發酵罐五大系統 控制系統*為重要
2017-04-11 16:27:23 來源：銳元機械
生物發酵行業作為我國戰略性新興產業中的重要組成部分，呈現出穩定增長的態勢。發酵罐作為生物發酵行業的重要設備，同樣也迎來良好的市場發展行情，但與此同時，各大發酵罐企業之間的惡性競爭也越來越激烈。生物發酵控制系統的先進性直接影響產品的銷售和公司的未來戰略！
一、發酵罐的機械攪拌系統
機械攪拌系統作為發酵罐的主要特征之一，其提供的動力是機械攪拌罐質量傳遞、熱量傳遞、混合和懸浮物均勻分布的基本保證。攪拌裝置的設計和選擇必須綜合考慮，以滿足上述要求并降低造價和動力消耗。
以下為大家簡單介紹機械攪拌系統的六大硬件組成部分：電機、變速箱、攪拌軸、攪拌槳、軸封和擋板。
1.電機和變速箱
電機和變速箱置于罐體之外。對于小型發酵罐，企業可以采用單相電驅動的電機，而大型發酵罐所用的一般均為三相電機。大型發酵罐，由于電機的轉速一般遠高于攪拌轉速，因此企業必須通過變速箱降低轉速。而實驗室小型發酵罐可以采用無級變速，不需要變速箱。值得注意的是，在間歇培養時，細胞生長各個階段對剪切力和氧傳遞有不同的要求，為了降低功耗同時噪音小，*好伺服電機。
2.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略高于下攪拌。但是，采用下攪拌時，培養基中的固體顆�；蛘呖扇苄猿煞衷谒謸]發后形成的結晶會損壞軸封，使其維護成本增加。另外，不同尺寸的通氣攪拌罐，其攪拌槳層數也不同，小型發酵罐一般只有一層攪拌槳，而大型發酵罐一般具有2～4層攪拌槳以改善混合和傳質。
3.攪拌槳
攪拌槳根據攪拌所產生的流體運動的初始方向，可以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，遇反應器內壁和檔板后再向上下兩側折返，產生次生流。軸向流攪拌槳則使流體一開始就沿軸向運動。一般而言，帶軸向流攪拌槳的反應器，其功率準數較低，達到同樣混合效果所需消耗的能量要遠低于徑向流攪拌槳。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，但會對有些細胞產生傷害。
因此，徑向流攪拌槳多用于對剪切力不敏感的好氧細菌和酵母的培養，而軸向流攪拌槳多用于對剪切力敏感的生物反應體系。
4.軸封
軸封的主要作用是防止環境中的微生物侵入發酵罐以及培養液等發生泄漏。機械傳動部件往往是造成染菌的主要原因之一，因此軸封設計的關鍵是避免染菌和泄漏，應盡可能采用無菌密封材料。
5.擋板
為防止攪拌時液面上產生大的旋渦，并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，是指在攪拌罐中再增加擋板或其它附件時，攪拌功率不再增加。擋板的數目通常為4～6塊，其寬度為0.1～0.12D。全擋板條件是達到消除液面漩渦的*低條件。
二、發酵罐的溫度控制系統
為了保證給細胞生長和代謝提供合適的溫度，溫度控制系統也是發酵罐所必備的。溫度控制系統由溫度測量電極、熱交換裝置及相應的控制裝置組成。
由于生物反應和機械攪拌都是放熱過程，多數生物反應體系在運行期間需要冷卻，就地滅菌后的培養基更要求快速冷卻。對大型發酵罐，通常采用罐內安裝的冷卻盤管或采用夾套式發酵罐進行溫度控制;而對5m3以下的小型發酵罐，熱交換器多采用夾套作為換熱裝置。對大型發酵罐，盤管的冷卻效率要遠高于夾套，而且傳熱面積可以根據需要設計，但它要占用反應器空間，并使反應器清洗和滅菌更加困難。為了強化傳熱，夾套可以設計成蜂窩狀以增加冷卻介質的流速，這樣可以彌補傳熱面積不足的限制。
培養基的就地滅菌需要加熱裝置。有時細胞培養的開始階段和結束階段由于細胞產生的代謝熱不足以維持生物反應器內的*適溫度，需要通過熱交換器加熱。大型發酵罐培養基的就地滅菌一般采用直接向反應器中通入高壓水蒸汽的方法實現快速加熱。小型發酵罐則通常采用夾套加熱或電加熱。
三、發酵罐的pH值和溶氧測量與控制系統
細胞生長都有*適pH值，因此需要對培養介質的pH進行檢測和控制。pH控制系統包括pH電極、酸及堿儲罐、耐酸或堿的管道和泵及相應的控制系統組成。根據不同生物反應體系的實際需要，可以只加酸或加堿系統，也可以兩者都具備。在流加培養時，通過碳源或/和氮源的補料也能起到調節pH的作用。
溶氧是好氧發酵體系*重要的參數之一。傳統的工業發酵罐只是簡單地通過人工調節空氣流量來實現溶氧控制，可滅菌的溶氧電極改變了這種情況，使溶解氧濃度也可以實現在線檢測和控制，為及時了解發酵過程的進程及提高產物產量創造了條件。
有些先進的發酵罐還配備了發酵罐尾氣分析裝置，可在線分析尾氣中的氧及二氧化碳濃度，以協助判斷發酵的過程的正常與否，對發酵動力學及代謝流分析等都很有幫助。有些發酵過程是微好氧過程，要求反應體系保持很低的溶氧值;還有一些高好氧過程的氧消耗速率很快，造成發酵液中的溶解氧濃度很低，這些過低的溶氧值都可能是溶氧電極無法精確測量的。這種情況就需要安裝氧化還原電極以檢測細胞培養的正常與否。
四、發酵罐的通氣系統
通氣系統由無菌空氣制備系統、空氣分布裝置和出口氣體除菌系統組成。無菌空氣制備系統是一套相對獨立的復雜系統，也是設備的核心系統。
細胞生長和代謝所需的無菌空氣通過空氣分布管引入罐中�？諝夥植脊芤话阄挥�*下層的攪拌槳的正下方。為保證氣泡的分散，多采用帶小孔的環狀空氣分布管，環的直徑一般等于攪拌槳的直徑。在大型通氣攪拌罐中，攪拌槳尖附近的剪切力非常大，一般足以達到充分打碎氣泡的目的，為防止培養液中的固體物料或菌絲堵塞空氣分布管，對某些特殊的發酵體系有時采用向下開口的單孔管。
在一些簡單的反應器中，氣體的排出只是通過一個簡單的閥門控制的。為避免染菌，必須調節空氣的排出閥以保證反應器內始終處于高于大氣壓的正壓狀態。一些精密的反應器則配備了出口氣體冷凝裝置和過濾裝置
五、發酵罐的消泡系統
消泡系統對好氧發酵過程是非常重要的。發酵罐的裝液量一般不能超過容器容積的70～80%，一方面，這是由于通氣后液面會有所上升;更重要的原因是，預留部分空間可以避免泡沫馬上沖出罐體，為消除泡沫提供一段緩沖的時間。一般對越容易產生泡沫的體系，裝液量要越少。發酵罐頂部有一個額外的攪拌槳，稱為消泡槳，其作用就是通過機械作用消除泡沫。在多數情況下，僅憑消泡槳還不足以及時破壞所有的泡沫，因此通常還須進一步采用添加化學消泡劑的方法消泡。
植物油、聚醚類非離子型表面活性劑都可以用于化學消泡，它們可以直接在配制在培養基中，也可以在發酵過程中根據需要加入，或者兩種策略同時使用。為了及時檢測泡沫是否達到預警高度，通常在發酵罐上方裝有液位電極，一旦泡沫達到相應的高度，就可以通過消泡控制裝置自動向反應器中流加消泡劑。
綜上所述，機械攪拌系統、溫度控制系統、pH值和溶氧測量與控制系統、通氣系統和消泡系統是發酵罐重要的五大系統，缺一不可。而發酵罐控制系統，是發酵罐的核心和靈魂。
(來源：中國制藥網)
