CN105695305A - 大型发酵罐搅拌装置及搅拌方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型发酵罐搅拌装置及搅拌方法，包括：罐体、罐体内的搅拌装置及控制系统，其特点是：搅拌装置包括中心轴和叶片轴，中心轴竖向设置在罐体内的中间，中心轴上设置回转盘，中心轴由中心轴动驱动电机驱动并带动所述回转盘转动，回转盘上至少设置两根叶片轴，叶片轴上设置搅拌叶片，叶片轴由叶片轴驱动电机驱动，使所述叶片轴在随所述回转盘公转的同时也在自转。控制系统通控制中心轴动驱动电机和叶片轴驱动电机的联动、转速及叶片轴转动方向，实现叶片轴的自转与公转，由叶片轴上的叶片对罐体内的物料进行搅拌。既能使发酵液能够得到充分搅拌，提高发酵质量，又能降低搅拌能耗、降低罐体底部过滤空气输入电力消耗。

Description

大型发酵罐搅拌装置及搅拌方法

技术领域

本发明涉及一种搅拌装置及搅拌方法，主要用于制药、食品以及柠檬酸生产，属于化工设备技术领域，具体说是一种大型发酵罐搅拌装置及搅拌方法。

背景技术

大型发酵罐设备是制药、食品以及柠檬酸等生产企业发酵生产工艺所配备的专用装备，大型发酵罐是一种立式安装的圆筒形容器，直径可达到6米以上，高度至8米左右。发酵罐的罐体顶端设计有进料口、罐体侧壁设计有冷却管，罐体内部设置有搅拌器，罐体底部设置有过滤空气进气口。在发酵过程中，通过大型泵机将已经过滤的新鲜空气源源不断地输入发酵罐中，搅拌器持续不断地搅拌发酵液，使发酵液中的各类物质充分混合，罐体各处的发酵液温度与浓度统一；将发酵罐的罐底部泵机输入的新鲜空气分散成小气泡，增加气、液接触面积；强化发酵液的湍流程度，降低气泡周围的液膜厚度和湍流中的流体的阻力，从而提高氧的转移速率；减少菌丝结团，降低细胞壁周围的液膜阻力，有利于菌体对氧的吸收，同时，可尽快排除细胞代谢产生的“废气”和“废物”，有利于细胞的代谢活动。因此，搅拌装置对发酵生产起着举足轻重的作用。

目前，大型发酵罐的搅拌装置是通过安装在罐体顶部的电机带动一根自罐底至顶部的搅拌轴，在搅拌轴的不同高度上布置有若干组叶片，属于单轴搅拌方式。由于大型发酵罐罐体直径大，叶片回转直径越大，则搅拌范围越大，对于发酵工艺有利，但是，由于搅拌阻力与叶片线速度平方成正比，随着叶片回转半径增大，搅拌阻力必然急剧加大，能耗也急剧加大，而且搅拌均匀性也受影响。因此，叶片回转半径只能局限在一定范围内选取，实际上，也就使罐体直径只能局限在一定范围内选取，所以，目前看到的传统罐体形状大致呈现“瘦高”型。因此，在一定罐体容积的条件下，尽管相对减小罐体直径，增大罐体高度可以降低搅拌阻力，但是，由于罐体底部压强与罐体高度呈正比例关系，罐体高度增加则罐体底部压强增大，最终使要求的罐体底部过滤空气输入泵机功率成正比例增加。对于传统的大型发酵罐装备，罐体底部过滤空气输入电机功率占发酵过程电力消耗的60%以上，是发酵过程电力消耗的最大因素，而搅拌动力约占总电力消耗30%左右。通常，一个直径6米、高8米的大型发酵罐设备，过滤空气泵机与顶部搅拌器电机功率之和达数百千瓦。

随着生化技术的持续发展以及对生化产品需求量不断增加，对发酵罐的大型化、节能与高效提出了越来越高的要求，目前，国际上最大标准式发酵罐容积已达380立方米。但是，迄今为止，对大型搅拌罐节能降耗研究之侧重点，均基于以单轴搅拌为前提条件所开展的对于高效率电机、高效节能搅拌叶片的研究与开发，但是，都未取得理想的效果。

因此，这是长期以来困扰本领域的技术难题，发酵罐的大型化与节能这对矛盾至今也未得到很好地解决。

如何设计一种大型发酵罐搅拌装置及搅拌方法，既能使发酵液能够得到充分搅拌，提高发酵质量，又能降低搅拌能耗、降低罐体底部过滤空气输入电力消耗，这是目前本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明为现有技术存在的上述问题，提供一种大型发酵罐搅拌装置及搅拌方法，既能使发酵液能够得到充分搅拌，提高发酵质量，又能降低搅拌能耗、降低罐体底部过滤空气输入电力消耗。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种大型发酵罐搅拌装置，包括：罐体、罐体内的搅拌装置及控制系统，其特征在于，所述搅拌装置中包括中心轴和叶片轴，所述中心轴竖向设置在罐体内的中间，所述中心轴上设置回转盘，所述中心轴由中心轴动驱动电机驱动并带动所述回转盘转动，所述回转盘上至少设置两根所述叶片轴，所述叶片轴上设置搅拌叶片，所述叶片轴由叶片轴驱动电机驱动，使所述叶片轴在随所述回转盘公转的同时也在自转。

对上述技术方案的改进：所述罐体的顶部设置一传动支架，在传动支架上设置一电机支架,所述中心轴动驱动电机和叶片轴驱动电机安装在电机支架上；在传动支架上正对罐体中心的位置设置一个内部有双排滚动轴承的中心轴上轴承座，有一转动轴套安装在中心轴上轴承座的双排滚动轴承之间，且转动轴套的上端伸出中心轴上轴承座的上端，转动轴套的下端伸入罐体内部一段距离，所述中心轴安装在转动轴套的中心，所述中心轴的上端与中心轴动驱动电机的转轴用联轴器连接，所述中心轴的下端安装在中心轴滑动轴承中，所述中心轴滑动轴承设置在所述罐体内底部。

对上述技术方案的进一步改进：所述回转盘包括上回转盘和下回转盘，所述中心轴上部设置与其垂直的所述上回转盘，所述上回转盘位于所述转动轴套下方，所述中心轴的下部设置与其垂直的所述下回转盘，所述叶片轴设置在所述上回转盘与下回转盘之间，各所述叶片轴与所述中心轴等距且均匀布置，各所述叶片轴用叶片轴轴承座安装在所述上回转盘上，各所述叶片轴与下回转盘之间用滑动轴承连接。

对上述技术方案的进一步改进：所述叶片轴的上端均设置有叶片轴齿形带轮，所述转动轴套的上端安装一转动轴套上齿形带轮，转动轴套的下端安装一转动轴套下齿形带轮，叶片轴驱动电机的转轴上设置一叶片轴驱动电机齿形带轮，叶片轴驱动电机齿形带轮与转动轴套上齿形带轮之间用齿形带连接，转动轴套下齿形带轮与叶片轴上的各个齿形带轮之间用齿形带连接。

对上述技术方案的进一步改进：在上回转盘与罐体的顶部之间设置一回转盘封闭盖，所述回转盘封闭盖固定在中心轴上，将上回转盘、叶片轴轴承座、叶片轴齿形带轮及转动轴套下齿形带轮封闭在其中。

对上述技术方案的进一步改进：所述叶片轴上的搅拌叶片分别为上位叶片组、中位叶片组和下位叶片组，所述上位叶片组和下位叶片组中的叶片均采用高效轴流式搅拌叶片，所述上位叶片组与下位叶片组布置方向相反，所述中位叶片组设置在所述上位叶片组与下位叶片组之间，所述中位叶片组叶片为凹叶径流式搅拌叶片。

对上述技术方案的进一步改进：所述中心轴动驱动电机和叶片轴驱动电机均为三相异步电机，所述控制系统中包括控制中心轴动驱动电机和叶片轴驱动电机转速、转向的可编程控制器和变频器。

一种上述大型发酵罐搅拌装置的搅拌方法，其特征在于，所述控制系统控制所述中心轴动驱动电机与叶片轴驱动电机的联动、转速以及中心轴与叶片轴的转动方向，实现叶片轴的自转与公转，由所述叶片轴上的叶片对罐体内的物料进行搅拌，使罐体内既有多点局部搅拌，又有整体搅拌。

对上述技术方案的改进：所述叶片轴的自转方向与公转方向相同或相反，所述各叶片轴之间的自转方向相同或相反，所述各叶片轴之间的自转转速相同或不同，所述叶片轴公转速度低于10转/分钟，所述叶片轴自转速度为100-200转/分钟。

本发明与现有技术相比有如下优点和积极效果：

本发明罐体内搅拌装置中包括一根中心轴和若干叶片轴，中心轴上设置回转盘，中心轴由中心轴动驱动电机驱动并带动回转盘转动，回转盘上至少设置两个所述叶片轴，叶片轴上设置搅拌叶片并由叶片轴驱动电机驱动，使所述叶片轴在随回转盘公转的同时也在自转。通过公转与自转相结合完成搅拌功能，也就是以多点局部搅拌达到整体搅拌的目的。搅拌叶片从罐体径向和罐体高度方向上都能均匀分布，既能使发酵液能够得到充分搅拌，提高发酵质量，又能降低搅拌能耗。

本发明罐体的设计直径范围较为宽泛，在一定罐体的容积条件下，可相对加大罐体的直径，降低罐体的高度，成比例降低罐体内部发酵液对于罐体部的压强，大幅度降低罐体底部过滤空气输入泵机电力消耗。

本发明的搅拌方法通过控制叶片轴自转与公转，通过由可编程控制器、变频器等组成的控制系统实现对两个电机的联动、速度控制、叶片轴转动方向等控制，可以灵活实现叶片轴自转与公转之间的多种运动与速度的组合形式，例如高速自转与低速公转，顺时针公转与逆时针自转，顺时针公转与顺时针自转等组合形式。而且，通过各叶片轴调整传动机构，各叶片轴之间的自转方向可以相同，也可以不同；各叶片轴之间的自转速度可以相同，也可以不同，以满足生产工艺与节能降耗的要求。

本发明的搅拌方法是在罐体内既有多点局部搅拌，又有整体搅拌，可使罐体直径相对加大、罐体高度相对降低，成比例降低了罐体底部过滤空气输入泵机电力消耗，节能效果极其显著。

附图说明

图1是本发明大型发酵罐搅拌装置的结构示意图；

图2是本发明大型发酵罐搅拌装置的中心轴与叶片轴在罐体内的平面布置示意图。

图中标号为：1-罐体、2-传动支架、2.1-电机支架、3-回转盘封闭盖、4-叶片轴驱动电机、5-叶片轴驱动电机齿形带轮、6-转动轴套上齿形带轮、7-中心轴驱动电机、8-中心轴上轴承座、9-中心轴、10-转动轴套、11-转动轴套下齿形带轮、12-叶片轴齿形带轮、13-叶片轴轴承座、14-上回转盘、15-上位叶片组、16-中位叶片组、17-下位叶片组、18-下回转盘、19-布气盘支架、20-阀门、21-布气盘、22-叶片轴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1、图2，本发明一种大型发酵罐搅拌装置的实施例，包括：罐体1及罐体1内的搅拌装置，搅拌装置中包括中心轴9和叶片轴22，所述中心轴9竖向设置在罐体1内的中间（本实施例的中心轴9设置在罐体1的中心线上），在中心轴9上设置回转盘，中心轴9由中心轴动驱动电机7驱动并带动回转盘转动，在回转盘上至少设置两根叶片轴22（本实施例为4根叶片轴22），在叶片轴22上设置搅拌叶片，叶片轴22由叶片轴驱动电机4驱动，使叶片轴22在随所述回转盘公转的同时也在自转。

具体而言：在罐体1的顶部设置一传动支架2，在传动支架2上设置一电机支架2.1,所述中心轴动驱动电机7和叶片轴驱动电机4安装在电机支架2.1上；在传动支架2上正对罐体1中心的位置设置一个内部有双排滚动轴承的中心轴上轴承座8，有一转动轴套10安装在中心轴上轴承座8的双排滚动轴承之间，且转动轴套10的上端伸出中心轴上轴承座8的上端，转动轴套10的下端伸入罐体1内部一段距离，所述中心轴9安装在转动轴套10的中心，所述中心轴9的上端与中心轴动驱动电机7的转轴用联轴器连接，中心轴9的下端安装在中心轴滑动轴承中，中心轴滑动轴承设置在罐体1内底部。

上述回转盘包括上回转盘14和下回转盘18，在中心轴9上部设置与其垂直的上回转盘14，上回转盘14位于所述转动轴套10下方，所述中心轴9的下部设置与其垂直的所述下回转盘18，所述叶片轴22设置在所述上回转盘14与下回转盘18之间，各所述叶片轴22与所述中心轴9等距且均匀布置，各所述叶片轴22用叶片轴轴承座13安装在所述上回转盘14上，各所述叶片轴22与下回转盘18之间用滑动轴承连接。

上述叶片轴22的上端均设置有叶片轴齿形带轮12，所述转动轴套10的上端安装一转动轴套上齿形带轮6，转动轴套10的下端安装一转动轴套下齿形带轮11，叶片轴驱动电机4的转轴上设置一叶片轴驱动电机齿形带轮5，叶片轴驱动电机齿形带轮5与转动轴套上齿形带轮6之间用齿形带连接，转动轴套下齿形带轮11与叶片轴22上的各个齿形带轮12之间用齿形带连接。

在叶片轴22上的搅拌叶片分别为上位叶片组15、中位叶片组16和下位叶片组17，上述上位叶片组15和下位叶片组17中的叶片均采用高效轴流式搅拌叶片，上述上位叶片组15与下位叶片组17布置方向相反，转动时可以形成发酵液上下对流。中位叶片组16设置在上位叶片组15与下位叶片组17之间，中位叶片组16叶片为凹叶径流式搅拌叶片。在叶片轴22转动时，上位叶片组15让液体向下流动，下位叶片组17让液体向上流动，形成对着冲击，中位叶片组16转动时将液体向四周扩冲。

在上回转盘14与罐体1的顶部之间设置一回转盘封闭盖3，所述回转盘封闭盖3固定在中心轴9上，将上回转盘14、叶片轴轴承座13、叶片轴齿形带轮12及转动轴套下齿形带轮11封闭在其中。

在上述罐体1内底部设置布气盘21，在布气盘21上设置布气盘支架19，在布气盘支架19中心设置上述的中心轴滑动轴承。在发酵罐的罐体1顶端设计有进料口、罐体1侧壁设计有冷却管，罐体1底部设置有过滤空气进气口，在过滤空气进气口上安装阀门20，在罐体1底部安装过滤空气输入泵机，通过过滤空气进气口向罐体1输送过滤空气，由阀门20控制过滤空气的开关。

上述中心轴动驱动电机7和叶片轴驱动电机4均为三相异步电机，所述控制系统中包括控制中心轴动驱动电机7和叶片轴驱动电机4转速、转向的可编程控制器和变频器。

工作时，由于中心轴9上轴承座8的内部有双排滚动轴承，因此，中心轴9和转动轴套10都是可以转动的，只是中心轴9由中心轴动驱动电机7驱动，转动轴套10由叶片轴驱动电机4通过叶片轴驱动电机齿形带轮5和转动轴套上齿形带轮6及齿形带驱动。中心轴9带动上回转盘14和下回转盘18绕罐体1中心线转动，此时，各叶片轴22也在绕罐体1中心线公转，同时，各叶片轴22自身也在转动，其上的上位叶片组15、中位叶片组16和下位叶片组17绕叶片轴22转动。这样，通过上回转盘14和下回转盘18公转与叶片轴22自转相结合的方式，既有多点局部搅拌，又有整体搅拌，使大型发酵罐里的发酵液能够得到充分搅拌，这种多点局部搅拌方式减小了各搅拌轴的阻力，使搅拌更充分，也降低了搅拌能耗。

本发明是以多轴搅拌为基础，即在罐体1内部空间内平行布置多根叶片轴22，多根叶片轴22以公转加自转的运动方式，以多点的、位置连续变动的局部搅拌，最终实现发酵液整体均匀搅拌。由于采用多根叶片轴22搅拌，搅拌叶片尺寸可取传统搅拌叶片直径尺寸的二分之一至三分之一，根据搅拌叶片直径尺寸与搅拌阻力的关系，在相同的转速条件下，尽管搅拌叶片数量增加了，但总搅拌能耗可降低20%—30%。

由于采用在罐体1内部空间内平行布置多根叶片轴22，以公转加自转的运动方式完成搅拌功能，因此，与单轴搅拌方式比较，罐体1设计直径范围相对宽泛。在一定罐体1的容积条件下，可相对加大罐体1的直径，降低罐体1的高度，则成比例降低罐体1内部发酵液对于罐体1底部的压强，罐体1外形可呈“矮胖”型，成比例降低了罐体1底部过滤空气输入泵机电力消耗。以目前较普遍采用的直径6米、高8米的大型发酵罐设备为例，罐体1容积约为226立方米。如果将罐体1直径适当放大，设计为7.5米，则罐体1高度设计为5米，即可保持罐体1的容积仍然为226立方米，但是，罐体1底部压强则降低至原来的62.5%，降低了37.5%，也就是罐体1底部过滤空气输入泵机电力消耗降低了37.5%。因此，通过优化罐体1的直径与高度尺寸，可得极佳节能效果，基本解决了发酵罐的大型化与节能这对矛盾。

本发明一种上述大型发酵罐搅拌装置的搅拌方法的实施例，所述控制系统通过可编程控制器、变频器控制所述中心轴动驱动电机7和叶片轴驱动电机4的联动、转速以及中心轴9与叶片轴22的转动方向，实现叶片轴22的自转与公转，由各叶片轴22上的叶片对罐体1内的物料进行搅拌，以多点局部搅拌，实现罐体1内的整体搅拌。

叶片轴22的自转方向与公转方向可以相同，也可以相反；而且，通过调整各叶片轴22的传动机构，各叶片轴22之间的自转方向可以相同，也可以相反；各叶片轴22之间的自转转速可以相同，也可以不同；以满足生产工艺与节能降耗的要求。一般叶片轴22公转速度低于10转/分钟，叶片轴22自转速度为100-200转/分钟。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大型发酵罐搅拌装置，包括：罐体、罐体内的搅拌装置及控制系统，其特征在于，所述搅拌装置中包括中心轴和叶片轴，所述中心轴竖向设置在罐体内的中间，所述中心轴上设置回转盘，所述中心轴由中心轴动驱动电机驱动并带动所述回转盘转动，所述回转盘上至少设置两根所述叶片轴，所述叶片轴上设置搅拌叶片，所述叶片轴由叶片轴驱动电机驱动，使所述叶片轴在随所述回转盘公转的同时也在自转。

2.按照权利要求1所述的大型发酵罐搅拌装置，其特征在于，所述罐体的顶部设置一传动支架，在传动支架上设置一电机支架,所述中心轴动驱动电机和叶片轴驱动电机安装在电机支架上；在传动支架上正对罐体中心的位置设置一个内部有双排滚动轴承的中心轴上轴承座，有一转动轴套安装在中心轴上轴承座的双排滚动轴承之间，且转动轴套的上端伸出中心轴上轴承座的上端，转动轴套的下端伸入罐体内部一段距离，所述中心轴安装在转动轴套的中心，所述中心轴的上端与中心轴动驱动电机的转轴用联轴器连接，所述中心轴的下端安装在中心轴滑动轴承中，所述中心轴滑动轴承设置在所述罐体内底部。

3.按照权利要求2所述的大型发酵罐搅拌装置，其特征在于，所述回转盘包括上回转盘和下回转盘，所述中心轴上部设置与其垂直的所述上回转盘，所述上回转盘位于所述转动轴套下方，所述中心轴的下部设置与其垂直的所述下回转盘，所述叶片轴设置在所述上回转盘与下回转盘之间，各所述叶片轴与所述中心轴等距且均匀布置，各所述叶片轴用叶片轴轴承座安装在所述上回转盘上，各所述叶片轴与下回转盘之间用滑动轴承连接。

4.按照权利要求2或3所述的大型发酵罐搅拌装置，其特征在于，所述叶片轴的上端均设置有叶片轴齿形带轮，所述转动轴套的上端安装一转动轴套上齿形带轮，转动轴套的下端安装一转动轴套下齿形带轮，叶片轴驱动电机的转轴上设置一叶片轴驱动电机齿形带轮，叶片轴驱动电机齿形带轮与转动轴套上齿形带轮之间用齿形带连接，转动轴套下齿形带轮与叶片轴上的各个齿形带轮之间用齿形带连接。

5.按照权利要求3所述的大型发酵罐搅拌装置，其特征在于，在上回转盘与罐体的顶部之间设置一回转盘封闭盖，所述回转盘封闭盖固定在中心轴上，将上回转盘、叶片轴轴承座、叶片轴齿形带轮及转动轴套下齿形带轮封闭在其中。

6.按照权利要求1-3任一项所述的大型发酵罐搅拌装置，其特征在于，所述叶片轴上的搅拌叶片分别为上位叶片组、中位叶片组和下位叶片组，所述上位叶片组和下位叶片组中的叶片均采用高效轴流式搅拌叶片，所述上位叶片组与下位叶片组布置方向相反，所述中位叶片组设置在所述上位叶片组与下位叶片组之间，所述中位叶片组叶片为凹叶径流式搅拌叶片。

7.按照权利要求5所述的大型发酵罐搅拌装置，其特征在于，所述叶片轴上的搅拌叶片分别为上位叶片组、中位叶片组和下位叶片组，所述上位叶片组和下位叶片组中的叶片均采用高效轴流式搅拌叶片，所述上位叶片组与下位叶片组布置方向相反，所述中位叶片组设置在所述上位叶片组与下位叶片组之间，所述中位叶片组叶片为凹叶径流式搅拌叶片。

8.按照权利要求7所述的大型发酵罐搅拌装置，其特征在于，所述中心轴动驱动电机和叶片轴驱动电机均为三相异步电机，所述控制系统中包括控制中心轴动驱动电机和叶片轴驱动电机转速、转向的可编程控制器和变频器。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的大型发酵罐搅拌装置的搅拌方法，其特征在于，其特征在于，所述控制系统控制所述中心轴动驱动电机与叶片轴驱动电机的联动、转速以及中心轴与叶片轴的转动方向，实现叶片轴的自转与公转，由所述叶片轴上的叶片对罐体内的物料进行搅拌，使罐体内既有多点局部搅拌，又有整体搅拌。

10.按照权利要求9所述的大型发酵罐搅拌装置的搅拌方法，其特征在于，所述叶片轴的自转方向与公转方向相同或相反，所述各叶片轴之间的自转方向相同或相反，所述各叶片轴之间的自转转速相同或不同，所述叶片轴公转速度低于10转/分钟，所述叶片轴自转速度为100-200转/分钟。