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詳解玻璃發酵罐攪拌系統的結構組成

 

  玻璃發酵罐主体采用不锈钢材料,通常采用涡轮式搅拌器。搅拌轴与罐体的连接要进行无菌密封。罐体底部设有空气分布器或喷嘴,通过空气过滤器的无菌空气从孔径几毫米的多孔管鼓入培养液内。搅拌器由置于罐顶的搅拌电机以一定的转速驱动旋转,通过搅拌涡轮产生的液体漩涡及剪切力,将鼓入的空气打碎成小气泡,并均匀分散在培养液中。这样,既提供了细胞生长所需氧,同时又使培养液浓度均匀。玻璃發酵罐的装料系数一般为70~80%。系统通常还设有消泡装置、参数测试元件、蛇管或夹套冷却装置等。
  玻璃發酵罐适用于大多数的生物工程,它具有以下优点:pH值及温度易于控制;工业放大方法研究比较多;适合连续培养。不足之处是:搅拌消耗的功率较大;结构比较复杂,难以彻底拆卸清洗,易染菌;剪切力稍大,特别是培养丝状菌体时,对细胞有较大损伤,等等。
  玻璃發酵罐的搅拌系统由电机、变速箱、搅拌轴、搅拌桨、轴封和挡板组成。下面做简要的介绍。
  1、電機和變速箱
  電機和變速箱置于罐體之外。對小型玻璃發酵罐,可以采用单相电驱动的电机,而大型玻璃發酵罐所用的一般均为三相电机。对大型玻璃發酵罐,由于电机的转速一般远高于搅拌转速,必须通过变速箱降低转速。实验室小型玻璃發酵罐可以采用无级变速,不需要变速箱。在间歇培养时,细胞生长各个阶段对剪切力和氧传递有不同的要求,为了降低功耗,最好采用可调速电机。
  2、攪拌槳
  根据搅拌所产生的流体运动的初始方向,可以将搅拌桨分为径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨。径向流搅拌桨将流体向外推进,遇玻璃發酵罐内壁和档板后再向上下两侧折返,产生次生流。轴向流搅拌桨则使流体一开始就沿轴向运动。一般而言,带轴向流搅拌桨的玻璃發酵罐,其功率准数较低,达到同样混合效果所需消耗的能量要远低于径向流搅拌桨。径向流搅拌桨所造成的剪切力大于轴向流搅拌桨,这有利于打碎气泡,从而增大总括氧传递速率常数,但会对有些细胞产生伤害。因此,径向流搅拌桨多用于对剪切力不敏感的好氧细菌和酵母的培养,而轴向流搅拌桨多用于对剪切力敏感的生物反应体系。对于大型發酵罐,可采用这两类搅拌桨混合配置的设计,以充分发挥各自的优点。
  3、攪拌軸
  搅拌轴既可以从顶部伸入罐体,也可以从底部伸入罐体,前者称为上搅拌,后者称为下搅拌。一般而言,上搅拌的制造和安装成本要略高于下搅拌。但是,采用下搅拌时,培养基中的固体颗粒或者可溶性成分在水分挥发后形成的结晶会损坏轴封,使其维护成本增加。不同尺寸的通气玻璃發酵罐,其搅拌桨层数也不同,小型通气玻璃發酵罐一般只有一层搅拌桨,而大型通气玻璃發酵罐一般具有2~4层搅拌桨以改善混合和传质。
  4、軸封
  轴封的主要作用是防止环境中的微生物侵入玻璃發酵罐以及培养液等发生泄漏。机械传动部件往往是造成染菌的主要原因之一,因此轴封设计的关键是避免染菌和泄漏,应尽可能采用无菌密封材料。
  5、擋板
  爲防止攪拌時液面上産生大的旋渦,並促進罐內流體在各個方向的混合,與攪拌槳相對應,在罐體上還安裝有擋板。擋板的設計要滿足“全擋板條件”。所謂全擋板條件,是指在玻璃發酵罐中再增加擋板或其它附件時,攪拌功率不再增加。擋板的數目通常爲4~6塊,其寬度爲0.1~0.12D。全擋板條件是達到消除液面漩渦的最低條件。