自控低压发酵罐体的结构设计

2013-03-25陈生洲

机械工程师 2013年3期

陈生洲

（哈药集团制药总厂，哈尔滨150086）

1 低压发酵罐结构及技术指标

发酵罐是广泛应用于医药、食品、轻工等抗生素生产中的一种化工设备，微生物可以在发酵罐适应的坏境中生长。此发酵罐普遍在企业、院校之中使用，可以用于筛选微生物发酵出的培养基，以及对其发酵的工艺参数和生产工艺进行优化。

低压发酵罐主要由传动轴封、搅拌轴组件、电机、联轴器、空气分布器、电加热器以及温度和pH值传感器等零部件组成。发酵罐的有效容积为3L。大部分的部件采用不锈钢材质，其中发酵罐的视筒为耐高温、耐高压的高硼玻璃。自控仪可对发酵过程中的pH值、溶氧、转速以及温度等参数进行控制与检测，同时，发酵罐可以方便地调节其压力和供气量。发酵罐为台式结构设计，可以较清楚地看到发酵的整个过程。

低压发酵罐主要有如下技术指标：pH=2～12；搅拌转速为 30～1000r/min，溶氧量为 0～200%，灭菌温度为 120℃～130℃；控制发酵温度为10℃～48℃。

2 合理选择低压发酵罐的材质

根据工作过程中低压发酵罐的工艺条件、介质特性以及其焊接性、工艺性、经济性等要求，发酵罐要有较好的耐热、耐高温、耐腐蚀等特性，选用高镍铬钢材料，与不锈钢材料的化学成分有所不同，高镍铬钢中掺入了少量的钛，钛作为一种高化学活性的金属，具有良好的耐腐蚀性，可以防止晶间腐蚀，同时，高镍铬钢还具有很好的强度、塑性、韧性等性能。发酵罐视筒的材质选用具有耐腐蚀性的硅硼玻璃，此材料与其它材料相比，其化学性能较为全面，比如硅硼玻璃具有较小的热膨胀系数，除了氢氟酸、强碱等在高温条件下对玻璃有腐蚀性以外，对于酸碱、盐溶物、卤素等具有很好的稳定特性，因此，耐腐性相对较好。

3 确定低压发酵罐的结构方案

由于所设计的发酵罐为低压发酵罐，工作过程中没有易燃易爆的介质，也没有很强的腐蚀性，因此，对强度、密封性等要求不是很高。

（1）为了能达到较好地搅拌混合与溶解氧的效果，要合理选择发酵罐的长径比H/D（H为罐体高，D为罐体直径），通常为2～3。上、下封头一律使用平板形的封头，其中上封头采用法兰与罐体进行连接，考虑到发酵罐所需的压力较低，所以使用平垫密封就能满足其要求。另外，上、下封头采用焊接工艺与各引出管进行连接。发酵罐器壁的两个侧面分别布置的是pH电极和温度传感器，易于安装、测量。

（2）考虑到低压发酵罐要具有良好的分散、传热等功能，因此，需要选用转速很高、剪切作用强以及循环流量大的圆盘涡轮式搅拌器。为了能充分地搅动发酵液，需要在同一个搅拌轴上布置多个倾斜的搅拌叶浆，通常三层搅拌桨最为常用。反应器内壁上通过设有3个具有一定宽度的挡板，目的是为了增强分散的功能。搅拌器转速的大小对搅拌的功率以及能否正常搅拌有着重要的影响，通常搅拌转速为1～300r/min，选择较高的搅拌转速，可以更好地实现低压发酵罐的分散功能。

（3）为了阻止不锈钢衬里穿孔泄漏以及由裂纹引起的发酵液染菌影响发酵生产的正常运行，所以要采取相应的措施进行密封，从低压发酵罐的技术指标可以看出，对设计压力和设计温度的要求都不高，由于机械密封具有功耗小、泄漏率低、密封性可靠、寿命长等诸多的优点，因此，可以满足其正常的要求。

（4）低压发酵罐采用立式永磁直流电机来提供转速，其优点是采用的磁偶合使得罐体内外无需再用轴连接，在一定程度上降低了污染的几率，同时，直流电机可以实现无级调速。搅拌轴用十字滑块联轴器与电机主轴进行连接。考虑到发酵罐的容积仅有3L，搅拌轴的长度无需很长，因此，不需要附加轴承。

4 低压发酵罐主要部件的分析计算

（1）封头的设计。平板型封头是化工设备中常用的一种封头，本文设计的发酵罐就是选用圆形的平板封头。由薄板理论可知，平板所受的载荷分布均匀，平板壁内会产生径向弯曲应力和切向弯曲应力，根据压力作用的面积大小和边缘的支撑情况，可以判断出最大的应力是出现在平板的中心还是在平板的边缘。由于此封头为载荷分布均匀的圆形平板封头，因此，其最大应力应分布在平板的中心，并且两种应力的大小相等，由材料力学中相关的公式得出，平板的最大弯曲应力与平板半径同其厚度比值的平方成正比，其中平板厚度的计算公式如下：