詳解玻璃發(fā)酵罐攪拌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
時(shí)間：2020.04.08
玻璃發(fā)酵罐主體采用不銹鋼材料，通常采用渦輪式攪拌器。攪拌軸與罐體的連接要進(jìn)行無菌密封。罐體底部設(shè)有空氣分布器或噴嘴，通過空氣過濾器的無菌空氣從孔徑幾毫米的多孔管鼓入培養(yǎng)液內(nèi)。攪拌器由置于罐頂?shù)臄嚢桦姍C(jī)以一定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，通過攪拌渦輪產(chǎn)生的液體漩渦及剪切力，將鼓入的空氣打碎成小氣泡，并均勻分散在培養(yǎng)液中。這樣，既提供了細(xì)胞生長所需氧，同時(shí)又使培養(yǎng)液濃度均勻。玻璃發(fā)酵罐的裝料系數(shù)一般為70～80％。系統(tǒng)通常還設(shè)有消泡裝置、參數(shù)測試元件、蛇管或夾套冷卻裝置等。
玻璃發(fā)酵罐適用于大多數(shù)的生物工程，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：pH值及溫度易于控制；工業(yè)放大方法研究比較多；適合連續(xù)培養(yǎng)。不足之處是：攪拌消耗的功率較大；結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以徹底拆卸清洗，易染菌；剪切力稍大，特別是培養(yǎng)絲狀菌體時(shí)，對細(xì)胞有較大損傷，等等。
玻璃發(fā)酵罐的攪拌系統(tǒng)由電機(jī)、變速箱、攪拌軸、攪拌槳、軸封和擋板組成。下面做簡要的介紹。
1、電機(jī)和變速箱
電機(jī)和變速箱置于罐體之外。對小型玻璃發(fā)酵罐，可以采用單相電驅(qū)動的電機(jī)，而大型玻璃發(fā)酵罐所用的一般均為三相電機(jī)。對大型玻璃發(fā)酵罐，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般遠(yuǎn)高于攪拌轉(zhuǎn)速，必須通過變速箱降低轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)室小型玻璃發(fā)酵罐可以采用無級變速，不需要變速箱。在間歇培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞生長各個(gè)階段對剪切力和氧傳遞有不同的要求，為了降低功耗，最好采用可調(diào)速電機(jī)。
2、攪拌槳
根據(jù)攪拌所產(chǎn)生的流體運(yùn)動的初始方向，可以將攪拌槳分為徑向流攪拌槳和軸向流攪拌槳。徑向流攪拌槳將流體向外推進(jìn)，遇玻璃發(fā)酵罐內(nèi)壁和檔板后再向上下兩側(cè)折返，產(chǎn)生次生流。軸向流攪拌槳則使流體一開始就沿軸向運(yùn)動。一般而言，帶軸向流攪拌槳的玻璃發(fā)酵罐，其功率準(zhǔn)數(shù)較低，達(dá)到同樣混合效果所需消耗的能量要遠(yuǎn)低于徑向流攪拌槳。徑向流攪拌槳所造成的剪切力大于軸向流攪拌槳，這有利于打碎氣泡，從而增大總括氧傳遞速率常數(shù)，但會對有些細(xì)胞產(chǎn)生傷害。因此，徑向流攪拌槳多用于對剪切力不敏感的好氧細(xì)菌和酵母的培養(yǎng)，而軸向流攪拌槳多用于對剪切力敏感的生物反應(yīng)體系。對于大型發(fā)酵罐，可采用這兩類攪拌槳混合配置的設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。
3、攪拌軸
攪拌軸既可以從頂部伸入罐體，也可以從底部伸入罐體，前者稱為上攪拌，后者稱為下攪拌。一般而言，上攪拌的制造和安裝成本要略高于下攪拌。但是，采用下攪拌時(shí)，培養(yǎng)基中的固體顆?；蛘呖扇苄猿煞衷谒謸]發(fā)后形成的結(jié)晶會損壞軸封，使其維護(hù)成本增加。不同尺寸的通氣玻璃發(fā)酵罐，其攪拌槳層數(shù)也不同，小型通氣玻璃發(fā)酵罐一般只有一層攪拌槳，而大型通氣玻璃發(fā)酵罐一般具有2～4層攪拌槳以改善混合和傳質(zhì)。
4、軸封
軸封的主要作用是防止環(huán)境中的微生物侵入玻璃發(fā)酵罐以及培養(yǎng)液等發(fā)生泄漏。機(jī)械傳動部件往往是造成染菌的主要原因之一，因此軸封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是避免染菌和泄漏，應(yīng)盡可能采用無菌密封材料。
5、擋板
為防止攪拌時(shí)液面上產(chǎn)生大的旋渦，并促進(jìn)罐內(nèi)流體在各個(gè)方向的混合，與攪拌槳相對應(yīng)，在罐體上還安裝有擋板。擋板的設(shè)計(jì)要滿足“全擋板條件”。所謂全擋板條件，是指在玻璃發(fā)酵罐中再增加擋板或其它附件時(shí)，攪拌功率不再增加。擋板的數(shù)目通常為4～6塊，其寬度為0.1～0.12D。全擋板條件是達(dá)到消除液面漩渦的最低條件。
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玻璃發(fā)酵罐適用于大多數(shù)的生物工程，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：pH值及溫度易于控制；工業(yè)放大方法研究比較多；適合連續(xù)培養(yǎng)。不足之處是：攪拌消耗的功率較大；結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以徹底拆卸清洗，易染菌；剪切力稍大，特別是培養(yǎng)絲狀菌體時(shí)，對細(xì)胞有較大損傷，等等。
1、電機(jī)和變速箱
電機(jī)和變速箱置于罐體之外。對小型玻璃發(fā)酵罐，可以采用單相電驅(qū)動的電機(jī)，而大型玻璃發(fā)酵罐所用的一般均為三相電機(jī)。對大型玻璃發(fā)酵罐，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般遠(yuǎn)高于攪拌轉(zhuǎn)速，必須通過變速箱降低轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)室小型玻璃發(fā)酵罐可以采用無級變速，不需要變速箱。在間歇培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞生長各個(gè)階段對剪切力和氧傳遞有不同的要求，為了降低功耗，最好采用可調(diào)速電機(jī)。
2、攪拌槳
根據(jù)攪拌所產(chǎn)生的流體運(yùn)動的初始方向，可以將攪拌槳分為徑向流攪拌槳和軸向流攪拌槳。徑向流攪拌槳將流體向外推進(jìn)，遇玻璃發(fā)酵罐內(nèi)壁和檔板后再向上下兩側(cè)折返，產(chǎn)生次生流。軸向流攪拌槳則使流體一開始就沿軸向運(yùn)動。一般而言，帶軸向流攪拌槳的玻璃發(fā)酵罐，其功率準(zhǔn)數(shù)較低，達(dá)到同樣混合效果所需消耗的能量要遠(yuǎn)低于徑向流攪拌槳。徑向流攪拌槳所造成的剪切力大于軸向流攪拌槳，這有利于打碎氣泡，從而增大總括氧傳遞速率常數(shù)，但會對有些細(xì)胞產(chǎn)生傷害。因此，徑向流攪拌槳多用于對剪切力不敏感的好氧細(xì)菌和酵母的培養(yǎng)，而軸向流攪拌槳多用于對剪切力敏感的生物反應(yīng)體系。對于大型發(fā)酵罐，可采用這兩類攪拌槳混合配置的設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。
3、攪拌軸
攪拌軸既可以從頂部伸入罐體，也可以從底部伸入罐體，前者稱為上攪拌，后者稱為下攪拌。一般而言，上攪拌的制造和安裝成本要略高于下攪拌。但是，采用下攪拌時(shí)，培養(yǎng)基中的固體顆?；蛘呖扇苄猿煞衷谒謸]發(fā)后形成的結(jié)晶會損壞軸封，使其維護(hù)成本增加。不同尺寸的通氣玻璃發(fā)酵罐，其攪拌槳層數(shù)也不同，小型通氣玻璃發(fā)酵罐一般只有一層攪拌槳，而大型通氣玻璃發(fā)酵罐一般具有2～4層攪拌槳以改善混合和傳質(zhì)。
4、軸封
軸封的主要作用是防止環(huán)境中的微生物侵入玻璃發(fā)酵罐以及培養(yǎng)液等發(fā)生泄漏。機(jī)械傳動部件往往是造成染菌的主要原因之一，因此軸封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是避免染菌和泄漏，應(yīng)盡可能采用無菌密封材料。
5、擋板
為防止攪拌時(shí)液面上產(chǎn)生大的旋渦，并促進(jìn)罐內(nèi)流體在各個(gè)方向的混合，與攪拌槳相對應(yīng)，在罐體上還安裝有擋板。擋板的設(shè)計(jì)要滿足“全擋板條件”。所謂全擋板條件，是指在玻璃發(fā)酵罐中再增加擋板或其它附件時(shí)，攪拌功率不再增加。擋板的數(shù)目通常為4～6塊，其寬度為0.1～0.12D。全擋板條件是達(dá)到消除液面漩渦的最低條件。
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