¿Cómo puede el diseño de la estructura del tanque de fermentación tener en cuenta tanto la resistencia a la presión como la facilidad de limpieza?

Con la mejora continua de los requisitos de rendimiento para tanques en industrias como la alimentaria, la farmacéutica y la de fermentación biológica, garantizar que los equipos sean fáciles de limpiar y desinfectar, a la vez que cumplen con la capacidad de resistencia a la presión, se ha convertido en un problema urgente para los ingenieros de diseño. Este artículo explora en profundidad las ideas de diseño y las medidas específicas de la estructura del tanque que consideran tanto la presión como la facilidad de limpieza, desde aspectos como los principios de diseño, los materiales y el tratamiento de superficies, la optimización estructural, las vías de limpieza, así como el sellado y el drenaje.

I. Requisitos básicos de tolerancia a la presión

En la mayoría de las aplicaciones industriales, los tanques deben soportar las presiones estáticas y dinámicas generadas por los líquidos, gases o vapores que contienen, así como las cargas peligrosas que pueden producirse por sobrepresión. Al diseñar el cuerpo del tanque, se deben aclarar primero los siguientes puntos:

• "Presión de diseño"

La presión de diseño del tanque generalmente se determina por los requisitos del proceso. Por ejemplo, la tanque de fermentación Debe soportar una presión de esterilización por vapor de 0,1 a 1,5 bar, o la presión instantánea local generada por la agitación a presión. Durante el diseño, se deben definir claramente la presión máxima de trabajo y el margen de seguridad, y se debe realizar una verificación estructural de acuerdo con el Código de Diseño de Recipientes a Presión o la Directiva CE PED.

• forma de carga de presión

Además de la presión hidrostática, si existen condiciones como agitación, inyección de gas o circulación de aire en el conducto ascendente, es necesario considerar la influencia de la carga dinámica, la carga desequilibrada y la presión pulsante sobre la pared del tanque y la estructura de soporte.

• Cálculo del factor de seguridad y de la resistencia

En función del medio utilizado, la temperatura, las características de resistencia del material, etc., seleccione un factor de seguridad adecuado (como 1,5-2,0) y realice una verificación de la resistencia del espesor de la pared del tanque, la curvatura de la tapa, las nervaduras de soporte, etc., mediante análisis de elementos finitos o cálculo manual para garantizar que no se produzca ninguna deformación plástica ni inestabilidad en las condiciones de trabajo más severas.

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II. Requisitos básicos para una limpieza fácil

La limpieza sanitaria (Sistema de limpieza CIP, Esterilización SIP) del equipo requiere que las superficies internas y externas del tanque sean lisas, sin esquinas muertas, que el líquido pueda drenar fácilmente y que sean compatibles con agua caliente, vapor a alta temperatura y un cierto caudal de enjuague con agente de limpieza. En concreto:

• Acabado superficial

La superficie interna debe alcanzar un valor de Ra ≤ 0,8 μm (o inferior) para evitar la retención microbiana y la acumulación de residuos. La suavidad se logra mediante procesos como el pulido, el arenado y el acabado espejo.

• "Diseño sin puntos ciegos."

El tanque debe evitar ángulos agudos de 90°, puntos ciegos y protuberancias innecesarias. Se recomienda utilizar conexiones y transiciones en arco para asegurar que el líquido de limpieza fluya sin problemas hacia la salida de aguas residuales por efecto de la gravedad y la fuerza de abrasión.

• Sistema de pulverización CIP

Instale varias boquillas o tubos de pulverización de 360°. La disposición de los cabezales de pulverización debe cubrir la parte superior, las paredes laterales y la base del tanque para garantizar el alcance y la superposición de la pulverización. Generalmente, se recomienda una cobertura de pulverización de al menos el 95 %.

• La ubicación y la forma de la salida de aguas residuales

La salida de aguas residuales debe estar ubicada en el punto más bajo del fondo del tanque o ligeramente por encima del punto más bajo, en combinación con el ángulo de inclinación (conicidad del fondo ≥135°), para que el líquido residual pueda ser recogido y descargado rápidamente durante la descarga.

III. Estrategia de diseño estructural

1. Forma de la pared y la cabeza del tanque

• Diseño del espesor del material de la pared

Para cumplir con los requisitos de presión de diseño, y según el diámetro y la altura del tanque, el espesor de la pared debe ser entre 100 y 50 veces el diámetro del tanque. Para tanques pequeños con una capacidad inferior a 200 litros, se puede utilizar acero inoxidable S304 o S316L, con un espesor de pared generalmente entre 2,5 y 3,0 mm. Para tanques industriales de gran tamaño, la determinación debe basarse en los resultados de los cálculos o en las normas vigentes.

• "Diseño de curvatura de la cabeza."

El cabezal abovedado o esférico distribuye mejor la tensión y ofrece una mayor resistencia a la presión en comparación con el cabezal plano. Se recomienda elegir un cabezal hemisférico (radio = 0,5 × diámetro del tanque) o elíptico (relación 2:1), ya que reduce la concentración de tensiones y facilita la limpieza. Se adopta una transición de arco circular entre el cabezal y el panel de la pared, con un radio de arco no inferior a 2 × espesor de la pared.

2. Soldadura y soporte de la horquilla del cuerpo del tanque

• Posición y forma de la soldadura

Procure colocar las soldaduras longitudinales simétricas y las soldaduras circunferenciales en la parte exterior del cuerpo del tanque para evitar biseles de soldadura continuos en la superficie interior. En el caso de las soldaduras internas, que son inevitables, se debe realizar un pulido completo, tanto interno como externo, de la soldadura después de soldar para que la rugosidad superficial de la soldadura sea similar a la del metal base.

• Diseño de la estructura de soporte

Al sostener el trípode o el cojinete de anillo circular, se debe tener en cuenta la estabilidad general y la facilidad de limpieza. Para tanques sanitarios, generalmente se adopta un soporte de cuna circular y se evita el uso de estabilizadores rectangulares. Hay suficiente espacio entre las bases para facilitar el flujo del agente de limpieza y la inspección del personal.

3. Tuberías internas y diseño de rociadores

• Diseño del sistema de rociadores

Se instalan una o más bolas de pulverización CIP en la parte superior, y las tuberías de pulverización se ubican adecuadamente en las paredes laterales o en el centro. Generalmente, se requiere una presión de ≥2 bar y una velocidad de pulverización de ≥2 m/s. Se prefiere que la boquilla esté fabricada con politetrafluoroetileno (PTFE), material resistente al calor y a la corrosión, y desmontable para facilitar el mantenimiento.

• Salto y soporte de la tubería interna

Todas las tuberías internas (puertos de muestreo, sensores de temperatura, medición de nivel de líquido, etc.) deben utilizar codos o abrazaderas sanitarias siempre que sea posible para evitar tramos irregulares en ángulo recto que no se puedan limpiar. Los soportes o abrazaderas de guía deben ser desmontables y mantenerse a una distancia de 2 a 3 mm de la pared del tanque, en la medida de lo posible, para reducir las zonas de difícil acceso para la limpieza.

IV. Materiales y tratamiento de superficies

1. Selección de materiales

• Grados comunes de acero inoxidable
• S304: Adecuado para condiciones de trabajo convencionales, con resistencia a la corrosión media. Se utiliza en condiciones de trabajo que no requieren una resistencia a la corrosión extremadamente alta, como los procesos de purificación de agua para la industria alimentaria.
• S316L: Contiene molibdeno, por lo que tiene mayor resistencia a la corrosión por picaduras de cloruro. Es adecuado para fermentación biológica, medicina, agua de mar o ambientes con alta salinidad. Se recomienda utilizar componentes clave como: tanques de fermentación y tanques de medicamentos líquidos.
• Juntas y empaquetaduras
• Silicona: Es resistente al calor, tiene buena elasticidad y un precio moderado. Se utiliza principalmente como junta para tapas de latas. No sufre erosión significativa en alcoholes ni ácidos débiles.
• Caucho fluorado (FKM/Viton): Posee una excelente resistencia al calor, a la corrosión y al aceite, aunque su elasticidad es ligeramente inferior a la del caucho de silicona. Se utiliza principalmente en entornos que requieren una alta estabilidad química.
• EPDM: Resistente al envejecimiento a altas temperaturas y de bajo costo, pero con poca resistencia al aceite. Puede utilizarse en ambientes sin aceite a temperaturas inferiores a +150 ℃.

2. Proceso de tratamiento de superficie

• Pulido de la superficie interior

El proceso de pulido debe lograr un efecto de espejo o casi espejo, y el requisito convencional es Ra ≤ 0,8 μm. Si el proceso exige estándares de higiene más elevados, se puede realizar un pulido fino con Ra ≤ 0,4 μm. Tras el pulido, se deben llevar a cabo un decapado y una pasivación para garantizar la integridad de la película de óxido superficial y mejorar la resistencia a la corrosión.

• Rectificado de cordones de soldadura

La soldadura interna se lija varias veces. El tamaño del grano se reduce gradualmente con bandas abrasivas o papel de lija, y finalmente se pule con pasta de pulir o discos de lana para reducir la rugosidad de la superficie de la soldadura.

• Lavado ácido en todo el cuerpo

Una vez completado el ensamblaje estructural, se decapa toda la estructura para eliminar las limaduras de hierro y los óxidos de la zona afectada por el calor de la soldadura. A continuación, se pasiva con ácido nítrico al 10-20% y se enjuaga hasta alcanzar un pH neutro para garantizar que la superficie cumpla con los estándares de calidad.

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V. Diseño de optimización estructural

1. Estructura inferior y diseño del ángulo de inclinación

• Fondo cónico y fondo esférico

Fondo cónico: El fondo cónico común de 45° a 60° permite dirigir rápidamente el líquido residual hacia la salida de aguas residuales. Además, si se requiere un proceso de lixiviación al vacío o sedimentación, se puede considerar un diseño con fondo plano o con fondo plano y cono interior con zona de sedimentación central.

Fondo esférico: El fondo esférico ofrece mayor resistencia a la compresión, pero su procesamiento es más complejo y costoso. Es adecuado para condiciones de alta presión o situaciones donde se requiere la eliminación completa de residuos.

• Inclina el ángulo inferior

Si se opta por una combinación de fondo plano y cono de borde ancho, se recomienda que la pendiente de inserción sea de al menos 135°. Una pendiente superior a 135° puede reducir aún más las zonas muertas. En el centro del fondo se debe instalar una válvula de bola de instalación rápida con un diámetro de DN50 o superior.

2. Forma y soporte del tanque

• Cuerpo del tanque cilíndrico

Los tanques cilíndricos distribuyen la presión de manera uniforme y poseen una excelente capacidad de resistencia. Con el mismo volumen, los tanques cilíndricos consumen menos material y son más ligeros.

Se recomienda que el diseño del soporte sea de tipo anular, el cual puede soldarse al chasis o formarse en una sola pieza para garantizar una altura moderada y suficiente espacio para el lavado.

• Costillas de refuerzo y soporte del anillo exterior

En el caso de depósitos de tamaño mediano y grande, se pueden soldar nervaduras de refuerzo longitudinales o circunferenciales a la pared exterior para evitar que el depósito se abombe o sufra inestabilidad localizada bajo alta presión.

Las nervaduras de refuerzo deben colocarse lo más externamente posible. Tras la soldadura, se puede pulir la superficie exterior. No debe haber nervaduras en el interior para evitar tener que limpiar rincones difíciles.

VI. Diseño de sellado y drenaje

1. Pozo de registro y puerto de inspección

• Tamaño y posición de la alcantarilla

Las bocas de inspección se utilizan para el mantenimiento, la limpieza y la inspección diarios. Los tamaños más comunes van desde DN400 hasta DN500. Se recomienda instalarlas en la parte superior central del tanque para evitar interferencias con las bolas rociadoras integradas.

La tapa de la alcantarilla debe estar equipada con pernos de fijación rápida o una estructura de abrazadera de tres mordazas, lo que facilita el desmontaje y garantiza un sellado fiable.

• Espejo visual y lámpara de espejo visual

Si es necesario observar con frecuencia los cambios del proceso dentro del tanque, se pueden instalar mirillas con brida de acero inoxidable (DN100 - DN150) en las paredes laterales, equipadas con lámparas antivaho para la iluminación. Realice una transición en ángulo recto entre la mirilla y la parte inferior del marco para facilitar la limpieza.

2. Salida y válvula de aguas residuales

• "Forma de válvula de purga.

Generalmente se utilizan válvulas de bola o de mariposa sanitarias de instalación rápida, con conexiones de abrazadera. La superficie esférica de la válvula está pulida a Ra ≤ 0,8 μm, y el núcleo de la bola también está pulido.

La salida de aguas residuales debe ubicarse en el punto más bajo del fondo. Si el fondo del tanque es plano con un cono interior, la válvula de aguas residuales debe instalarse en el centro del cono. Si el fondo es cónico o esférico, la válvula puede soldarse directamente al fondo.

• Puertos de alivio de presión y ventilación

El puerto de alivio de presión está equipado con una válvula de seguridad o una válvula de ventilación de presión diferencial para evitar que la presión interna supere el límite. La válvula de ventilación debe instalarse en la parte superior o en el punto más alto del lateral del tanque, con una diferencia de altura de 50 a 90 cm respecto al cuerpo del tanque, para evitar que el material expulsado entre en el ambiente circundante. Se puede instalar un filtro sanitario (0,2 μm) en la salida de la válvula de ventilación para garantizar una respiración estéril.

3. Limpieza del reflujo y la circulación

• Tubería de reflujo CIP

Durante el diseño, se puede reservar un puerto de reflujo CIP en la parte inferior del tanque para hacer circular el agente de limpieza junto con el sistema de agitación o pulverización. El puerto de reflujo CIP debe estar equipado con una conexión de abrazadera, tener el mismo grado de pulido y su interfaz debe estar alineada con la válvula para reducir el riesgo de obstrucción.

• Pendiente y vaciado de la tubería

Todas las tuberías soldadas (puertos de entrada, salida, muestreo, interfaces de sensores, etc.) deben mantener una pendiente de 2 a 3 grados para evitar la acumulación de líquido durante la limpieza o el vaciado. Los soportes de las tuberías deben ser ajustables para garantizar que la pendiente cumpla con los requisitos durante la instalación.

Sistema de fermentación con biorreactor MIKEBIO para probióticos

VII. Conveniencia de instalación y mantenimiento

1. Diseño de componentes desmontables

• Las bolas y los tubos pulverizadores son desmontables.

La bola rociadora se conecta a la tubería mediante abrazaderas de instalación rápida, que se pueden desmontar en cualquier momento para su mantenimiento o sustitución. El tubo rociador puede equiparse con un soporte sobre la pared lateral del tanque, que facilita su extracción para la limpieza una vez desmontado.

• Los pies de apoyo y la base son ajustables.

Si se utilizan patas horizontales ajustables, resulta sencillo regular el nivel del tanque en terrenos irregulares, lo que facilita la descarga e instalación de aguas residuales. Las placas base de las patas de soporte deben estar equipadas con almohadillas antideslizantes o pernos de anclaje ajustables para garantizar la estabilidad del equipo.

2. Fácil de inspeccionar y mantener

• Puertos de detección comunes e interfaces de instalación rápida.

Reserve interfaces de instalación rápida en puntos clave del tanque (como el indicador de nivel de líquido, el sensor de temperatura y el manómetro) para garantizar que no sea necesario apagar la máquina durante el mantenimiento del instrumento. Se debe crear una transición en arco circular entre la base del instrumento y la pared del tanque para evitar esquinas afiladas durante la limpieza.

• Plataformas externas y espacios operativos

Si el tanque es relativamente alto, se debe instalar una plataforma de mantenimiento o una barandilla. Asimismo, es necesario asegurar un espacio de 100 a 150 mm entre la plataforma y el tanque para facilitar el flujo del agente de limpieza desde debajo de la plataforma hacia la pared exterior del tanque.

VIII. Demostración de un caso práctico

Tomando un cierto 200-L tanque de fermentación biológica A modo de ejemplo, explique brevemente los puntos clave de su diseño que tienen en cuenta tanto la presión como la limpieza:

• La presión de diseño del cuerpo del tanque es de 0,1 bar g, y la presión de la camisa es de 1,0 bar g. El espesor de pared del cuerpo del tanque es de 3,0 mm, el de la camisa es de 2,0 mm y está fabricado en acero inoxidable S316L. El cuerpo del tanque es cilíndrico, con una parte superior hemisférica y una base cónica de 60°.
• Tratamiento superficial: La superficie interior se pule hasta alcanzar un rugosidad Ra ≤ 0,6 μm, y la superficie exterior se somete a chorro de arena y pulido para prevenir la corrosión. Todas las soldaduras internas se lijan y pulen varias veces.
• Sistema CIPSe han instalado dos boquillas de pulverización en la parte superior (cobertura de 360°), y la boquilla central se encuentra a mayor altura que la pared interior del tanque. En las paredes laterales se han instalado dos conjuntos de tubos de pulverización, que pueden utilizarse para la pulverización complementaria lateral una vez finalizada la fermentación. El material de los tubos es acero inoxidable 316L, con un diámetro interior de 25 mm y una distribución uniforme.
• Purga y válvulas: Fondo cónico con válvula de bola de abrazadera DN50 en el centro, y la superficie interior del cuerpo de la válvula tiene un acabado pulido a espejo. La pendiente del fondo es de 55° para garantizar la rápida recogida de la solución de limpieza.
• Pozo de registro y mirilla: En el centro de la pared lateral se encuentra un pozo de registro DN500 con pernos de liberación rápida y arandelas de silicona. Equipado con mirillas DN150, el marco de las mirillas está pulido y la superficie de contacto de las mismas presenta una transición en arco R10 para evitar puntos muertos.
• Sensores y puertos de muestreo: Todas las interfaces de los sensores son asientos soldados mediante abrazaderas, y las posiciones de instalación son opuestas al sistema de pulverización. La válvula de muestreo se conecta mediante una abrazadera y es desmontable, lo que facilita su limpieza.
• Soporte e instalación: La base consta de dos anillos de soporte semicirculares, colocados horizontalmente mediante pernos de anclaje ajustables. Existe un espacio de 150 mm entre el anillo de soporte y el suelo para facilitar el flujo de vapor de agua y agentes de limpieza, y al mismo tiempo, para que el personal pueda realizar inspecciones cómodamente.

Mediante el diseño anterior, este tanque de fermentación Puede funcionar con normalidad bajo condiciones de esterilización por vapor a 121 ℃ y, al mismo tiempo, lograr una limpieza eficiente en el modo de ciclo CIP, teniendo en cuenta los requisitos duales de resistencia a la presión y facilidad de limpieza.

IX. Conclusión

El diseño de la estructura del tanque debe lograr un equilibrio entre la capacidad de soportar presión y la facilidad de limpieza. Requiere una consideración integral de múltiples dimensiones, tales como la presión de diseño, los materiales y el tratamiento de la superficie, la forma estructural, la disposición del sistema CIP y los métodos de descarga de aguas residuales. Específicamente:

• Seleccione de forma adecuada el tipo de cabezal del tanque (cabezal hemisférico, cabezal elíptico), optimice el espesor de la pared y el soporte para cumplir con la tolerancia de presión.
• El pulido de la superficie interior y la transición en arco reducen los rincones muertos, mejoran el acabado de la superficie y facilitan la limpieza.
• La disposición del sistema de pulverización y de las válvulas de desagüe debe ser completa para garantizar la tasa de cobertura de limpieza y la rápida descarga del líquido residual.
• Los componentes desmontables y los diseños de fácil mantenimiento, como las tapas de registro en las interfaces de las abrazaderas, las bolas de pulverización, los asientos de los sensores, etc., mejoran la eficiencia del mantenimiento diario.
• El tratamiento de los materiales y las soldaduras es riguroso. Se utiliza acero inoxidable S316L y juntas aptas para uso alimentario, y las soldaduras se pulen varias veces para reducir el riesgo de adhesión bacteriana. Solo mediante una comprensión exhaustiva de los requisitos del proceso, combinada con un análisis de mecánica estructural y principios de diseño higiénico, se puede diseñar un tanque altamente eficiente, seguro, fiable y fácil de limpiar y desinfectar. Para la producción, el mantenimiento y las actualizaciones posteriores, este diseño, que considera tanto la resistencia a la presión como la facilidad de limpieza, mejorará significativamente la disponibilidad y el valor del ciclo de vida del equipo.

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