辛 田*
(中國醫(yī)藥集團聯(lián)合工程有限公司上海分公司)
生物發(fā)酵工藝廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。發(fā)酵生產(chǎn)線包括配料系統(tǒng),培養(yǎng)基連消系統(tǒng)(如果采用實消工藝,則不包括此系統(tǒng))、連消系統(tǒng)物料分配站、種子培養(yǎng)系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、提取精制系統(tǒng)、干燥包裝系統(tǒng)、在線清洗系統(tǒng)、公用工程系統(tǒng)(公用工程系統(tǒng)包括蒸汽系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、純水系統(tǒng)等);其中,發(fā)酵罐是整個發(fā)酵系統(tǒng)的核心設(shè)備,發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計將會影響整個系統(tǒng)的運行。發(fā)酵罐的供貨范圍一般包括:支座、設(shè)備本體、支撐件、擋板及設(shè)備內(nèi)外所有焊接構(gòu)件、攪拌槳、機封、電機減速機等。本文討論了制藥工業(yè)中50 m3發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計時遇到的問題,主要闡述了發(fā)酵罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu),包括攪拌器、內(nèi)部換熱盤管、外半管夾套、壓縮空氣分布器等內(nèi)容。
該50 m3發(fā)酵罐用于發(fā)酵液的培養(yǎng)工序。發(fā)酵液pH 為5 ~14,黏度為0.5 ~1.5 Pa·s,選用S30408不銹鋼作為50 m3發(fā)酵罐筒體材質(zhì),滿足ASME BPE(2019 版)標準對發(fā)酵罐材質(zhì)的要求。通常來講,發(fā)酵罐的高徑比取值范圍為1.7~3.5;罐體越高,則發(fā)酵罐對氧氣的利用率也越高;但是罐體越高,發(fā)酵罐中液柱高度也就越高,這就對壓縮空氣系統(tǒng)提出了更高的要求。綜合考慮,該50 m3發(fā)酵罐的高徑比取2.3,為“瘦長型”發(fā)酵罐,如圖1 所示。該類型發(fā)酵罐既能提高氧氣的利用率,又不會給壓縮空氣系統(tǒng)造成過大的阻力,罐體穩(wěn)定性較好。
圖1 發(fā)酵罐總圖
發(fā)酵罐設(shè)備制造過程中,嚴禁用劃針或其他利器在板材上劃線放樣。罐體水壓試驗時應(yīng)控制水中氯離子質(zhì)量含量不超過25 mg/L,檢驗合格后應(yīng)將水漬清除干凈。所有管件需采用充氬焊,且雙面成型。筒體內(nèi)壁焊縫磨平,角焊縫采用圓弧過渡。發(fā)酵罐內(nèi)部需要進行精密拋光處理,并且確保無死角。罐內(nèi)部件(筒體、接管、擋板、支撐等)拋光精度整體≤0.6 μm,外表面上封頭和筒體上部未被半管夾套包裹部分拋光精度整體≤0.8 μm。內(nèi)筒體、設(shè)備外側(cè)焊縫以及外露鋼板要進行酸洗鈍化處理,可用藍點液檢測不銹鋼表面鈍化膜質(zhì)量。
為了減少發(fā)酵罐中的死角,攪拌器應(yīng)盡量做成一體式或?qū)﹂_式,攪拌葉片設(shè)計成可拆式,螺紋孔開防積料槽。發(fā)酵液的密度為1 100 kg/m3,黏度為0.5 ~1.5 Pa·s。根據(jù)發(fā)酵液的物性,攪拌系統(tǒng)的上面三層采用MSX1200 四葉旋漿式攪拌器,最下面一層采用BTD1200 拋物線圓盤渦輪攪拌器,轉(zhuǎn)向為從上到下看順時針方向旋轉(zhuǎn)。
MSX1200 四葉旋漿式攪拌器為軸流型攪拌器,有較大的擴散湍流能力,特別適用于溶氧型生物發(fā)酵過程。BTD1200 六拋物線葉圓盤渦輪攪拌器是徑流式攪拌器,具有極強的徑向排量及分散能力,適用于發(fā)酵工藝的溶氧操作。氣泡在BTD 攪拌器葉片的作用下集聚,并隨著葉片旋轉(zhuǎn)在離心力的作用下被甩出,隨著罐內(nèi)介質(zhì)的流動被分散到罐內(nèi)的各個區(qū)域,增加氣泡同介質(zhì)的有效接觸面積。
利用Fluent 軟件對攪拌器系統(tǒng)進行計算流體動力學(xué)(CFD)模擬。圖2 所示為攪拌器轉(zhuǎn)速為130 r/min時,流體動力學(xué)模擬圖像。由圖2 a)可見,上層攪拌槳葉與內(nèi)盤管之間,存在速度較小的滯留;由圖2 b)可見,對內(nèi)盤管分布高度調(diào)整,使原來速度較小的滯留消失。由此證明,內(nèi)盤管與攪拌槳葉位置錯開,有利于攪拌器對物料的作用。
圖2 計算流體動力學(xué)模擬圖像
發(fā)酵罐生產(chǎn)運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量,需要采用間接換熱的方式使發(fā)酵液溫度降低。本次設(shè)計的50 m3發(fā)酵罐筒體外壁上焊接半圓管外夾套,半圓管邊緣開45°內(nèi)坡口。開內(nèi)坡口焊接能夠防止盤管內(nèi)部產(chǎn)生焊瘤,防止盤管夾套內(nèi)部形成焊接死角,使冷卻水流動更加平順,減小冷卻水在管內(nèi)的流動阻力。
盤管與角鋼之間采用U 型螺栓連接,并用螺母擰緊后點焊固定。內(nèi)盤管伸出罐壁部位,采用U 形彎連接,從而增大熱脹冷縮時的伸縮量,如圖3 所示。
圖3 內(nèi)盤管
內(nèi)盤管組件接管材料應(yīng)符合GB/T 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》標準要求,內(nèi)盤管外表面拋光至Ra≤0.6 μm。內(nèi)盤管加工時,必須在直管狀態(tài)下進行焊接,再進行彎管操作。換熱管對接接頭的管端坡口應(yīng)采用機械方法加工,焊接前應(yīng)清除表面附著物及氧化層,管端清理長度應(yīng)不小于換熱管外徑。內(nèi)盤管不宜采用熱彎成形方式,內(nèi)盤管成形后橢圓度偏差不應(yīng)大于換熱管外徑的10%。
對接焊縫應(yīng)有焊接工藝評定,評定時試件的數(shù)量、尺寸、試驗方法應(yīng)符合NB/T 47014—2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評定》的規(guī)定。對接接頭對口錯邊量不應(yīng)超過換熱管壁厚的15%,且不得大于0.5 mm,焊縫滿足GB/T 150.4—2011 《壓力容器》標準要求。組成內(nèi)盤管主體的每一根直管段,除了最后兩段直管長度可以小于采購的長度規(guī)格,其他的直管長度均按換熱管采購時的長度規(guī)格使用,且最短直管段不應(yīng)小于300 mm,進出口的直管不得拼接而成。內(nèi)盤管所有對接接頭應(yīng)按NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測》進行射線檢測,檢測比例為每條焊縫至少拍一張片子,合格級別不低于Ⅲ級,檢測技術(shù)等級不低于AB 級。無損檢測合格后,內(nèi)盤管應(yīng)進行水壓試驗,試驗壓力為0.50 MPa(1.25 倍設(shè)計壓力)。水壓試驗合格后,再與罐體進行組焊,內(nèi)盤管與筒體的焊縫以及法蘭與內(nèi)盤管的焊縫需要進行100%滲透檢測,按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測》的Ⅰ級合格。檢測合格后再對內(nèi)盤管進行氣壓試驗,氣壓試驗壓力0.4 MPa(1.0 倍設(shè)計壓力)。
通氣量小的小型發(fā)酵罐可以選用單根進氣管;通氣量大的大型發(fā)酵罐則可以選用帶有大孔的空氣管式圓盤分布器。因為,當進氣管通氣量較大時,罐中的空氣將會快速升至液面上,空氣沒有經(jīng)過攪拌器的充分攪拌,容易導(dǎo)致壓縮空氣短路。
本次設(shè)計的50 t 發(fā)酵罐采用空氣管式圓盤分布器,空氣分布管中心圓直徑約為0.8 倍攪拌槳直徑。為了防止空氣管式圓盤分布器堵塞,在管式圓盤分布器水平中心線下方開孔,每30°布一排,共七排,出氣孔尺寸為 6 mm。出氣孔開孔總面積是接管截面積的0.9 倍左右,小孔總面積小于內(nèi)截面積,使空氣通過底部的排氣孔時具有噴力,防止小孔被堵塞。從小孔中出來的氣泡,其直徑會隨著噴嘴推動力的增加或通氣量的增大而減小,氣泡越小越分散,微生物可以獲得越多氧氣。
將管式圓盤分布器設(shè)計成可拆卸式,方便從人孔進出。先在圓管上均勻打出6 mm 的小孔,再從中間對稱分割成兩半圓環(huán)管,最后將圓環(huán)管與法蘭進行焊接,罐內(nèi)設(shè)置的所有螺栓孔均需開防積料槽,如圖4所示。
圖4 壓縮空氣圓盤分布器
為了防止發(fā)酵液在攪拌過程中打旋,需在罐內(nèi)設(shè)置擋板來增加攪拌的湍動程度。通常地,擋板的寬度是發(fā)酵罐直徑的十分之一,擋板的數(shù)量為4 塊。擋板需滿焊牢固可靠,表面光滑,各轉(zhuǎn)角圓弧過渡,外表面拋光至Ra≤0.6 μm。
水壓試驗后視鏡需拆卸,另外裝箱隨車發(fā)貨,后續(xù)在施工現(xiàn)場進行安裝;視鏡接口應(yīng)采用硬質(zhì)材質(zhì)進行封堵保護;所有法蘭接口均采用臨時盲板進行封堵保護;地腳螺栓定位環(huán)板需要提前供給施工方,在澆筑基礎(chǔ)時,應(yīng)將地腳螺栓定位環(huán)板預(yù)埋到基礎(chǔ)內(nèi)。
發(fā)酵罐用途不同,則內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同。發(fā)酵罐設(shè)計應(yīng)以滿足工藝生產(chǎn)的需要為前提。發(fā)酵罐內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計時始終要堅持易清潔、無死角的原則。外半管夾套、擋板通用性較強,需要根據(jù)相關(guān)的規(guī)范標準設(shè)計;攪拌器、發(fā)酵罐內(nèi)換熱裝置、壓縮空氣分布器的設(shè)計選型,則需要依據(jù)具體的生產(chǎn)工藝及物料的物理性質(zhì),有針對性地進行設(shè)計選型。