大型发酵罐设计中值得注意的问题

樊晓宇

（西安利君制药有限责任公司，陕西西安 710077）

1 前言

随着生化技术和生化产品的不断提高，抗生素产量也不断提高，尤其和人类身体健康关系密切的抗生素需求量更大。青霉素及其半合成产品、红霉素及其半合成产品等抗生素生产发展很快，随着这些产品的增长，其生产工艺不断改进，生产设备不断完善。现在抗生素发酵生产都实现了发酵全过程微机控制，自动补料、搅拌系统采用变频调速，使发酵生产更易控制，降低了染菌率，提高了发酵水平，为发酵罐单罐容积大型化提供了条件。就以红霉素生产为例，2000年前国内大多数生产厂都采用60～120 m3发酵罐，现在的新上项目大都采用200～300 m3不锈钢发酵罐。因此，发酵罐容积大型化对发酵罐结构设计提出了更高的要求，现就大型发酵罐设计中值得注意的问题介绍如下。

2 皮带减速装置

80年代我国中小型发酵罐大都采用皮带减速机，甚至一些较大容积的发酵罐也选用皮带减速机。由于皮带减速机结构简单，造价低廉，操作维修比较简单方便，运行一段时间后，易损件一般只是皮带，更换十分方便。因此，现在不少生产厂家在大型发酵罐上仍选用皮带减速机。

V型皮带的效率高，通常达95%。由于V型皮带与驱动装置在降低速度时并不打滑，所以，其效率在低速时也很高。虽然皮带传递功率会使皮带发热，但不需要辅助冷却措施。皮带传递的功率与速度有关，单根宽V型皮带可传递高达37 kW的功率。皮带减速装置运行可靠，实用经济，是适合于大型发酵罐选用的减速装置之一。

设计时，依据发酵罐搅拌轴功率、转速要求确定电机功率、级数，并根据发酵罐上封头尺寸选择电机及皮带减速机安装形式，确定机架型式及结构。设计电机皮带轮、减速机皮带轮、减速机主轴、轴承组合，选择V型皮带的类型、根数，确定减速机皮带轮和电机皮带轮中心距、电机皮带轮包角，设计减速机机架及轴承盒等。在选择皮带时，应注意选用能导静电的皮带。例如：某工厂203 m3不锈钢发酵罐采用355 kW，10级电机（600 r/min），要把电机功率从电机皮带轮通过V型皮带传到减速机皮带轮，需要12根宽度为E型的V带依次排列才能满足功率要求。

3 齿轮减速装置

随着机械工业的发展，数控机床的出现，国内齿轮减速机产品的质量不断提高，解决了齿轮减速机输出轴密封漏油问题。国产中小功率齿轮减速机价格较便宜，已经普遍使用在中小发酵罐上。外资企业在国内生产的大功率齿轮减速机可使用在大型发酵罐上。

齿轮传动装置是各种机械传动装置中最结实耐用的，它能以高效率传递高功率，并且使用寿命长，但造价比皮带减速装置高。其中，螺旋圆锥齿轮和螺旋齿轮的效率高，它们常联合应用于二级、三级减速的搅拌驱动装置中，这样可以得到高效率，较高的减速比以及两轴成直角的布局，可以使卧式电机水平安装，通过减速机对顶部插入式搅拌器传递转矩。齿轮减速装置通过机架座落在罐体上封头中心圆上，可以降低安装高度，减速装置及搅拌运行更加平稳。

大多数齿轮传动装置制造商都遵守美国齿轮制造商协会（AGMA）的参数标准，并根据利用系数等于1时的许用传递功率来说明他们生产的齿轮传动装置的额定机械性能。利用系数考虑了原动机载荷特性、驱动载荷特性、使用寿命及可靠性。许用运行功率等于利用系数为1时的机械功率额定值除以具体应用条件下的利用系数。齿轮、轴和轴承功率额定值中最低功率额定值就是齿轮装置的机械功率额定值。运行功率（电动机的许用功率）是机械功率额定值除以适当具体应用条件下的利用系数。热态额定功率定义在3 h或更长时间中不超过规定的温度极限而能够连续传递的功率。温度极限有两个：油池的操作温升（高于环境温度）为100°F；油池的最高温度为200°F。热态额定功率值是经过公式计算并经实验数据证实后的数值。某些因素，如：暴露程度、到高温设备的距离以及过厚的尘埃覆盖都会对热态额定功率有显著影响。如齿轮传动装置散热能力不足以在要求的运转功率下产生的热量，必须提供如风扇或换热器等散热措施，以满足减速机油池的温度极限要求。热态额定功率必须大于或等于运行功率。

例如：某厂泰乐菌素项目206 m3不锈钢发酵罐，采用西门子卧式电机，1LA8 317-4PB40-Z，额定功率315 kW，1488 r/min，380V，ip55，额定电流为537A，减速装置采用Flender公司的产品：B3SV11-14卧式减速箱，速比1488/106=14，额定功率549 kW，热态额定功率500 kW（内置冷却盘管）；545 kW（外冷却盘管，风扇），使用SKF轴承，寿命大于100 000 h，减速机输出轴功率280 kW，输出轴径170× 300；输入轴径70×135，减速机噪音78 dB，齿轮和轴使用寿命20年以上，密封件使用寿命3年。

虽然制造商提供齿轮减速装置参数，经销商选型核算，但选型是否可行，核算是否可靠，发酵罐的设计者要认真复核。

4 发酵罐结构

4.1 几何尺寸及受力分析

随着抗生素需求量增加，单台发酵罐容积增大已成为抗生素工业发展的趋势。一般来说，发酵罐的几何形状和几何尺寸由发酵工艺条件确定，其壁厚由受力状况经强度和刚度计算确定。对于微生物为细菌的发酵罐，罐体高度H与罐体直径D的商宜为2～2.5；对于微生物为放线菌的发酵罐，罐体高度H与罐体直径D的商宜为1.8～2.2。

在发酵生产中，一个罐批放罐后，要用自来水把空罐冲洗干净，对空罐直接用水蒸气加热灭菌。把0.6 MPa(表压)饱和蒸汽从罐底空气管进口通入罐内加热灭菌，保持罐压0.14～0.16 MPa，维持50～60 min进行空罐消毒。有些产品空消后还要进行实消，把在配料罐预热到90℃的培养基打到发酵罐内，开动搅拌，用0.6 MPa的饱和水蒸气对培养基进行实罐灭菌。保持罐压0.11～0.13 MPa，温度120～122℃，维持30 min。发酵罐在空罐消毒或实罐消毒时受力最苛刻。罐内装有80%容积的培养基，承受0.2 MPa水蒸汽压力，温度122℃，罐体外壁半圆管内有0.6 MPa水蒸汽，罐体上封头和减速装置机架交接圆处承受减速装置、搅拌系统约12 000 kg重力和转动扭矩（206 m3发酵罐）。

根据罐壳内实际承受的最大饱和水蒸气压力和最高液柱压力之和确定最高工作压力；工作温度范围确定工作温度；以此确定设计压力、设计温度、罐体几何尺寸；根据内压圆筒椭圆封头强度计算公式初定圆筒和上下封头的壁厚。因发酵罐几何尺寸较大，还需从刚度、加工成型等方面考虑其壁厚的增加量。罐体上封头和机架交接圆处作用着重力和转动扭矩，致使在上封头的交接圆处产生局部应力。美国焊接研究委员会107公报发表了求解此应力的方法。我们可按《钢制化工容器强度计算规定》（HG20582-1998）第27节转载107公报“外载荷通过接管或实心附件对球壳引起的局部应力计算”方法进行计算。此方法给出的各种曲线可以计算各种载荷时内外表面的压力。不仅需要对不同的直线插值，而要对不同的曲线插值，读数时必须仔细，相邻图线上的数值并不总是按照一致的方向增加或减少。此方法仅确定外载荷在壳体或封头中引起的应力，此应力须与内压引起的应力叠加，叠加后的应力是确定上封头厚度的最大应力。此方法不计算接管应力，接管应力需用另外方法求取。对厚壁接管，其变形与实心附件情况类似，按实心附件处理。

以上方法求出的上封头中的局部应力和上封头承受内压引起应力的叠加应力是确定上封头壁厚的依据。所选封头厚度应满足叠加应力的要求。

4.2 流量和流体剪切作用

发酵可简单定义为利用微生物把一种物质转化为另一种物质。最常用的微生物为细菌、酵母菌、霉菌等。微生物的食物以及要求产品以料浆形式存在，其粘度范围为2000～3000 cp（2～3 pa·s），称为胶液或发酵液。发酵罐内微生物在有氧条件下以可分解的物料为食物而产生出所需要的产品，从混合的观点看，发酵罐涉及气体分散、固体悬浮、传热和混合均匀等作用。每一种发酵作用都有其独特之处，因此，要对搅拌器的最佳结构进行仔细研究。最重要的问题通常是从空气到发酵料浆中氧的传递以及料浆到微生物中氧的传递。微生物仅能以一定的呼吸速率来利用氧气，这和人类的呼吸相类似，发酵罐必须能提供良好的有氧环境以满足微生物呼吸速率的需要。

每种微生物所能承受的最大剪切应力不同。酵母菌和细菌都是单细胞植物，并且非常小，酵母菌成不规则的卵形，直径大约在0.004～0.01 mm。细菌还要更小一些，大多数细菌的最大尺寸都小于0.007 mm，并且形状多种多样。许多芽胞杆菌是杆状的，酵母菌是通过发芽来增殖，细菌通过复分裂来增殖，霉菌为多细胞的丝状体，是通过菌丝的植物性生长而增殖的。霉菌的这种菌丝生长结构必然使霉菌对剪切作用很敏感，应仔细研究搅拌器产生的最大剪切力，以避免阻碍这些微生物生长。

发酵过程中对搅拌器要求的一个极为重要指标是泵送流量与流体剪切作用的比值。这一比值可用下式表示：

X通常为1.0～2.5之间的正指数。发酵时为了能使系统中各组分在罐中混合均匀，并通过蛇管、挡板或外半管的适当传热得到均匀混合，都要求有较高的泵送流量。而小的D/T有较高的剪切速率，可以得到良好的气液分散和较高的传递速率。对任何一种确定的发酵工艺来说，一般都要在流量和剪切作用间寻求折中。霉菌发酵工艺的最佳D/T应在0.33～0.5之间，而对剪切破坏并不特别敏感的细菌和酵母菌发酵工艺，最佳D/T应在0.25～0.33之间（D为搅拌叶直径mm；T为罐体直径mm）。

值得特别注意的事实是氧气传递速率在叶轮区附近较高，而罐内其余部分则较低，这样就造成微生物可能在发酵罐的不同部位有不同的氧气吸收速率。具体地说，在发酵罐中可能存在剪切速率和流量都非常低的区域，这一区域中的固态微生物团粒离开吸气区的时间达数秒钟，甚至长达数分钟。

气穴理论所揭示的气—液分散机理对开发新型搅拌器有指导意义。传统的直叶圆盘涡轮搅拌，叶面背面附着的气穴使搅拌器泵送能力降低。在高气速下，有时整个搅拌器被气穴包围，搅拌器似乎空转，效率很低。半圆叶圆盘涡轮其半管后面为半圆面，使漩涡减少，抑制气穴的形成，可以获得良好的气—液分散性能。半园叶圆盘涡轮载气能力较高，泛点转速低，通气时搅拌功率下降程度比其它叶轮小，搅拌器泵送能力提高。

四宽叶螺旋叶轮（Lightin315）是用于气—固—液系的新叶轮，它在叶轮区水平投影上叶片的投影所占比例（称为面积率）很大，面积率达87%。大面积率叶轮象圆盘涡轮那样也有阻挡气体的作用，而它们的功率数比直叶圆盘涡轮小得多，对气体的分散能力不如直叶圆盘涡轮，流体剪切作用比直叶圆盘涡轮差，能产生较强的轴向循环流。现在大型发酵罐上三层用四宽叶螺旋叶轮，下层用半圆叶圆盘涡轮或用双曲线圆盘涡轮。这种搅拌器组合各层搅拌叶的功率分配为：下层35～40%，上三层各为20%左右。搅拌叶层间间距为1.5倍的搅拌叶直径，最下层搅拌离罐底高度为D/3～D/4。这种组合下层涡轮的高剪切作用使进入罐体下部液体中的大气泡破碎成小气泡，上层叶轮产生的轴向循环流又可使气泡有效地分散到整个液体容积，改变了用三层直叶圆盘涡轮时氧气传递速率在叶轮区较高，而其余部分较低的状况。这种组合在抗生素发酵生产中取得了较好的效果。

4.3 气体分布器

气体分布器是将大股的圆柱空气流分成许多细股的空气流，在下层搅拌器正下方喷出，被下层圆弧涡轮浆搅拌粉碎成更小气泡和培养基充分混合而设计的。是否采用气体分布器应依据发酵过程中耗氧量大小而定，当发酵过程耗氧较低，甚至紧靠气泡翻动就能维持一定溶氧时，可通过空气分布器来减小进入培养液中气泡的直径，这样在一定程度上提高了溶氧量，达到节能和满足供氧需求的目的。而发酵过程中耗氧较大时，气液接触表面的增加更需要通过强制剪切破碎来实现。空气气泡的粉碎主要依靠搅拌器的剪切破碎作用，因此，多孔分布器对氧的传递效果并没有明显提高。相反还造成不必要的阻力损失，而且物料易堵塞小孔，引起灭菌不完全而增加染菌机会。故部分厂家不采用气体分布器，而采用管口朝下的单孔管，以免固体物料在管口堆积。而部分厂家采用环形多孔分布器，其环形圆管中心线圆直径ds=（0.67～0.8）d，环管直径和进罐空气管直径相同。分布器置于罐底底层搅拌器正下方，其环管中心线距罐底距离为D/8。环管上半圆中心线上均布许多小孔，开孔总面积为进气管圆截面积的1.0～1.2倍。开孔直径随单台罐体积的增大相应增大，一般由Φ10 mm增大到Φ60 mm为宜。

例如：某单位制作的203 m3（DN 4500 mm× 11200 mm）不锈钢发酵罐，进罐空气压力为0.18～0.2 MPa（表压），底层搅拌为x = y2/76双曲线型8叶圆盘涡轮，搅拌直径Φ1500 mm，进气管为Φ325 mm ×10 mm，分布器环形管用Φ325 mm×10 mm的管子做成Φ914 mm的环管。其上半圆中心线均布36个Φ50 mm的小孔，下半圆中心线均布8个Φ20 mm的小孔。环形分布器管中心线距罐底距离为500 mm。

近年来，发现无论采用单孔管或环形多孔分布器，在底层搅拌叶轮叶片背面很容易产生气穴。这些空气包围着搅拌叶，使搅拌叶的泵送能力下降，不利于气液分散混合。这主要是分布器环形圆管中心线圆直径较小所致。经过在几个发酵罐上使用了大直径多孔环形分布器（ds=1～1.2 d），搅拌功率数值不再随气速的提高而显著下降，从分布器喷出的大气泡流被叶轮边缘的液体流粉碎而分散，搅拌叶周围无气穴形成，提高了底层搅拌的泵送能力。

随着抗生素产品产量提高，发酵罐单罐容积趋向大型化，对发酵罐的设计者提出了许多新问题。我们应该使大型发酵罐的结构、搅拌形式更适应发酵生产中微生物代谢过程，提高发酵液中氧气传递速率，提高发酵生产水平，这是大型发酵罐设计者的永恒主题。

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