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瑞明生物發酵設備攪拌裝置選型

來源: 時間:2020-06-03 15:34:42 瀏覽次數:

生物反應器中常常采用機械攪拌式反應器,例如頭孢菌素生產過程中用到的種子罐和主發酵罐常采用機械攪拌。生物反應與化學反應的不同點在于它們所處理的對象不同,以細胞生物反應器(俗稱發酵罐)為例,發酵罐所處理的對象是微生物,它的繁殖、生長,與化學反應過程有很大的區別。

生物反應器中常常采用機械攪拌式反應器,例如頭孢菌素生產過程中用到的種子罐和主發酵罐常采用機械攪拌。生物反應與化學反應的不同點在于它們所處理的對象不同,以細胞生物反應器(俗稱發酵罐)為例,發酵罐所處理的對象是微生物,它的繁殖、生長,與化學反應過程有很大的區別。

(1)生物反應器都在多相體系中進行,絕大多數生物反應體系包括氣-液固三相,即空氣或CO2等氣體產物、液態增培養基和生物細胞及其載體的顆粒,如青霉素、鏈霉素、頭孢菌素等醫藥產品。發酵液的特點如下。

①黏度是變化的。發酵開始時,發酵液的黏度一般不大,流體屬牛頓型流體,隨著發酵的進行,菌體不斷系列和代謝物的不斷產生,發酵液的黏度不斷增加,流體從牛頓型流體變成非牛頓型流體。

②生物顆粒具有生命活力。它從環境中撮營養、獲得能量、自我繁殖。其形態可能隨著加工過程的進行而變化,如從絲狀變為圓球狀,從單細胞到絮凝細胞團等。

(2)大多數生物顆粒對剪切力非常造敏感,剪切作用可能影響細胞的生成速率和組成比例,因此對攪拌產生的剪切力要進行控制。

(3)大多數微生物發酵需要氧氣   氧氣對需氧菌的培養至關重要,只要短暫缺氧,就會導致菌體的失活或死亡。而氧在水中溶解度極低,因此氧氣的供應就成為十分突出的問題。

    鑒于上述生物發酵的特點,機械攪拌發酵罐常采用通氣式攪拌。對攪拌過程要求:①打碎空氣氣泡,使氣泡細化以增加氣液接觸界面,提高氣液面的傳質速率;②發酵液要有較大的流動循環量,使液體中的固形物保持懸浮狀態。為有效利用空氣中的氧,增加氣體在設備內的停留時間,發酵罐的高徑比往往大于2。因此傳統的發酵罐常采用多層攪拌器,如多層六直葉圓盤渦輪攪拌器、六彎葉圓盤渦輪攪拌器、六箭葉圓盤渦輪攪拌器等都能取得較好的效果。然而隨著發酵規模不斷擴大,采用多層相同徑流型攪拌器的不足就明顯暴露出來。徑作用強,但整個發酵罐的流動循環差,影響了發酵設備的大型化發展。

    最新研究表明,對通氣式機械攪拌發酵罐,其攪拌器的要求既要有較強剪切力,又要有較大的流體循環特性,采用單一的徑流型器是達不到要求的。往往采用徑向流和軸向流相結合的多層攪拌槳組合式攪拌系統。如下層采用剪切力強的圓盤渦輪式徑流型攪拌器,上層采用循環量大的軸向流攪拌器,既有利于氣泡的分散,增加接觸界面;又能促進全罐的混合,延長氣體的停留時間,有利于溶氧的速率,提高發酵單位,增加產量。

    應于生化發酵設備的攪拌器除傳統的直葉圓盤渦輪攪拌器、彎順圓盤渦輪攪拌器、箭葉圓盤渦輪攪拌器外,還有斜葉圓盤渦輪攪拌器也是很好的選擇。斜葉圓盤渦輪攪拌器既有一定的剪切作用,又能產生較強的軸向循環流,可獲得較好的氣液分散、氣含率和傳熱系數大,且攪拌功率較小。由于槳葉的傾斜,增大了葉片對氣體的覆蓋作用,泛點轉速也較低。因此斜葉圓盤渦輪是一種性能優良的器,近年來得到廣泛的應用。

    另外瑞明公司開發的A315葉輪以及國內開發的軸向流葉輪是用于氣液分散系的新型葉輪,其特點是在葉輪區的水平投影上葉片的投影所占的比例(例面積率)達87%(4葉45°斜葉圓盤渦輪為42%)。功率準數Np值比直葉圓盤渦輪小得多。但這種葉輪的分散能力不如圓盤渦輪,實際上這種葉輪常常與圓盤渦輪組合使用。如在多層攪拌器的發酵罐中,底層仍用分散性能好的圓盤渦輪,上層采用A315葉輪,增加整罐的混合。應用結果表明,該組合具有能耗低,混合好,可提高發酵指數,取得明顯的經濟效益。

新近開發的新型徑流型弧形葉圓盤渦輪特別適用于各種發酵罐。一般在氣-液分散的操作中,為分散氣體,傳統的攪拌器多采用直葉圓盤渦輪,由于在直葉片的背面附著大量氣穴,使其泵送能力降低。在高氣速下,有時整個攪拌器被氣穴所包裹,攪拌近于空轉,效率很低。根據氣穴理論揭示的氣-液分散機理,開發的新型弧形葉圓盤渦輪攪拌器,克服了上述缺點,其弧形的葉片使其背面的漩渦減少,抑制了氣穴的形成,具有良好的氣-液分散混合性能?;⌒稳~圓盤渦輪攪拌器具有下列優點。

①載氣能力提高,泛點轉速低。

②改善了分散和傳質性能,Kla可增大20%~30%。

③由于通氣使攪拌功率下降的程度比其他的葉輪小,攪拌器的泵送能力提高。

    目前設計的發酵罐,當采用多層攪拌器時,其底層攪拌器常常采用弧形葉圓盤渦輪,已取得了很好的效果。 

    生物技術產品的應用范圍不斷擴展,已廣泛應用于醫藥工業,食品工業、農業、環境保護等領域。作為生物反應過程的核心設備生物反應器,對高效節能攪拌器的研究,是開發新型反應器的中心內容。近年來提出了生物反應器工程,研究的內容包括生物反應特性、生物反應器結構、操作條件與混合、傳質、傳熱的關系、生物反應器的設計與放大、生物反應器的優化操作與控制等,生物反應器將得到更快的發展。

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