CN106566769B - 高稳态高效能大容积发酵罐 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳态高效能大容积发酵罐，包括罐体，所述罐体内部中心处垂直设有空心搅拌轴，所述空心搅拌轴上均匀布设多个使罐体内发酵液轴向流动的搅拌器，所述空心搅拌轴下部通过中间轴承与一个中间轴承支架连接；所述罐体内部沿罐体轴向布设多组立式列管冷却器；所述罐体底部处设有多泡罩布风装置，所述多泡罩布风装置包括主气管，所述主气管连通至罐体外部。对构成发酵罐结构的外传动机架、罐顶机械密封、搅拌轴、联轴器及中间轴承支架与耐磨轴瓦这些机械单元，极大改善了发酵罐的运行稳定性，为节能降耗高效生产提供充分保障，具有显著的经济效益和示范效应。

Description

高稳态高效能大容积发酵罐

技术领域

本发明涉及氨基酸工业发酵用发酵罐，具体涉及现行谷氨酸发酵企业780m³发酵大罐的系列创新性技术改造，属于生物发酵工程技术领域。

背景技术

谷氨酸(glutamic acid)经碱中和后的钠盐即是味精，随着人们生活水平的不断提高，作为调味品的鲜味呈味物质—味精需求量越来越大，为满足消费市场需求，味精生产企业的生产规模在不断扩大，年产几十万吨到百十万吨的企业在我国有数家，产量已占世界总产量的85％左右。已有谷氨酸发酵企业产能的提升主要是通过加大发酵罐容积来实现，以此取得规模效益，因而谷氨酸发酵罐的容积已从几年前的小中型150-300m³罐容积逐渐向780m³大型化方向发展，在总产量不变的情况下，由于发酵罐制作数量的减少，相对节约了设备投入和维修费用，减少了人工使用数量，更利于集约化生产，一定程度上降低了生产成本，增加了产品的市场竞争力。

阜丰集团有限公司是世界上味精产量最大企业之一，谷氨酸发酵生产的各项指标均列行业之冠，依靠自身实力和丰富的生产经验积累，于几年前率先设计和大胆采用了780m³发酵罐生产谷氨酸，780m³发酵罐具体结构见图1。该发酵罐基本参数为：罐径：7800mm,筒体高：14000mm，电机功率：630kw。传动形式：皮带传动；实心搅拌轴6：实心四段，由夹壳联轴器7连接；罐内支架：上下两层中间轴承支架5及支撑中间轴承4；搅拌形式：两层六弯叶涡轮式搅拌器2，一层四桨叶轴流式搅拌器；冷却形式：三组径向蛇形盘管构成蛇管冷却器3；气体分布形式：局部集中气体分布器1；外机架：厚钢板经加工卷曲成圆筒式机架8；密封形式：204J旋转型机械密封9。与罐容积为150-300m³谷氨酸发酵罐相比，780m³大罐在生产运行过程中发现总体上存在着生产效率低，能耗高，发酵参数不达标等问题；此外还有设备运转不稳定，罐体摆动量达50mm，常年摆动还造成了罐体焊缝开裂的安全事故；其次运行可靠性差，每一发酵批次完后都要操作人员进入罐内进行检查，检修频度高，耗时费力不安全，经常耽误生产安排，通过分析其原因，就设备运行不稳定发生安全问题来说，均与罐的传动密封、搅拌轴同心度、搅拌支撑架设置不合理有关。就生产效率低，能耗高，发酵指标不达标来说，又与搅拌器形式、进气分布、气液混合状态、冷却换热上下温差等问题有关，也可以归结为比拟放大设计与系统组成部分间存在结构性问题引起，可以说780m³发酵罐糖酸转化率、产酸率两个重要指标不及中小型罐是综合原因而非某单一因素造成。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种高稳态高效能大容积发酵罐，通过对原有发酵罐传动、气体分布等关键结构的技术改造创新，从而达到节能降耗，降低生产成本，提高谷氨酸产量和延长设备使用寿命的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

高稳态高效能大容积发酵罐，包括罐体，所述罐体内部中心处垂直设有空心搅拌轴，所述空心搅拌轴上均匀布设三层六叶水翼型轴流搅拌器(使罐体内发酵液轴向流动的搅拌器)，所述空心搅拌轴下部通过中间轴承与一个中间轴承支架连接，所述中间轴承支架穿透罐体侧壁延伸至罐体外部，空心搅拌轴由位于罐体顶部的机械密封部提供上支点支撑，以及由罐体内中间轴承支架对空心搅拌轴提供下支点支撑，两个支点成一线保证空心搅拌轴旋转的同心度；所述罐体内部沿罐体轴向布设多组立式列管冷却器；所述罐体底部处设有多泡罩布风装置，所述多泡罩布风装置包括主气管，所述主气管连通至罐体外部，所述主气管上连通多根长短不一的支气管，所述支气管的端部均设有圆泡帽，气体由多个圆泡帽排出形成多泡罩形式。

所述罐体侧壁的内侧和外侧均与中间轴承支架焊接，所述中间轴承支架为井字形，井字形中心与中间轴承配合，消除了槽钢支架死角藏污纳垢不好清洗弊端；井字形钢管支架穿透罐壁进行内外焊接，使中间轴承支架与罐体结合成一整体，牢固度增强，对搅拌轴在有负荷转动过程中形成的摆动力较好地分散到整个罐体，不会因金属疲劳而焊接处撕裂。

所述空心搅拌轴的中下部处的水翼型轴流搅拌器外部套有导流筒，所述导流筒通过多个支撑管与罐体内壁相固定连接；水翼型轴流搅拌与导流筒的结合促使轴向直线运动的微小气泡，强制性折返形成复杂曲线运动，提供更好的溶氧效果。

所述多泡罩布风装置位于罐体底部中心处；进风经泡罩分散后成小气泡，小气泡从底部飘逸上升速度减慢，有利于氧分压转移。

所述多根长短不一的支气管在主气管上呈辐射状均匀分布。

进一步，不同长度的支气管在主气管上相隔布设，且相隔间距相等；同一长度的支气管在主气管上均匀布设。气体由圆泡帽进入罐体内，气泡直径变小，表面积增加，气液接触面积扩大，分布扩散区域更广，增加发酵液的溶解氧含量，促进谷氨酸产生菌的生长发育，提供有利产酸环境，达到高产目的。

所述罐体顶端外部设有搅拌传动装置机架与空心搅拌轴相固定，所述搅拌传动装置机架为四柱式机架，整体稳定性增强，四柱内空间变大，便于联轴器、机械密封的安装与检修。

所述机械密封部采用静止型轴向双端面机械密封结构进行密封，运转过程中由于密封环浮动性好，密封效果突出，且磨损程度小，使用寿命特长。

所述空心搅拌轴由两节组成，两节空心搅拌轴之间通过凸缘联轴器连接，凸缘式联轴器为机加工件，重量轻，平衡性好，同等条件下，可以提高搅拌轴的转速，满足密封条件，防止共振产生。

所述中间轴承内设有碳纤维聚四氟乙烯轴瓦磨块，耐磨性更好，可以随时调整轴瓦与搅拌轴间隙。

本发明的高稳态高效能大容积发酵罐具有以下优点：

1.使用寿命：轴封采用204J静止型机械密封、罐内井字型支架轴承连续使用四年，不漏气，无维修，无更换。支架与罐壁焊接再未出现撕裂安全事故。

2.通风量：由原来的14000m³/h,减少为12000m³/h,，空压节电效果显著。

3.搅拌功率：改进前后搅拌电机并未更换，额定功率630kw,额定电流：1134A,改前发酵用电流1100A,满负荷运转，改进后电流下降到900A，延长电机使用寿命。

4.同等发酵周期内，原来消毒、冷却及罐检需要7h左右，由于冷却效率提高和免去罐检时间，劳动强度明显降低，无安全事故发生，冷却效率提高30％以上。

5.发酵指标：通过搅拌轴和布风装置的改进，糖酸转化率由58.26％提高到63.4％，增幅5.23％，产酸由13.4％提高到14.58％，增幅8.1％，达到或超过中小型发酵罐指标。

本发明的有益效果为：

1、对构成发酵罐结构的外传动机架、罐顶机械密封、搅拌轴、联轴器及中间轴承支架与耐磨轴瓦这些机械单元，采用了一些颠覆传统罐结构单元制作技术，将这些综合技术运用于大型发酵罐的结构改进，极大改善了发酵罐的运行稳定性，为节能降耗高效生产提供充分保障。该综合技术同样适应于除谷氨酸外的其它氨基酸发酵、生物发酵药、酶制剂发酵和有机酸发酵等行业百十吨罐的改造，具有显著的经济效益和示范效应。

2、将导流筒与水翼型轴流搅拌器及多泡罩布风装置综合应用于大型发酵罐，能减小通风量，明显改善气液混合效果，有利谷氨酸菌的产酸，达到或高于中小型罐的发酵产酸水平。

3、采用立式列管冷却器替代传统蛇管冷却器，冷却面积减小，冷却效果提高30％，兼有挡板作用，对气液均匀混合有一定贡献。

附图说明

图1为背景技术中提及的780m³发酵罐的结构示意图；

图2为本发明高稳态高效能大容积发酵罐的结构示意图；

图3为导流筒与发酵罐罐体壁的连接示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为多泡罩布风装置的结构示意图；

图6为图5的俯视图；

图中，1为局部集中气体分布器，2为涡轮式搅拌器，3为蛇管冷却器，4为中间轴承，5为中间轴承支架，6为实心搅拌轴，7为夹壳联轴器，8为圆筒式机架，9为204J旋转型机械密封，10为多泡罩布风装置，11为水翼型轴流搅拌器，12为立式列管冷却器，13为中间轴承，14为中间轴承支架，15为空心搅拌轴，16为凸缘联轴器，17为四柱式机架，18为204J静止型机械密封，19为罐体壁，20为支撑管，21为导流筒，22为主气管，23为长支气管，24为短支气管，25为圆泡帽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图2所示，高稳态高效能大容积发酵罐，包括罐外和罐内两部分，罐外除罐体，电机座、皮带轮与改造前相同外，搅拌传动装置机架采用四柱式机架17，整体稳定性增强，柱内空间变大，便于联轴器、机械密封的安装与检修。原来的圆筒式机架因内部空间小，联轴器、机械密封的安装和检修，拆卸操作非常不便；

罐体顶部位于上封头中心的机械密封部是采用申请号为201520013895.2中的204J静止型机械密封18，运转过程中由于密封环浮动性好，密封效果突出，且磨损程度小，使用寿命特长；

凸缘联轴器16在罐顶四柱式机架17内有一个，其位置位于罐顶轴承支架的上部；凸缘联轴器16在罐内空心搅拌轴15有上下两个，上部的一个位置提至罐体封头焊接线上边，下边的一个位置未变，两联轴器间轴长度加长。原来的夹壳式联轴器为铸造件，外表一般不规则，有偏心质量，运转过程不平衡，而采用凸缘式联轴器16为机加工件，重量轻，平衡性好，同等条件下，可以提高搅拌轴的转速，满足密封条件，防止共振产生。轴承支架在罐顶机架内有一个，其位置位于联轴器的下方，减短了皮带轮到联轴器间的轴长度。轴承支架和联轴器位置的调换增大了上下轴抗扭矩效果，有利于维持两点支撑情况下轴的运转稳定性。

采用以上结构，可以保证搅拌传动装置系统的稳定性，特别是该系统的核心部分--罐封头顶部机械密封的可靠性和使用寿命。

罐内结构：

空心搅拌轴15是空心钢管轴，为两节空心钢管制成搅拌轴，其轴径稍大于原实心轴，采用空心轴后，整体重量减轻了40％，大大减少了罐内中间轴承支架14的压力负荷；与实心轴相比，空心轴的刚性及扭矩性能均高许多，且在运输和安装过程中不易发生形变，实用性强；

中间轴承支架14为单层轴承支架，只设于罐体内下部一个，由于采用一个中间轴承支架14，通体空心搅拌轴15由上中下三个支点变为上下两个支点，去掉了经常磨损易坏的中间轴承及支撑架，两点成一线保证了空心搅拌轴15旋转的同心度；中间轴承支架14排布形式：采用井字形钢管支架，由井字形钢管穿过罐体壁19进行内外焊接而成，使支架与罐体结合成一整体，牢固度增强，对轴在有负荷转动过程中形成的摆动力能较好地分散到整个罐体，不会因金属疲劳而焊接处撕裂，同时消除了槽钢带有的死角藏污纳垢不好清洗弊端；

中间轴承13，固定于中间轴承支架14上，内含耐磨、间隙可调的碳纤维聚四氟乙烯轴瓦，耐磨性更好，可以随时调整轴瓦与搅拌轴间隙；碳纤维聚四氟乙烯轴瓦采用申请号为201220044289.3中的轴瓦结构。

立式列管冷却器12，共16组，高度较原蛇管有所降低，冷却面积减少，改变了后冷前热循环进出水方式，热交换效率提高，克服了罐温上下差别弊端；多组立式列管还起到了挡板作用，将径向流转变为轴向流，增加非搅拌区域混合效果，为谷氨酸发酵菌提供高产酸需要的最适生长温度；

如图5-图6所示，多泡罩布风装置，包括主气管，所述主气管的侧壁上连通多根长短不一的支气管，所述主气管的底端为进气口，主气管的顶端连接封头，主气管穿过发酵罐下封头底端与外进气管连接；所述支气管的端部均设有圆泡帽，气体由多个圆泡帽排出形成多泡罩形式。所述多根长短不一的支气管在主气管上呈辐射状均匀分布。

进一步，不同长度的支气管在主气管上相隔布设，且相隔间距相等。同一长度的支气管在主气管上均匀布设。气体由圆泡帽进入罐体内，气泡直径变小，表面积增加，气液接触面积扩大，平面分布扩散区域更广，增加罐体内的溶解氧含量。

进一步，支气管均为两段组成，两段通过法兰连接，这样方便长时间使用后进行拆卸清洗，保证多泡罩出气小孔的畅通。

优选的，所述主气管与封头为一体式结构。

优选的，不同长度的支气管位于与主气管垂直的不同平面内。使气体由支气管的圆泡帽排出后，在不同高度内形成气泡，使气泡的在立体区域内扩散区域更广。

所述支气管包括直管，所述直管的一端与主气管连通，直管的另一端与弯头管的进气端连接，所述圆泡帽位于弯头管的出气端。

本实施例中，多泡罩布风装置10，是由8个小泡罩构成，空气从罐底进风总管进入后，通过支气管分配到各个小泡罩中，以小气泡溢出，其横截面几乎与罐体内径相当；由于气泡直径变小，表面积增加，气液接触面积扩大，分布扩散区域更广，且小气泡从底部飘逸上升速度减慢，有利于氧分压转移，增加发酵液的溶解氧含量，促进谷氨酸产生菌的生长发育，提供有利产酸环境，达到高产目的；

如图3-图4所示，水翼型轴流式搅拌器11和导流筒21，水翼型轴流式搅拌器11由上中下三挡组成，每挡均为六叶设置，搅拌器直径未改变，叶片带有一定角度设计，兼具较好的剪切作用，导流筒21位于中间档搅拌器位置，有六根支撑管20固定连接到罐体壁19上，中间档搅拌器位于导流筒中下部，受喇叭形结构和中部空间限制，会形成喷泉上涌强制循环作用；原来罐底涡轮式搅拌器的设置只是为了打碎气泡，提供径向流，得益于本发明中多泡罩布风装置的设置，水翼型六叶轴流搅拌器作用与功能发生改变，不是用来打碎气泡，而主要提供罐内发酵液的轴向流。为达到强化溶氧目的，配用了导流筒，使发酵液在罐内进行强制性多次轴向流循环，促进罐内气液进行充分氧交换，降低了气泡的溢出速度。水翼型六叶轴流搅拌与导流筒的结合使用促使轴向直线运动的微小气泡，强制性的折返形成复杂曲线运动，提供更好的溶氧效果。搅拌与布风是涉及该大型发酵罐高效节能、提高糖酸转化率生产指标的核心技术。

上述立式列管冷却器12、多泡罩布风装置10、水翼型轴流式搅拌器11及导流筒21构成罐内环流系统，是实现大型谷氨酸发酵罐高产稳产的必要组成单元。

本发明的发酵罐采用一套包括传动与密封、布风装置以及搅拌换热三位一体的解决方案，是新型高效大容积谷氨酸发酵罐的核心技术，彼此间相互联系，不可分割，单一使用都将不会产生理想效果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.高稳态高效能大容积发酵罐，其特征是，包括罐体，所述罐体内部中心处垂直设有空心搅拌轴，所述空心搅拌轴上均匀布设多个使罐体内发酵液轴向流动的搅拌器，所述空心搅拌轴下部通过中间轴承与一个中间轴承支架连接，所述中间轴承支架穿透罐体侧壁延伸至罐体外部，空心搅拌轴由位于罐体顶部的机械密封部提供上支点支撑，以及由罐体内中间轴承支架对空心搅拌轴提供下支点支撑，两个支点成一线保证空心搅拌轴旋转的同心度；所述罐体内部沿罐体轴向布设多组立式列管冷却器；所述罐体底部处设有多泡罩布风装置，所述多泡罩布风装置包括主气管，所述主气管连通至罐体外部，所述主气管上连通多根长短不一的支气管，所述支气管的端部均设有圆泡帽，气体由多个圆泡帽排出形成多泡罩形式；

所述多根长短不一的支气管在主气管上呈辐射状均匀分布；

所述罐体顶端外部设有搅拌传动装置机架与空心搅拌轴相固定，所述搅拌传动装置机架为四柱式机架；

所述机械密封部采用静止型轴向双端面机械密封结构进行密封；

所述空心搅拌轴由两节组成，两节空心搅拌轴之间通过凸缘联轴器连接；所述中间轴承内设有碳纤维聚四氟乙烯轴瓦磨块。

2.如权利要求1所述的高稳态高效能大容积发酵罐，其特征是，所述罐体侧壁的内侧和外侧均与中间轴承支架焊接，所述中间轴承支架为井字形，井字形中心与中间轴承配合。

3.如权利要求1所述的高稳态高效能大容积发酵罐，其特征是，所述空心搅拌轴的中下部处的搅拌器外部套有导流筒，所述导流筒通过多个支撑管与罐体内壁相固定连接。

4.如权利要求1所述的高稳态高效能大容积发酵罐，其特征是，所述多泡罩布风装置位于罐体底部中心处。

5.如权利要求1所述的高稳态高效能大容积发酵罐，其特征是，不同长度的支气管在主气管上相隔布设，且相隔间距相等；同一长度的支气管在主气管上均匀布设。