自控低壓發酵罐的機械結構設計

徐云鵬

（江蘇通協機械設備有限公司，江蘇如東 226400）

自控低壓發酵罐的機械結構設計

徐云鵬

（江蘇通協機械設備有限公司，江蘇如東 226400）

隨著我國發酵技術的不斷發展，高產菌種的獲得與豐富多樣培養基的采用，對發酵罐提出了更高要求，以下將對自控低壓發酵罐的機械結構設計進行研究。

自控低壓發酵罐；機械；結構設計

發酵罐是化工、輕工、化纖、制藥等生產中實現化學反應的主要設備，其結構主要由罐體、消泡器、空氣分布裝置、攪拌器、變速裝置、擋板、聯軸器和軸承、軸封、換熱裝置共同組成。近年來，隨著發酵罐技術的發展，出現了低壓發酵罐，低壓發酵罐主要由傳動軸封、攪拌軸電機、聯組件、軸器、空氣分布器、電加熱器以及溫度和 pH 值傳感器等機械結構組成。低壓發酵罐通常采用不銹鋼材質，視筒是耐高溫、耐高壓的高硼玻璃。發酵罐表現出如下特點：攪拌轉動速度是30～1 000r/min，滅菌溫度是120～130℃，溶氧量是0～200%，pH=2～12，控制發酵溫度10～48℃，發酵罐的有效容積是3L。發酵罐的自控儀可對發酵過程中的pH值、溶氧、轉速和溫度等參數進行控制與檢測。其優異的性能，使得發酵罐在企業、院校之中普遍運用，用于篩選微生物發酵出的培養基和對發酵的工藝參數與生產工藝進行優化。本文將對自控低壓發酵罐機械結構設計進行研究。

1 自控低壓發酵罐機械結構的設計方案

隨著我國發酵技術的不斷發展，高產菌種的獲得與豐富多樣培養基的采用，對發酵罐提出了更高要求。對于自控低壓發酵罐，其工作過程中必須考慮介質特性和工藝條件。該發酵罐選用了高鎳鉻鋼，因此具有較好的耐熱、耐高溫、耐腐蝕等特性，從而對強度要求、密封性能要求就沒那么高。自控低壓發酵罐機械結構設計方案，對罐體的直徑與高度，可以利用發酵罐的長徑比H/D=2思考。上、下封頭要求做到簡單易行，就采用平板封頭。罐體運用法蘭連接方式，法蘭是管道、設備連接的重要配件，能把兩個管道、管件或視鏡、先各自固定在一個法蘭盤上，兩個法蘭盤之間加上法蘭墊用螺栓緊固在一起。發酵罐常用的密封形式采用平墊密封，由于設計的是低壓發酵罐，平墊密封正適合壓力不太高的場合，結構簡單，加工方便，當結構尺寸大壓力高時，螺栓尺寸也大，結構笨重、裝拆不便，也就不怎么適合。為了安裝、觀察、測量方面，則把pH 電極與溫度傳感器設計在發酵罐器壁的兩側面上。在攪拌器的選擇上，應根據發酵罐內對傳熱要求和分散作用，就需要選擇轉速高、剪切作用強、循環流量大的平直葉圓盤渦輪式攪拌器。為了杜絕泄漏和染菌發生，需要把罐頂和罐底間的間隙加以密封，密封的方式采取機械密封，主要是低壓發酵罐由于設計壓力、設計溫度都不高，機械密封具有功耗小、泄漏率低、密封性可靠、使用壽命長的特點，很好地符合了密封的要求。

2 自控低壓發酵罐各部件的機械結構設計

2.1 發酵罐攪拌軸設計

發酵罐攪拌軸是發酵罐的重要組成部分，是用來支持旋轉的零件，如皮帶輪、攪拌漿、消泡槳等，軸本身旋轉并傳遞功率，工作時主要承受扭矩。軸設計關鍵在于保證強度與剛度，尤其是要計算扭轉變形和彎曲撓度，同時還要使之具有合理的結構。材料的選擇上根據腐蝕的影響因素，我們選擇的不銹鋼材質。而發酵罐攪拌軸的強度計算通常有3種：一是按扭轉強度或剛度計算；二是按彎扭合成強度計算；三是精確強度校核計算。本文將選擇扭轉強度或剛度計算。

在設計中出現了軸上開槽或孔，這樣就會導致軸截面的硬度下降，這樣軸徑需增加4%～8%，我們就取8%的最大值，同時由于機械功率消耗，機械摩 腐蝕裕度等因素的影響，軸徑可增加2～4mm，取2.28mm則d=9+0.72+2.28=12mm。再經強度校核合格，且防腐性能好，所以應用12mm的不銹鋼軸。

2.2 發酵罐攪拌器的設計

在發酵罐內設置攪拌器有利于液體本身的混和，氣液和液固間的混和以及質量和熱量的傳遞，尤其是對氧的溶解具有重要的意義。同時還增加氣液間的湍動，加強了氣液接觸的面積及延長氣液接觸的時間。自控低壓發酵罐的攪拌器我們選取的是轉速高、剪切作用強、循環流量大的平直葉圓盤渦輪式攪拌器。平直葉圓盤渦輪式攪拌器能有效的完成幾乎所有的攪拌操作，并能處理黏度范圍很廣的流體。其結構的比例應為：d∶l∶b=20∶5∶4，其中d表示攪拌槳直徑，l表示攪拌葉的長度，b表示攪拌葉的寬度。需要注意槳葉壁，槳葉壁厚小于 1mm，容易焊穿而且強度不夠，假設設計過厚，又不好焊接。根據以往所得，槳葉厚度取 15mm。液層深度 180mm。同時還要注意攪拌器間距，攪拌器間距會影響通風效果，假設相隔太近，會使所產生的液流相互干擾而抵消，結果降低通風效果，通常兩者間的距離應該最少是攪拌器直徑的1.5倍以上，但是最大不要超過3倍為宜。

2.3 發酵罐封頭的設計

封頭主要有標準橢圓形封頭、碟形封頭及半球形封頭。發酵罐選擇的是平板形封頭，平板封頭制造簡單易行，在低壓小直徑的容器中使用較多，同時這也是化工設備普遍使用的一種封頭。平板形封頭在承受均布載荷壓力時板里產生的是彎曲應力，其最大值比殼體大得多，原因是發酵罐壁內產生雙向彎曲應力，有徑向彎曲應力，也有切向彎曲應力，其最大應力會發生在板的中心，也會發生在板的邊緣，這需要根據壓力作用的面積大小以及邊緣支承的狀況而定。所以平板封頭要比同樣設計壓力下的凸形封頭厚得多，加筋結構的平板封頭能夠平板厚度有效變薄。本文在封頭的設計中，封頭是周邊簡支受均布載荷的圓平板封頭。其最大應力發生在平板的中心，而且徑向彎曲應力與切向彎曲應力是一樣大小的。如以下公式：

Mechanical Structure Design of Controlled Low Pressure Fermentation

Xu Yun-peng

With the development of fermentation technology in our country，the acquisition of high-yield strains and the adoption of rich and varied mediums put forward higher requirements for fermenting tanks.The following will study the mechanical structure design of controlled low-pressure fermentation tanks.

controlled low pressure fermenter；mechanical；structural design

TQ920.5

B

1003–6490（2016）10–0060–02

2016–09–15

徐云鵬（1987—），男，江蘇如東人，助理工程師，主要研究方向為配液系統及發酵系統的機械與工藝設計。