开发；

2025年上半年，优化萃取工艺，撰写实验总结和结题。