關(guān)于生物加工設(shè)備選型的探討

鄒東恢 鄒豐謙

(齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；*黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

近年來(lái)，生物加工設(shè)備發(fā)展速度較快，特別是引進(jìn)國(guó)外的新技術(shù)、新裝備快速迅捷，而且新技術(shù)、新裝備的國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)日益增強(qiáng)。如啤酒廠的濕法粉碎新技術(shù)、低溫膜過(guò)濾系統(tǒng)生產(chǎn)純生啤酒技術(shù)，國(guó)內(nèi)自主創(chuàng)新的新型燭式硅藻土過(guò)濾機(jī)正在啤酒生產(chǎn)企業(yè)推廣；酒精廠采用循環(huán)粉碎新工藝設(shè)備、真空冷卻連續(xù)糖化設(shè)備、六塔節(jié)能差壓蒸餾設(shè)備等等[1～3]，我們?cè)谶M(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)、選型時(shí)應(yīng)充分了解本行業(yè)發(fā)展的動(dòng)向，并結(jié)合實(shí)際情況遵循相關(guān)原則進(jìn)行。

1生物加工設(shè)備的選型原則

設(shè)備的設(shè)計(jì)對(duì)于通用設(shè)備來(lái)說(shuō)就是選型，對(duì)于專用設(shè)備和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來(lái)說(shuō)就是通過(guò)計(jì)算，提出型式、材料、尺寸和其他一些要求，由專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行工程機(jī)械加工設(shè)計(jì)并制造。

設(shè)備設(shè)計(jì)、選型正確與否，對(duì)投資建廠和工廠投產(chǎn)后的運(yùn)行維修、工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、產(chǎn)品的質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生很大影響，其重要性是顯而易見(jiàn)的。因此，選用生產(chǎn)能力適宜、配套性強(qiáng)、性價(jià)比高、通用性廣的生產(chǎn)設(shè)備是生物加工企業(yè)建廠設(shè)計(jì)、改建擴(kuò)建、設(shè)備改造的重要內(nèi)容，設(shè)備選型和設(shè)計(jì)的總體原則是：

1.1 合理性

即選擇的設(shè)備必須能夠滿足生產(chǎn)工藝要求，設(shè)備要與工藝流程、生產(chǎn)規(guī)模、工藝操作條件、工藝控制水平相適應(yīng)；設(shè)備的加工能力、規(guī)格、型號(hào)和動(dòng)力消耗必須與相應(yīng)的產(chǎn)量相匹配，并從機(jī)器保養(yǎng)、維修等方面考慮留有一定的儲(chǔ)備余地。

1.2 先進(jìn)性

機(jī)械加工設(shè)備的種類繁多、型號(hào)多樣，選擇的設(shè)備實(shí)現(xiàn)某一生產(chǎn)單元過(guò)程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如轉(zhuǎn)化率、收得率，生產(chǎn)效率等要盡可能達(dá)到較高的先進(jìn)水平；在符合投資條件的前提下，應(yīng)選擇吸收國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的技術(shù)成果和裝備，選擇制作精度高、性能優(yōu)良的現(xiàn)代化技術(shù)裝備。

1.3 安全性

設(shè)備的選型和工藝設(shè)計(jì)制造要求安全可靠、操作穩(wěn)定、無(wú)事故隱患。

1.4 經(jīng)濟(jì)性

設(shè)備投資節(jié)省、易于加工、維修、更新、沒(méi)有特殊的維護(hù)要求，減少運(yùn)行費(fèi)用。

總之，設(shè)備的選型、設(shè)計(jì)原則是一個(gè)統(tǒng)一的、綜合性的原則，要遵循工藝合理、技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)節(jié)儉的原則，認(rèn)真地設(shè)計(jì)與選型[4]。

2生物加工設(shè)備的選型

在生物加工過(guò)程中，可將生物加工設(shè)備簡(jiǎn)要地分為三類，即：通用設(shè)備、專業(yè)設(shè)備和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。專業(yè)設(shè)備系指生物加工過(guò)程中特有的設(shè)備，如發(fā)酵罐、糊化鍋、糖化鍋等專業(yè)性較強(qiáng)，僅為生物加工專業(yè)工廠所使用的設(shè)備；而各行各業(yè)都可使用的設(shè)備如泵、風(fēng)機(jī)等稱為通用設(shè)備；非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是指生產(chǎn)企業(yè)所用的存貯箱、槽、罐、池以及計(jì)量筒、混合拌料池等設(shè)施。

2.1 生物加工專業(yè)設(shè)備的選型

由于生物加工行業(yè)產(chǎn)品較多，不同產(chǎn)品的工藝各不相同，所以設(shè)備設(shè)計(jì)和選型將會(huì)有較大的差異，因此，只有在充分了解工藝的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型。啤酒、味精、白酒和有機(jī)酸等產(chǎn)品的生產(chǎn)主要環(huán)節(jié)是間歇式操作，酒精、抗生素等產(chǎn)品的生產(chǎn)連續(xù)性較強(qiáng)，大部分環(huán)節(jié)能做到連續(xù)生產(chǎn)，因此要根據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)區(qū)別對(duì)待，專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型主要內(nèi)容如下：

1．設(shè)備所負(fù)擔(dān)的工藝操作任務(wù)和工作性質(zhì)，工作參數(shù)的確定

2．不同型號(hào)設(shè)備的特點(diǎn)和性能評(píng)價(jià)

3．設(shè)備生產(chǎn)能力的確立

4．設(shè)備主要尺寸的確定

5．設(shè)備數(shù)量的確定

6．設(shè)備化工過(guò)程(換熱器，塔板數(shù)等)的計(jì)算

7．設(shè)備的傳動(dòng)攪拌和動(dòng)力消耗的計(jì)算

8．材質(zhì)的選擇和用量的計(jì)算

9．壁厚的計(jì)算選擇

10．設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

11．選型其他問(wèn)題的考慮

2.2 生物加工通用設(shè)備的選型

通用設(shè)備一般是指按國(guó)家機(jī)械工業(yè)部或行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的離心機(jī)、泵、通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、螺旋輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)等。通用設(shè)備在生物加工、食品行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，這里主要列舉介紹與生物加工密切相關(guān)的液體輸送設(shè)備、氣體輸送設(shè)備及固體輸送設(shè)備的選型。

2.2.1液體輸送設(shè)備

關(guān)于液體輸送設(shè)備的選型，針對(duì)生物加工廠的特殊性，提出幾點(diǎn)要注意的問(wèn)題。

2.2.1.1 液體輸送泵的選型首先應(yīng)根據(jù)輸送物料的特性和輸送要求考慮，然后再根據(jù)輸送流量、總揚(yáng)程，并考慮泵的效率，選擇具體型號(hào)。

生物加工廠產(chǎn)品類型較多，所輸送物料的性質(zhì)及輸送要求各不相同，在選擇泵型時(shí)，應(yīng)區(qū)別對(duì)待。例如：酒精廠連續(xù)蒸煮用泵所輸送的粉漿固形物含量高，黏度大，輸送壓頭高，流量要求穩(wěn)定，可選擇雙缸雙動(dòng)往復(fù)泵或三缸往復(fù)泵，可保證不堵塞，高壓頭和穩(wěn)定的流量。同樣，輸送蒸煮醪，輸送發(fā)酵醪均應(yīng)選擇電動(dòng)往復(fù)泵，亦稱泥漿泵，流量用調(diào)速電機(jī)調(diào)節(jié)。啤酒廠糖化車間選擇醪泵時(shí)，因醪液較稀，應(yīng)選擇全開(kāi)葉或半開(kāi)葉，低轉(zhuǎn)速，大流量，低揚(yáng)程離心泵[5,6]。

2.2.1.2 對(duì)于間歇操作的泵，選擇時(shí)注意在滿足壓頭、耐腐蝕、防爆等方面要求的前提下，可把生產(chǎn)能力選得大些，盡可能快地將物料短時(shí)間內(nèi)輸送完，騰出設(shè)備，節(jié)約人力，如啤酒廠糊化鍋、糖化鍋麥汁輸送泵的選擇。

2.2.1.3 對(duì)于連續(xù)操作的泵，在考慮輸送物料特性、壓頭、安全等方面要求的同時(shí)，則應(yīng)選擇流量略高于工藝要求的泵，以便留有調(diào)節(jié)余地，保證生產(chǎn)均衡地進(jìn)行。

2.2.2 氣體輸送設(shè)備

生物加工廠用于深層發(fā)酵的設(shè)備，如機(jī)械攪拌發(fā)酵罐和各種新型生化反應(yīng)器等的送風(fēng)設(shè)備，主要是往復(fù)式空壓機(jī)、渦輪壓縮機(jī)，用于酵母培養(yǎng)和麥汁生產(chǎn)的設(shè)備主要是羅茨式和高壓鼓風(fēng)機(jī)，用于固體厚層通風(fēng)培養(yǎng)、氣流輸送、氣流干燥、氣體輸送的則是離心式通風(fēng)機(jī)，廠房里通風(fēng)一般使用大流量風(fēng)機(jī)，如軸流式風(fēng)機(jī)，連續(xù)操作的一般設(shè)有備用設(shè)備。

2.2.3 固體輸送設(shè)備

如果無(wú)特殊需要，應(yīng)盡量選用機(jī)械提升設(shè)備，因其能耗相對(duì)較低，視不同類型比氣流輸送要低3～10倍。帶式輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)，以水平輸送為主，也可傾斜輸送，但傾角不應(yīng)大于20°，否則效率大大下降，甚至造成失誤。另外，選用設(shè)備時(shí)應(yīng)注意，不要選擇淘汰的老型號(hào)產(chǎn)品，應(yīng)選用新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品[7]。

2.3 生物加工非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的選型特點(diǎn)

生物加工廠非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備一般是指生產(chǎn)車間中除專業(yè)設(shè)備、通用設(shè)備之外的，用于生產(chǎn)配套的貯罐，中間料池、

計(jì)量罐等設(shè)備和設(shè)施，主要是一些容器類，容器的設(shè)計(jì)選型同樣要遵循設(shè)備設(shè)計(jì)選型的標(biāo)準(zhǔn)要求，著重注意以下內(nèi)容。

2.3.1 貯存作用的箱、槽、罐、池，如各種原料液中間制品的貯存罐，設(shè)計(jì)選用時(shí)首先要滿足工藝過(guò)程要求，同時(shí)要考慮選擇合適的形狀，相應(yīng)的容量，以保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行，在此前提下，盡量選用比表面積小的幾何形狀，以節(jié)省投資費(fèi)用。

2.3.2 混合滅菌作用的設(shè)備設(shè)計(jì)選型，如酒精生產(chǎn)的拌料罐，葡萄糖生產(chǎn)的調(diào)漿罐等，為了使混合或沉降效果好，選擇這類設(shè)備的高徑(或高寬)比近于1是有利的，球形容器在各種容器中單位體積裝料量是最多的，但加工較困難，因此多采用正方形和直徑與高度相近的筒形容器。

2.3.3 計(jì)量作用的設(shè)備設(shè)計(jì)選型，這類設(shè)備在生物加工企業(yè)中應(yīng)用也較為普遍，如味精廠、酒精廠計(jì)量貯罐等，為使計(jì)量結(jié)果盡量準(zhǔn)確，通常這類設(shè)備的高徑比或高寬比都選得比較大，這樣在高度上的變化就較為靈敏，而把節(jié)省材料放在次要地位，這類設(shè)備一般是指規(guī)格和材質(zhì)都不定型的輔助設(shè)備，在加工精度要求上不太高，在工廠選型設(shè)計(jì)中，常根據(jù)生產(chǎn)需要而配備[8]。

2.3.4 容器的材料選擇應(yīng)在能夠符合工藝要求的前提下，還應(yīng)滿足諸如強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕性、溫度、密封性及操作維修方便的要求。

3生物加工設(shè)備發(fā)展展望

近年來(lái)，生物加工設(shè)備發(fā)展速度較快，特別是引進(jìn)國(guó)外的新技術(shù)、新裝備快速迅捷，而且新技術(shù)、新裝備的國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)日益增強(qiáng)。如啤酒廠的濕法粉碎新技術(shù)、低溫膜過(guò)濾系統(tǒng)生產(chǎn)純生啤酒技術(shù)的使用，麥汁煮沸外循環(huán)加熱裝置、麥糟干式輸送設(shè)備、麥汁一段冷卻及冰水制備裝置等都實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，國(guó)內(nèi)自主創(chuàng)新的新型燭式硅藻土過(guò)濾機(jī)在啤酒生產(chǎn)企業(yè)推廣應(yīng)用；酒精廠采用循環(huán)粉碎新工藝設(shè)備、真空冷卻連續(xù)糖化設(shè)備、酒精大罐連續(xù)發(fā)酵技術(shù)裝備、六塔節(jié)能差壓蒸餾設(shè)備等；生物加工高新技術(shù)逐漸在生產(chǎn)中得以應(yīng)用，如分子蒸餾技術(shù)、二氧化碳超臨界萃取技術(shù)等，現(xiàn)國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出30余種分子蒸餾新產(chǎn)品，建成數(shù)十條生產(chǎn)線，將分子蒸餾技術(shù)向工業(yè)化推進(jìn)了一步，最近開(kāi)發(fā)成功的分子蒸餾成套工業(yè)化裝置，實(shí)現(xiàn)了高真空下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并具有適應(yīng)性廣、可調(diào)性能好的特點(diǎn)[9，10]。

綜合來(lái)看，生物反應(yīng)器向著大型化、自動(dòng)化發(fā)展。這主要體現(xiàn)在個(gè)體反應(yīng)器容積的日益擴(kuò)大，自動(dòng)化水平的逐漸提高，如抗生素發(fā)酵罐容積達(dá)到400 m3，氨基酸反應(yīng)器790 m3，單細(xì)胞蛋白反應(yīng)器達(dá)2 000 m3，酒精大罐發(fā)酵罐容積達(dá)3 800 m3，反應(yīng)器容積的增大有利于降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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