2023第11届生物发酵产品与技术装备展览会(济南)
2023年3月30-4月1日 山东国际会展中心

发酵仪器:大型发酵罐设计中需要注意的问题

随着生化技术和生化产品的不断提高,抗生素产量也不断提高,尤其和人类身体健康关系密切的抗生素需求量更大。青霉素及其半合成产品、红霉素及其半合成产品等抗生素生产发展很快,随着这些产品的增长,其生产工艺不断改进,生产设备不断完善。现在抗生素发酵生产都实现了发酵全过程微机控制,自动补料、搅拌系统采用变频调速,使发酵生产更易控制,降低了染菌率,提高了发酵水平,为发酵罐单罐容积大型化提供了条件。

 

一.皮带减速装置

皮带减速机结构简单,造价低廉,操作维修比较简单方便,运行一段时间后,易损件一般只是皮带,更换十分方便。因此,现在不少生产厂家在大型发酵罐上仍选用皮带减速机。
V型皮带的效率高。由于V型皮带与驱动装置在降低速度时并不打滑,所以,其效率在低速时也很高。虽然皮带传递功率会使皮带发热,但不需要辅助冷却措施。皮带减速装置运行可靠,实用经济,是适合于大型发酵罐选用的减速装置之一。
设计时,依据发酵罐搅拌轴功率、转速要求确定电机功率、级数,并根据发酵罐上封头尺寸选择电机及皮带减速机安装形式,确定机架型式及结构。设计电机皮带轮、减速机皮带轮、减速机主轴、轴承组合,选择V型皮带的类型、根数,确定减速机皮带轮和电机皮带轮中心距、电机皮带轮包角,设计减速机机架及轴承盒等。在选择皮带时,应注意选用能导静电的皮带。

二.齿轮减速装置

齿轮传动装置是各种机械传动装置中最结实耐用的,它能以高效率传动高功率,并且使用寿命长,但造价比皮带减速装置高。其中,螺旋圆锥齿轮和螺旋齿轮的效率高,它们常联合应用于二级、三级减速的搅拌驱动装置中,可得到高效率,较高的减速比以及两轴成直角的布局,可以使卧式电机水平安装,通过减速机对顶部插入式搅拌器传递转矩。齿轮减速装置通过机架座落在罐体上封头中心圆上,可以降低安装高度,减速装置及搅拌运行更加平稳。
大多数齿轮传动装置制造商都遵守美国齿轮制造商协会(AGMA)的参数标准,并根据利用系数等于1时的许用传递功率来说明他们生产的齿轮传动装置的额定机械性能。利用系数考虑了原动机载荷特性、驱动载荷特性、使用寿命及可靠性。许用运行功率等于利用系数为1时的机械功率额定值除以具体应用条件下的利用系数。齿轮、轴和轴承功率额定值中最低功率额定值就是齿轮装置的机械功率额定值。运行功率(电动机的许用功率)是机械功率额定值除以适当具体应用条件下的利用系数。热态额定功率定义在3h或更长时间中不超过规定的温度极限而能够连续传递的功率。

 

三发酵罐架构

3.1几何尺寸及受力分析

随着抗生素需求量增加,单台发酵罐容积增大已成为抗生素工业发展的趋势。一般来说,发酵罐的几何形状和几何尺寸由发酵工艺条件确定,其壁厚由受力状况经强度和刚度计算确定。
根据罐壳内实际承受的最大饱和水蒸气压力和最高液柱压力之和确定最高工作压力;工作温度范围确定工作温度;以此确定设计压力、设计温度、罐体几何尺寸;根据内压圆筒椭圆封头强度计算公式初定圆筒和上下封头的壁厚。因发酵罐几何尺寸较大,还需从刚度、加工成型等方面考虑其壁厚的增加量。罐体上封头和机架交接圆处作用着重力和转动扭矩,致使在上封头的交接圆处产生局部应力。

3.2流量和流体剪切作用

发酵罐内微生物在有氧条件下以可分解的物料为食物而产生出所需要的产品,从混合的观点看,发酵罐涉及气体分散、固体悬浮、传热和混合均匀等作用。每一种发酵作用都有其独特之处,因此,要对搅拌器的最佳结构进行仔细研究。最重要的问题通常是从空气到发酵料浆中氧的传递以及料浆到微生物中氧的传递。微生物仅能以一定的呼吸速率来利用氧气,发酵罐必须能提供良好的有氧环境以满足微生物呼吸速率的需要。
发酵过程中对搅拌器要求的一个极为重要指标是泵送流量与流体剪切作用的比值。这一比值可用下式表示:
    值得注意的是氧气传递速率在叶轮区附近较高,而罐内其余部分则较低,这就造成了微生物可能在发酵罐的不同部位有不同的氧气吸收速率。具体地说,在发酵罐中可能存在剪切速率和流量都非常低的区域,这一区域的固态微生物团粒离开吸气区的时间长达几十秒,甚至数分钟。
3.3气体分布器

气体分布器是将大股的圆柱空气分成许多细股的空气流,在下层搅拌器正下方喷出,被下层圆弧涡轮桨搅拌粉碎成更小气泡和培养基充分混合而设计的。是否采用气体分布器应依据发酵过程中耗氧量大小而定,当发酵过程耗氧较低,可通过气体分布器来减小进入培养液中气泡的直径,这样在一定程度上提高了溶氧量,达到节能和满足供氧需求的目的。而发酵过程中耗氧较大时,气液接触表面的增加更需要通过强制剪切破碎来实现。空气气泡的粉碎主要依靠搅拌器的剪切破碎作用,因此,多孔分布器对氧的传递效果并没有明显提高,相反还造成不必要的阻力损失,而且物料易堵塞小孔,引起灭菌不完全而增加染菌机会。
2022年的第十届上海生物发酵展将在12月1-3日于上海新国际博览中心再次与大家见面,将再次把一整年来“新技术、新装备、新工艺、新产品”的成果展现给大家。今年的展示面积预计仍将超过40,000平米,共有超过530家国内外知名品牌展商参展,展品涵盖氨基酸、有机酸、淀粉及淀粉糖、酶制剂、酵母及衍生物、功能发酵制品、益生菌、后生元、酵素、技术装备、生物制药、生化仪器、环保技术装备、提取浓缩设备、流体机械等。
组团/行业参观用户

全方位邀请:生物制药、生物饲料、生化仪器及实验室装备、果酒、啤酒饮料、天然提取物、保健品、乳制品、食品及食品添加剂等20多个行业的生产企业代表、工程技术人员及国内外贸易组织、研究所和大学、科研机构相关专家学者参加此次展会。

文章来源于:发酵大酵网微信公众号,上海生物发酵展周彬13167144125整理发布!

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