Wie man ein energiearmes Rühr- und Gasversorgungssystem für einen biologischen Gärtank entwirft
In der biologischen Fermentationsindustrie ist der Energieverbrauch von Gärtanks Der Energieverbrauch konzentriert sich hauptsächlich auf das Rühr- und das Gasversorgungssystem. Insbesondere bei der großtechnischen Fermentation (z. B. von Enzympräparaten, Aminosäuren, organischen Säuren, Antibiotika usw.) machen diese beiden Komponenten üblicherweise 40 % bis 60 % des Gesamtenergieverbrauchs aus. Daher ist die Optimierung dieser beiden Teilsysteme der Schlüssel zur Energieeinsparung, Emissionsreduzierung und Wirtschaftlichkeitssteigerung.
In diesem Beitrag wird untersucht, wie ein hocheffizientes und energiearmes Rühr- und Gasversorgungssystem unter Berücksichtigung von Prozessanforderungen, Gerätestruktur, Steuerungsstrategien usw. entworfen werden kann.
I. Designziele und Grundprinzipien
1.1 Grundlegende Ziele energiesparenden Designs
- Die Leistung der Rührwelle wird reduziert, um den Energieverbrauch des Motors zu senken und gleichzeitig die Anforderungen an Stoffaustausch und Durchmischung zu erfüllen.
- Verbesserung der Gasausnutzung und Reduzierung des Gasverbrauchs (insbesondere von reinem Sauerstoff).
- Dynamische Regelung erreichen und Energieverbrauch und -ausbeute in verschiedenen Fermentationsphasen intelligent aufeinander abstimmen.
1.2 Der Bedarf an Gas-Flüssigkeits-Stoffaustausch in biologischen Reaktionen
Das Wachstum von Mikroorganismen und die Bildung ihrer Produkte reagieren sehr empfindlich auf die Sauerstoffzufuhr und die Gleichmäßigkeit der Durchmischung. Zu den wichtigsten Parametern gehören:
- Sauerstofftransferrate (OTR)
- Rührleistung (Mischzeit)
- Gasnutzungsgrad (KLa-Koeffizient)
Während des Entwurfsprozesses sollte sichergestellt werden, dass die minimale Leistungsaufnahme den erforderlichen KLa-Wert erreicht.
MIKEBIO Produktions-Bioreaktor-Fermentationssystem
II. Energiesparendes Design des Rührsystems
2.1 Wählen Sie den geeigneten Mischertyp aus.
Die gebräuchlichsten Rührwerkstypen und ihre Eigenschaften sind wie folgt:
| Rührwerkstyp | Merkmale | Energieverbrauch | Anwendung |
| Traditioneller Rushton-Turbo | Starke Scherkräfte und hohe Stoffaustauscheffizienz | Hoch | Hohe Viskosität und hoher Sauerstoffbedarf |
| Antriebstyp mit gefalteten Rotorblättern (PBT) | Druckströmungstyp, gleichmäßige Mischung | Mitte | Großtechnisches Belüftungs- und Niedrigviskositätssystem |
| Hocheffizientes mehrschichtiges Verbundlaufrad | Vernünftiges Design, hohe KLa | untere | Anlässe mit mittlerer und geringer Scherung |
Empfehlung: Unter den gleichen KLa-Bedingungen kann der Energieverbrauch durch den Einsatz von energiesparenden Propellern oder Verbundlaufrädern um 20 bis 40 % gesenkt werden.
2.2 Optimierung der mehrstufigen Rührstruktur
Das geschichtete Laufrad (oben kleiner, unten größer) wird verwendet, um die axialen Leistungsverluste zu reduzieren.
Um die Gleichmäßigkeit des Strömungsfeldes zu verbessern, werden obere und untere Ablenkscheiben hinzugefügt.
Die Drehzahl der Rührwelle sollte synchron mit der Belüftungsrate geregelt werden, um übermäßigen Energieverbrauch zu vermeiden.
Experimente zeigen, dass in 1-2 m³ GärtanksDurch den Einsatz von dreilagigen PBT-Laufrädern kann der Energieverbrauch um etwa 30 % gesenkt werden, während KLa nahezu unverändert bleibt.
2.3 Rührmotor und Frequenzumrichtersteuerung
Wählen Sie hocheffiziente und energiesparende Motoren (IE3 oder höher).
Einführung eines Frequenzumrichters zur automatischen Drehzahlregelung (basierend auf DO- oder pO₂-Rückkopplung)
Legen Sie die Geschwindigkeitskurven für verschiedene Phasen fest (z. B. hohe Geschwindigkeit während der Anfahrphase und niedrige Geschwindigkeit während der stabilen Phase).
III. Energiesparende Auslegung des Gasversorgungssystems
3.1 Grundlegende Komponenten des Lüftungssystems
- Gasquelle: Luftkompressor, Reinsauerstoffflasche, Sauerstoffkonzentrator
- Gasregeleinheit: Durchflussmesser, Magnetventil, Proportionalventil
- Verteilungsmethode: Ringförmiger Luftverteiler am Boden, Mikroporen-Diffusor
3.2 Strategien zur Reduzierung des Gasverbrauchs
(1) Verbesserung der Sauerstoffauflösungseffizienz (KLa
In Kombination mit der Optimierung des Rührens wird die Verweildauer der Blasen in der Flüssigkeit erhöht.
Es wird ein Mikroblasengenerator verwendet, bei dem die Blasenpartikelgrößen im Bereich von 1 bis 10 μm liegen, wodurch die Kontaktfläche deutlich vergrößert wird.
Die Luftverteiler sollten so angeordnet werden, dass eine gleichmäßige Verteilung der Blasen gewährleistet ist.
(2) Gasversorgung in Stufen
Führen Sie das segmentierte Lüftungssystem ein:
- Wachstumsperiode: Hohes Luftvolumen, niedrige Sauerstoffkonzentration (hauptsächlich Luft)
- Produktsynthesephase: Mittleres Gasvolumen, dem ein Teil reiner Sauerstoff zugesetzt wird
- Stabile Phase: Niedriges Gasvolumen, Aufrechterhaltung des Zustands
Es kann den Verbrauch von Druckluft/reinem Sauerstoff deutlich reduzieren und den Energieverbrauch senken.
3.3 Gebläse mit variabler Frequenz + Sauerstoffkonzentrationsregelung
Verwenden Sie einen frequenzverstellbaren Luftkompressor, um den Luftdruck/das Luftvolumen entsprechend dem tatsächlichen DO anzupassen.
DO-Sonde installieren → Verbindung mit der SPS herstellen → Gaszufuhr automatisch anpassen
Ersetzen Sie die herkömmliche Methode der konstanten Gaszufuhr (Gebläse mit konstanter Drehzahl + manuelle Sauerstoffregulierung).
Beispiel: Nachdem eine bestimmte biopharmazeutische Fabrik diese Strategie angewendet hatte, sparte sie jährlich etwa 12 % Strom ein und die Sauerstoffkosten sanken um 18 %.
3.4 Rückgewinnung und Nutzung von Abgasen
Im reinen Sauerstoff FermentationssystemDas Ansaugluftvolumen wird überwacht und über die Sauerstoffkonzentration im Abgas zurückgeführt.
Es ist möglich, die Rückgewinnung von CO₂ oder thermischer Energie zur Temperaturregelung oder zur Fermentation von Nebenprodukten in Betracht zu ziehen.
IV. Intelligente Steuerung und Systemintegration
4.1 Verriegelungssteuerungsstrategie
Erstellung von Regelungsmodellen für gelösten Sauerstoff, pH-Wert, Gasvolumen und Drehzahl
Die Echtzeitregelung wird durch PID-Regler oder KI-Logikalgorithmen erreicht.
Vermeiden Sie unnötige Überlastung des Rührwerks und Gasverschwendung.
4.2 CFD-Simulation zur Optimierung der Struktur
In der Entwurfsphase wird die numerische Strömungsmechanik (CFD) eingesetzt, um das Strömungsfeld und die Blasenverteilung zu simulieren.
Bewerten Sie den Einfluss verschiedener Rührwerksformen, Luftverteilerformen und -positionen auf die Energieeffizienz.
Dadurch können erhebliche Testkosten eingespart und die Erfolgsquote von Einmalkonstruktionen verbessert werden.
V. Fallanalyse und Vergleich
Fallbeispiel: Vergleich der energiesparenden Sanierung von 1000-Liter-Fermentationstanks (Ein bestimmtes Pharmaunternehmen)
| Projekt | Vor der Renovierung (traditionelles Rühren + konstante Gaszufuhr) | Nach der Renovierung (Energiesparsystem) |
| Rührkraft | 4,0 kW/h | 2,8 kW/h (Variable Frequenz + Hocheffizienz-Laufrad) |
| Gasströmung | 1,5 vvm Konstant während des gesamten Prozesses |
|
| Durchschnittliche DO-Stabilität |
| ±5% |
| 35000 kWh | 26000 kWh |
| -- | Etwa 25 % |
MIKEBIO 5*30T mikrobielles Fermentationssystem
VI. Schlussfolgerung
Die Entwicklung eines energieeffizienten Rühr- und Gasversorgungssystems für die biologische Fermentation ist nicht nur eine Anforderung an Energieeinsparung und Emissionsreduzierung, sondern auch ein zentraler Wettbewerbsvorteil für Unternehmen zur Steigerung der Produktionseffizienz und Senkung der Betriebskosten. Durch die Wahl des geeigneten Rührgeräts, die Optimierung der Gaszufuhr und den Einsatz intelligenter Steuerungstechnik lässt sich der Energieverbrauch deutlich reduzieren, ohne die Produktionsrate zu beeinträchtigen.
Mit dem Fortschritt energiesparender Vorschriften und umweltfreundlicher Produktionsverfahren wird die Energieeffizienzoptimierung zukünftiger Fermentationssysteme ausgefeilter, intelligenter und systematischer erfolgen. Konstrukteure und Betreiber sollten sich aktiv mit neuen Technologien auseinandersetzen und den breiten Einsatz energiesparender Anlagen in der Fermentationsindustrie fördern.
Andererseits, bei der Auswahl eines Bioreaktor-FermenterUm die Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, einen zuverlässigen Hersteller mit gutem Ruf und entsprechender Leistungsfähigkeit zu finden. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. wurde 2008 gegründet und ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von Anlagen zur biologischen Fermentation spezialisiert hat. Unser Unternehmen verfügt über eine Pilotfermentationsplattform mit integrierter Intelligenz und Automatisierung sowie ein ausgereiftes Fermentationssystem. Dieses ermöglicht die Optimierung des Pilotfermentationsprozesses, die Inbetriebnahme aller Prozessschritte von der Pilotfermentation bis zur Trennung und Reinigung der Fermentationsprodukte und die Einrichtung einer Doktorarbeitsstation sowie eines modernen Labors.
Unser Unternehmen verfügt über eine standardisierte Produktionsanlage mit kompletten Ausrüstungssätzen und Werkzeugen, die für die Installation erforderlich sind. Dazu gehören hauptsächlich verschiedene Werkzeugmaschinen, eine automatische Argon-Lichtbogenschweißanlage, eine automatische Poliermaschine, eine automatische Schneidemaschine und eine Fehlererkennungsmaschine sowie mehr als 60 weitere Produktions- und Prüfgeräte. Der gesamte Produktionsprozess entspricht modernen Standards, um den Kunden professionelle Qualität und technischen Support zu bieten.