发酵设备的规范化与节能设计讲义

发酵设备的规范化与节能设计河北科技大学生物科学与工程学院河北科技大学生物科学与工程学院徐亲民[e-mail]2016年5月·石家庄目录问题的提出发酵罐的规范化总体设计发酵管道的设计与安装发酵罐阀门的选型与安装2发酵罐阀门的选型与安装发酵罐几种附属设备的设计发酵尾气分析仪的选型与使用超节能超高温连续灭菌系统的设计与应用简便节能发酵罐设计发酵车间平面布局设计举例问题的提出——目前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，选型、安装不合理。滥用带有小排气管的阀门。发酵罐滥用搅拌变频调速技术。3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。尾气分析仪选型和使用不当。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。4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。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、使用不合理造成能源巨大浪费。5不适当的通气/搅拌功率配置降低用功效率。不合理的空气分布管造成空气分散不良，或分散孔堵塞，或致固形物在发酵罐底沉积。不适当的分配站设计操作繁杂，灭菌能耗大，还可能成为染菌隐患。现存问题对生产过程的影响（三）发酵罐平面布置不合理，造成管道过长，弯头过多，降低输送效率，增加能量消耗。泡沫罐外分离再回流至罐内是染菌的重大隐患。尾气分析仪器选型和使用不当造成所得数据偏差过大，失去分析应用价值。6过大，失去分析应用价值。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。7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。通用发酵罐的设计H=2.5Dt~3.0DtDi=0.3Dt~0.4DtC=1.2~1.8DiC1=DiB=0.1DtDtDiB8B=0.1DtH：发酵罐内部空间高度Dt：发酵罐内径Di：搅拌叶轮直径C：搅拌叶轮间距C1：下层搅拌至罐底距离B：挡板宽度HCCC1100m3通用发酵罐设计举例几何尺寸：H=8500Dt=4200D=17009Di=1700C=2000300m3通用发酵罐设计举例几何尺寸：H=14548Dt=5600D=180010Di=1800C=3000C1=1500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11固形物在罐底沉积、下吹则气泡不能被搅拌打碎，以及空气分散孔堵塞的问题。高效节能系列发酵罐设计参数举例公称容积10L50L500L2.5m312.5m360m3120m3240m3罐内径(mm)20032068012002000330042005300筒体高(mm)4006401360240040006600840010600实际容积(m3)13.6L55.7L535L2.94m313.661.1126253搅拌叶轮直径(mm)底层609620436060099012601590中层70112238420700115014701850上层85136289510850140017802250搅拌叶轮底层抛物线浆叶圆盘涡轮(左)12搅拌叶轮类型中层箭叶或弯叶圆盘涡轮(中)上层LagntninA315(四叶，右)搅拌叶轮间距(mm)98160345590980170022002800下叶至罐底距(mm)6096210360600102013201680档板长×宽×厚(mm)320×20×1520×32×1.51100×70×1.81900×120×23300×200×25600×340×27100×440×2.28400×560×2.5空气分布管文丘里气-液混合导流管，见上页设计图人孔或料孔(Fmm)120150200520×350*520×350*550×400*550×400*550×400*电机功率(kW)**0.075/0.10.25/0.31.5/25/722/30100/140200/280400/560搅拌转速(rpm)**800/900560/630340/380240/265170/185120/130100/11285/96*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。空气进出口管道设计计算参数罐容积m3罐内径m液层深度m入罐空压MPa(a)标称气量m3/min工况气量m3/min空气流速m/s进气管mm排气管mm0.010.190.350.1030.0100.0054.26680.050.330.590.1060.0470.0236.1210150.250.561.010.1100.2210.1058.7815200.50.711.270.1130.4320.20310.27202521.122.020.1201.650.74714.0332401321.122.020.1201.650.74714.03324051.522.740.1273.991.75417.245065152.203.960.14011.54.82022.076580302.774.980.15022.69.04525.7980100603.496.280.16344.216.83530.151001501204.397.910.17986.731.05035.241252002005.219.380.194142.348.43339.531502002505.6110.100.201176.758.70441.561502503005.9610.740.207211.068.63343.302002505007.0712.730.227346.5105.87548.58200300发酵罐其他管道配管一览表罐容积m3罐内径m液层深度m压缩空气mm物料mm蒸汽mm冷却水mm排气mm0.010.190.3561061080.050.330.5910151015150.50.711.27203220252521.122.0232503240401421.122.02325032404051.522.745065505065152.203.966580656580302.774.98801008080100603.496.281001251001001501204.397.911251501251252002005.219.381502001501502003005.9610.742002002002002505007.0712.73200250200200300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。15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。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16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。发酵罐的安装10m3及以上的发酵罐要在一楼落地安装，并做好牢靠的基础。10m3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17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。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。18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。19i=0.003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。×20××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。21×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。22×发酵管道的设计与安装（六）发酵罐的排气管道要各罐单独配置，不得使用公用总管道，以防背压引起的排气倒流。23×发酵管道的设计与安装（七）发酵罐的排气必须经汽水分离器排放，对于病原菌和基因工程菌，还得安装过滤器除菌或经化学灭菌剂灭菌或高压蒸汽灭菌才能排放到大气。24发酵管道的设计与安装（八）转子流量计不能装在发酵罐排气管道上，而应装在发酵罐进气过滤器前的管道上。排气25×排气发酵管道的设计与安装（九）发酵罐的排污管道也不能用总管道串连在一起，而应该分别排污，以免由于背压造成污水倒流。26×排污排污排污发酵管道的设计与安装（十）发酵无菌管道无论是物料管、空气管和蒸汽管，都不能出现冲洗不净的盲管27×盲管发酵管道的设计与安装（十一）并流管的安装不得逆向并流，而应同向并流，并最好顺流向倾斜。28×发酵管道的设计与安装（十二）人流通道上管道的安装高度应不低于2米，以便安全通行。29≥2.0m发酵管道的设计与安装（十三）人流通道的地面不应设置管道，不可避免时应设置跨越桥道。30发酵管道的设计与安装（十四）管道穿墙或穿地时，须加套管。穿地套管应高出地面50～100mm。必要时在管道与套管之间添加绝缘材料或密封材料。3150～100发酵管道的设计与安装（十五）穿过楼板安装的设备在紧挨设备的四周必须设置高出楼面50～10