Requisiti, principi e strutture dei serbatoi di fermentazione agitati meccanicamente
Requisiti di base per il fermentatore bioreattore
I serbatoi di fermentazione devono avere un rapporto di aspetto adatto. Il rapporto tra altezza e diametro è generalmente (1,7-4): 1. Maggiore è il rapporto tra altezza e diametro, migliore è l'effetto dell'ossigeno disciolto e maggiore è il tasso di utilizzo dell'ossigeno. Va notato che maggiore è il rapporto di aspetto, più alto è il serbatoio, il che influisce sui costi di costruzione.
Il serbatoio di fermentazione deve avere una pressione di progetto adatta. Attualmente, la pressione di progetto della maggior parte dei serbatoi di fermentazione è di 0,3 MPa e la pressione di esercizio è inferiore a 0,15 MPa.
Gli agitatori e la sua struttura interna facilitano la dissoluzione dell'ossigeno. Le lame degli agitatori del serbatoio di fermentazione sono generalmente una combinazione di più lame di agitatori per ottenere il miglior effetto dell'ossigeno disciolto. Il deflettore interno e la struttura del tubo verticale del serbatoio di fermentazione creano turbolenza nel mezzo di coltura durante l'agitazione, aumentando l'effetto di agitazione.
Il serbatoio di fermentazione deve avere una buona tenuta. I serbatoi di fermentazione richiedono elevati requisiti di tenuta, in particolare per le guarnizioni di miscelazione. Tutte le interfacce e le tenute meccaniche devono soddisfare i requisiti di tenuta per ridurre al minimo le perdite e ridurre la probabilità di contaminazione batterica durante la coltivazione.
Quando si progetta l'interno del serbatoio di fermentazione, è necessario evitare la sterilizzazione e la miscelazione di angoli morti. Dare priorità alla semplicità e alla stabilità per evitare l'allentamento dei bulloni all'interno del serbatoio.
Il serbatoio di fermentazione deve essere facile da usare e pulire. La superficie interna è lucidata con una finitura a specchio per ridurre l'adesione del terreno di coltura e di altri materiali. L'interfaccia adotta metodi di collegamento rapido a morsetto per un facile utilizzo, pulizia e manutenzione.
Il serbatoio di fermentazione deve avere un'area di scambio termico sufficiente. Quando si progetta un serbatoio di fermentazione, l'area di scambio termico deve essere calcolata per garantire una superficie di scambio termico sufficiente per un rapido riscaldamento e raffreddamento, riducendo al minimo il danno dei componenti nutritivi nel terreno di coltura durante la sterilizzazione e garantendo l'accuratezza del controllo della temperatura durante la fermentazione.
Principio di funzionamento del fermentatore bioreattore
Il serbatoio di fermentazione con agitazione meccanica utilizza principalmente l'effetto di agitazione e frantumazione della lama di agitazione meccanica e l'effetto di dispersione del distributore d'aria per disperdere l'aria sterile in piccole bolle che si mescolano con il brodo di fermentazione, promuovendo la dissoluzione dell'ossigeno nel brodo di fermentazione per garantire l'ossigeno necessario per la crescita microbica e la produzione del prodotto.
I due indicatori di base per misurare la qualità di un serbatoio di fermentazione sono il coefficiente di ossigeno disciolto (KLa) e la quantità di potenza richiesta per trasferire 1 kg di ossigeno. Il serbatoio di fermentazione mantiene un certo pH del brodo di fermentazione aggiungendo acido, alcali, ecc.;
Mantiene una certa temperatura del brodo di fermentazione facendo passare acqua di raffreddamento, acqua calda, vapore, ecc. attraverso camicie, serpentine, tubi serpentini, ecc.;
Rigorose condizioni asettiche vengono mantenute durante la fermentazione microbica attraverso la sterilizzazione del serbatoio, la filtrazione del filtro di sterilizzazione, la sigillatura e il mantenimento della pressione positiva all'interno del serbatoio.
Controllando parametri come velocità di ventilazione, ossigeno disciolto, velocità di agitazione, pressione del serbatoio, pH, temperatura, alimentazione, densità batterica e rilevamento dei gas di scarico, si garantisce che la fermentazione sia nello stato ottimale.
Struttura principale del fermentatore bioreattore
La struttura principale di un serbatoio di fermentazione include: corpo del serbatoio, agitatori, deflettore, dispositivo di distribuzione dell'aria, tenuta meccanica, dispositivo di scambio termico, interfaccia del sensore, struttura accessoria, ecc., come mostrato nella figura.
(1) Corpo del serbatoio
Il serbatoio di fermentazione è composto da un corpo cilindrico dritto e una testa superiore e inferiore ellittica o a farfalla collegate tra loro. Il volume nominale (testa inferiore e volume del cilindro) del serbatoio di fermentazione è 1 m3 o meno. La testa superiore e il cilindro dritto del serbatoio di fermentazione sono collegati da flange e dotati di fori per le mani per l'alimentazione, la pulizia, ecc. Se è richiesta manutenzione all'interno del serbatoio di fermentazione, è necessario aprire la testa superiore;
La testa del serbatoio di fermentazione con una capacità nominale di 1 m3 o più è saldata direttamente al corpo del serbatoio ed è presente un tombino per l'alimentazione, la pulizia e la manutenzione del serbatoio.
Sulla parte superiore del serbatoio sono presenti interfacce come tombino, porta di alimentazione, porta di scarico, interfaccia del manometro, porta di inoculazione, ecc.
Interfacce sul corpo del serbatoio: ingresso aria, porta di trasferimento semi, porta di campionamento, porta di scarico, varie interfacce sensore, ingresso e uscita acqua circolante, ecc.
La struttura e le dimensioni principali dei serbatoi di fermentazione agitati e ventilati meccanicamente comunemente utilizzati sono state standardizzate e possono essere suddivise in vari tipi in base alle dimensioni e allo scopo del serbatoio di fermentazione. È principalmente suddiviso in tre livelli: scala di laboratorio, scala pilota e scala di produzione. Ci sono serbatoi di fermentazione da 1, 3, 5, 10, 20 e 30 litri nella scala di laboratorio;
La scala pilota include serbatoi di fermentazione da 50100200300500 litri e 1,2,3 m3;
Ci sono serbatoi di fermentazione con scale di produzione da 5, 10, 20, 50, 100, 200 e 200 metri cubi. (Classificazione generale, non assoluta.)
Possiamo scegliere la capacità del serbatoio di fermentazione in base alle nostre esigenze.
Le dimensioni geometriche del serbatoio di fermentazione universale con agitazione meccanica e ventilazione sono mostrate nella figura seguente.
Nella figura, H rappresenta l'altezza della canna dritta del serbatoio di fermentazione, in metri;
D - diametro del serbatoio di fermentazione, m;
d - diametro del miscelatore, m;
W - larghezza del deflettore, m;
B - distanza tra il miscelatore inferiore e il fondo del serbatoio, m;
s - spaziatura tra i miscelatori, m. Le proporzioni geometriche dei serbatoi di fermentazione con agitazione e ventilazione meccanica comunemente utilizzati:
H/D=1,7～3,5；
d/D=1/3～1/2；
W/D=1/2～1/8；
=1-2 (di seguito, 2 e 3 rappresentano il numero di deflettori nel miscelatore)
La dimensione del serbatoio di fermentazione può essere descritta come capacità massima e capacità nominale.
Il volume massimo è la somma del volume del barile dritto e del volume delle teste superiore e inferiore del serbatoio di fermentazione;
Il volume nominale (V0) si riferisce alla somma del volume del cilindro dritto del corpo del serbatoio (Va) e del volume della testa inferiore (Vb). Oggigiorno, la dimensione di un serbatoio di fermentazione è generalmente indicata come la sua capacità massima.
Il coefficiente di carico è il rapporto tra il volume del liquido e il volume totale del serbatoio di fermentazione e generalmente il coefficiente di carico del serbatoio di fermentazione è compreso tra il 70% e l'80%.
Nel processo di coltivazione del serbatoio di fermentazione, se viene prodotta più schiuma, il coefficiente di carico può essere opportunamente ridotto;
Per i serbatoi di fermentazione con meno schiuma e meno aerazione durante il processo di coltivazione, il coefficiente di carico può essere opportunamente aumentato.
(2) Miscelatore
La funzione principale di un miscelatore meccanico è quella di miscelare i materiali, frantumare le bolle e migliorare il trasferimento di calore e massa. L'agitatore meccanico mantiene sospesi i materiali solidi nel brodo di fermentazione, mantenendo così il trasferimento di massa della miscela trifase gas-liquido-solido;
Disperde l'aria in entrata in piccole bolle e le mescola uniformemente con il brodo di fermentazione, aumenta l'interfaccia di contatto gas-liquido, migliora la velocità di trasferimento di massa tra gas e liquido e aumenta l'ossigeno disciolto;
Mescolando, la temperatura di ogni parte del serbatoio di fermentazione viene distribuita uniformemente, migliorando il trasferimento di calore.
La girante degli agitatori genera flusso assiale, flusso radiale e flusso tangenziale durante l'agitazione.
Il flusso assiale è la direzione del flusso del fluido parallela all'albero di agitazione. Il fluido viene spinto verso il basso dalle lame e quando incontra il fondo del contenitore, si ribalta per formare un flusso di circolazione su e giù. La portata di circolazione del liquido è elevata, come mostrato nella Figura (1).
Il flusso assiale fa sì che il flusso complessivo del liquido nel serbatoio di fermentazione formi una circolazione assiale, che favorisce la miscelazione macroscopica, ma il livello di turbolenza non è elevato. I principali tipi di pale dell'elica includono pale di miscelazione a pale e a elica. Il flusso radiale è la direzione del flusso del fluido perpendicolare all'albero di agitazione, che scorre lungo il raggio del serbatoio di fermentazione tra l'agitatore e la parete interna. Quando incontra la parete del contenitore, si divide in due flussi di fluido che scorrono rispettivamente verso l'alto e verso il basso, quindi ritorna all'estremità della lama senza passare attraverso la lama, formando due flussi di circolazione superiore e inferiore, come mostrato nella Figura (2).
Il flusso radiale rende il flusso complessivo del liquido nel serbatoio di fermentazione più complesso, con un grande effetto di taglio sul liquido, che è utile per la rottura delle bolle, ma può facilmente danneggiare le cellule microbiche. Le forme principali della lama includono pale di agitatori di tipo turbina.
Il flusso tangenziale si riferisce al moto rotatorio del fluido attorno a un asse in un contenitore senza deflettori. Sotto l'azione della forza centrifuga, il fluido si precipita verso la parete del contenitore, facendo sì che il livello del liquido nella parte centrale scenda e formi un grande vortice, come mostrato nella figura seguente.
Agitazione meccanica flusso tangenziale
In casi gravi, gli agitatori potrebbero non essere completamente immersi nel brodo di fermentazione, con conseguente significativa diminuzione della potenza di agitazione.
Attualmente, il tipo di serbatoio di fermentazione più comunemente utilizzato è l'agitatore a turbina, come mostrato nella figura sottostante, che è suddiviso in agitatori a turbina a lama piatta, agitatori a turbina a lama curva, agitatori a turbina a lama a freccia, ecc. La lama di agitazione è generalmente composta da 6 pezzi.
Lama di agitazione a turbina
(3) Pannello di barriera
La funzione del deflettore è quella di cambiare la direzione del fluido, dal flusso tangenziale al flusso assiale, per generare turbolenza durante l'agitazione, prevenire la formazione di vortici, aumentare il contenuto di ossigeno disciolto, migliorare l'efficienza di trasferimento di massa e calore e migliorare l'efficienza di agitazione.
La parte superiore del deflettore deve essere sopra il livello del liquido e la parte inferiore deve estendersi fino al fondo del serbatoio, a livello della testa. La larghezza del deflettore è generalmente (0,1-0,12) D. (D è il diametro del serbatoio di fermentazione)
L'installazione di 4-6 deflettori può soddisfare la condizione di deflettore completo. La cosiddetta "condizione di deflettore completo" si riferisce al fatto che quando si aggiungono deflettori e altri accessori che possono fungere da deflettori nel serbatoio di fermentazione, la potenza di miscelazione rimane invariata e il vortice sostanzialmente scompare.
L'installazione del deflettore presenta diverse caratteristiche:
C'è uno spazio tra il deflettore e la parete del serbatoio, che può prevenire efficacemente la pulizia e la sterilizzazione degli angoli morti tra la parete del serbatoio e il deflettore;
Il deflettore è staccabile per una facile manutenzione;
Il deflettore è lavorato per piegarsi nella direzione del flusso del liquido nella parte più esterna, il che può aumentare efficacemente la resistenza del deflettore e ridurre l'attrito del liquido all'esterno del deflettore;
Nei serbatoi di fermentazione da 10 m3 e oltre, i tubi possono sostituire i deflettori.
(4) Tenuta meccanica
In un serbatoio di fermentazione con agitazione meccanica, ad eccezione dell'agitazione magnetica, che non richiede che l'albero di agitazione venga esteso fuori dal serbatoio di fermentazione, tutti gli altri richiedono che l'albero di agitazione venga esteso fuori dal serbatoio di fermentazione e quindi ruotato da un motore. Nella parte in cui l'albero di agitazione si estende fuori dal corpo del serbatoio, è necessaria una tenuta meccanica per evitare perdite.
Le tenute meccaniche possono essere divise in tenute meccaniche a premistoppa e tenute meccaniche a faccia terminale. Le tenute meccaniche frontali possono essere suddivise in tenute meccaniche monofacciali e tenute meccaniche bifacciali in base al numero di superfici di tenuta.
La tenuta meccanica a premistoppa è composta dal corpo del premistoppa, dal rivestimento inferiore del premistoppa, dal coperchio del premistoppa e dal bullone di serraggio, come mostrato nella figura.
Tenuta meccanica a premistoppa
La cassa premistoppa è un metodo per aggiungere materiale di tenuta nella camera di tenuta, che viene compresso da un coperchio e da un bullone di serraggio per garantire un contatto stretto tra il materiale di tenuta e l'albero, ottenendo lo scopo della tenuta.
I vantaggi delle tenute meccaniche a premistoppa sono il prezzo basso, la struttura semplice, la facile manutenzione, i bassi requisiti di precisione della lavorazione dell'albero e l'usura minima dell'albero.
Lo svantaggio è che ci sono molti punti ciechi, rendendo difficile la sterilizzazione completa; breve durata, grandi perdite, scarso effetto di tenuta, facile infezione batterica, manutenzione frequente e raramente utilizzata nei serbatoi di fermentazione.
In base all'intervallo di temperatura e pressione del serbatoio di fermentazione, la più comunemente utilizzata è la tenuta meccanica monofacciale, come mostrato nella figura.
Strutture di tenuta meccanica a estremità singola comunemente utilizzate
La superficie terminale di una tenuta meccanica a estremità singola è realizzata in due materiali con diversa durezza, vale a dire l'anello dinamico e l'anello statico.
L'anello statico è fissato sul serbatoio di fermentazione, con una superficie terminale non rotante. È saldamente aderente alla base della tenuta meccanica del serbatoio di fermentazione tramite una guarnizione di tenuta, assicurando che non vi siano perdite nell'area di contatto tra l'anello statico e il serbatoio di fermentazione.
L'anello dinamico è montato sull'albero e al suo interno è presente una guarnizione di tenuta che aderisce saldamente all'albero, il che può impedire perdite tra l'anello dinamico e l'albero. La molla superiore dell'anello dinamico preme l'anello dinamico verso l'anello statico, assicurando che la superficie terminale liscia dell'anello dinamico sia a stretto contatto con la superficie terminale liscia dell'anello statico, ottenendo lo scopo della tenuta.
Le tenute meccaniche a estremità singola devono essere ben protette prima e dopo l'installazione per garantire una superficie di contatto liscia. Durante l'installazione, cercare di evitare il più possibile di inclinare gli anelli mobili e fissi.
Le piccole tenute meccaniche sono generalmente installate all'interno del serbatoio e, per questo tipo, si dovrebbero selezionare il più possibile tenute meccaniche con struttura semplice e pochi angoli morti; Le guarnizioni meccaniche più grandi sono installate all'esterno del serbatoio di fermentazione, rendendole facili da riparare, regolare e manutenere.
(5) Dispositivo di distribuzione dell'aria
La funzione principale del dispositivo di distribuzione dell'aria è quella di soffiare aria sterile nel serbatoio di fermentazione, disperdendo l'aria sterile in piccole bolle per una dissoluzione più completa nel brodo di fermentazione, il che è benefico per la crescita batterica.
Le forme comunemente utilizzate di dispositivi di distribuzione dell'aria sono il tubo singolo e il tubo anulare, come mostrato nella figura.
Distributori d'aria a tubo circolare e a tubo singolo
Il tubo dell'aria a tubo singolo si estende fino alla parte inferiore della lama di miscelazione sul fondo, con l'apertura rivolta verso il basso, per garantire che non vi siano accumuli di materiali o angoli morti all'interno del tubo. Allo stesso tempo, l'aria che soffia verso il basso può soffiare il materiale sul fondo del serbatoio e le bolle vengono ulteriormente schiacciate dalla lama di miscelazione, il che può ottenere un buon effetto di ossigeno disciolto. La distanza tra il fondo dell'uscita dell'aria e il fondo del serbatoio varia leggermente a seconda delle dimensioni del serbatoio. Il tipo di tubo anulare è saldato alla coda del tubo dell'aria e il tubo anulare è generalmente un cerchio chiuso o un cerchio aperto. Ci sono alcuni piccoli fori nella parte inferiore e sui lati del tubo anulare e la somma delle aree trasversali di tutti i piccoli fori è approssimativamente uguale all'area della sezione trasversale del tubo di aspirazione.
I distributori a tubo circolare sono generalmente utilizzati per i serbatoi di fermentazione con volumi più piccoli. I serbatoi di fermentazione più piccoli sono limitati dal loro volume e altezza, con conseguente tempo di residenza più breve dell'aria nel brodo di fermentazione. Pertanto, l'utilizzo di un distributore ad anello d'aria per trasformare l'aria in bolle più piccole è utile per aumentare l'ossigeno disciolto. Il tipo a tubo singolo è utilizzato per i serbatoi di fermentazione più grandi.
(6) Dispositivo di scambio termico
I serbatoi di fermentazione richiedono sterilizzazione e controllo della temperatura, che richiede dispositivi di scambio termico. I dispositivi di scambio termico utilizzati per i serbatoi di fermentazione includono principalmente camicie, serpentine, serpentine verticali e tubi verticali.
I serbatoi di fermentazione con un volume di 5 m3 o inferiore utilizzano generalmente camicie, mentre i serbatoi con un volume di 5 m3 o superiore possono utilizzare serpentine, serpentine verticali o tubi verticali.
Se l'altezza della parte superiore della camicia supera il livello del liquido del brodo di fermentazione, non è richiesto alcun calcolo. La camicia ha importazioni ed esportazioni. Durante il controllo della temperatura, l'acqua di raffreddamento o l'acqua calda entra dalla posizione inferiore della camicia e viene scaricata dalla posizione superiore, come mostrato nella figura;
Schema schematico del dispositivo di scambio termico della camicia e dello scambio termico
Durante il preriscaldamento della sterilizzazione, il vapore entra dalla posizione alta della camicia e l'acqua condensata viene scaricata dalla posizione bassa della camicia.
Vantaggi della camicia: struttura semplice e facile produzione; Non c'è alcun dispositivo di raffreddamento all'interno del serbatoio, il che può ridurre efficacemente gli angoli morti e facilitare la pulizia e la sterilizzazione del serbatoio.
Lo svantaggio è che la portata dell'acqua di raffreddamento è bassa, il trasferimento di calore è irregolare e l'efficienza del trasferimento di calore durante la fermentazione è relativamente bassa.
La serpentina è un sistema di tubazioni in acciaio inossidabile a spirale all'interno di un serbatoio di fermentazione, con un ingresso e un'uscita e un'elevata efficienza di trasferimento di calore. Come mostrato nella Figura (1).
Come mostrato nella Figura (2), ogni set di tubi serpentini verticali nel serbatoio di fermentazione è composto da molti tubi verticali in acciaio inossidabile. I tubi in acciaio inossidabile sono collegati e saldati in serie tramite gomiti a 180 °, formando infine un set di tubi serpentini verticali con uno in entrata e uno in uscita. In genere, ci sono quattro, sei o otto gruppi e la quantità specifica e il diametro del tubo sono determinati in base alle dimensioni del corpo del serbatoio e ai requisiti di trasferimento di calore. La serpentina verticale ha un'efficienza di trasferimento di calore più elevata, un'area di trasferimento di calore più ampia e nessun problema di cortocircuito nel mezzo di trasferimento di calore rispetto alla camicia. E la Il tubo a serpentina ha un'elevata resistenza alla pressione, che può utilizzare un mezzo di scambio termico a pressione relativamente elevata per migliorare l'efficienza del trasferimento di calore.
I tubi a serpentina verticali possono anche fungere da deflettori e non è necessario installare deflettori all'interno del serbatoio di fermentazione.
Tuttavia, la fabbricazione della saldatura del tubo a serpentina è relativamente complessa, con molte saldature e una probabilità relativamente elevata di perdite di saldatura, rendendo difficile la riparazione delle perdite.
Come mostrato nella Figura (3), ogni set di tubi verticali nel serbatoio di fermentazione è costituito da più tubi verticali in acciaio inossidabile, che sono saldati in parallelo attraverso un tubo di ingresso e un tubo di scarico, formando infine un set di tubi verticali con un ingresso e un'uscita.
La quantità specifica e il diametro del tubo devono essere determinati in base alle dimensioni del corpo del serbatoio e ai requisiti di trasferimento di calore.
La lavorazione del tubo verticale è semplice, ma c'è un problema di cortocircuito con il mezzo di trasferimento di calore, con conseguente minore efficienza di trasferimento di calore rispetto alla serpentina verticale. I tubi a serpentina verticali possono anche fungere da deflettori e non è necessario installare deflettori all'interno del serbatoio di fermentazione. (7) Dispositivo antischiuma
Poiché nel liquido di fermentazione sono presenti proteine e altre sostanze che possono facilmente formare schiuma, è possibile produrre più schiuma sotto l'effetto della ventilazione e dell'agitazione durante la fermentazione. Troppa schiuma verrà scaricata dalla porta di scarico del serbatoio di fermentazione, causando perdite di liquido e aumentando la probabilità di infezione batterica durante la fermentazione.
Il dispositivo antischiuma del serbatoio di fermentazione è un dispositivo per eliminare fisicamente la schiuma generata durante la fermentazione. Attualmente, il principale dispositivo antischiuma è la paletta antischiuma. A causa della limitata efficacia degli antischiuma, molti serbatoi di fermentazione sono stati annullati
Le lame antischiuma vengono utilizzate per rompere fisicamente le bolle, principalmente sotto forma di serpenti, dentellature e denti di rastrello, come mostrato nella figura.
Antischiuma comuni
La paletta antischiuma è installata sulla parte superiore dell'albero di miscelazione e ruota con l'albero di miscelazione. Quando la schiuma raggiunge la posizione della paletta antischiuma, la paletta antischiuma può rompere la schiuma. Riassumendo
Con lo sviluppo della biotecnologia e la continua crescita della domanda di fermentazione industriale, la progettazione e l'applicazione dell'agitazione meccanica anche i serbatoi di fermentazione sono costantemente ottimizzati e innovati.
Attualmente, controllando con precisione i parametri chiave nel processo di fermentazione, come pH, temperatura, ossigeno disciolto, velocità di agitazione, ecc., l'efficienza metabolica dei microrganismi e la resa dei prodotti possono essere notevolmente migliorati. Questi controlli dei parametri sono anche diventati più stabili e precisi con lo sviluppo di apparecchiature di ispezione online.
La struttura del serbatoio di fermentazione sarà personalizzata in base alle caratteristiche dei batteri di fermentazione, combinate con i principi e la struttura del serbatoio di fermentazione in questo articolo, per soddisfare le nostre diverse condizioni di fermentazione.
Inoltre, il sistema di automazione e controllo intelligente del serbatoio di fermentazione offre la possibilità di ottenere un controllo di processo più preciso, con controllo dei parametri da parte del sistema di controllo centrale. Solo il volume d'aria richiesto, la temperatura, il pH, la velocità di alimentazione, ecc. devono essere impostati e controllati e regolati automaticamente dal sistema. Queste tecnologie promuovono ulteriormente la modernizzazione e l'efficienza del processo di fermentazione.