Требования, принципы и конструкции бродильных резервуаров с механическим перемешиванием
Основные требования к биореактору-ферментеру
Емкости для брожения должны иметь подходящее соотношение сторон. Отношение высоты к диаметру обычно составляет (1,7-4): 1. Чем больше соотношение высоты и диаметра, тем лучше эффект растворенного кислорода и тем выше степень использования кислорода. Следует отметить, что чем больше удлинение, тем выше резервуар, что влияет на стоимость строительства.
Бак для брожения должен иметь подходящее расчетное давление. В настоящее время расчетное давление большинства бродильных резервуаров составляет 0,3 МПа, а рабочее давление ниже 0,15 МПа.
Мешалки и их внутренняя структура облегчают растворение кислорода. Лопасти мешалки в ферментационном резервуаре обычно представляют собой комбинацию нескольких лопастей мешалки для достижения наилучшего эффекта растворенного кислорода. Внутренняя перегородка и вертикальная трубчатая конструкция ферментационного резервуара создают турбулентность в культуральной среде во время перемешивания, увеличивая эффект перемешивания.
Емкость для брожения должна иметь хорошую герметичность. К бродильным резервуарам предъявляются высокие требования к уплотнениям, особенно к уплотнениям для смешивания. Все интерфейсы и механические уплотнения должны соответствовать требованиям к герметизации, чтобы минимизировать утечки и снизить вероятность бактериального загрязнения во время культивирования.
При проектировании внутреннего пространства бродильной емкости необходимо избегать стерилизации и смешивания мертвых углов. Отдавайте предпочтение простоте и стабильности, чтобы не допустить ослабления болтов внутри резервуара.
Емкость для брожения должна быть простой в эксплуатации и чистой. Внутренняя поверхность отполирована до зеркального блеска для уменьшения прилипания питательной среды и других материалов. Интерфейс использует методы быстрого подключения с помощью зажимов для удобства эксплуатации, очистки и обслуживания.
Емкость для брожения должна иметь достаточную площадь теплообмена. При проектировании бродильного резервуара площадь теплообмена следует рассчитывать таким образом, чтобы обеспечить достаточную поверхность теплообмена для быстрого нагрева и охлаждения, минимизировать повреждение питательных компонентов культуральной среды при стерилизации и обеспечить точность регулирования температуры в процессе ферментации.
Принцип работы биореактора-ферментера
Ферментационный резервуар с механическим перемешиванием в основном использует эффект перемешивания и измельчения лопасти механической мешалки и диспергирующий эффект воздухораспределителя для распределения стерильного воздуха на маленькие пузырьки, которые смешиваются с ферментационным бульоном, способствуя растворению кислорода в ферментационном бульоне и обеспечить кислород, необходимый для роста микробов и производства продукции.
Двумя основными показателями для измерения качества бродильного резервуара являются коэффициент растворенного кислорода (KLa) и количество энергии, необходимое для передачи 1 кг кислорода.
В ферментационном резервуаре поддерживается определенный уровень pH бродильного бульона путем добавления кислоты, щелочи и т. д.;
Поддерживают определенную температуру ферментационного бульона, пропуская охлаждающую воду, горячую воду, пар и т. д. через рубашки, змеевики, змеевиковые трубы и т. д.;
Строгие асептические условия поддерживаются во время микробной ферментации посредством стерилизации резервуара, стерилизационно-фильтрационной фильтрации, герметизации и поддержания положительного давления внутри резервуара.
Контролируя такие параметры, как скорость вентиляции, растворенный кислород, скорость перемешивания, давление в резервуаре, pH, температура, подача, плотность бактерий и обнаружение выхлопных газов, обеспечивается оптимальное состояние ферментации.
Основная конструкция биореактора -ферментера
Основная конструкция бродильного резервуара включает в себя: корпус резервуара, мешалки , перегородку, устройство распределения воздуха, механическое уплотнение, теплообменное устройство, интерфейс датчика, вспомогательную конструкцию и т. д., как показано на рисунке.
(1) Корпус резервуара
Ферментационный резервуар состоит из цилиндрического прямого корпуса и эллиптической или бабочки верхней и нижней головок, соединенных вместе.
Номинальный объем (объем нижней головки и цилиндра) бродильного резервуара составляет 1 м3 или меньше. Верхняя головка и прямой цилиндр бродильного резервуара соединены фланцами и оснащены ручными отверстиями для подачи, очистки и т. д. Если внутри бродильного резервуара требуется техническое обслуживание, верхнюю головку необходимо открыть;
Головка бродильного резервуара номинальной емкостью 1 м3 и более приварена непосредственно к корпусу резервуара, имеется люк для подачи, очистки и обслуживания резервуара.
В верхней части резервуара расположены такие интерфейсы, как люк, порт подачи, выпускной порт, интерфейс манометра, порт инокуляции и т. д.
Интерфейсы на корпусе резервуара: воздухозаборник, порт подачи семян, порт отбора проб, порт разгрузки, различные интерфейсы датчиков, вход и выход циркулирующей воды и т. д.
Структура и основные размеры обычно используемых бродильных резервуаров с перемешиванием и механической вентиляцией стандартизированы и могут быть разделены на различные типы в зависимости от размера и назначения бродильного резервуара. В основном он разделен на три уровня: лабораторный масштаб, пилотный масштаб и производственный масштаб.
В лабораторных масштабах имеются бродильные чаны емкостью 1, 3, 5, 10, 20 и 30 л;
Пилотный масштаб включает в себя бродильные чаны емкостью 50100200300500л и 1,2,3м3;
Имеются бродильные емкости производственными объемами 5, 10, 20, 50, 100, 200 и 200 куб.м. (Общая классификация, а не абсолютная.)
Мы можем выбрать емкость бродильного резервуара в соответствии с нашими потребностями.
Геометрические размеры универсального бродильного резервуара с механическим перемешиванием и вентиляцией показаны на следующем рисунке.
На рисунке H представляет высоту прямого ствола бродильного резервуара в метрах;
D - диаметр бродильной емкости, м;
d - диаметр смесителя, м;
W – ширина перегородки, м;
Б - Расстояние между нижним смесителем и днищем резервуара, м;
s - расстояние между смесителями, м.
Геометрические пропорции обычно используемых бродильных резервуаров с механическим перемешиванием и вентиляцией:
Г/Д=1,7～3,5；
d/D=1/3～1/2；
В/Д=1/2～1/8；
= 1-2 (ниже цифры 2 и 3 обозначают количество перегородок в смесителе)
Размер бродильного резервуара можно описать как полную вместимость и номинальную вместимость.
Полный объем представляет собой сумму объема прямой бочки и объема верхней и нижней головок бродильного резервуара;
Номинальный объем (V0) представляет собой сумму объема прямого цилиндра корпуса резервуара (Va) и объема нижней головки (Vb). В настоящее время под размером бродильного резервуара обычно понимают его полную вместимость.
Коэффициент загрузки представляет собой отношение объема жидкости к общему объему бродильного резервуара. Обычно коэффициент загрузки бродильного резервуара составляет от 70% до 80%.
Если в процессе выращивания в бродильном резервуаре образуется больше пены, коэффициент загрузки можно соответствующим образом уменьшить;
Для бродильных резервуаров с меньшим количеством пены и меньшей аэрацией в процессе выращивания коэффициент загрузки можно соответствующим образом увеличить.
(2) Блендер
Основная функция механического миксера — смешивание материалов, дробление пузырьков и усиление тепло- и массопереноса.
Механическая мешалка удерживает твердые материалы в ферментационном бульоне во взвешенном состоянии, тем самым поддерживая массообмен газожидкостной твердой трехфазной смеси;
Распределите поступающий воздух на мелкие пузырьки и равномерно смешайте их с ферментационным бульоном, увеличьте границу контакта газ-жидкость, улучшите скорость массопереноса между газом и жидкостью и улучшите содержание растворенного кислорода;
Благодаря перемешиванию температура каждой части бродильного резервуара распределяется равномерно, улучшая передачу тепла.
Крыльчатка мешалки создает осевой поток, радиальный поток и тангенциальный поток во время перемешивания.
Осевой поток — это направление потока жидкости, параллельное валу мешалки. Жидкость выталкивается лопастями вниз, и когда она достигает дна контейнера, она переворачивается вверх, образуя восходящий и нисходящий циркуляционный поток. Скорость потока циркуляции жидкости велика, как показано на рисунке (1).
Осевой поток приводит к тому, что общий поток жидкости в ферментационном резервуаре образует осевую циркуляцию, которая способствует макроскопическому перемешиванию, но уровень турбулентности невысокий. К основным типам лопастей пропеллера относятся лопастные и смесительные лопасти пропеллерного типа.
Радиальный поток — это направление потока жидкости, перпендикулярное валу мешалки, протекающего по радиусу ферментационного резервуара между мешалкой и внутренней стенкой. Когда он сталкивается со стенкой контейнера, он разделяется на два потока жидкости, которые текут вверх и вниз соответственно, а затем возвращаются к концу лопасти, не проходя через лопасть, образуя два циркуляционных потока: верхний и нижний, как показано на рисунке (2). .
Радиальный поток усложняет общий поток жидкости в ферментационном резервуаре, оказывая на жидкость большое сдвиговое воздействие, что полезно для разрушения пузырьков, но может легко вызвать повреждение микробных клеток. К основным формам лопаток относятся лопатки мешалок турбинного типа .
Тангенциальный поток относится к вращательному движению жидкости вокруг оси в контейнере без перегородок. Под действием центробежной силы жидкость устремляется к стенке контейнера, в результате чего уровень жидкости в центральной части падает и образует большой вихрь, как показано на следующем рисунке.
Тангенциальный поток с механическим перемешиванием
В тяжелых случаях мешалки могут быть не полностью погружены в ферментационный бульон, что приводит к значительному снижению мощности перемешивания.
В настоящее время наиболее часто используемым типом ферментационного резервуара являются турбинные мешалки , как показано на рисунке ниже, которые разделены на турбинные мешалки с плоскими лопастями, турбинные мешалки с изогнутыми лопастями , турбинные мешалки со стрелковыми лопастями и т. д. Лопасти мешалки обычно составляют 6 штук. куски.
Тип турбины Лопасти мешалки
(3) Барьерная доска
Функция перегородки заключается в изменении направления жидкости с тангенциального потока на осевой, для создания турбулентности во время перемешивания, предотвращения образования вихрей, увеличения содержания растворенного кислорода, улучшения эффективности массо- и теплопередачи, а также повышения эффективности перемешивания.
Верхняя часть перегородки должна находиться выше уровня жидкости, а нижняя часть должна доходить до дна резервуара на уровне головы.
Ширина перегородки обычно составляет (0,1-0,12) D. (D – диаметр бродильного резервуара)
Установка 4-6 перегородок может обеспечить полное состояние перегородки. Так называемое «состояние полной перегородки» означает, что при добавлении перегородок и других аксессуаров, которые могут действовать как перегородки в бродильный резервуар, мощность смешивания остается неизменной, а завихрение практически исчезает.
Установка перегородки имеет несколько особенностей:
Между перегородкой и стенкой резервуара имеется зазор, который может эффективно предотвратить образование мертвых углов при очистке и стерилизации между стенкой резервуара и перегородкой;
Перегородка съемная для удобства обслуживания;
Перегородка обработана так, чтобы изгибаться в направлении потока жидкости в самой внешней части, что может эффективно увеличить прочность перегородки и уменьшить трение жидкости на внешней стороне перегородки;
В бродильных емкостях объемом 10 м3 и более трубки могут заменить перегородки.
(4) Механическое уплотнение
В ферментационном резервуаре с механическим перемешиванием, за исключением магнитного перемешивания, которое не требует выдвижения перемешивающего вала из ферментационного резервуара, все остальные требуют, чтобы перемешивающий вал выдвигался из ферментационного резервуара и затем вращался с помощью двигателя. В той части, где вал мешалки выходит из корпуса резервуара, необходимо механическое уплотнение для предотвращения утечек.
Механические уплотнения можно разделить на сальниковые механические уплотнения и торцевые механические уплотнения. Торцевые механические уплотнения можно разделить на односторонние и двусторонние механические уплотнения в зависимости от количества торцевых уплотнений.
Механическое уплотнение сальника состоит из корпуса сальника, нижнего вкладыша сальника, крышки сальника и зажимного болта, как показано на рисунке.
Механическое уплотнение сальника
Сальниковая коробка — это метод добавления упаковочного материала в камеру уплотнения, которая сжимается крышкой и стяжным болтом, чтобы обеспечить плотный контакт между упаковочным материалом и валом, достигая цели герметизации.
Достоинствами сальниковых торцовых уплотнений являются низкая цена, простая конструкция, простота обслуживания, низкие требования к точности обработки вала, минимальный износ вала.
Недостаток заключается в том, что имеется много слепых зон, что затрудняет полную стерилизацию; Короткий срок службы, большие утечки, плохой эффект герметизации, легкое бактериальное заражение, частое обслуживание и редкое использование в бродильных резервуарах.
В зависимости от диапазона температуры и давления бродильного резервуара наиболее часто используется одностороннее механическое уплотнение, как показано на рисунке.
Часто используемые односторонние конструкции механического уплотнения
Торцевая поверхность одностороннего механического уплотнения изготовлена из двух материалов разной твердости, а именно динамического кольца и статического кольца.
Статическое кольцо закреплено на бродильном резервуаре с невращающейся торцевой поверхностью. Он плотно прилегает к основанию механического уплотнения бродильного резервуара через уплотнительную прокладку, гарантируя отсутствие утечек в зоне контакта между статическим кольцом и бродильным резервуаром.
Динамическое кольцо устанавливается на вал, внутри имеется уплотнительная прокладка, которая плотно прилегает к валу и предотвращает утечку между динамическим кольцом и валом. Верхняя пружина динамического кольца прижимает динамическое кольцо к статическому кольцу, обеспечивая плотный контакт гладкой торцевой поверхности динамического кольца с гладкой торцевой поверхностью статического кольца, достигая цели уплотнения.
Односторонние механические уплотнения должны быть хорошо защищены до и после установки, чтобы обеспечить гладкую контактную поверхность. При установке старайтесь максимально избегать наклона подвижных и неподвижных колец.
Небольшие механические уплотнения обычно устанавливаются внутри резервуара, и для этого типа следует выбирать, насколько это возможно, механические уплотнения простой конструкции и с небольшим количеством мертвых углов; Механические уплотнения большего размера устанавливаются снаружи бродильного резервуара, что упрощает их ремонт, регулировку и обслуживание.
(5) Устройство распределения воздуха
Основная функция воздухораспределительного устройства заключается в нагнетании стерильного воздуха в бродильный резервуар, диспергировании стерильного воздуха на мелкие пузырьки для более полного растворения в ферментационном бульоне, что благоприятно для роста бактерий.
Обычно используемые устройства распределения воздуха представляют собой одинарную и кольцевую трубку, как показано на рисунке.
Воздухораспределители с круглой трубкой и с одной трубкой
Однотрубная воздушная труба доходит до нижней части смесительной лопасти, отверстием вниз, чтобы гарантировать отсутствие скопления материалов или мертвых углов внутри трубы. В то же время воздух, дующий вниз, может взорвать материал на дне резервуара, а пузырьки дополнительно измельчаются смесительной лопастью, что позволяет добиться хорошего эффекта растворенного кислорода. Расстояние между нижней частью воздуховыпускного отверстия и нижней частью резервуара незначительно варьируется в зависимости от размера резервуара.
Кольцевая трубка приварена к хвостовой части воздушной трубки, а кольцевая трубка обычно представляет собой замкнутый или разомкнутый круг. Внизу и по бокам кольцевой трубки имеется несколько небольших отверстий, а сумма площадей поперечного сечения всех маленьких отверстий примерно равна площади поперечного сечения впускной трубы.
Распределители с круглыми трубками обычно используются для бродильных резервуаров меньшего объема. Емкости для брожения меньшего размера ограничены по объему и высоте, что приводит к сокращению времени пребывания воздуха в ферментационном бульоне. Следовательно, использование воздухокольцевого распределителя для превращения воздуха в более мелкие пузырьки полезно для увеличения содержания растворенного кислорода. Тип с одной трубкой используется для больших бродильных резервуаров.
(6) Теплообменное устройство
Ферментационные емкости требуют стерилизации и контроля температуры, для чего необходимы теплообменные устройства. Теплообменные устройства, используемые в бродильных резервуарах, в основном включают рубашки, змеевики, вертикальные змеевики и вертикальные трубы.
В бродильных резервуарах объемом 5 м3 или менее обычно используются рубашки, а в резервуарах объемом 5 м3 или более могут использоваться змеевики, вертикальные змеевики или вертикальные трубы.
Если высота верхней части рубашки превышает уровень жидкости бродильного бульона, расчет не требуется. Куртка имеет импорт и экспорт. Во время контроля температуры охлаждающая или горячая вода поступает из нижнего положения рубашки и выводится из верхнего положения, как показано на рисунке;