自控低壓發(fā)酵罐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳生洲

（哈藥集團制藥總廠，哈爾濱150086）

1 低壓發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標

發(fā)酵罐是廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、輕工等抗生素生產(chǎn)中的一種化工設(shè)備，微生物可以在發(fā)酵罐適應(yīng)的壞境中生長。此發(fā)酵罐普遍在企業(yè)、院校之中使用，可以用于篩選微生物發(fā)酵出的培養(yǎng)基，以及對其發(fā)酵的工藝參數(shù)和生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化。

低壓發(fā)酵罐主要由傳動軸封、攪拌軸組件、電機、聯(lián)軸器、空氣分布器、電加熱器以及溫度和pH值傳感器等零部件組成。發(fā)酵罐的有效容積為3L。大部分的部件采用不銹鋼材質(zhì)，其中發(fā)酵罐的視筒為耐高溫、耐高壓的高硼玻璃。自控儀可對發(fā)酵過程中的pH值、溶氧、轉(zhuǎn)速以及溫度等參數(shù)進行控制與檢測，同時，發(fā)酵罐可以方便地調(diào)節(jié)其壓力和供氣量。發(fā)酵罐為臺式結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以較清楚地看到發(fā)酵的整個過程。

低壓發(fā)酵罐主要有如下技術(shù)指標：pH=2～12；攪拌轉(zhuǎn)速為 30～1000r/min，溶氧量為 0～200%，滅菌溫度為 120℃～130℃；控制發(fā)酵溫度為10℃～48℃。

2 合理選擇低壓發(fā)酵罐的材質(zhì)

根據(jù)工作過程中低壓發(fā)酵罐的工藝條件、介質(zhì)特性以及其焊接性、工藝性、經(jīng)濟性等要求，發(fā)酵罐要有較好的耐熱、耐高溫、耐腐蝕等特性，選用高鎳鉻鋼材料，與不銹鋼材料的化學成分有所不同，高鎳鉻鋼中摻入了少量的鈦，鈦作為一種高化學活性的金屬，具有良好的耐腐蝕性，可以防止晶間腐蝕，同時，高鎳鉻鋼還具有很好的強度、塑性、韌性等性能。發(fā)酵罐視筒的材質(zhì)選用具有耐腐蝕性的硅硼玻璃，此材料與其它材料相比，其化學性能較為全面，比如硅硼玻璃具有較小的熱膨脹系數(shù)，除了氫氟酸、強堿等在高溫條件下對玻璃有腐蝕性以外，對于酸堿、鹽溶物、鹵素等具有很好的穩(wěn)定特性，因此，耐腐性相對較好。

3 確定低壓發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)方案

由于所設(shè)計的發(fā)酵罐為低壓發(fā)酵罐，工作過程中沒有易燃易爆的介質(zhì)，也沒有很強的腐蝕性，因此，對強度、密封性等要求不是很高。

（1）為了能達到較好地攪拌混合與溶解氧的效果，要合理選擇發(fā)酵罐的長徑比H/D（H為罐體高，D為罐體直徑），通常為2～3。上、下封頭一律使用平板形的封頭，其中上封頭采用法蘭與罐體進行連接，考慮到發(fā)酵罐所需的壓力較低，所以使用平墊密封就能滿足其要求。另外，上、下封頭采用焊接工藝與各引出管進行連接。發(fā)酵罐器壁的兩個側(cè)面分別布置的是pH電極和溫度傳感器，易于安裝、測量。

（2）考慮到低壓發(fā)酵罐要具有良好的分散、傳熱等功能，因此，需要選用轉(zhuǎn)速很高、剪切作用強以及循環(huán)流量大的圓盤渦輪式攪拌器。為了能充分地攪動發(fā)酵液，需要在同一個攪拌軸上布置多個傾斜的攪拌葉漿，通常三層攪拌槳最為常用。反應(yīng)器內(nèi)壁上通過設(shè)有3個具有一定寬度的擋板，目的是為了增強分散的功能。攪拌器轉(zhuǎn)速的大小對攪拌的功率以及能否正常攪拌有著重要的影響，通常攪拌轉(zhuǎn)速為1～300r/min，選擇較高的攪拌轉(zhuǎn)速，可以更好地實現(xiàn)低壓發(fā)酵罐的分散功能。

（3）為了阻止不銹鋼襯里穿孔泄漏以及由裂紋引起的發(fā)酵液染菌影響發(fā)酵生產(chǎn)的正常運行，所以要采取相應(yīng)的措施進行密封，從低壓發(fā)酵罐的技術(shù)指標可以看出，對設(shè)計壓力和設(shè)計溫度的要求都不高，由于機械密封具有功耗小、泄漏率低、密封性可靠、壽命長等諸多的優(yōu)點，因此，可以滿足其正常的要求。

（4）低壓發(fā)酵罐采用立式永磁直流電機來提供轉(zhuǎn)速，其優(yōu)點是采用的磁偶合使得罐體內(nèi)外無需再用軸連接，在一定程度上降低了污染的幾率，同時，直流電機可以實現(xiàn)無級調(diào)速。攪拌軸用十字滑塊聯(lián)軸器與電機主軸進行連接?？紤]到發(fā)酵罐的容積僅有3L，攪拌軸的長度無需很長，因此，不需要附加軸承。

4 低壓發(fā)酵罐主要部件的分析計算

（1）封頭的設(shè)計。平板型封頭是化工設(shè)備中常用的一種封頭，本文設(shè)計的發(fā)酵罐就是選用圓形的平板封頭。由薄板理論可知，平板所受的載荷分布均勻，平板壁內(nèi)會產(chǎn)生徑向彎曲應(yīng)力和切向彎曲應(yīng)力，根據(jù)壓力作用的面積大小和邊緣的支撐情況，可以判斷出最大的應(yīng)力是出現(xiàn)在平板的中心還是在平板的邊緣。由于此封頭為載荷分布均勻的圓形平板封頭，因此，其最大應(yīng)力應(yīng)分布在平板的中心，并且兩種應(yīng)力的大小相等，由材料力學中相關(guān)的公式得出，平板的最大彎曲應(yīng)力與平板半徑同其厚度比值的平方成正比，其中平板厚度的計算公式如下：

式中：D-計算直徑；P-設(shè)計壓力；［σ］-材料的許用應(yīng)力。

帶入相關(guān)的數(shù)據(jù)就可以得出平板的厚度。

（2）攪拌器的設(shè)計。攪拌器是發(fā)酵罐最為重要的部件之一，要確保攪拌槳的直徑與攪拌葉長度、寬度協(xié)調(diào)，同時為了保證發(fā)酵罐良好的通風效果，避免因產(chǎn)生的液流互相干擾而抵消，攪拌器的間距應(yīng)為其直徑的1.5～3倍。

（3）攪拌軸的設(shè)計。根據(jù)材料力學中扭轉(zhuǎn)強度的計算公式得：

式中：d-攪拌軸軸徑；P-攪拌的功率；n-攪拌軸的轉(zhuǎn)速；A-隨許用應(yīng)力的變化系數(shù)。

帶入相關(guān)的數(shù)據(jù)可以得到攪拌軸徑的大小，考慮到攪拌軸上開設(shè)孔，以及機械磨損等的影響，應(yīng)適當增加軸徑的大小。

（4）空氣分布器的設(shè)計。空氣分布器的作用是保證進入的無菌空氣分布均勻，通過把通氣管設(shè)計成圓形，其上均布開設(shè)5個小孔，布置在攪拌器的下部。多孔的通氣管與單孔通氣管相比，空氣分布均勻，既可以保證空氣與料液混合充分，同時也減小了對罐底封頭沖蝕的影響，提高了發(fā)酵罐的使用壽命。

5 結(jié)論

本文主要對封頭、攪拌器、攪拌軸以及空氣分布器等關(guān)鍵部件進行了分析，除此之外，還介紹了電加熱器以及溫度和pH傳感器等零部件。此設(shè)計在一定程度上使系統(tǒng)傳動平穩(wěn)、機械密封良好，發(fā)酵罐的強度和結(jié)構(gòu)滿足安全生產(chǎn)的要求，對相關(guān)發(fā)酵罐的設(shè)計具有一定的借鑒意義。

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