发酵设备设计制造安装中的问题及节能与规范设计探讨——徐亲民老师

发酵设备设计、制造、安装中的问题及节能与规范设计探讨

河北科技大学生物科学与工程学院

徐亲民

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q_xu@https://www.wendangku.net/doc/f816054985.html,

2014年8月·成都

目录

◆现有发酵设备普遍存在的问题

◆发酵罐的节能与规范化总体设计

◆发酵管道的设计与安装

◆发酵罐阀门的选型与安装

◆发酵罐配件的设计

◆超节能超高温连续灭菌系统的设计

◆发酵物料分配站的设计

◆机械消沫器的设计

◆简便节能发酵罐设计

◆发酵车间平面布局设计举例

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现有发酵设备普遍存在的问题

?发酵罐设计五花八门，几何尺寸不规范。

?发酵罐内部结构不合理，存在存料死角。

?管道阀门设计结构过于复杂，安装不合理，存在存料死角。

?滥用带有小排气管的阀门。

?发酵罐滥用搅拌变频调速技术。

?连续灭菌设备设计选型不合理。

?空压机选型不合理，安装不规范。

?通气/搅拌功率配置不匹配。

?发酵罐内空气分布管设计安装不合理。

?分配站设计不合理。

?泡沫罐外分离回流设计存在很大的染菌隐患。

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现存问题对生产过程的影响（一）

?几何尺寸不规范造成工艺放大和技术转移的困难。?复杂的发酵罐内部结构降低用功效率，影响混合效果，形成存料和灭菌死角，成为染菌隐患。

?阀门过多且带排气小辫子，既增加了操作的繁杂性，又浪费灭菌蒸汽，恶化操作环境。

?滥用搅拌变频调速技术，对工艺过程没任何好处，虽能节省一点电量，但牺牲了发酵混合效果，加大了投资额度。

?管道阀门设计安装不合理是造成染菌的重要原因，也影响工艺参数的控制。

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现存问题对生产过程的影响（二）

?不适当的连续灭菌设备能耗大、噪声大、好存料、好堵塞、清洗困难、易染菌。

?空压机选型、安装不合理造成能源巨大浪费。

?不适当的通气/搅拌功率配置降低氧的溶解效率。?不合理的空气分布管造成空气分散不良，或致固形物在发酵罐底沉积。

?不适当的分配站设计操作不方便，灭菌能耗大，还可能成为染菌隐患。

?发酵罐布置不合理，造成管道过长，弯头过多。

?泡沫罐外分离再回流至罐内是染菌的重大隐患。

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§2 发酵罐的总体设计与安装通用发酵罐设计的一般原则

?几何相似——不同大小的发酵罐之间高径比、罐内部件尺寸与罐内径比相同。

?比换热面积相同——不同大小发酵罐之间换热面积与罐体积比一致。

?比功率相等——不同大小机械搅拌发酵罐单位体积输入搅拌功率相等。

?搅拌与通气匹配——不同大小通气机械搅拌发酵罐均要求通气电功率/搅拌电功率=1.2～1.3。

?节能——搅拌、通气、灭菌、换热效率高。

?简洁——内部结构简单，无死角，清洗、维修方便，外部操作面集中，操作简便，尽量降低劳动强度。

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通用发酵罐的设计

H =2.5D t ~3.0D t D i =0.3D t ~0.4D t C=1.2~1.8D i C 1=D i B =0.1D t

H ：发酵罐内部空间高度D t ：发酵罐内径D i ：搅拌叶轮直径C ：搅拌叶轮间距

C 1：下层搅拌至罐底距离B ：挡板宽度

H

C

C C 1

D t

D i

B

§2 发酵罐的总体设计与安装100m3通用发酵罐设计举例

几何尺寸：

?H=8500

?D

=4200

t

?D

=1700

i

?C=2000

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300m3通用发酵罐设计举例

几何尺寸：

?H=14548

?D

=5600

t

?D

=1800

i

?C=3000

?C

=1500

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简便节能发酵罐高效气-液混合器的设计 这种设计

解决了原

先分布管

空气上吹

造成发酵

固形物在

罐底沉积、

下吹则气

泡不能被

搅拌打碎

的问题。

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高效节能系列发酵罐设计参数举例

85/96100/112120/130170/185240/265340/380560/630800/900搅拌转速(rpm)**400/560200/280100/14022/305/71.5/20.25/0.30.075/0.1电机功率(kW)**550×400*550×400*550×400*520×350*520×350*200150120人孔或料孔(F mm)文丘里气-液混合导流管，见上页设计图空气分布管

8400×560

×2.5

7100×440×2.25600×340×23300×200×21900×120×21100×70×1.8520×32×1.5320×20×1档板长×宽×厚(mm)1680

1320

1020

600

360

210

96

60

下叶至罐底距(mm)

28002200170098059034516098搅拌叶轮间距(mm)Lagntnin A315(四叶，右)

上层箭叶或弯叶圆盘涡轮(中)中层抛物线浆叶圆盘涡轮(左)

底层搅拌叶轮类型

2250

1780

1400

850

510

28913685上层

185014701150700420238

11270中层159012609906003602049660底层

搅拌叶轮直径(mm)25312661.113.62.94 m 3535 L 55.7 L 13.6 L 实际容积(m 3)1060084006600400024001360640400筒体高(mm)53004200330020001200680320200罐内径(mm)240 m 3120 m 360 m 312.5 m 32.5 m 3500 L 50 L 10 L 公称容积*长径×短径，椭圆形人孔；**细菌和酵母发酵用分子数值，放线菌和霉菌发酵用分母数值。

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空气进出口管道设计计算参数

300281

200

202

29.27

108.800

56.276

163.200

0.05

0.19

8.55

5.35

240

25026320019227.8290.66748.571136.0000.050.188.055.0320025023718017725.7368.00037.778102.0000.050.177.314.5715020021818016624.2754.40031.38581.6000.050.166.794.2412020020415015823.1745.33327.20068.0000.050.156.393.991001251191009416.8611.3337.08317.0000.050.144.022.52258083656714.094.5332.9576.8000.050.132.971.85106562505012.472.2671.4783.4000.050.132.351.4755046403711.161.1330.7391.7000.050.131.871.172.5323125269.790.4530.3090.6800.050.121.380.861252320198.950.2270.1550.3400.050.121.090.680.515111097.490.0450.0310.0680.050.120.640.400.188877.020.0230.0150.0340.050.120.510.320.0544436.160.0050.0030.0070.050.120.300.190.01取值

计算

取值

计算

出罐

入罐

出罐管径mm 入罐管径mm 设计空速m/s

工况空量m 3/min 标称空量m 3/min

出罐空压MPa

入罐空压MPa

液层深度

m

罐内径m

罐容积m 3

小、中、大罐容积比例的探讨

?不同的发酵罐制造厂家，小、中、大罐容积的比例五花八门，也是造成实验结果放大困难的重要原因。?过去的发酵罐，一般均采用1︰10︰100的比例设计小、中、大罐的容积，但随着发酵罐容积的不断增大，按这一比例将使小罐的容积过于庞大，加大种子的供应量，也增加接种时间和接种染菌的风险。?由于种子制备的限制，小罐的接种量往往很小，致使小罐培养周期延长，增加了小罐种子质量的不确定性，而相比之下，中罐的接种量很大，致使中罐生长过快，有时还来不及判断无菌实验结果。因此可适当减少小罐的容积，加大中罐的容积。

?发酵过程优化研究结果表明，适当加大大罐的接种量，有利用缩短发酵周期，提高发酵产量。因此，合理的小、中、大罐容积比例应为1︰40︰200。

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冷却盘管形式的探讨

?目前大多数发酵罐制造厂家采用的都是垂直式盘管，其优点是可以起部分挡板作用，并可通过人孔取出罐外检修。但这种盘管的水流方向不能保持与搅拌发酵液的流向逆行，从而影响传热效率。另外盘管内的水不易放出，要放出必须在盘管下方增设连通放水管，产生很多焊接点，成为染菌隐患。

?也有采用小圈水平螺旋盘管的，但仍然不能始终保持水流方向与搅拌发酵液的流向逆行，且加工制作困难，还牺牲了挡板作用。

?建议采用大水平螺旋盘管加挡板，其缺点是不能取出罐外进行维修，因此必须尽量减少焊接点。

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发酵罐的安装

?10 m3及以上的发酵罐要在一楼落地安装，并做好牢靠的基础。10 m3以下的发酵罐可用侧耳固定在楼板上，但楼板须用槽钢加固。安装原则是确保操作时无振动。

?所有发酵罐的安装都必须确保罐顶法兰或减速机基座面水平，搅拌轴垂直，这对于减少震动、保持轴封的密封和延长减速机的寿命至关重要。

?尽量减少室内的排气（汽）口，以改善人员操作环境和仪器、仪表、控制元器件的运行环境，确保运行稳定可靠。因此，如无特别必要，请不要使用带小辫子的阀门。

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发酵管道的设计与安装（一）

与发酵罐及其他转动设备如泵、风机、压缩机等直接连接的管道，应安装管道支架，管道阀门的重量不得作用在设备上，而应主要作用在支架上。

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发酵管道的设计与安装（二）

管道沿流体流动方向应有3‰～5‰的斜度，以免管道内积液。标注为i=0.003。同时要合理布置支架及安装密度，防止管道出现向下弯曲从而产生积液的情况。

i= 0.003

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发酵管道的设计与安装（三）

为了防止管道积液，变径的场合应使用偏心大小头。

×

×

√

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发酵管道的设计与安装（四）

在大管道上安装小支管，应该使用变径大小头连接，或先接同径三通，再以大小头连接以降低流体传输阻力。

×√√

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发酵管道的设计与安装（五）

管道不能成U形，否则无法清除U形管道内的积液。必须在水平方向拐弯或须安装热胀补偿器时可采用平躺U形或倒U形。必要时还应在倒U形管的上游一侧安装排液管、阀。

×

√

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