30KL旋转固态发酵反应罐的设计及制造

aguqezaricai

【摘要】介绍了发酵工艺中固态发酵的特点，并结合这些特点开发出旋转固态发酵反应罐，用来提高发酵的效率和发酵产品的质量，并主要介绍了30KL旋转发酵罐的主要零部件的设计过程，以及转筒在安装，调试，运转时的注意事项，提出了设备制造中保证筒体加工的同轴度和圆度是主要的研究难题。
【关键词】固态发酵，旋转固态发酵，发酵罐，托轮，挡轮
一、前言
发酵工艺过程按照培养基物理性状不同，将发酵方式分为两大类：固态发酵和液态发酵。固态发酵是指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物的一个生物反应过程。 从生物反应过程的本质考虑，固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程固态发酵可利用多种工农业残渣作为底物大量生产化学物质，在有机酸、酒精、单细胞蛋白、蘑菇、酶制剂、生物活性物质及风味物质等，尽管上述研究有的还处在实验室研究阶段，但固态发酵被认为是可再生性资源综合利用最有希望的途径，是解决当前人类所面临的“三大”危机的一个有效手段。
二、固态发酵的特点
固态发酵是以气体作为生物反应过程中的O2、CO2、热量、营养和产物的传递介质，表现为O2、CO2扩散比较容易，热量传递困难，存在明显的营养梯度。由于是非均相反应，影响固态发酵过程的主要参数湿度与水活度，温度与热量传递，通气与传质过程，pH值等参数的测定和控制比较困难，大多发酵过程依赖经验。以基质的运动情况则可以分为两类：
（1）静态固态发酵反应罐，包括浅盘式和塔柱式反应罐；静态固态发酵反应器中的发酵基质在发酵过程中基本处于静止状态。其优点是结构简单，操作方便，放大问题小；其明显的缺点是，由于发酵基质的相对静止，热量、氧气和其它营养物质的传递困难，从而导致基质内部温度、湿度、酸碱度和菌体生长状态的严重不均匀，严重影响发酵的效果，使产品质量不易控制。
（2）动态固态发酵反应罐，包括机械搅拌的筒柱式、旋转式反应罐等。动态固态发酵反应器中的基质处于间断或连续的运动状态，从而强化了传热和传质，设备结构紧凑，自动化程度相对较高，湿度与水活度，温度与热量传递，通气与传质过程，pH值等参数的测定和控制比较容易。基于动态固态发酵反应器这些特点，我们开发和研制了30KL旋转固态发酵反应罐，使固态发酵的优势发挥到一定水平。
三、30KL旋转固态发酵反应罐设计与制造
旋转罐发酵工艺，是沿用了传统的固态发酵工艺，对发酵设备进行了改进并实现程序化和密闭、隔氧、自动控制发酵温度、螺旋机械除渣、液体过滤等多功能的耦合设备，从而大大的提高了发酵的质量和效率。旋转固态发酵反应罐主要由旋转主体、滚圈、托轮、挡轮、电机、减速机、螺旋出料系统等部件组成（图A）。
旋转固态发酵罐主要设计参数计算：
（一）罐体基本尺寸
1、设备容积：30KL，外形尺寸：∮2500×6000 长径比2.4。
2、由于罐体是一个回转体，为了保证制造的可靠性，罐体的直径不宜过大，因此长径比较大。
3、壁厚设计计算：设计参数为，材质为1Cr18Ni9Ti ，20℃时的许用应力δ=137MPa 设计压力表压0.1MPa ，焊接接头系数：0.85 钢板的负偏差 0.2mm，罐体壁厚
（三）托轮和挡轮的设计支座的托轮（图C），承受着全部回转部分的重量，托轮轴承的安装，要保证托轮既能直线垂直于转筒的轴线的方向移动，又能绕垂直的回转轴移动。托轮的宽度为360mm，托轮的直径为500mm。滚圈和托轮接触处挤压强度的条件满足条件为：
其中 ， 带入数据，得27MN/m2 满足挤压接触强度的条件，沿倾斜安装的转筒轴作用力q=G· sin？琢，故应该设有一种装置来阻挡筒的轴向窜动，由于该设计较为轻型，斜度较小约为2°～3°，采用具有凸缘的托轮装置来阻挡转筒的轴向剧烈的窜动，允许有一定量的移动。托轮安装时，有凸缘的一侧面成对的装在转筒的两端，如果较为重大的转筒，则应该在筒的靠近滚圈的一端装有挡轮装置。该挡轮成对安装在滚圈的两侧，安装时使其与侧面上滚圈侧面相接触。目前挡轮采用锥面形式（图D）。
四、转筒的安装、调整和运转
转筒安装得不好，就会使其所受应力增加，回转时所消耗的功率增加，并使传动的齿轮、滚圈及托轮的磨损增加。转筒安装正确的第一个先决条件，就是要使全部托轮座都应该在水平线成一规定角度的直线上。检查托轮底座板安装得是否正确，需要进行测评工作。转筒的安装工作完成得好，则当它安装在托轮上以后，应该仍保持其外表的圆筒形以及轴心的直线性，且在回转时也不失去这些性能。全部托轮都应当承担部分载荷。检查转筒的外形及其安装是否正确，可以在筒内加入物料进行试车。如停车后转筒还继续转动，则说明转筒的安装正确而且筒体是十分直的；相反的，如果停车后转筒很快便停下了，则说明筒体弯曲或托轮座调节不正确。
在运转时筒体也有可能失去原来的形状，由于筒体的局部过热、检修的错误或由于托轮的磨损、地基下沉等各种原因而破坏了托轮装置的正确性所致。所以，应该经常检查、注意转筒工作得是否良好，便于及时调整及消除不良现象，不允许托轮过度的磨损。
筒体由于片面受热或检修时筒体安装不正确而引起变形，可以用沿着筒体轴线拉紧的金属线而测量该线到筒壁的距离的方法检查出来。筒体过度加热及在热的状态下突然停车，这是筒体弯曲和下垂的最危险原因，所以筒的加热必须在它已经回转之后。在停车之前，则首先应熄灭火或喷燃管，直到筒体逐渐冷却，才可以停车。调整托轮，不仅要达到使压力平均分配在全部托轮上，而且为了使机器更好的操作。托轮调节的正确与否，决定着转筒轴向力的大小，该力能引起筒的窜动。对于转筒，力求所有的托轮轴均装得上转筒轴才行。托轮的单方向的倾斜，可能引起很大的轴向力，使两边的凸缘破坏。托轮的歪斜，如果是不同方向的，会使滚圈及托轮的磨损增大，从而增加了功率的消耗。
五、结论
利用该设备不仅能缩短发酵时间也能生产出质量很高的产品，同时在发酵过程中可以通过控制发酵温度，和发酵浸提的时间及每天开机运转次数可获得不同等级的产品，但根据该设备制造加工特性和技术要求来看，为了保证整个回转罐体加工的同轴度和圆度，罐体的直径将受到加工条件的限制，因此，一般改设备容量不能太大，为进一步提高罐体加工的可靠性，需今后在加工制造过程中重点去研究解决的问题。
参考文献：
[1]蕫大勤 编. 化工设备机械基础[M].化学工业出版社.2002
[2]吴思方 编 发酵工厂工艺设计概论[M].中国轻工业出版社. 2003
[3]吴宗泽 编 机械零件设计手册[M]. 机械工业出版社. 2003
[4]金国淼 等编 干燥设备[M].化学工业出版社.2002