发酵设备设计制造安装中的问题及节能与规范设计探讨

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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13513370405q_xu@hebust.edu.cn2014年3月·北京2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空气压缩机的选型与安装发酵物料分配站的设计3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。结构过于复杂,使用阀门过多,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。管道阀门设计安装不合理、不匹配。接种、取样、补料等部件设计不合理。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。§1发酵设备的现存问题4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。§1发酵设备的现存问题5现存问题对生产过程的影响(二)发酵罐一些小部件看似不起眼,但不合理的设计不仅使操作不方便,还可能成为染菌隐患。不适当的连续灭菌设备能耗大、噪声大、好存料、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。§1发酵设备的现存问题6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——不同大小机械搅拌发酵罐均要求通气电功率/搅拌电功率=1.2~1.5。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。§2发酵罐的总体设计与安装7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=0.1DtH: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HCCC1DtDiB8100m3通用发酵罐设计举例几何尺寸:H=8500Dt=4200Di=1700C=2000§2发酵罐的总体设计与安装9300m3通用发酵罐设计举例几何尺寸:H=14548Dt=5600Di=1800C=3000C1=150010简便节能发酵罐的设计——小型§2发酵罐的总体设计与安装压缩空气高压蒸汽冷却水L型三通球阀至汽水分离器至贮水罐或凉水塔至排污口L型三通球阀L型三通球阀T型三通球阀T型三通球阀至排污口11简便节能发酵罐的设计——中大型§2发酵罐的总体设计与安装压缩空气高压蒸汽冷却水L型三通球阀至汽水分离器至贮水罐或凉水塔L型三通球阀取样口L型三通球阀T型三通球阀T型三通球阀L型三通球阀至排污口12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。§2发酵罐的总体设计与安装13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(Fmm)文丘里气-液混合导流管,见上页设计图空气分布管8400×560×2.57100×440×2.25600×340×23300×200×21900×120×21100×70×1.8520×32×1.5320×20×1档板长×宽×厚(mm)1680132010206003602109660下叶至罐底距(mm)28002200170098059034516098搅拌叶轮间距(mm)LagntninA315(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22501780140085051028913685上层18501470115070042023811270中层159012609906003602049660底层搅拌叶轮直径(mm)25312661.113.62.94m3535L55.7L13.6L实际容积(m3)1060084006600400024001360640400筒体高(mm)53004200330020001200680320200罐内径(mm)240m3120m360m312.5m32.5m3500L50L10L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。§2发酵罐的总体设计与安装14空气进出口管道设计计算参数§2发酵罐的总体设计与安装30028120020229.27108.80056.276163.2000.050.198.555.3524025026320019227.8290.66748.571136.0000.050.188.055.0320025023718017725.7368.00037.778102.0000.050.177.314.5715020021818016624.2754.40031.38581.6000.050.166.794.2412020020415015823.1745.33327.20068.0000.050.156.393.991001251191009416.8611.3337.08317.0000.050.144.022.52258083656714.094.5332.9576.8000.050.132.971.85106562505012.472.2671.4783.4000.050.132.351.4755046403711.161.1330.7391.7000.050.131.871.172.5323125269.790.4530.3090.6800.050.121.380.861252320198.950.2270.1550.3400.050.121.090.680.515111097.490.0450.0310.0680.050.120.640.400.188877.020.0230.0150.0340.050.120.510.320.0544436.160.0050.0030.0070.050.120.300.190.01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m3/min标称空量m3/min出罐空压MPa入罐空压MPa液层深度m罐内径m罐容积m315设计说明凡需要调节流量的阀门如蒸汽阀均使用截止阀,其余阀门根据不同情况使用二通、L形三通或T形三通球阀。12.5m3及以下容积的发酵罐只需外盘管,15~100m3发酵罐需内外盘管,100m3以上容积的发酵罐还需设置两套或两套以上内盘管。内盘管用316L不锈钢煨弯制作,尽量不要焊接。冷却水在内外盘管中的流向应与搅拌方向相反。管道颜色红色代表高压蒸汽,灰蓝色为压缩空气,金黄色为物料,亮绿为冷却水,深绿为回水。独立发酵罐通气管可与物料管共用,两个以上并联的发酵罐通气管与物料管要分开设置。§2发酵罐的总体设计与安装16简便节能发酵罐使用阀门一览表8065502515L型三通球阀盘管(夹套)冷水/排水阀16阀体用316L不锈钢150125804025L型三通球阀罐底空气/放料阀1510不锈钢球阀冲试镜蒸汽阀148065402515L型三通球阀盘管(夹套)回水阀1315不锈钢球阀接种分配站末端阀12阀体用316L不锈钢12580653220T型三通球阀接种分配站物料阀11按最大发酵罐确定8065402515L型三通球阀接种分配站蒸汽/空气阀102501801256540不锈钢截止阀发酵罐排气阀94032252015不锈钢球阀空气罐顶入罐阀8150125804025T型三通球阀空气罐底入罐/蒸汽阀71515151010不锈钢球阀精过滤器排水阀61515151010不锈钢球阀预过滤器排水阀53225201510不锈钢球阀空气过滤器蒸汽阀4150125804025不锈钢球阀空气过滤器空气阀3即根据发酵罐总容积确定按通过流速1~1.5m/s确定不锈钢球阀总冷水阀2即根据发酵罐总容积确定按通过流速15~20m/s确定不锈钢球阀总蒸汽阀1阀门公称口径(DN,mm)阀门类型阀门名称备注120m360m325m32500L500L发酵罐容积编号§2发酵罐的总体设计与安装17简便节能发酵罐设计的优点罐内部件少,既增加罐内空间,又减少死角。使用的阀门数量少,简化了操作。球阀无死角,且不易渗漏,减少了因阀门造成染菌的可能性。罐内外螺旋盘管水流方向与搅拌方向相反,且盘管内的水容易放空,从而既能提高传热效率,又减少灭菌蒸汽消耗。新型空气分布系统设计既可使空气得到很好的分散,又不在罐底产生固形物沉积。新型搅拌系统组合设计既提高混合效率又节能。降低发酵罐制作和安装成本。易于标准化,使工艺放大更易获得成功。§2发酵罐的总体设计与安装18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。§2发酵罐的总体设计与安装19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。§2发酵罐的总体设计与安装20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。§2发酵罐的总体设计与安装21发酵管道的设计与安装(一)与发酵罐及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