关于生物加工设备选型的探讨

邹东恢 邹丰谦

(齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；*黑龙江大学电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

近年来，生物加工设备发展速度较快，特别是引进国外的新技术、新装备快速迅捷，而且新技术、新装备的国产化趋势日益增强。如啤酒厂的湿法粉碎新技术、低温膜过滤系统生产纯生啤酒技术，国内自主创新的新型烛式硅藻土过滤机正在啤酒生产企业推广；酒精厂采用循环粉碎新工艺设备、真空冷却连续糖化设备、六塔节能差压蒸馏设备等等[1～3]，我们在进行设备设计、选型时应充分了解本行业发展的动向，并结合实际情况遵循相关原则进行。

1生物加工设备的选型原则

设备的设计对于通用设备来说就是选型，对于专用设备和非标准设备来说就是通过计算，提出型式、材料、尺寸和其他一些要求，由专业机构进行工程机械加工设计并制造。

设备设计、选型正确与否，对投资建厂和工厂投产后的运行维修、工人的劳动强度、产品的质量都会产生很大影响，其重要性是显而易见的。因此，选用生产能力适宜、配套性强、性价比高、通用性广的生产设备是生物加工企业建厂设计、改建扩建、设备改造的重要内容，设备选型和设计的总体原则是：

1.1 合理性

即选择的设备必须能够满足生产工艺要求，设备要与工艺流程、生产规模、工艺操作条件、工艺控制水平相适应；设备的加工能力、规格、型号和动力消耗必须与相应的产量相匹配，并从机器保养、维修等方面考虑留有一定的储备余地。

1.2 先进性

机械加工设备的种类繁多、型号多样，选择的设备实现某一生产单元过程的技术经济指标，如转化率、收得率，生产效率等要尽可能达到较高的先进水平；在符合投资条件的前提下，应选择吸收国内外最先进的技术成果和装备，选择制作精度高、性能优良的现代化技术装备。

1.3 安全性

设备的选型和工艺设计制造要求安全可靠、操作稳定、无事故隐患。

1.4 经济性

设备投资节省、易于加工、维修、更新、没有特殊的维护要求，减少运行费用。

总之，设备的选型、设计原则是一个统一的、综合性的原则，要遵循工艺合理、技术先进、运行安全、经济节俭的原则，认真地设计与选型[4]。

2生物加工设备的选型

在生物加工过程中，可将生物加工设备简要地分为三类，即：通用设备、专业设备和非标准设备。专业设备系指生物加工过程中特有的设备，如发酵罐、糊化锅、糖化锅等专业性较强，仅为生物加工专业工厂所使用的设备；而各行各业都可使用的设备如泵、风机等称为通用设备；非标准设备是指生产企业所用的存贮箱、槽、罐、池以及计量筒、混合拌料池等设施。

2.1 生物加工专业设备的选型

由于生物加工行业产品较多，不同产品的工艺各不相同，所以设备设计和选型将会有较大的差异，因此，只有在充分了解工艺的基础上才能进行设计和选型。啤酒、味精、白酒和有机酸等产品的生产主要环节是间歇式操作，酒精、抗生素等产品的生产连续性较强，大部分环节能做到连续生产，因此要根据生产特点区别对待，专业设备设计与选型主要内容如下：

1．设备所负担的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定

2．不同型号设备的特点和性能评价

3．设备生产能力的确立

4．设备主要尺寸的确定

5．设备数量的确定

6．设备化工过程(换热器，塔板数等)的计算

7．设备的传动搅拌和动力消耗的计算

8．材质的选择和用量的计算

9．壁厚的计算选择

10．设备结构的设计计算

11．选型其他问题的考虑

2.2 生物加工通用设备的选型

通用设备一般是指按国家机械工业部或行业统一标准生产的离心机、泵、通风机、压缩机、螺旋输送机、带式输送机等。通用设备在生物加工、食品行业中应用十分广泛，这里主要列举介绍与生物加工密切相关的液体输送设备、气体输送设备及固体输送设备的选型。

2.2.1液体输送设备

关于液体输送设备的选型，针对生物加工厂的特殊性，提出几点要注意的问题。

2.2.1.1 液体输送泵的选型首先应根据输送物料的特性和输送要求考虑，然后再根据输送流量、总扬程，并考虑泵的效率，选择具体型号。

生物加工厂产品类型较多，所输送物料的性质及输送要求各不相同，在选择泵型时，应区别对待。例如：酒精厂连续蒸煮用泵所输送的粉浆固形物含量高，黏度大，输送压头高，流量要求稳定，可选择双缸双动往复泵或三缸往复泵，可保证不堵塞，高压头和稳定的流量。同样，输送蒸煮醪，输送发酵醪均应选择电动往复泵，亦称泥浆泵，流量用调速电机调节。啤酒厂糖化车间选择醪泵时，因醪液较稀，应选择全开叶或半开叶，低转速，大流量，低扬程离心泵[5,6]。

2.2.1.2 对于间歇操作的泵，选择时注意在满足压头、耐腐蚀、防爆等方面要求的前提下，可把生产能力选得大些，尽可能快地将物料短时间内输送完，腾出设备，节约人力，如啤酒厂糊化锅、糖化锅麦汁输送泵的选择。

2.2.1.3 对于连续操作的泵，在考虑输送物料特性、压头、安全等方面要求的同时，则应选择流量略高于工艺要求的泵，以便留有调节余地，保证生产均衡地进行。

2.2.2 气体输送设备

生物加工厂用于深层发酵的设备，如机械搅拌发酵罐和各种新型生化反应器等的送风设备，主要是往复式空压机、涡轮压缩机，用于酵母培养和麦汁生产的设备主要是罗茨式和高压鼓风机，用于固体厚层通风培养、气流输送、气流干燥、气体输送的则是离心式通风机，厂房里通风一般使用大流量风机，如轴流式风机，连续操作的一般设有备用设备。

2.2.3 固体输送设备

如果无特殊需要，应尽量选用机械提升设备，因其能耗相对较低，视不同类型比气流输送要低3～10倍。带式输送机、螺旋输送机，以水平输送为主，也可倾斜输送，但倾角不应大于20°，否则效率大大下降，甚至造成失误。另外，选用设备时应注意，不要选择淘汰的老型号产品，应选用新国家标准系列产品[7]。

2.3 生物加工非标准设备的选型特点

生物加工厂非标准设备一般是指生产车间中除专业设备、通用设备之外的，用于生产配套的贮罐，中间料池、

计量罐等设备和设施，主要是一些容器类，容器的设计选型同样要遵循设备设计选型的标准要求，着重注意以下内容。

2.3.1 贮存作用的箱、槽、罐、池，如各种原料液中间制品的贮存罐，设计选用时首先要满足工艺过程要求，同时要考虑选择合适的形状，相应的容量，以保证生产的正常运行，在此前提下，尽量选用比表面积小的几何形状，以节省投资费用。

2.3.2 混合灭菌作用的设备设计选型，如酒精生产的拌料罐，葡萄糖生产的调浆罐等，为了使混合或沉降效果好，选择这类设备的高径(或高宽)比近于1是有利的，球形容器在各种容器中单位体积装料量是最多的，但加工较困难，因此多采用正方形和直径与高度相近的筒形容器。

2.3.3 计量作用的设备设计选型，这类设备在生物加工企业中应用也较为普遍，如味精厂、酒精厂计量贮罐等，为使计量结果尽量准确，通常这类设备的高径比或高宽比都选得比较大，这样在高度上的变化就较为灵敏，而把节省材料放在次要地位，这类设备一般是指规格和材质都不定型的辅助设备，在加工精度要求上不太高，在工厂选型设计中，常根据生产需要而配备[8]。

2.3.4 容器的材料选择应在能够符合工艺要求的前提下，还应满足诸如强度、刚度、耐腐蚀性、温度、密封性及操作维修方便的要求。

3生物加工设备发展展望

近年来，生物加工设备发展速度较快，特别是引进国外的新技术、新装备快速迅捷，而且新技术、新装备的国产化趋势日益增强。如啤酒厂的湿法粉碎新技术、低温膜过滤系统生产纯生啤酒技术的使用，麦汁煮沸外循环加热装置、麦糟干式输送设备、麦汁一段冷却及冰水制备装置等都实现了国产化，国内自主创新的新型烛式硅藻土过滤机在啤酒生产企业推广应用；酒精厂采用循环粉碎新工艺设备、真空冷却连续糖化设备、酒精大罐连续发酵技术装备、六塔节能差压蒸馏设备等；生物加工高新技术逐渐在生产中得以应用，如分子蒸馏技术、二氧化碳超临界萃取技术等，现国内已开发出30余种分子蒸馏新产品，建成数十条生产线，将分子蒸馏技术向工业化推进了一步，最近开发成功的分子蒸馏成套工业化装置，实现了高真空下长期稳定运行，并具有适应性广、可调性能好的特点[9，10]。

综合来看，生物反应器向着大型化、自动化发展。这主要体现在个体反应器容积的日益扩大，自动化水平的逐渐提高，如抗生素发酵罐容积达到400 m3，氨基酸反应器790 m3，单细胞蛋白反应器达2 000 m3，酒精大罐发酵罐容积达3 800 m3，反应器容积的增大有利于降低企业的生产成本，促进产业发展。

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