自控低压发酵罐的机械结构设计

徐云鹏

（江苏通协机械设备有限公司，江苏如东 226400）

自控低压发酵罐的机械结构设计

徐云鹏

（江苏通协机械设备有限公司，江苏如东 226400）

随着我国发酵技术的不断发展，高产菌种的获得与丰富多样培养基的采用，对发酵罐提出了更高要求，以下将对自控低压发酵罐的机械结构设计进行研究。

自控低压发酵罐；机械；结构设计

发酵罐是化工、轻工、化纤、制药等生产中实现化学反应的主要设备，其结构主要由罐体、消泡器、空气分布装置、搅拌器、变速装置、挡板、联轴器和轴承、轴封、换热装置共同组成。近年来，随着发酵罐技术的发展，出现了低压发酵罐，低压发酵罐主要由传动轴封、搅拌轴电机、联组件、轴器、空气分布器、电加热器以及温度和 pH 值传感器等机械结构组成。低压发酵罐通常采用不锈钢材质，视筒是耐高温、耐高压的高硼玻璃。发酵罐表现出如下特点：搅拌转动速度是30～1 000r/min，灭菌温度是120～130℃，溶氧量是0～200%，pH=2～12，控制发酵温度10～48℃，发酵罐的有效容积是3L。发酵罐的自控仪可对发酵过程中的pH值、溶氧、转速和温度等参数进行控制与检测。其优异的性能，使得发酵罐在企业、院校之中普遍运用，用于筛选微生物发酵出的培养基和对发酵的工艺参数与生产工艺进行优化。本文将对自控低压发酵罐机械结构设计进行研究。

1 自控低压发酵罐机械结构的设计方案

随着我国发酵技术的不断发展，高产菌种的获得与丰富多样培养基的采用，对发酵罐提出了更高要求。对于自控低压发酵罐，其工作过程中必须考虑介质特性和工艺条件。该发酵罐选用了高镍铬钢，因此具有较好的耐热、耐高温、耐腐蚀等特性，从而对强度要求、密封性能要求就没那么高。自控低压发酵罐机械结构设计方案，对罐体的直径与高度，可以利用发酵罐的长径比H/D=2思考。上、下封头要求做到简单易行，就采用平板封头。罐体运用法兰连接方式，法兰是管道、设备连接的重要配件，能把两个管道、管件或视镜、先各自固定在一个法兰盘上，两个法兰盘之间加上法兰垫用螺栓紧固在一起。发酵罐常用的密封形式采用平垫密封，由于设计的是低压发酵罐，平垫密封正适合压力不太高的场合，结构简单，加工方便，当结构尺寸大压力高时，螺栓尺寸也大，结构笨重、装拆不便，也就不怎么适合。为了安装、观察、测量方面，则把pH 电极与温度传感器设计在发酵罐器壁的两侧面上。在搅拌器的选择上，应根据发酵罐内对传热要求和分散作用，就需要选择转速高、剪切作用强、循环流量大的平直叶圆盘涡轮式搅拌器。为了杜绝泄漏和染菌发生，需要把罐顶和罐底间的间隙加以密封，密封的方式采取机械密封，主要是低压发酵罐由于设计压力、设计温度都不高，机械密封具有功耗小、泄漏率低、密封性可靠、使用寿命长的特点，很好地符合了密封的要求。

2 自控低压发酵罐各部件的机械结构设计

2.1 发酵罐搅拌轴设计

发酵罐搅拌轴是发酵罐的重要组成部分，是用来支持旋转的零件，如皮带轮、搅拌浆、消泡桨等，轴本身旋转并传递功率，工作时主要承受扭矩。轴设计关键在于保证强度与刚度，尤其是要计算扭转变形和弯曲挠度，同时还要使之具有合理的结构。材料的选择上根据腐蚀的影响因素，我们选择的不锈钢材质。而发酵罐搅拌轴的强度计算通常有3种：一是按扭转强度或刚度计算；二是按弯扭合成强度计算；三是精确强度校核计算。本文将选择扭转强度或刚度计算。

在设计中出现了轴上开槽或孔，这样就会导致轴截面的硬度下降，这样轴径需增加4%～8%，我们就取8%的最大值，同时由于机械功率消耗，机械摩 腐蚀裕度等因素的影响，轴径可增加2～4mm，取2.28mm则d=9+0.72+2.28=12mm。再经强度校核合格，且防腐性能好，所以应用12mm的不锈钢轴。

2.2 发酵罐搅拌器的设计

在发酵罐内设置搅拌器有利于液体本身的混和，气液和液固间的混和以及质量和热量的传递，尤其是对氧的溶解具有重要的意义。同时还增加气液间的湍动，加强了气液接触的面积及延长气液接触的时间。自控低压发酵罐的搅拌器我们选取的是转速高、剪切作用强、循环流量大的平直叶圆盘涡轮式搅拌器。平直叶圆盘涡轮式搅拌器能有效的完成几乎所有的搅拌操作，并能处理黏度范围很广的流体。其结构的比例应为：d∶l∶b=20∶5∶4，其中d表示搅拌桨直径，l表示搅拌叶的长度，b表示搅拌叶的宽度。需要注意桨叶壁，桨叶壁厚小于 1mm，容易焊穿而且强度不够，假设设计过厚，又不好焊接。根据以往所得，桨叶厚度取 15mm。液层深度 180mm。同时还要注意搅拌器间距，搅拌器间距会影响通风效果，假设相隔太近，会使所产生的液流相互干扰而抵消，结果降低通风效果，通常两者间的距离应该最少是搅拌器直径的1.5倍以上，但是最大不要超过3倍为宜。

2.3 发酵罐封头的设计

封头主要有标准椭圆形封头、碟形封头及半球形封头。发酵罐选择的是平板形封头，平板封头制造简单易行，在低压小直径的容器中使用较多，同时这也是化工设备普遍使用的一种封头。平板形封头在承受均布载荷压力时板里产生的是弯曲应力，其最大值比壳体大得多，原因是发酵罐壁内产生双向弯曲应力，有径向弯曲应力，也有切向弯曲应力，其最大应力会发生在板的中心，也会发生在板的边缘，这需要根据压力作用的面积大小以及边缘支承的状况而定。所以平板封头要比同样设计压力下的凸形封头厚得多，加筋结构的平板封头能够平板厚度有效变薄。本文在封头的设计中，封头是周边简支受均布载荷的圆平板封头。其最大应力发生在平板的中心，而且径向弯曲应力与切向弯曲应力是一样大小的。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

徐云鹏（1987—），男，江苏如东人，助理工程师，主要研究方向为配液系统及发酵系统的机械与工艺设计。