CAD技术在发酵工厂设计中的应用优势

CAD 技术在发酵工厂设计中的应用优势
赵丽青1,2　王　璋1　堵国成2　陈　坚2
1(中国食品发酵工业研究院,北京,100027)　2(江南大学教育部工业生物技术重点实验室,无锡,214036)
摘　要　从发酵工厂及其设备的工程设计基本概况出发,简述CAD 技术的发展状况,集中介绍CAD 技术在发酵工厂工程化设计中的应用优势以及Internet 综合运用技术,并总结了目前CAD 技术在该领域应用中所存在的问题及发展趋势。

关键词　CAD 技术,发酵工厂设计,发酵设备,工程化设计
第一作者:硕士研究生(通迅作者:王　璋)。

收稿时间:2002-11-06
随着发酵工业的生产规模、产品、产量和
品种在国民经济发展中地位的不断提升,人们对发酵工厂设计的重视程度也不断增强。

无可非议,在发酵工业基本建设中,工厂设计具有不可替代的作用。

应用CAD 技术进行发酵工厂的设计具有图形清晰、易储存、易复制、易修改、精确度高等优点,因此越来越受到工程技术设计人员的青睐。

1　发酵工厂设备及其设计概况
轻工业是国民经济中的重要生产部门,而发酵工业则是其中的一个重要分支,它综合了科技领域中多方面的成就,作为生命科学的重要环节,在未来的工农业生产和医学领域必将做出难以估量的贡献。

近年来对微生物的研究不断深入,这就使得越来越多的发酵产物得以商业化生产与应用,发酵工业亦取得了迅猛的发展,应用于食品、造纸、纺织、制革、医药、废水处理等各方面的新型发酵产品日趋增多。

随着科研的不断深入,发酵工业在未来更具有广阔的发展空间。

然而,我国的发酵工业基本上是在解放后逐渐发展起来的,20世纪80年代以来虽然有了较大发展,但多数还是局限在低水平重复和推广上,与世界先进国家的发酵工业相比还存在一定差距[1],而且,实际上许多发酵工厂设计不合理,存在着资源浪费的严重问题。

发酵工厂的工程设计是一门综合科学,它要求设计者既要有化学工程及机械工程的知识,又必须具备完整的发酵基本理论及实践经验。

通常,发酵工厂生产的最终目的产物大致可分为3种:1是生产菌体细胞,2是收集细胞内外的代谢产物,3是利用酶制剂直接催化得到所需产物[2]。

但是,发酵工厂的总体设计内容相差不大,均包括总平面、工艺、供排水、供电、供汽、土木建筑等设计,有较强的相似性,传统的设计工作量大,对绘图能力和图纸质量要求高。

发酵工厂所需设备包括专业设备、通用设备及非标准设备。

专业设备是发酵工厂中主要的设备,通常希望其内部结构尽可能简单、便于清洗和消毒灭菌等,但由于其必须具备适宜微生物生长和形成产物的各种条件,如需要维持合适的培养温度、一定的压力、保证无菌度等,因而往往比较复杂,如通风发酵罐的主要部件应包括罐体、罐体部件(轴封、人孔以及视镜)、罐身内部器件(搅拌器、消泡器、空气吹泡管或空气喷射器、挡板、冷却装置),以及联轴器和中间轴承等[3]。

通用设备包括气体、液体、固体输送设备,一般通用性强,绝大部分工厂的设计均相似。

而非标准设备包括贮存罐、池、槽、拌料罐、计量罐等等,需要逐一出图,造成图纸量大,设计周期长。

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7综
述与专题评论
在发酵工程的科学研究中,从小试、中试到工业化生产,都需要与设计紧密结合,进行新工艺、新技术、新设备的开发。

严格的工程设计是工程项目建设的关键,直接关系着企业在建设时能否加快进度,保证安装质量,节约投资,决定着能否获得最大的经济效益、环境效益和社会效益,CAD技术在这一方面显示了强劲的优势。

随着市场经济体制的建立,我国设计市场已经出现了白热化的竞争局面,而且国外一些设计公司也正利用其技术和资金的优势,开始大力向我国市场进军。

在这种形势下,大力推广CAD技术,以此提高设计质量、缩短设计周期、改善设计环境、推进技术进步、增强企业活力是在竞争中取胜的必由之路。

2　CAD技术的发展现状
CAD技术(computer aided design,即计算机辅助设计)自20世纪70年代末期以来,经历了由大型机、小型机、工作站向微机发展的变化时代,各种软硬件产品逐渐成熟,功能日趋完善,纷纷作为商品进入市场。

CAD技术能利用计算机进行分析、计算、调整、优化和绘图,把设计人员的思维、综合分析能力与计算机的快速、准确和易于修改的特性综合起来,从而极大地加速了设计的速度,提高了设计质量,减轻了设计师的劳动强度,增强了产品的市场竞争力。

因此,受到世界各工业发达国家的高度重视,得到了越来越广泛的应用与发展[4]。

21世纪是计算机智能化的世纪,将工程工艺技术与计算机艺术有机地结合起来,用于新产品的开发设计是社会发展的必然趋势,也必然有着广阔的应用前景。

目前,CAD 技术在世界上一些发达国家已经有相当广泛的应用。

美国Autodesk公司推出的主导产品AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件,它在二维绘图领域拥有广泛的用户群,已成为拥有全球用户量最多的软件。

AutoCAD 有强大的二维功能,如图形绘制、图像编辑、
剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发
等功能,同时也有部分的三维功能,并可与其
他科学计算机程序及标准数据库建立连接,
使设计者在绘图过程中能进行分析、计算和
查询[5]。

AutoCAD亦提供AutoL ISP、ADS、ARX作为二次开发的工具。

在许多实际应
用领域(如机械、建筑、电子)中,一些软件开
发商在AutoCAD的基础上已开发出许多符
合实际应用的软件。

德国政府在20世纪80
年代中期就制定了“工业企业CAD技术推广
应用计划”。

意大利维高公司的设计室全部
工程设计均采用CAD,每人都配有计算机实
现了办公自动化,设计和研究都采用计算
机[6]。

近年来,CAD技术在我国工业设计领
域业已获得了广泛的应用,也已经有一些文
献报道[7～9]。

我国从20世纪80年代后期开
始引进、研制符合我国规范的系统,特别是在
我国向市场经济过渡的进程中,CAD技术作
为一种技术商品,被越来越多的设计部门所
接受。

经过多年的推广,CAD技术已经广泛
地应用在机械、电子、航天、化工、建筑、土木
工程、冶金、地质、气象、纺织、轻工等领
域[10]。

最近,我国CAD软件产品的技术开
发和应用取得了长足的发展,虽然一些国产CAD/CAM软件产品在开发水平或商品化、
市场化程度上与发达国家之间有一定的距
离,但是,对于许多国外软件进行了国产化和
二次开发,同时也诞生了不少具有自主版权
的CAD软件,如开目CAD、高华CAD和金
银花系统等。

而且,由于这些软件价格相对
低廉,基本上达到了国内各种标准要求,所以
受到了广泛的欢迎,在激烈的市场竞争中占
据了自己的稳固地位,也赢得了越来越大的
市场份额。

3　CAD技术在发酵工厂设计中的应
用优势
目前,传统的发酵工厂采用人工制图手
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综
述
与
专
题
评
论
段,但是这种设计方法明显存在着工作繁琐,图纸修改调整困难,图面容易不洁,设计周期长等缺点,并且对于一些复杂的设备模型,绘制其立体图相当困难,因而简洁、精确、高效的计算机辅助设计逐步代替了传统设计。

CAD 技术能充分发挥计算机快速、灵活、精
确、高效的优点,又能充分发挥人的创造性思
维,从而获得整个系统最优化的设计。

3.1　CAD 技术在发酵设备设计中的应用优势
在发酵工厂设计中应用CAD 技术,可以避免绘图慢,重复劳动多而繁琐的过程,绘图速度快,修改方便,还可随时将图纸信息输出应用,即可减少设计时间,又便于图纸的科学管理和系统整编,且不易遗失、损坏,图形清晰,线条均匀,图面干净,是手工制图所无法比拟的。

应用CAD 技术绘制发酵罐速度快,精度高。

如画椭圆形封头,传统的手工画法采用近似法,即在横纵轴上分别截取椭圆的长、短轴,连接,截取等等,画法相当繁琐,并且在连接两圆弧时,还需特别注意连接处是否光滑,操作难度大,不够精确。

而用CAD 则简单方便,只需点击左侧椭圆的快捷键或输入el 2lipse 命令,给出轴端点或是捕捉罐体左右两端点,给出短轴半径即可绘制出标准精确的椭圆;对于罐体下封头,只需复制命令即可完成。

又如绘制大型发酵罐的冷却列管时,画出一根,采用复制命令,定出间距即可画出所有列管,且间距完全相等,线条均匀。

对于具有对称性的零件,则只需镜像命令mirror ,给出镜像线上2点即可得到完整的零件图,且进行尺寸标注、图案填充、图层转换等操作均方便易行。

一些新开发的CAD/CAM 软件可以应用于以规则几何体为主的发酵设备产品的设计及生产的准备工作,有的软件基于NURBS 的曲面造型,可以构造各种各样的复杂的曲面,以满足如模具设计等方面对复杂曲面的要求,或者可以比较方便地完成几百甚至上千个零件的大型装配。

最近一个新
的高度集成化CAD/CAE/CAM 软件系统I 2DEAS (I 2DEASMasterSeries5和I 2DEASCA 2MAND )引起了广泛的注意,该系统内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能,可以帮助设计工程师以极高的效率,在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的发酵工程产品研发全过程。

据称该软件也可以方便地仿真刀具及机床的运动,可以从简单的2轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面,并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。

对于发酵罐整体的设计效果,可以采用Autodesk 公司在PC 平台上开发的三维机械CAD 系统———MD T 软件。

它以三维设计为
基础,集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体,提供从设计到制造一体化的解决方案。

据悉,MD T 软件也可以根据发酵罐的特征参数化实体模型,十分方便地完成罐体的复杂三维实体造型,并针对设计模型进行灵活地编辑和修改,提供相关联的绘图和草图功能。

该软件的推出受到广大用户的普遍欢迎,而且该软件与同样是由Autodesk 公司开发的AutoCAD 系统可以完全融为一体,为用户提供了实现三维向二维转换的方便工具。

同时,MD T 软件也为AutoCAD 用户向三维升级提供了一个较好的选择,利用常规的AutoCAD 系统就可以十分方便地体现出诸如发酵罐等复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图,而且图形界面友好。

3.2　CAD 技术在发酵工厂总体设计中的应用优势
如前所述,发酵工厂的总体设计有较强的相似性,且包括总平面、工艺、供排水、供电、供气、土木建筑等的设计,工作量大,对绘图能力和图纸质量的要求高。

应用CAD 技术进行绘图,可通过屏幕菜单直接调用所需图形,然后按要求放到确定的位置,这样不仅
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7综
述与专题评论
加快了绘图速度,而且能提高设计的标准化程度。

再有,设计人员可以直接调用计算机上以前的设计图纸,供修改扩充使用,大大降低了劳动强度。

对于发酵工厂总体的建筑施工图,用CAD技术三维软件可以使图纸上的设计变成直观的三维空间立体图,并结合实拍外景合成制作,在施工前即可看到落成后的效果。

对于工厂的内部结构,使用三维手段也可以一目了然,方便地绘制出立体效果图,避免因考虑不周造成不必要的损失。

最近,美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation)根据最新研究结果提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的新概念,开发推出了第3代机械CAD/ CAE/CAM软件产品Pro/Engineer系统。

该系统对于发酵工厂具有真正的全相关功能,而且具备管理并发进程、实现并行工程的能力,能将整个设计至生产全过程集成到一起,让所有的用户都能够同时进行同一产品的设计制造工作,即实现所谓的并行工程。

同时, Pro/Engineer系统用户界面简洁,概念清晰,可以将整个设计系统建立在统一的数据库上,创造出完整而统一的发酵工厂模型,从而极大地提高了设计效率。

3.3　Internet的交互应用与资源共享
如今全球互联网系统已成为国际上信息交流的重要手段,Internet作为一种协作性设计环境的优秀媒体,创建了各种资源可共享文件。

在各种各样的CAD产品中,自从美国Autodesk公司推出AutoCAD2000以来, Internet的功能与应用得到了明显加强,尤其是最新推出的AutoCAD2002更是对In2 ternet的应用做了进一步的大量改进,提供了极其便利的互联网工具系统,真正打开了网络设计的大门。

设计者之间不仅可以共享各类资源信息,而且可以全球间异地同步地进行协同设计、讨论、演示、消息发布等在线工作[11]。

现在,应用CAD软件不仅可以非常方便地访问到各种Web站点,发送电子邮件,发布Web页,实现了图像和文字的在线编辑,并且还可以清晰地召开网络会议或是
内部联机会议,及时相互传递CAD研究成
果,提供完整的设计模型和实现绘图的双向
联结,达到直接进行多方交流的目的等等。

在保持原来工程设计优势的情况下,增加了CAD的有机互动性,从而更快地了解行业机
构的最新状况和发展动态等,使得设计工作
者在CAD设计环境中就能非常方便地利用Internet提高工作效率,并根据设计的需要,
快捷地实现各项具体方案,促进项目间的快
速合作与交流[12]。

4　问题与展望
可见,在发酵工厂设计中应用CAD技术
起到了提高企业的设计效率、优化设计方案、
减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加
强设计的标准化等作用。

然而,目前CAD技
术的应用在我国还存在诸多不足之处,例如CAD系统功能还不够完善,不少CAD/CAM
软件产品的开发水平与发达国家产品有不小
的差距。

针对发酵工厂的设计,虽然已有一
些文献报道了有关发酵罐计算机辅助绘图技
术模块[13],但目前尚未见得到具体的应用;
关于可专用于发酵工厂设计的CAD软件包
或可提供完整发酵罐模型的CAD开发系统,
也未曾见有智能化实现或具体操作应用的结
果报道。

因而,对于发酵工程,有必要将CAD技术进行二次开发,使其软件程序更专
业化,实用性、可行性强,而且操作进一步简
化,以便于更多的发酵工程技术专家学者和
设计研究人员能够更快地熟悉应用起来。

总之,CAD技术为广大工厂设计人员提
供了崭新的技术手段,基本上可以解决在传
统设计方法中的版面修整困难,精度低、操作
重复繁琐、速度慢等常规手法难以解决的问
题,更好、更快地实现设计者的设计意图,大
大降低设计师的劳动强度,并方便快速地获
得满意的解决方案。

随着计算机科学的迅猛
发展和发酵工业技术研究的不断深入,CAD
技术必将在整个发酵工程设计中得到越来越
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综
述
与
专
题
评
论
广泛的应用,成为工厂设计人员的一种不可缺少的必备工具,在实际设计操作中发挥出越来越显著的应用优势,为发酵工厂的设计掀开新的篇章。

参
考
文
献
1　吴思方主编.发酵工厂工艺设计概论.北京:中国轻工业出版社.19952　梁世中主编.生物工程设备.北京:中国轻工业出版社.20023　高孔荣主编.发酵设备.北京:中国轻工业出版社.19914　van Dijk C G C.Design Studies ,1995,16(1):62
～80
5　Eui D J S ,K ee puters Engineering ,1996,
30(3):475～486
6　唐良瑞,李　丹,张向慧等.现代计算机,2001,
107:41～43,517　孙守迁,包恩伟,陈　蘅等.中国机械工程,1999,
10(6):697～7018　张阿维,王会燃.西北纺织工学院学报,1999,13
(3):311～3169　吴英飞.计算机应用研究,1997,3:1～410　潘云鹤,孙守迁,包恩伟.计算机辅助设计与图
形学学报,1999,11(3):249～251
11　Diane H S.Design Studies ,1996,17(3):277～
30112　王心邑主编.新概念Auto CAD2002.北京:北京
科海集团公司,200213　段　红.食品研究与开发,2001,22(2):8～10
The Application of CAD T echnology in the Design of
Fermentation F actories Zhao Liqing 1,2　Wang Zhang 1　Du Guocheng 2　Chen Jian 2
1(China National Research Institute of F ood and Fermentation Industries ,Beijing ,100027)
2(The K ey Lab of Industry Biotechnology ,Ministry of Education ,S outhern Y angtze University ,Wuxi ,214036)
ABSTRACT Through a brief summary of the current situation of the traditional design for fer 2mentation factories and fermenters ,this paper mainly describes the development of CAD technolo 2gy and its advantage for the application in design of fermentation engineering ,especially with the integrated utilization of the Internet.Whereafter ,an illustration of the present problems and the developing trend of the CAD technology is discussed.K ey w ords CAD (computer aided design ),design of fermentation factories ,fermenters ,indus 2trial design (上接第59页)
Discussion of Pretreatment in Analysis of Citrinin from Monascus
Yu Huiling Xu Ganrong Chen Yun
(The K ey Lab of Industrial Biotechnology ,China Ministry of Education ,
S outhern Y angtze University ,Wuxi 214036,China )
ABSTRACT The pretreatment methods for citrinin extraction from Monascus products ,prior to its analysis using HPLC ,were described in this paper.The liquid culture was extracted with hot alcohol ,and the solid 2state culture was extracted with the compound solvent of toluene ethyl ac 2etate formic acid 7∶3∶1in the ultrasonic bath (v ∶v ∶v )(Abb.TEF 27∶3∶1)in the ultrasonic bath.The experiments demonstrated that extraction for three times was necessary to extract citrinin completely from the solid 2state culture.The recovery of added citrinin was up to 87%over the range of 0.1～10mg/L of citrinin.K ey w ords Monascus ,citrinin ,HPLC 6
7综
述与专题评论。