Requisitos, principios y estructuras de los tanques de fermentación con agitación mecánica
Requisitos básicos para el fermentador de biorreactores
Los tanques de fermentación deben tener una relación de aspecto adecuada. La relación entre la altura y el diámetro es generalmente (1,7-4): 1. Cuanto mayor sea la relación entre la altura y el diámetro, mejor será el efecto del oxígeno disuelto y mayor será la tasa de utilización del oxígeno. Cabe señalar que cuanto mayor sea la relación de aspecto, mayor será el tanque, lo que afecta el costo de construcción.
El tanque de fermentación debe tener una presión de diseño adecuada. En la actualidad, la presión de diseño de la mayoría de los tanques de fermentación es de 0,3 MPa y la presión de trabajo es inferior a 0,15 MPa.
Los agitadores y su estructura interna facilitan la disolución del oxígeno. Las palas de los agitadores del tanque de fermentación son generalmente una combinación de varias palas de agitadores para lograr el mejor efecto de oxígeno disuelto. El deflector interno y la estructura de tubo vertical del tanque de fermentación crean turbulencia en el medio de cultivo durante la agitación, lo que aumenta el efecto de agitación.
El tanque de fermentación debe tener un buen sellado. Los tanques de fermentación requieren altos requisitos de sellado, especialmente para los sellos de mezcla. Todas las interfaces y sellos mecánicos deben cumplir con losrequisitos de sellado para minimizar las fugas y reducir la probabilidad de contaminación bacteriana durante el cultivo.
Al diseñar el interior del tanque de fermentación, es necesario evitar la esterilización y los puntos muertos de mezcla. Priorice la simplicidad y la estabilidad para evitar que se aflojen los pernos dentro del tanque.
El tanque de fermentación debe ser fácil de operar y limpiar. La superficie interior está pulida con un acabado de espejo para reducir la adherencia del medio de cultivo y otros materiales. La interfaz adopta métodos de conexión rápida con abrazadera para facilitar la operación, la limpieza y el mantenimiento.
El tanque de fermentación debe tener suficiente área de intercambio de calor. Al diseñar un tanque de fermentación, el área de intercambio de calor debe calcularse para garantizar una superficie de intercambio de calor suficiente para un calentamiento y enfriamiento rápidos, minimizando el daño de los componentes de nutrientes en el medio de cultivo durante la esterilización y asegurando la precisión del control de temperatura durante la fermentación.
Principio de funcionamiento del fermentador de biorreactor
El tanque de fermentación con agitación mecánica utiliza principalmente el efecto de agitación y trituración de la cuchilla de agitación mecánica y el efecto de dispersión del distribuidor de aire para dispersar el aire estéril en pequeñas burbujas que se mezclan con el caldo de fermentación, lo que promueve la disolución del oxígeno en el caldo de fermentación para garantizar el oxígeno necesario para el crecimiento microbiano y la producción del producto.
Los dos indicadores básicos para medir la calidad de un tanque de fermentación son el coeficiente de oxígeno disuelto (KLa) y la cantidad de energía necesaria para transferir 1 kg de oxígeno.
El tanque de fermentación mantiene un cierto pH del caldo de fermentación agregando ácido, álcali, etc.;
Mantiene una cierta temperatura del caldo de fermentación haciendo pasar agua de enfriamiento, agua caliente, vapor, etc. a través de camisas, bobinas, tubos serpentinos, etc.;
Se mantienen estrictas condiciones asépticas durante la fermentación microbiana mediante la esterilización del tanque, la filtración del filtro de esterilización, el sellado y el mantenimiento de la presión positiva dentro del tanque.
Al controlar parámetros como la tasa de ventilación, el oxígeno disuelto, la velocidad de agitación, la presión del tanque, el pH, la temperatura, la alimentación, la densidad bacteriana y la detección de gases de escape, se garantiza que la fermentación se encuentre en el estado óptimo.
Estructura principal del fermentador de biorreactor
La estructura principal de un tanque de fermentación incluye: cuerpo del tanque, agitadores, deflector, dispositivo de distribución de aire, sello mecánico, dispositivo de intercambio de calor, interfaz de sensor, estructura de accesorios, etc., como se muestra en la figura.
(1) Cuerpo del tanque
El tanque de fermentación está compuesto por un cuerpo cilíndrico recto y una cabeza superior e inferior elípticas o en forma de mariposa conectadas entre sí.
El volumen nominal (cabeza inferior y volumen del cilindro) del tanque de fermentación es de 1 m3 o menos. La cabeza superior y el cilindro recto del tanque de fermentación están conectados por bridas y equipados con orificios para la mano para la alimentación, limpieza, etc. Si se requiere mantenimiento dentro del tanque de fermentación, se debe abrir la cabeza superior;
El cabezal del tanque de fermentación con una capacidad nominal de 1 m3 o más está soldado directamente al cuerpo del tanque, y hay una boca de acceso para la alimentación, la limpieza y el mantenimiento del tanque.
En la parte superior del tanque, hay interfaces como boca de acceso, puerto de alimentación, puerto de escape, interfaz de manómetro, puerto de inoculación, etc.
Interfaces en el cuerpo del tanque: entrada de aire, puerto de transferencia de semillas, puerto de muestreo, puerto de descarga, varias interfaces de sensores, entrada y salida de agua circulante, etc.
La estructura y las dimensiones principales de los tanques de fermentación agitados con ventilación mecánica de uso común se han estandarizado y se pueden dividir en varios tipos según el tamaño y el propósito del tanque de fermentación. Se divide principalmente en tres niveles: escala de laboratorio, escala piloto y escala de producción.
Hay tanques de fermentación de 1, 3, 5, 10, 20 y 30L a escala de laboratorio;
La escala piloto incluye tanques de fermentación de 50100200300500L y 1,2,3m3;
Existen tanques de fermentación con escalas de producción de 5, 10, 20, 50, 100, 200 y 200 metros cúbicos. (Clasificación general, no absoluta.)
Podemos elegir la capacidad del tanque de fermentación según nuestras necesidades.
Las dimensiones geométricas del tanque de fermentación universal con agitación mecánica y ventilación se muestran en la siguiente figura.
En la figura, H representa la altura del cañón recto del tanque de fermentación, en metros;
D - diámetro del tanque de fermentación, m;
d - diámetro del mezclador, m;
W - ancho del deflector, m;
B - Distancia entre el mezclador inferior y el fondo del tanque, m;
s - espaciamiento entre mezcladores, m.
Las proporciones geométricas de los tanques de fermentación con ventilación y agitación mecánica de uso común:
Alto/Profundidad=1,7～3,5;
Profundidad/Profundidad=1/3～1/2;
Ancho/Profundidad=1/2～1/8;
=1-2 (A continuación, 2 y 3 representan la cantidad de deflectores en el mezclador)
El tamaño del tanque de fermentación se puede describir como capacidad total y capacidad nominal.
El volumen total es la suma del volumen del cilindro recto y el volumen de los cabezales superior e inferior del tanque de fermentación;
El volumen nominal (V0) se refiere a la suma del volumen del cilindro recto del cuerpo del tanque (Va) y el volumen del cabezal inferior (Vb). Hoy en día, el tamaño de un tanque de fermentación generalmente se conoce como su capacidad total.
El coeficiente de carga es la relación entre el volumen del líquido y el volumen total del tanque de fermentación y, en general, el coeficiente de carga del tanque de fermentación es del 70 % al 80 %.
En el proceso de cultivo en tanques de fermentación, si se produce más espuma, el coeficiente de carga se puede reducir adecuadamente;
Para los tanques de fermentación con menos espuma y menos aireación durante el proceso de cultivo, el coeficiente de carga se puede aumentar adecuadamente.
(2) Mezcladora
La función principal de una mezcladora mecánica es mezclar materiales, triturar burbujas y mejorar la transferencia de calor y masa.
El agitador mecánico mantiene suspendidos los materiales sólidos en el caldo de fermentación, manteniendo así la transferencia de masa de la mezcla trifásica de gas, líquido y sólido;
Dispersa el aire entrante en pequeñas burbujas y las mezcla uniformemente con el caldo de fermentación, aumenta la interfaz de contacto gas-líquido, mejora la tasa de transferencia de masa entre gas y líquido y mejora el oxígeno disuelto;
Al agitar, la temperatura de cada parte del tanque de fermentación se distribuye uniformemente, mejorando la transferencia de calor. El impulsor de los agitadores genera flujo axial, flujo radial y flujo tangencial durante la agitación.
El flujo axial es la dirección del flujo del fluido paralelo al eje de agitación. El fluido es empujado hacia abajo por las aspas y, cuando se encuentra con el fondo del recipiente, se voltea hacia arriba para formar un flujo de circulación ascendente y descendente. El caudal de circulación del líquido es grande, como se muestra en la Figura (1).
El flujo axial hace que el flujo general de líquido en el tanque de fermentación forme una circulación axial, que favorece la mezcla macroscópica, pero el nivel de turbulencia no es alto. Los principales tipos de aspas de hélice incluyen las aspas de mezcla de tipo paleta y las de tipo hélice.
El flujo radial es la dirección del flujo de fluido perpendicular al eje de agitación, que fluye a lo largo del radio del tanque de fermentación entre el agitador y la pared interior. Cuando se encuentra con la pared del recipiente, se divide en dos corrientes de fluido que fluyen hacia arriba y hacia abajo respectivamente, y luego regresa al extremo de la cuchilla sin pasar por la cuchilla, formando dos flujos de circulación superior e inferior, como se muestra en la Figura (2).
El flujo radial hace que el flujo general de líquido en el tanque de fermentación sea más complejo, con un gran efecto de corte en el líquido, lo que es beneficioso para la rotura de burbujas, pero puede causar fácilmente daños a las células microbianas. Las principales formas de cuchillas incluyen cuchillas de agitadores tipo turbina.
El flujo tangencial se refiere al movimiento de rotación del fluido alrededor de un eje en un recipiente sin deflectores. Bajo la acción de la fuerza centrífuga, el fluido se precipita hacia la pared del recipiente, lo que hace que el nivel de líquido en la parte central baje y forme un gran vórtice, como se muestra en la siguiente figura.
Flujo tangencial de agitación mecánica
En casos graves, los agitadores pueden no estar completamente sumergidos en el caldo de fermentación, lo que resulta en una disminución significativa de la potencia de agitación. En la actualidad, el tipo de tanque de fermentación más utilizado son los agitadores de turbina, como se muestra en la figura siguiente, que se dividen en agitadores de turbina de paletas planas, agitadores de turbina de paletas curvas, agitadores de turbina de paletas en forma de flecha, etc. La paleta agitadora generalmente es de 6 piezas.
Pala agitadora tipo turbina
(3) Placa de barrera
La función del deflector es cambiar la dirección del fluido, de flujo tangencial a flujo axial, para generar turbulencia durante la agitación, evitar la formación de vórtices, aumentar el contenido de oxígeno disuelto, mejorar la eficiencia de transferencia de masa y calor y mejorar la eficiencia de agitación.
La parte superior del deflector debe estar por encima del nivel del líquido y la parte inferior debe extenderse hasta el fondo del tanque, al nivel del cabezal.
El ancho del deflector es generalmente (0,1-0,12) D. (D es el diámetro del tanque de fermentación)
La instalación de 4-6 deflectores puede cumplir con la condición de deflector completo. La llamada "condición de deflector completo" se refiere a que al agregar deflectores y otros accesorios que pueden actuar como deflectores en el tanque de fermentación, la potencia de mezcla permanece sin cambios y el vórtice básicamente desaparece.
La instalación del deflector tiene varias características:
Hay un espacio entre el deflector y la pared del tanque, que puede prevenir eficazmente la limpieza y esterilización de los rincones muertos entre la pared del tanque y el deflector;
El deflector es desmontable para facilitar el mantenimiento;
El deflector se procesa para doblarse en la dirección del flujo de líquido en la parte más externa, lo que puede aumentar efectivamente la resistencia del deflector y reducir la fricción del líquido en el exterior del deflector;
En tanques de fermentación de 10 m3 y más, los tubos pueden reemplazar los deflectores.
(4) Sello mecánico
En un tanque de fermentación con agitación mecánica, a excepción de la agitación magnética, que no requiere que el eje de agitación se extienda fuera del tanque de fermentación, todos los demás requieren que el eje de agitación se extienda fuera del tanque de fermentación y luego se gire mediante un motor. En la parte donde el eje de agitación se extiende fuera del cuerpo del tanque, se requiere un sello mecánico para evitar fugas.
Los sellos mecánicos se pueden dividir en sellos mecánicos de prensaestopas y sellos mecánicos de cara final. Los sellos mecánicos de cara final se pueden dividir en sellos mecánicos de una cara y sellos mecánicos de doble cara según la cantidad de caras finales de sellado.
El sello mecánico de prensaestopas se compone del cuerpo de prensaestopas, el revestimiento inferior de prensaestopas, la tapa de prensaestopas y el perno de sujeción, como se muestra en la figura.
Sello mecánico de prensaestopas
El prensaestopas es un método para agregar material de empaque a la cámara de empaque, que se comprime mediante una tapa y un perno de apriete para asegurar un contacto firme entre el material de empaque y el eje, logrando el propósito del sellado.
Las ventajas de los sellos mecánicos de prensaestopas son el bajo precio, la estructura simple, el fácil mantenimiento, los bajos requisitos de precisión de mecanizado del eje y el desgaste mínimo del eje.
La desventaja es que hay muchos puntos ciegos, lo que dificulta la esterilización completa; vida útil corta, grandes fugas, efecto de sellado deficiente, fácil infección bacteriana, mantenimiento frecuente y rara vez se usa en tanques de fermentación.
De acuerdo con el rango de temperatura y presión del tanque de fermentación, el más comúnmente usado es el sello mecánico de un solo extremo, como se muestra en la figura.
Estructuras de sello mecánico de un solo extremo comúnmente utilizadas
La cara del extremo de un sello mecánico de un solo extremo está hecha de dos materiales con diferente dureza, a saber, el anillo dinámico y el anillo estático.
El anillo estático se fija en el tanque de fermentación, con una cara del extremo no giratoria. Se adhiere firmemente a la base del sello mecánico del tanque de fermentación a través de una junta de sellado, lo que garantiza que no haya fugas en el área de contacto entre el anillo estático y el tanque de fermentación.
El anillo dinámico se coloca sobre el eje y hay una junta de sellado en el interior que se adhiere firmemente al eje, lo que puede evitar fugas entre el anillo dinámico y el eje. El resorte superior del anillo dinámico presiona el anillo dinámico hacia el anillo estático, lo que garantiza que la cara del extremo liso del anillo dinámico esté en estrecho contacto con la cara del extremo liso del anillo estático, logrando el propósito del sellado.
Los sellos mecánicos de un solo extremo deben estar bien protegidos antes y después de la instalación para garantizar una superficie de contacto suave. Durante la instalación, trate de evitar inclinar los anillos móviles y estacionarios tanto como sea posible.
Los sellos mecánicos pequeños generalmente se instalan dentro del tanque y, para este tipo, se deben seleccionar sellos mecánicos con una estructura simple y pocos ángulos muertos tanto como sea posible; los sellos mecánicos más grandes se instalan fuera del tanque de fermentación, lo que los hace fáciles de reparar, ajustar y mantener. (5) Dispositivo de distribución de aire
La función principal del dispositivo de distribución de aire es soplar aire estéril en el tanque de fermentación, dispersando el aire estéril en pequeñas burbujas para una disolución más completa en el caldo de fermentación, lo que es beneficioso para el crecimiento bacteriano.
Las formas comúnmente utilizadas de dispositivos de distribución de aire son el tubo único y el tubo anular, como se muestra en la figura.
Distribuidores de aire de tubo circular y de tubo único
El tubo de aire de un solo tubo se extiende hasta la parte inferior de la pala mezcladora en la parte inferior, con la abertura hacia abajo, para garantizar que no haya acumulación de materiales ni esquinas muertas dentro del tubo. Al mismo tiempo, el aire que sopla hacia abajo puede hacer estallar el material en el fondo del tanque, y las burbujas son aplastadas aún más por la pala mezcladora, lo que puede lograr un buen efecto de oxígeno disuelto. La distancia entre la parte inferior de la salida de aire y el fondo del tanque varía ligeramente según el tamaño del tanque.
El tipo de tubo anular está soldado en la cola del tubo de aire, y el tubo anular generalmente es un círculo cerrado o un círculo abierto. Hay algunos orificios pequeños en la parte inferior y los lados del tubo anular, y la suma de las áreas de la sección transversal de todos los orificios pequeños es aproximadamente igual al área de la sección transversal del tubo de entrada.
Los distribuidores de tubo circular se utilizan generalmente para tanques de fermentación con volúmenes más pequeños. Los tanques de fermentación más pequeños están limitados por su volumen y altura, lo que resulta en un tiempo de residencia más corto del aire en el caldo de fermentación. Por lo tanto, usar un distribuidor de anillo de aire para convertir el aire en burbujas más pequeñas es beneficioso para aumentar el oxígeno disuelto. El tipo de tubo único se utiliza para tanques de fermentación más grandes.
(6) Dispositivo de intercambio de calor
Los tanques de fermentación requieren esterilización y control de temperatura, lo que requiere dispositivos de intercambio de calor. Los dispositivos de intercambio de calor utilizados para tanques de fermentación incluyen principalmente camisas, bobinas, bobinas verticales y tubos verticales. Los tanques de fermentación con un volumen de 5 m3 o menos generalmente utilizan camisas, mientras que los tanques con un volumen de 5 m3 o más pueden utilizar serpentines, serpentines verticales o tubos verticales.
Si la altura de la parte superior de la camisa excede el nivel de líquido del caldo de fermentación, no se requiere ningún cálculo. La camisa tiene importaciones y exportaciones. Durante el control de temperatura, el agua de enfriamiento o el agua caliente ingresa desde la posición inferior de la camisa y se descarga desde la posición superior, como se muestra en la figura;
Diagrama esquemático del dispositivo de intercambio de calor de la camisa y del intercambio de calor
Durante el precalentamiento de la esterilización, el vapor ingresa desde la posición alta de la camisa y el agua condensada se descarga desde la posición baja de la camisa.
Ventajas de la camisa: estructura simple y fácil producción; No hay un dispositivo de enfriamiento dentro del tanque, lo que puede reducir efectivamente los ángulos muertos y facilitar la limpieza y esterilización del tanque.
La desventaja es que el caudal de agua de enfriamiento es bajo, la transferencia de calor es desigual y la eficiencia de transferencia de calor durante la fermentación es relativamente baja. La bobina es un sistema de tuberías de acero inoxidable en espiral dentro de un tanque de fermentación, con una entrada y una salida, y una alta eficiencia de transferencia de calor. Como se muestra en la Figura (1).
Como se muestra en la Figura (2), cada conjunto de tubos serpentinos verticales en el tanque de fermentación está compuesto por muchos tubos verticales de acero inoxidable. Los tubos de acero inoxidable están conectados y soldados en serie a través de codos de 180°, formando finalmente un conjunto de tubos serpentinos verticales con uno de entrada y uno de salida.
Generalmente, hay cuatro, seis u ocho grupos, y la cantidad específica y el diámetro de la tubería se determinan de acuerdo con el tamaño del cuerpo del tanque y los requisitos de transferencia de calor.
La bobina vertical tiene una mayor eficiencia de transferencia de calor, un área de transferencia de calor más grande y no tiene problemas de cortocircuito en el medio de transferencia de calor en comparación con la camisa. Y el tubo serpentino tiene una alta resistencia a la presión, que puede usar medios de intercambio de calor de presión relativamente alta para mejorar la eficiencia de transferencia de calor.
Los tubos serpentinos verticales también pueden servir como deflectores, y no es necesario instalar deflectores dentro del tanque de fermentación. Sin embargo, la fabricación de la soldadura de tubos de serpiente es relativamente compleja, con muchas soldaduras y una probabilidad relativamente alta de fugas de soldadura, lo que dificulta la reparación de las fugas.
Como se muestra en la Figura (3), cada conjunto de tubos verticales en el tanque de fermentación consta de múltiples tubos verticales de acero inoxidable, que se sueldan en paralelo a través de un tubo de entrada y un tubo de drenaje, formando finalmente un conjunto de tubos verticales con una entrada y una salida.
La cantidad específica y el diámetro de la tubería se determinarán de acuerdo con el tamaño del cuerpo del tanque y los requisitos de transferencia de calor.
El procesamiento de tubos verticales es simple, pero existe un problema de cortocircuito con el medio de transferencia de calor, lo que resulta en una menor eficiencia de transferencia de calor en comparación con la bobina vertical. Los tubos de serpiente verticales también pueden servir como deflectores, y no es necesario instalar deflectores dentro del tanque de fermentación.
(7) Dispositivo antiespumante
Debido a que hay proteínas y otras sustancias fáciles de formar espuma en el líquido de fermentación, se puede producir más espuma bajo el efecto de la ventilación y la agitación durante la fermentación. Demasiada espuma se descargará desde el puerto de escape del tanque de fermentación, lo que provocará fugas de líquido y aumentará la probabilidad de infección bacteriana durante la fermentación.
El dispositivo antiespumante del tanque de fermentación es un dispositivo para eliminar físicamente la espuma generada durante la fermentación. En la actualidad, el principal dispositivo antiespumante es la paleta antiespumante. Debido a la eficacia limitada de los antiespumantes, muchos tanques de fermentación han sido cancelados.
Las paletas antiespumantes se utilizan para romper físicamente las burbujas, principalmente en forma de serpientes, dentados y dientes de rastrillo, como se muestra en la figura.
Antiespumantes comunes
La paleta antiespumante se instala en la parte superior del eje mezclador y gira con el eje mezclador. Cuando la espuma alcanza la posición de la paleta antiespumante, esta puede romper la espuma.
Resumir
Con el desarrollo de la biotecnología y el crecimiento continuo de la demanda de fermentación industrial, el diseño y la aplicación de los tanques de fermentación con agitación mecánica también se optimizan e innovan constantemente.
En la actualidad, al controlar con precisión los parámetros clave en el proceso de fermentación, como el pH, la temperatura, el oxígeno disuelto, la velocidad de agitación, etc., se puede mejorar significativamente la eficiencia metabólica de los microorganismos y el rendimiento de los productos. Estos controles de parámetros también se han vuelto más estables y precisos con el desarrollo de equipos de inspección en línea.
La estructura del tanque de fermentación se personalizará de acuerdo con las características de las bacterias de fermentación, combinadas con los principios y la estructura del tanque de fermentación en este artículo, para cumplir con nuestras diferentes condiciones de fermentación.
Además, el sistema de automatización y control inteligente del tanque de fermentación brinda la posibilidad de lograr un control de proceso más preciso, con control de parámetros por parte del sistema de control central. Solo es necesario configurar el volumen de aire requerido, la temperatura, el pH, la velocidad de alimentación, etc. y el sistema los controla y ajusta automáticamente. Estas tecnologías promueven aún más la modernización y eficiencia del proceso de fermentación.