【中國制藥網(wǎng) 技術文章】近年來，生物發(fā)酵行業(yè)作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分，呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長的態(tài)勢。發(fā)酵罐作為生物發(fā)酵行業(yè)的重要設備，同樣也迎來良好的市場發(fā)展行情，但與此同時，各大發(fā)酵罐企業(yè)之間的競爭也越來越激烈。筆者獲悉，在這場激烈的競爭中，江蘇弗盧德流體設備有限公司憑借豐富的經(jīng)驗，的技術、高質(zhì)量的產(chǎn)品于市場，弗盧德嚴格按質(zhì)量標準制作產(chǎn)品，通過了ISO9001 質(zhì)量體系認證及歐盟的CE認證，產(chǎn)品廣受客戶信賴。為了幫助客戶購買到心怡、實用、高質(zhì)量、性價比高的產(chǎn)品，今天弗盧德便作為發(fā)酵罐行業(yè)為廣大客戶帶來發(fā)酵罐的五大系統(tǒng)以及其重要性與不可或缺性。
 

　　一、發(fā)酵罐的機械攪拌系統(tǒng)
 

　　機械攪拌系統(tǒng)作為發(fā)酵罐的主要特征之一，其提供的動力是機械攪拌罐質(zhì)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。
 

　　下面弗盧德便為大家簡單介紹機械攪拌系統(tǒng)的六大組成部分：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(fā)酵罐，企業(yè)可以采用單相電驅(qū)動的電機，而大型發(fā)酵罐所用的一般均為三相電機。大型發(fā)酵罐，由于電機的轉(zhuǎn)速一般遠高于攪拌轉(zhuǎn)速，因此企業(yè)必須通過變速箱降低轉(zhuǎn)速。而實驗室小型發(fā)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(yǎng)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，好采用可調(diào)速電機。
 

　　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(yǎng)基中的固體顆?；蛘呖扇苄猿煞衷谒謸]發(fā)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(shù)也不同，小型發(fā)酵罐一般只有一層攪拌槳，而大型發(fā)酵罐一般具有2～4層攪拌槳以改善混合和傳質(zhì)。
 

　　3.攪拌槳
 

　　攪拌槳根據(jù)攪拌所產(chǎn)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(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動。一般而言，帶軸向流攪拌槳的反應器，其功率準數(shù)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(shù)，但會對有些細胞產(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體系。
 

　　4.軸封
 

　　軸封的主要作用是防止環(huán)境中的微生物侵入發(fā)酵罐以及培養(yǎng)液等發(fā)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(chǎn)生大的旋渦，并促進罐內(nèi)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(shù)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(fā)酵罐的溫度控制系統(tǒng)
 

　　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(tǒng)也是發(fā)酵罐所常備的。溫度控制系統(tǒng)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(shù)生物反應體系在運行期間需要冷卻，就地滅菌后的培養(yǎng)基更要求快速冷卻。對大型發(fā)酵罐，通常采用罐內(nèi)安裝的冷卻盤管或采用夾套式發(fā)酵罐進行溫度控制;而對5m3以下的小型發(fā)酵罐，熱交換器多采用夾套作為換熱裝置。對大型發(fā)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(jù)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(zhì)的流速，這樣可以彌補傳熱面積不足的限制。
 

　　培養(yǎng)基的就地滅菌需要加熱裝置。有時細胞培養(yǎng)的開始階段和結束階段由于細胞產(chǎn)生的代謝熱不足以維持生物反應器內(nèi)的適溫度，需要通過熱交換器加熱。大型發(fā)酵罐培養(yǎng)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(xiàn)快速加熱。小型發(fā)酵罐則通常采用夾套加熱或電加熱。
 

　　三、發(fā)酵罐的pH值和溶氧測量與控制系統(tǒng)
 

　　細胞生長都有適pH值，因此需要對培養(yǎng)介質(zhì)的pH進行檢測和控制。pH控制系統(tǒng)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(tǒng)組成。根據(jù)不同生物反應體系的實際需要，可以只加酸或加堿系統(tǒng)，也可以兩者都具備。在流加培養(yǎng)時，通過碳源或/和氮源的補料也能起到調(diào)節(jié)pH的作用。
 

　　溶氧是好氧發(fā)酵體系重要的參數(shù)之一。傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)酵罐只是簡單地通過人工調(diào)節(jié)空氣流量來實現(xiàn)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(xiàn)在線檢測和控制，為及時了解發(fā)酵過程的進程及提高產(chǎn)物產(chǎn)量創(chuàng)造了條件。
 

　　有些先進的發(fā)酵罐還配備了發(fā)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(xié)助判斷發(fā)酵的過程的正常與否，對發(fā)酵動力學及代謝流分析等都很有幫助。有些發(fā)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(fā)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(yǎng)的正常與否。
 

　　四、發(fā)酵罐的通氣系統(tǒng)
 

　　通氣系統(tǒng)由無菌空氣制備系統(tǒng)、空氣分布裝置和出口氣體除菌系統(tǒng)組成。無菌空氣制備系統(tǒng)是一套相對獨立的復雜系統(tǒng)，這里不做介紹。
 

　　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?？諝夥植脊芤话阄挥谙聦拥臄嚢铇恼路健楸ＷC氣泡的分散，多采用帶小孔的環(huán)狀空氣分布管，環(huán)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(yǎng)液中的固體物料或菌絲堵塞空氣分布管，對某些特殊的發(fā)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(diào)節(jié)空氣的排出閥以保證反應器內(nèi)始終處于高于大氣壓的正壓狀態(tài)。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(fā)酵罐的消泡系統(tǒng)
 

　　消泡系統(tǒng)對好氧發(fā)酵過程是非常重要的。發(fā)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(chǎn)生泡沫的體系，裝液量要越少。發(fā)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(shù)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(yǎng)基中，也可以在發(fā)酵過程中根據(jù)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(fā)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(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、pH值和溶氧測量與控制系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)和消泡系統(tǒng)是發(fā)酵罐重要的五大系統(tǒng)，缺一不可。