Comment la conception de la structure de la cuve de fermentation peut-elle prendre en compte à la fois la résistance à la pression et la facilité de nettoyage ?

Face à l'amélioration constante des performances des cuves dans des secteurs tels que l'agroalimentaire, la pharmacie et la fermentation biologique, garantir la facilité de nettoyage et de désinfection des équipements tout en assurant leur résistance à la pression est devenu un enjeu majeur pour les ingénieurs concepteurs. Cet article explore en détail les principes de conception et les solutions spécifiques pour la structure des cuves, en tenant compte à la fois de la pression et de la facilité de nettoyage. Il aborde notamment les principes de conception, les matériaux et les traitements de surface, l'optimisation structurelle, les voies de nettoyage, ainsi que l'étanchéité et le drainage.

I. Exigences de base en matière de tolérance à la pression

Dans la plupart des applications industrielles, les réservoirs doivent résister aux pressions statiques et dynamiques exercées par les liquides, les gaz ou les vapeurs qu'ils contiennent, ainsi qu'aux contraintes dangereuses pouvant survenir en cas de surpression. Lors de la conception du corps du réservoir, les points suivants doivent être clarifiés au préalable :

• « Pression de conception »

La pression de conception du réservoir est généralement déterminée par les exigences du procédé. Par exemple, cuve de fermentation L'appareil doit résister à une pression de stérilisation à la vapeur de 0,1 à 1,5 bar, ou à la pression instantanée locale générée par l'agitation sous pression. Lors de sa conception, la pression de service maximale et la marge de conception doivent être clairement définies, et une vérification structurelle doit être effectuée conformément au « Code de conception des appareils à pression » ou à la directive CE PED.

• Forme de charge de pression

Outre la pression hydrostatique, en présence de conditions telles que l'agitation, l'injection de gaz ou la circulation d'air dans la colonne montante, il convient de prendre en compte l'influence de la charge dynamique, de la charge déséquilibrée et de la pression pulsatoire sur la paroi du réservoir et la structure de support.

• calcul du coefficient de sécurité et de la résistance

En fonction du fluide utilisé, de la température, des caractéristiques de résistance du matériau, etc., sélectionnez un facteur de sécurité approprié (par exemple 1,5 à 2,0) et effectuez une vérification de la résistance de l'épaisseur de la paroi du réservoir, de la courbure du fond, des nervures de support, etc., par analyse par éléments finis ou par calcul manuel afin de garantir qu'aucune déformation plastique ou instabilité ne se produise dans les conditions de travail les plus sévères.

Système de fermentation par bioréacteur à culture cellulaire MIKEBIO

II. Exigences de base pour un nettoyage facile

Le nettoyage sanitaire (système de nettoyage CIP, Stérilisation SIPL'équipement exige que les surfaces intérieure et extérieure du réservoir soient lisses, sans recoins, faciles à vidanger et compatibles avec l'eau chaude, la vapeur à haute température et un débit précis de produit de nettoyage. Plus précisément :

• Finition de surface

La rugosité de la surface interne doit atteindre Ra ≤ 0,8 μm (ou moins) afin d'éviter la rétention microbienne et les résidus de matière. La régularité de l'état est obtenue par des procédés tels que le polissage, le sablage et le fini miroir.

• « Concevoir sans angles morts. »

Le réservoir doit éviter les angles vifs à 90°, les zones d'ombre et les saillies inutiles. L'utilisation de raccords et de transitions en arc est recommandée afin de garantir un écoulement fluide du liquide de nettoyage vers l'évacuation des eaux usées sous l'effet de la gravité et de la force de frottement.

• Système de pulvérisation CIP

Installez plusieurs boules ou tuyaux de pulvérisation à 360°. La disposition des têtes de pulvérisation doit couvrir le haut, les parois latérales et le fond de la cuve afin d'assurer une portée et un taux de recouvrement optimaux. Il est généralement recommandé que le taux de couverture de pulvérisation soit supérieur ou égal à 95 %.

• L'emplacement et la forme de la sortie des eaux usées

La sortie des eaux usées doit être placée au point le plus bas au fond du réservoir ou légèrement au-dessus du point le plus bas, en combinaison avec l'angle d'inclinaison (conicité du fond ≥135°), afin que le liquide résiduel puisse être rapidement collecté et évacué lors de la chasse d'eau.

III. Stratégie de conception structurelle

1. Forme de la paroi et du fond du réservoir

• Conception de l'épaisseur du matériau de paroi

Pour respecter les exigences de pression de conception, l'épaisseur de paroi doit être ≥ diamètre du réservoir / 100 à / 50, en fonction de son diamètre et de sa hauteur. Pour les petits réservoirs d'une capacité inférieure à 200 litres, on peut utiliser de l'acier inoxydable S304 ou S316L, avec une épaisseur de paroi généralement comprise entre 2,5 et 3,0 mm. Pour les grands réservoirs industriels, le choix de l'épaisseur doit se faire sur la base des résultats de calcul ou des normes en vigueur.

• "Conception de la courbure de la tête.

Le fond bombé ou sphérique répartit mieux les contraintes et offre une meilleure résistance à la pression que le fond plat. Il est recommandé d'opter pour un fond hémisphérique (rayon = 0,5 fois le diamètre de la cuve) ou elliptique (elliptique de rapport 2:1), ce qui permet non seulement de réduire la concentration des contraintes, mais aussi de faciliter le nettoyage. La transition entre le fond et la paroi est réalisée par un arc de cercle dont le rayon est au moins égal à deux fois l'épaisseur de la paroi.

2. Soudage et support de la fourche du corps du réservoir

• Position et forme de la soudure

Essayez de placer les soudures longitudinales et circonférentielles symétriques à l'extérieur du corps du réservoir afin d'éviter les chanfreins de soudure continus sur la surface intérieure. Pour les cordons de soudure internes inévitables, un polissage complet, interne et externe, doit être effectué après soudage afin d'obtenir une rugosité de surface proche de celle du métal de base.

• Conception de la structure de support

Lors du support d'un trépied ou d'une bague de centrage, la stabilité générale et la facilité de nettoyage doivent être prises en compte. Pour les cuves sanitaires, un support à berceau circulaire est généralement privilégié, et l'utilisation de stabilisateurs rectangulaires est proscrite. L'espace entre les bases est suffisant pour faciliter la circulation du produit de nettoyage et l'inspection par le personnel.

3. Conception de la tuyauterie interne et du système de pulvérisation

• Schéma du système d'arrosage automatique

Une ou plusieurs boules de lavage NEP sont installées en partie supérieure, et des tuyaux de lavage sont prévus sur les parois latérales ou au centre. La pression du système de lavage doit généralement être supérieure ou égale à 2 bars, et la vitesse de lavage supérieure ou égale à 2 m/s. La buse est de préférence en polytétrafluoroéthylène (PTFE), matériau résistant à la chaleur et à la corrosion, et démontable pour faciliter la maintenance.

• Passage et support internes au pipeline

Toutes les canalisations internes (orifices de prélèvement, capteurs de température, mesure de niveau de liquide, etc.) doivent utiliser autant que possible des coudes ou des raccords à bride sanitaire afin d'éviter les angles droits irréguliers inaccessibles au nettoyage. Les supports de suspension ou les brides de guidage doivent être amovibles et maintenus à une distance de 2 à 3 mm de la paroi de la cuve afin de limiter les zones difficiles d'accès pour le nettoyage.

IV. Matériaux et traitement de surface

1. Sélection des matériaux

• nuances d'acier inoxydable courantes
• S304 : Adapté aux conditions de travail classiques, avec une résistance à la corrosion moyenne. Il est utilisé dans des environnements ne nécessitant pas une résistance à la corrosion extrêmement élevée, comme les procédés de purification de l’eau dans l’industrie agroalimentaire.
• S316L : Contenant du molybdène, il présente une meilleure résistance à la corrosion par piqûres due aux chlorures. Il convient à la fermentation biologique, à l’industrie pharmaceutique, à l’eau de mer ou aux environnements à forte salinité. L’utilisation de composants clés tels que… est recommandée. cuves de fermentation et des réservoirs de médicaments liquides.
• Joints et garnitures
• Silicone : Résistant à la chaleur, doté d’une bonne élasticité et d’un prix abordable, il est principalement utilisé comme joint pour les couvercles de boîtes de conserve. Il ne présente pas d’effet corrosif significatif au contact des alcools et des acides faibles.
• Le fluorocaoutchouc (FKM/Viton) présente une excellente résistance à la chaleur, à la corrosion et aux huiles, mais son élasticité est légèrement inférieure à celle du caoutchouc silicone. Il est principalement utilisé dans des environnements de travail exigeant une grande stabilité chimique.
• EPDM : Résistant au vieillissement à haute température et peu coûteux, mais sa résistance aux huiles est faible. Il peut être utilisé dans des environnements non huileux à une température inférieure à +150 °C.

2. Procédé de traitement de surface

• Polissage de la surface intérieure

Le polissage doit permettre d'obtenir un aspect miroir ou quasi-miroir, la rugosité Ra ≤ 0,8 μm étant généralement requise. Pour des exigences d'hygiène plus élevées, un polissage fin avec Ra ≤ 0,4 μm est possible. Après polissage, un décapage et une passivation sont nécessaires pour préserver l'intégrité de la couche d'oxyde superficielle et améliorer la résistance à la corrosion.

• meulage des cordons de soudure

Le cordon de soudure intérieur est meulé à plusieurs reprises. La granulométrie est progressivement réduite à l'aide de bandes abrasives ou de papier de verre, puis polie avec une pâte à polir ou des disques de laine afin de réduire la rugosité de surface du cordon de soudure.

• Lavage acide dans tout le corps

Une fois l'assemblage structurel terminé, l'ensemble de la structure est décapé afin d'éliminer les limailles de fer et les oxydes présents dans la zone affectée thermiquement par la soudure. Elle est ensuite passivée avec une solution d'acide nitrique à 10-20 % et rincée jusqu'à neutralité pour garantir la qualité de la surface.

Système de fermentation de bioréacteur à échelle industrielle MIKEBIO 100T

V. Conception d'optimisation structurelle

1. Conception de la structure inférieure et de l'angle d'inclinaison

• Fond conique et fond sphérique

Fond conique : Un fond conique classique, incliné à 45° ou 60°, permet d’évacuer rapidement les liquides résiduels vers l’égout. En cas de lixiviation sous vide ou de sédimentation, il est possible d’opter pour une conception à fond plat ou à fond plat avec cône intérieur et zone de sédimentation centrale.

Fond sphérique : Le fond sphérique offre une meilleure résistance à la compression, mais sa mise en œuvre est plus complexe et coûteuse. Il convient aux applications à haute pression ou aux situations exigeant l’élimination complète des résidus.

• Inclinez l'angle inférieur

Si l'on utilise une combinaison de fond plat et de cône à bords larges, il est recommandé que la pente d'insertion soit d'au moins 135°. Une pente supérieure à 135° permet de réduire davantage les zones mortes. Une vanne à bille à montage rapide de diamètre DN50 ou supérieur doit être installée au centre du fond.

2. Forme et support du réservoir

• Corps de réservoir cylindrique

Les réservoirs cylindriques permettent une répartition uniforme de la pression et offrent une excellente résistance à la pression. À volume égal, ils consomment moins de matériaux et sont plus légers.

Il est recommandé, pour la conception du support, d'adopter un support en forme d'anneau, qui peut être soudé au châssis ou formé d'une seule pièce afin de garantir une hauteur modérée et un espace suffisant pour le lavage.

• Nervures de renfort et support de l'anneau extérieur

Pour les réservoirs de taille moyenne et grande, des nervures de renforcement longitudinales ou circonférentielles peuvent être soudées à la paroi extérieure pour empêcher le réservoir de se déformer ou de présenter une instabilité locale sous haute pression.

Les nervures de renfort doivent être disposées autant que possible à l'extérieur. Après soudage, la surface extérieure peut être polie. Aucune nervure ne doit être présente à l'intérieur afin d'éviter les zones difficiles d'accès lors du nettoyage.

VI. Conception de l'étanchéité et du drainage

1. Trou d'homme et regard d'inspection

• Taille et position du regard

Les regards de visite servent à l'entretien quotidien, au nettoyage et à l'inspection. Les diamètres courants vont de DN400 à DN500. Il est conseillé de les installer dans la partie supérieure et centrale de la cuve afin d'éviter tout contact avec les boules de lavage intégrées.

La plaque de recouvrement du regard doit adopter des boulons à œillets à installation rapide ou une structure à trois mâchoires, ce qui facilite le démontage et assure une étanchéité fiable.

• Miroir visuel et lampe à miroir visuel

S'il est fréquemment nécessaire d'observer l'évolution du procédé à l'intérieur de la cuve, des voyants à brides en acier inoxydable (DN100 - DN150) peuvent être installés sur les parois latérales et équipés de lampes antibuée pour l'éclairage. Prévoir une transition en angle droit entre le voyant et le fond du cadre pour faciliter le nettoyage.

2. Sortie et vanne des eaux usées

• "Forme de soupape de purge.

On utilise généralement des vannes à bille ou des vannes papillon à montage rapide, avec raccords à brides. La surface de la bille est polie (Ra ≤ 0,8 μm) et le noyau de la bille est également poli.

L'orifice d'évacuation des eaux usées doit être situé au point le plus bas du fond. Si le fond de la cuve est plat avec un cône intérieur, la vanne d'évacuation doit être installée au centre de ce cône. Si le fond est conique ou sphérique, la vanne peut être soudée directement au fond.

• orifices de décompression et de ventilation

L'orifice de décompression est équipé d'une soupape de sécurité ou d'une soupape de ventilation différentielle afin d'empêcher toute surpression interne. La soupape de ventilation doit être installée en haut ou au point le plus haut sur le côté du réservoir, à une hauteur de 50 à 90 cm du corps du réservoir, afin d'empêcher les fluides éjectés de se répandre dans l'environnement. Un filtre sanitaire (0,2 μm) peut être installé à la sortie de la soupape de ventilation pour garantir une respiration stérile.

3. Nettoyage du reflux et de la circulation

• pipeline de reflux CIP

Lors de la conception, un port de reflux NEP peut être prévu au fond de la cuve pour la circulation de l'agent de nettoyage, en complément du système d'agitation ou de pulvérisation. Ce port de reflux NEP doit être équipé d'un raccord à bride, présenter le même degré de polissage et son interface doit être alignée avec la vanne afin de minimiser les risques d'obstruction.

• Pente et vidange du pipeline

Toutes les canalisations soudées (orifices d'entrée, de sortie, d'échantillonnage, interfaces de capteurs, etc.) doivent présenter une pente de 2 à 3 degrés afin d'éviter toute accumulation de liquide lors du nettoyage ou de la vidange. Les supports de tuyauterie sont de préférence réglables pour garantir le respect de la pente requise lors de l'installation.

Système de fermentation par bioréacteur MIKEBIO pour probiotiques

VII. Facilité d'installation et d'entretien

1. Conception à composants détachables

• Les boules et les tuyaux de pulvérisation sont détachables.

La boule de pulvérisation est fixée à la canalisation par des colliers de serrage à installation rapide, démontables à tout moment pour l'entretien ou le remplacement. Le tuyau de pulvérisation peut être équipé d'un support fixé sur la paroi latérale du réservoir, facilitant ainsi son extraction pour le nettoyage après démontage.

• Les pieds de support et la base sont réglables.

L'utilisation de pieds réglables horizontaux facilite le réglage du niveau de la cuve sur un terrain accidenté, ce qui simplifie l'évacuation des eaux usées et l'installation. Les platines de fixation des pieds doivent être équipées de patins antidérapants ou de boulons d'ancrage réglables afin de garantir la stabilité de l'ensemble.

2. Facile à inspecter et à entretenir

• ports de détection communs et interfaces d'installation rapide

Prévoyez des interfaces à montage rapide aux points stratégiques du réservoir (notamment pour la jauge de niveau de liquide, le capteur de température et le manomètre) afin d'éviter l'arrêt complet de la machine lors de la maintenance des instruments. La transition entre la base de l'instrument et la paroi du réservoir doit former un arc de cercle pour éviter les angles vifs lors du nettoyage.

• Plateformes externes et espaces d'exploitation

Si la cuve est relativement haute, une plateforme de maintenance ou un garde-corps doit être prévu. Il est également nécessaire de ménager un espace de 100 à 150 mm entre la plateforme et la cuve afin de faciliter l'écoulement du produit de nettoyage depuis le dessous de la plateforme vers la paroi extérieure de la cuve.

VIII. Démonstration de cas

En prenant un certain 200-L cuve de fermentation biologique À titre d'exemple, expliquez brièvement les points clés de sa conception qui prennent en compte à la fois la pression et le nettoyage :

• La pression de service du corps de réservoir est de 0,1 bar g et la pression de l'enveloppe est de 1,0 bar g. L'épaisseur de la paroi du corps de réservoir est de 3,0 mm et celle de l'enveloppe de 2,0 mm. Le réservoir est fabriqué en acier inoxydable S316L. De forme cylindrique, il présente une partie supérieure hémisphérique et un fond conique à 60°.
• Traitement de surface : La surface intérieure est polie jusqu’à une rugosité Ra ≤ 0,6 μm, et la surface extérieure est sablée et polie pour prévenir la corrosion. Toutes les soudures intérieures sont meulées et polies à plusieurs reprises.
• Système CIPDeux boules de pulvérisation sont installées sur le dessus (couverture à 360°), la buse centrale étant plus haute que la paroi intérieure du couvercle de la cuve. Deux jeux de tuyaux de pulvérisation sont installés sur les parois latérales, permettant une pulvérisation d'appoint après la fermentation. Ces tuyaux, en acier inoxydable 316L, ont un diamètre intérieur de 25 mm et sont répartis uniformément.
• Purge et vannes : Fond conique avec vanne à bille à bride DN50 en son centre ; la surface intérieure du corps de vanne est polie miroir. La pente du fond est de 55° pour assurer une récupération rapide de la solution de nettoyage.
• Regard et voyant : Un regard DN500 est installé au centre de la paroi latérale, avec des boulons à dégagement rapide et des rondelles en silicone. Équipé de voyants DN150, le cadre de ces voyants est poli et la surface de contact des voyants présente une transition en arc de cercle de rayon R10 afin d'éviter les zones mortes.
• Capteurs et ports d'échantillonnage : Toutes les interfaces des capteurs sont fixées par des supports soudés et leur position d'installation est opposée à celle du système de pulvérisation. La vanne d'échantillonnage est fixée par un collier et est amovible, ce qui facilite le nettoyage.
• Support et installation : La base est constituée de deux anneaux de support semi-circulaires, positionnés horizontalement grâce à des boulons d’ancrage réglables. Un espace de 150 mm entre l’anneau de support et le sol facilite l’écoulement de la vapeur d’eau et des produits de nettoyage, tout en simplifiant les inspections par le personnel.

Grâce à la conception ci-dessus, ceci cuve de fermentation peut fonctionner normalement dans des conditions de stérilisation à la vapeur à 121 ℃, et en même temps assurer un nettoyage efficace en mode cycle CIP, en tenant compte des deux exigences de résistance à la pression et de facilité de nettoyage.

IX. Conclusion

La conception de la structure du réservoir doit trouver un équilibre entre sa capacité de résistance à la pression et la facilité de nettoyage. Elle exige une analyse approfondie de multiples dimensions telles que la pression de conception, les matériaux et le traitement de surface, la forme de la structure, l'agencement du système de nettoyage en place (NEP) et les méthodes d'évacuation des eaux usées. Plus précisément :

• Choisissez judicieusement le type de fond de réservoir (fond hémisphérique, fond elliptique), optimisez l'épaisseur de la paroi et le support pour respecter la tolérance à la pression.
• Le polissage des surfaces internes et la transition en arc réduisent les angles morts, améliorent la finition de surface et facilitent le nettoyage.
• La disposition du système de pulvérisation et des vannes d'eaux usées doit être complète afin de garantir le taux de couverture du nettoyage et l'évacuation rapide des liquides résiduels.
• Les composants détachables et les conceptions faciles à entretenir, comme les trous d'homme aux interfaces de serrage, les boules de pulvérisation, les supports de capteurs, etc., améliorent l'efficacité de la maintenance quotidienne.
• Le traitement des matériaux et des soudures est rigoureux. L'acier inoxydable S316L et les joints de qualité alimentaire sont utilisés, et les soudures sont rectifiées à plusieurs reprises afin de réduire les risques d'adhérence bactérienne. Seule une compréhension approfondie des exigences du procédé, associée à une analyse de la mécanique des structures et aux principes de conception hygiénique, permet de concevoir une cuve hautement performante, sûre, fiable, facile à nettoyer et à désinfecter. Pour les opérations de production, de maintenance et de mise à niveau ultérieures, cette conception, qui prend en compte la résistance à la pression et la facilité de nettoyage, améliorera considérablement la disponibilité et la durée de vie de l'équipement.

En revanche, lors du choix d'un fermenteur de bioréacteurIl est donc nécessaire de trouver un fabricant régulier, réputé et solide, afin de garantir la qualité du produit. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd., fondée en 2008, est une entreprise de haute technologie spécialisée dans la recherche, le développement, la production et la vente d'équipements de fermentation biologique. Notre société dispose d'une plateforme de fermentation pilote, intégrant intelligence et automatisation, et a mis en place un système de fermentation performant permettant l'optimisation du processus de fermentation pilote, la mise en service et le développement de l'ensemble des étapes, de la production pilote à la séparation et la purification du produit de fermentation, ainsi que la mise en place d'un poste de travail dédié et d'un laboratoire moderne.

Notre entreprise dispose d'une usine de production standardisée, dotée de l'ensemble des équipements et outils nécessaires à l'installation, comprenant principalement une variété de machines-outils, une machine de soudage automatique à l'arc sous argon, une polisseuse automatique, une machine de découpe automatique et une machine de détection des défauts, ainsi que plus de 60 autres équipements de production et de test. Le processus de production est entièrement conforme aux normes modernes, afin d'offrir aux clients une qualité et un support technique plus professionnels.