通用发酵罐结构的改进
机械与设计
通用发酵罐结构的改进
Structureimprovementofstirred2tankbioreactors
□裘晖 吴振强 梁世中
Qiuhui
WuZhenqiang
LiangShizhong
题对其结构进行改造。
置、通气装置、传。
turbine)。这是一种径向,由于圆盘的阻断及桨叶的作用,轴向流动很小,径向液流增大,它存在能耗高、噪声大、剪切力过强、设备大型化困难等缺点。随着对搅拌器流体力学及对混合过程的理解深入,一些更加适合特定发酵过程的新型搅拌器[1]相继出现。加拿大Rprchem公司研制的Maxflo轴流桨(见图1)在800L罐曲霉酶的培养中应用,使用该轴流桨比传统圆盘涡轮桨传质系数提高40%,功耗降低50%。美国Rochester混合设备公司研制的LightinA315桨(见图2)其最大特点是泛点高,特别适合与气2液传质过程。在直径大于1m的实验罐中,同样的输入功率条件下,A315桨的持气量比圆盘涡轮桨高80%,气体分散量提高
4倍,功耗降低45%,同时产量提高10%
摘要 针对通用型发酵罐普遍存在的问题,对通用发酵罐的搅拌装置、传热装置、通气装置、传动装置、轴封装置、稳流装置等方面结构进行了改进。改进后的发酵罐结构更为简单、合理,具有降低能耗,减少染菌率,提高产量和经济效益。
关键词 通用发酵罐 结构 改进
Abstract Basedontheof2bioreactorsatlarge,improvementofthenormalfermentationvesselsinthestirringappara2tus,introductionheatsetting,ventilationinstalla2tion,gearing,shaftsealandstabilizerarebrieflyreviewed.Theimprovedbioreactorsaresimplerandmorereasonablewiththeadvantagesofreduc2ingenergyconsumption,lesseningbacteria2infectedrate,enhancingoutputandeconomicbenefitinthefermentationprocessing.
Keywords Stirred2tankbioreactor StructureIm2provement
1对于发酵过程来说,好的搅拌器应
具有良好的固体悬浮能力、液体混匀能力和气体分散能力。好氧沉没发酵的出现,使搅拌器成为发酵工业的一个重要设备,并随发酵规模的扩大而不断改进。发酵过程常用的搅拌器按流向分为径流搅拌器、混流搅拌器和轴流搅拌器。
通风发酵中的搅拌涉及气液固三相系统,发酵产量常常受到溶氧的限制,而气、液搅拌的均匀程度将直接影响传氧能力,同时在发酵过程中由于微生物的参与,必须考虑微生物对高剪切的敏感性,此外还须考虑发酵醪是高粘度的物料,因此,在保证通过搅拌达到气液均匀分散的要求时,应选择剪切力较小的搅拌方式即低剪切、高流动的搅拌器
。
发酵罐是生化、食品、医药、农药、化
工等生产领域的常用设备。优良的发酵设备必须具有严密的结构、良好的液体混合性能、高的传质和传热速率以及可靠的检测及控制仪表,才能获得最大的生产效率。虽然发酵罐的类型很多,如自吸式、气升式等。但发酵工厂用得最多的还是传统的通用发酵罐(机械搅拌发酵罐)。这主要是由于机械搅拌发酵罐的灵活性、操作方式的多样性,特别是涉及高粘度非牛顿型发酵液,更具有独特的优点,因此在发酵领域仍占据统治地位。通用发酵罐的气体分散和醪液循环主要由搅拌器来完成,它存在能量消耗大,罐内结构复杂,染菌机会较多,设备造价高等缺点。随着生物工程高新技术的发展,高产菌种的获得与丰富培养基的采用,为了进一步提高发酵生产能力,增加单位产量,降低能耗,提高经济效益,必需针对现有旧发酵罐存在的问
华南理工大学食品与生物工程学院,
510640 广州收稿日期 2003-06-12
~50%,而产生的剪切力仅为Rushton涡轮桨的25%,非常适合用于对剪切敏感
的微生物的发酵。德国的Ekato公司研制的Intemig桨(见图3),它的搅拌器叶径均比传统涡轮桨略大,约为罐内径的47%~60%,而剪切作用约为Rushton桨的1/4左右,对微生物发酵有利。张琐龙等[2]研究了JH桨性能,JH桨是由三
图1 ProchemMaxflo
轴流桨
个对称分布的叶片组成的轴流桨,每个叶片都是一个空间扭曲面,叶片随半径的增加而宽度减小,其特殊的形状保证
图2 LihgtinA315
桨
了操作时叶片背侧不产生失速,避免了
输入液体中的能量以一定形式浪费在湍流和涡流区域,能节约20%~30%的功率。朱雪琴[3]介绍了一种高效节能的翼型轴流搅拌器(见图4),此搅拌器是基于近代流体力学的理论借助于边界层分离、机翼理论及船用螺旋桨理论等而设计的。它的叶片采用机翼断面,叶型参数如拱度比、沿直径方向的螺距、弦长、厚度等是变化的,叶片一般为4~6片,
图3 Intermig桨
且较宽。结果表明该翼型搅拌器具有剪切性能温和、能耗低、混合好、输送效率
机械与设计
高及可提高发酵指数等优点。由北京市
燕山应用技术研究会设计、北京市日博机电设备制造有限公司制作的内外双道叶片组合式搅拌桨[4](见图5),其内道叶片装在剖分式桨座上,外道叶片装在导流筒上,桨座与导流筒之间用连接杆连成整体,组成内外双道叶片的组合式搅拌桨。因为该桨的内道叶片与外道叶片的倾角可以完全相反(或相同),当搅拌桨旋转时,物料可以形成两股流向相反(或相同)的液流,可得到良好的搅拌效果并有较大的循环流量。此桨能耗低,对于各种不同物料均有很好的适应性。李启恩[5]等人根据流体力学理论,基于流道形状的改进,的双流道自吸气叶轮,叶片Rushton透平的3.33,传质系数为后者的1.32~1.95倍。与目前性能较好的三弯叶自吸气叶轮相比
,其吸气量和比传质系数也分别高出50%~
75%和6%~81%。这种高效双流道自吸气叶轮可大大增加搅拌效率,节约更多能量。
的小桨,结合搅拌转速的控制,使功耗及发酵周期大幅度下降,传热系数增加一倍以上。研究表明,在6个50m3的抗生素发酵罐内将原来三层桨中的中、上二层桨的桨叶由6片减少到3片,在不影响发酵水平的情况下,平均能耗降低33%[7],取得了明显的经济效益。
对搅拌器的结构开发和性能、应用的研究正在不断深入,相信不久将会有得到广泛应用。
通气装置是将无菌空气导入发酵罐内的气体分布装置。机械搅拌发酵罐的通气装置结构型式主要有单孔管、多孔环管、环形多支管、冲击式布气器、导气盘分布装置等,这些装置存在能耗高、易冲蚀罐底封头、易使物料堵塞小孔,引起灭菌不透等问题。四川制药厂对传统的机械搅拌发酵罐进行改造,采用气体射(6),此装置安装在发,,在层,上升气泡再遇搅拌器,被再次分散后进入发酵罐上部空间后放空。该装置使气、液两相混合物产生与机械搅拌器方向一致的径向全循环的喷射旋流运动,
其气泡直径随着通气量的增大或喷嘴推动力的增加而减小,容量传质系数提高。此混合器不仅能减轻机械搅拌的负荷,节省电能,而且能提高产量,同时,它消除了压缩空气对罐底封头的冲蚀,使设备维修周期和使用寿命延长。
2 ,将产生一定、水分蒸发等原。为保证微生物生长和产物合成,必须控制最适发酵温度。现有的发酵罐5m3以下一般采用整体式夹套,因为容量小,此形式基本能满足要求。10~100m3的一般采用竖式内蛇管装置来严格控制罐温,尽管这种结构传热效果好,但是罐内结构复杂,死角较多,同时材料成本高,因而可将罐内蛇管装置改为碳钢螺旋蜂窝夹套和罐内板式换热器相结合的新结构[8]。螺旋蜂窝夹套与通常使用的槽钢式或冷却夹套相比,在满足强度和刚度要求的情况下,筒体和夹套壁厚明显减薄,传热系数明显提高。另一方面,板式换热器既起换热作用,又起挡板作用。这种内外传热结合的结构,节约大量不锈钢钢管,降低制造成本,减少罐内染菌机会。何德员[9]在12m3发酵罐设计中采用蛇形半圆管外夹套代替竖式内蛇管,半圆管夹套采用螺旋线型与筒体外壁焊接。在半圆管与筒体焊接之前,筒体外壁焊缝应磨平,半圆管上要开坡口,并要求全焊透,半圆管焊缝之间的净剩距离不得小于半圆管壁厚的两倍,筒体上的半圆管分为三进三出,以保持半圆管内的流体进出口温度和流速,从而改善传热效果,起到强化传热的作用。半圆管夹套的传热系数比夹套大得多,传热效果良好。据统计,由于内蛇管穿孔造成的染菌约占染菌总数的15%。而采用半圆管夹套后,将不受穿孔导致染菌的影响,发酵罐的染菌率大大减少。但半圆管外夹套也有不足之处,如传热效果比内蛇管略差、制造中焊接工作量很大等,这些都有待于不断改进。
图6 气体射流混合器
4 传动装置的改进
旧式发酵罐一直采用三角皮带减速
传动,尽管结构简单,但噪音较大,更换机械密封零件时比较麻烦,且大皮带轮覆盖罐顶,操作空间变得狭窄。如今许多工厂都采用行星齿轮减速装置,此装置传动比大,体积小,承载能力大,运转平稳可靠,更适合大容量的发酵罐减速传动。近年来一种高新技术产品交流变频调速器[11]的应用颇受注目,此变频调速器应用通用性强,可靠性高,安装方便,可满足搅拌过程中需要调速的生产工艺场合;更重要的是其显著的节能效果,提高了产品的经济效益。
图4 翼型轴流搅拌器
图5 内外双道叶片组合式搅拌桨
11内道叶片 21桨座 31导流筒 41连接
5 轴封的改进
轴封的主要作用是防止泄漏和染
菌。轴封处机械密封结构由动环、静环、弹簧加荷装置和辅助密封圈四部分组成。当轴旋转时静环不动、动环与轴一起运动,通过弹簧力作用动环与静环紧
(下转第40页)密接触,从而阻止了
杆 51外道叶片
在发酵罐的革新改造中,除了用新桨取代旧桨外,还可通过改变桨径大小、叶片多少及位置等诸多因素,以提高反应器的性能。在黄原胶发酵中试规模反应器中[6],用大直径Rushton桨取代原来
3 通气装置的改进
生产应用
余甘子柠檬饮料的研制
Studyonbeverageofoilorangeandlemon
□董平 黄儒强 曾庆孝 芮汉明
DongPingHuangRuqiang
摘要 以余甘子和柠檬为主要原料,研究了余甘子柠檬饮料的生产方法。利用饮料加工的基本理论探讨了该饮料的加工工艺,并对其质量控制进行了分析。结果证明,采用该方法制作的余甘子柠檬饮料口味纯正,营养丰富,适合于工业化生产。关键词 余甘子 柠檬 饮料
Abstract Theprocessingstudiedbyusingfreshoilandlemonmaterials.Baseonthebasictheoryofthepro2cessing,theprocessingtechniquesandqualitycon2trollingwereintroducedindetail.Theresultsshowthatthebeveragetastepuritywithabundant
ZengQingxiaoRuiHanming
470~680mg[1]。余
、抗衰老、防癌症、抗心、治疗糖尿病及呼吸道感染的功能,长期食用有益于人体的健康。
柠檬是一种营养和药用价值极高的水果,其味酸苦,一般用来制作饮料或其它食品。柠檬鲜果中含水分87.3%、蛋白质0.8%、脂质0.6%、碳水化合物10.8%、维生素C0.67mg/g,此外,还含有丰富的矿物质和维生素B1、维生素B2、烟酸等多种维生素[2]。其所含的有机酸量居各种水果之冠,柠檬酸因此而得名。
2 胡长鹰.轴流式生化搅拌器的研制进展.
nutrition,andisfitforindustryproducing.Keywords Oilorange Lemon余甘子(庵罗果。原产于印度,我国云南、贵州、四川、福建、广东、广西等地区均盛产。据分析,每100g余甘子鲜果可食部分含水分81.8%,蛋白质0.5%,脂肪0.1%,矿质0.5%,纤维3.4%,碳水化合物13.7%。并含有丰富的微量元素和维生素,控制搅拌轴的挠度与偏摆量,这势必造成搅拌对中困难,同时中间轴承要依靠物料来润滑,当物料中带有固体时,磨损加剧,同时结构缝隙和死角,容易染菌影响质量。改进方法[13]是取消了中间轴承或底轴承,在搅拌器下面配置稳定器,在搅拌过程中利用稳定器对流体产生的阻尼作用抵消搅拌器的部分径向力,从而减小搅拌轴的挠度,用稳定器替代中间轴承或底轴承,可减小染菌率,减轻电机负荷,减少维修工作量,节省费用。
(上接第30页)介质的泄漏,达到密封的
目的。搅拌轴的轴封常采用单端面非平衡型的机械轴封,这种轴封基本上能满足发酵罐的要求,但轴封液会不可避免地漏入罐内,造成对发酵液的污染。彭守兴[12]设计的大型发酵罐机械轴封,在结构上作了改进,即增加一只收集器,可确保轴封液不漏入发酵罐内而被引至罐外。
旧式发酵罐传动轴采用夹壳联轴器与搅拌轴联接,在更换机械密封时,需拆除传动装置,维修工作量很大。现传动装置出轴端与搅拌轴连接选用三分式联轴器。三分式联轴器由上联轴器和两个下联轴器组成,当需要更换机械密封时,只需拆开两个下半联轴器,搅拌轴稍微下移落在轴座架上,利用两轴端之间的空挡可对机械密封进行拆装,这样不需进罐内拆装搅拌轴便可更换机械密封,省去大量吊装工作量。
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7 赵学明.搅拌生物反应器的结构模型、放
BiotechnolBioeng,
7 结束语
随着生物高新技术的发展,菌种(包
括基因工程菌)不断改进,对发酵罐提出了更高的要求,因而对通用发酵罐各部分结构进行改进,使发酵罐结构更为简单、合理,维修方便,使用寿命长,能耗低,产量高,经济效益好,结构改进后的发酵罐可广泛应用于食品、制药、轻化工等行业。
尽管目前已对通用发酵罐很多结构进行了改进,但由于发酵罐操作方式的灵活性及发酵产品的多样性,还需不断改进,满足发酵工艺的实际要求,以求取得最佳的经济效益。
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6 稳定器的应用
旧式发酵罐通常在罐内设置两档中
间轴承或一个中间轴承和一个底轴承来
湖北安琪酵母股份有限公司,443003 湖北宜昌
华南理工大学食品与生物工程学院,
510640 广州收稿日期 2003-06-23
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