關于生物加工設備選型的探討

鄒東恢 鄒豐謙

(齊齊哈爾大學食品與生物工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；*黑龍江大學電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

近年來，生物加工設備發(fā)展速度較快，特別是引進國外的新技術、新裝備快速迅捷，而且新技術、新裝備的國產(chǎn)化趨勢日益增強。如啤酒廠的濕法粉碎新技術、低溫膜過濾系統(tǒng)生產(chǎn)純生啤酒技術，國內(nèi)自主創(chuàng)新的新型燭式硅藻土過濾機正在啤酒生產(chǎn)企業(yè)推廣；酒精廠采用循環(huán)粉碎新工藝設備、真空冷卻連續(xù)糖化設備、六塔節(jié)能差壓蒸餾設備等等[1～3]，我們在進行設備設計、選型時應充分了解本行業(yè)發(fā)展的動向，并結合實際情況遵循相關原則進行。

1生物加工設備的選型原則

設備的設計對于通用設備來說就是選型，對于專用設備和非標準設備來說就是通過計算，提出型式、材料、尺寸和其他一些要求，由專業(yè)機構進行工程機械加工設計并制造。

設備設計、選型正確與否，對投資建廠和工廠投產(chǎn)后的運行維修、工人的勞動強度、產(chǎn)品的質(zhì)量都會產(chǎn)生很大影響，其重要性是顯而易見的。因此，選用生產(chǎn)能力適宜、配套性強、性價比高、通用性廣的生產(chǎn)設備是生物加工企業(yè)建廠設計、改建擴建、設備改造的重要內(nèi)容，設備選型和設計的總體原則是：

1.1 合理性

即選擇的設備必須能夠滿足生產(chǎn)工藝要求，設備要與工藝流程、生產(chǎn)規(guī)模、工藝操作條件、工藝控制水平相適應；設備的加工能力、規(guī)格、型號和動力消耗必須與相應的產(chǎn)量相匹配，并從機器保養(yǎng)、維修等方面考慮留有一定的儲備余地。

1.2 先進性

機械加工設備的種類繁多、型號多樣，選擇的設備實現(xiàn)某一生產(chǎn)單元過程的技術經(jīng)濟指標，如轉(zhuǎn)化率、收得率，生產(chǎn)效率等要盡可能達到較高的先進水平；在符合投資條件的前提下，應選擇吸收國內(nèi)外最先進的技術成果和裝備，選擇制作精度高、性能優(yōu)良的現(xiàn)代化技術裝備。

1.3 安全性

設備的選型和工藝設計制造要求安全可靠、操作穩(wěn)定、無事故隱患。

1.4 經(jīng)濟性

設備投資節(jié)省、易于加工、維修、更新、沒有特殊的維護要求，減少運行費用。

總之，設備的選型、設計原則是一個統(tǒng)一的、綜合性的原則，要遵循工藝合理、技術先進、運行安全、經(jīng)濟節(jié)儉的原則，認真地設計與選型[4]。

2生物加工設備的選型

在生物加工過程中，可將生物加工設備簡要地分為三類，即：通用設備、專業(yè)設備和非標準設備。專業(yè)設備系指生物加工過程中特有的設備，如發(fā)酵罐、糊化鍋、糖化鍋等專業(yè)性較強，僅為生物加工專業(yè)工廠所使用的設備；而各行各業(yè)都可使用的設備如泵、風機等稱為通用設備；非標準設備是指生產(chǎn)企業(yè)所用的存貯箱、槽、罐、池以及計量筒、混合拌料池等設施。

2.1 生物加工專業(yè)設備的選型

由于生物加工行業(yè)產(chǎn)品較多，不同產(chǎn)品的工藝各不相同，所以設備設計和選型將會有較大的差異，因此，只有在充分了解工藝的基礎上才能進行設計和選型。啤酒、味精、白酒和有機酸等產(chǎn)品的生產(chǎn)主要環(huán)節(jié)是間歇式操作，酒精、抗生素等產(chǎn)品的生產(chǎn)連續(xù)性較強，大部分環(huán)節(jié)能做到連續(xù)生產(chǎn)，因此要根據(jù)生產(chǎn)特點區(qū)別對待，專業(yè)設備設計與選型主要內(nèi)容如下：

1．設備所負擔的工藝操作任務和工作性質(zhì)，工作參數(shù)的確定

2．不同型號設備的特點和性能評價

3．設備生產(chǎn)能力的確立

4．設備主要尺寸的確定

5．設備數(shù)量的確定

6．設備化工過程(換熱器，塔板數(shù)等)的計算

7．設備的傳動攪拌和動力消耗的計算

8．材質(zhì)的選擇和用量的計算

9．壁厚的計算選擇

10．設備結構的設計計算

11．選型其他問題的考慮

2.2 生物加工通用設備的選型

通用設備一般是指按國家機械工業(yè)部或行業(yè)統(tǒng)一標準生產(chǎn)的離心機、泵、通風機、壓縮機、螺旋輸送機、帶式輸送機等。通用設備在生物加工、食品行業(yè)中應用十分廣泛，這里主要列舉介紹與生物加工密切相關的液體輸送設備、氣體輸送設備及固體輸送設備的選型。

2.2.1液體輸送設備

關于液體輸送設備的選型，針對生物加工廠的特殊性，提出幾點要注意的問題。

2.2.1.1 液體輸送泵的選型首先應根據(jù)輸送物料的特性和輸送要求考慮，然后再根據(jù)輸送流量、總揚程，并考慮泵的效率，選擇具體型號。

生物加工廠產(chǎn)品類型較多，所輸送物料的性質(zhì)及輸送要求各不相同，在選擇泵型時，應區(qū)別對待。例如：酒精廠連續(xù)蒸煮用泵所輸送的粉漿固形物含量高，黏度大，輸送壓頭高，流量要求穩(wěn)定，可選擇雙缸雙動往復泵或三缸往復泵，可保證不堵塞，高壓頭和穩(wěn)定的流量。同樣，輸送蒸煮醪，輸送發(fā)酵醪均應選擇電動往復泵，亦稱泥漿泵，流量用調(diào)速電機調(diào)節(jié)。啤酒廠糖化車間選擇醪泵時，因醪液較稀，應選擇全開葉或半開葉，低轉(zhuǎn)速，大流量，低揚程離心泵[5,6]。

2.2.1.2 對于間歇操作的泵，選擇時注意在滿足壓頭、耐腐蝕、防爆等方面要求的前提下，可把生產(chǎn)能力選得大些，盡可能快地將物料短時間內(nèi)輸送完，騰出設備，節(jié)約人力，如啤酒廠糊化鍋、糖化鍋麥汁輸送泵的選擇。

2.2.1.3 對于連續(xù)操作的泵，在考慮輸送物料特性、壓頭、安全等方面要求的同時，則應選擇流量略高于工藝要求的泵，以便留有調(diào)節(jié)余地，保證生產(chǎn)均衡地進行。

2.2.2 氣體輸送設備

生物加工廠用于深層發(fā)酵的設備，如機械攪拌發(fā)酵罐和各種新型生化反應器等的送風設備，主要是往復式空壓機、渦輪壓縮機，用于酵母培養(yǎng)和麥汁生產(chǎn)的設備主要是羅茨式和高壓鼓風機，用于固體厚層通風培養(yǎng)、氣流輸送、氣流干燥、氣體輸送的則是離心式通風機，廠房里通風一般使用大流量風機，如軸流式風機，連續(xù)操作的一般設有備用設備。

2.2.3 固體輸送設備

如果無特殊需要，應盡量選用機械提升設備，因其能耗相對較低，視不同類型比氣流輸送要低3～10倍。帶式輸送機、螺旋輸送機，以水平輸送為主，也可傾斜輸送，但傾角不應大于20°，否則效率大大下降，甚至造成失誤。另外，選用設備時應注意，不要選擇淘汰的老型號產(chǎn)品，應選用新國家標準系列產(chǎn)品[7]。

2.3 生物加工非標準設備的選型特點

生物加工廠非標準設備一般是指生產(chǎn)車間中除專業(yè)設備、通用設備之外的，用于生產(chǎn)配套的貯罐，中間料池、

計量罐等設備和設施，主要是一些容器類，容器的設計選型同樣要遵循設備設計選型的標準要求，著重注意以下內(nèi)容。

2.3.1 貯存作用的箱、槽、罐、池，如各種原料液中間制品的貯存罐，設計選用時首先要滿足工藝過程要求，同時要考慮選擇合適的形狀，相應的容量，以保證生產(chǎn)的正常運行，在此前提下，盡量選用比表面積小的幾何形狀，以節(jié)省投資費用。

2.3.2 混合滅菌作用的設備設計選型，如酒精生產(chǎn)的拌料罐，葡萄糖生產(chǎn)的調(diào)漿罐等，為了使混合或沉降效果好，選擇這類設備的高徑(或高寬)比近于1是有利的，球形容器在各種容器中單位體積裝料量是最多的，但加工較困難，因此多采用正方形和直徑與高度相近的筒形容器。

2.3.3 計量作用的設備設計選型，這類設備在生物加工企業(yè)中應用也較為普遍，如味精廠、酒精廠計量貯罐等，為使計量結果盡量準確，通常這類設備的高徑比或高寬比都選得比較大，這樣在高度上的變化就較為靈敏，而把節(jié)省材料放在次要地位，這類設備一般是指規(guī)格和材質(zhì)都不定型的輔助設備，在加工精度要求上不太高，在工廠選型設計中，常根據(jù)生產(chǎn)需要而配備[8]。

2.3.4 容器的材料選擇應在能夠符合工藝要求的前提下，還應滿足諸如強度、剛度、耐腐蝕性、溫度、密封性及操作維修方便的要求。

3生物加工設備發(fā)展展望

近年來，生物加工設備發(fā)展速度較快，特別是引進國外的新技術、新裝備快速迅捷，而且新技術、新裝備的國產(chǎn)化趨勢日益增強。如啤酒廠的濕法粉碎新技術、低溫膜過濾系統(tǒng)生產(chǎn)純生啤酒技術的使用，麥汁煮沸外循環(huán)加熱裝置、麥糟干式輸送設備、麥汁一段冷卻及冰水制備裝置等都實現(xiàn)了國產(chǎn)化，國內(nèi)自主創(chuàng)新的新型燭式硅藻土過濾機在啤酒生產(chǎn)企業(yè)推廣應用；酒精廠采用循環(huán)粉碎新工藝設備、真空冷卻連續(xù)糖化設備、酒精大罐連續(xù)發(fā)酵技術裝備、六塔節(jié)能差壓蒸餾設備等；生物加工高新技術逐漸在生產(chǎn)中得以應用，如分子蒸餾技術、二氧化碳超臨界萃取技術等，現(xiàn)國內(nèi)已開發(fā)出30余種分子蒸餾新產(chǎn)品，建成數(shù)十條生產(chǎn)線，將分子蒸餾技術向工業(yè)化推進了一步，最近開發(fā)成功的分子蒸餾成套工業(yè)化裝置，實現(xiàn)了高真空下長期穩(wěn)定運行，并具有適應性廣、可調(diào)性能好的特點[9，10]。

綜合來看，生物反應器向著大型化、自動化發(fā)展。這主要體現(xiàn)在個體反應器容積的日益擴大，自動化水平的逐漸提高，如抗生素發(fā)酵罐容積達到400 m3，氨基酸反應器790 m3，單細胞蛋白反應器達2 000 m3，酒精大罐發(fā)酵罐容積達3 800 m3，反應器容積的增大有利于降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

[1] 李鴻枝，江林，曹亞平等.分子蒸餾設備的發(fā)展及其在樣品前處理中的應用[J].現(xiàn)代科學儀器,2011,2(4):61～63.

[2] 許兆棠，黃亞東，張恒.固態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)白酒的連續(xù)蒸餾設備的設計[J]. 中國釀造,2009,209(8):105～107.

[3] Salvagnini WM，Taqueda MES．A falling-film evaporator with filmpromoters[J].Ind Eng Chem Res，2004，43( 21) : 6 832～6 835.

[4] 歐陽平凱，曹竹安等. 發(fā)酵工程關鍵技術與其應用[M].化學工業(yè)出版社, 2005.

[5] 張小剛. 物料輸送技術與設備[J]. 黑龍江冶金.2013,33(2):33～34.

[6] 胡繼云，孫慶春，李盟.水平螺旋輸送機性能的研究[J].糧食加工，2013(6)：52～53.

[7] 聶晟翔,盧斌,鄧亞紅等. 提高濃香型白酒蒸餾設備效率的研究[J].2014,239(5):46～48.

[8] Figiel A. Drying kinetics and quality of beetrootsdehydrated by combination of convective and vacuum-microwave methods[J].Journal of Food Engineering，2010，98(4)：461～470.

[9] 程長平,田浩,陳棟等.膜分離技術在味精生產(chǎn)中的應用[J]. 發(fā)酵科技通訊,2011,40(1):6～8.

[10] 連錦花，孫果宋，雷福厚. 分子蒸餾技術及其應用[J]. 化工技術與開發(fā).2010,7(39):31～38.