Tipos comunes de impulsores, funciones y principios de selección en el diseño de fermentadores
I. Introducción
En el campo de la biotecnología moderna y la bioingeniería, biorreactores son el equipo central para transformar los resultados de la investigación de laboratorio en producción industrial. Como una de las formas más comunes de biorreactores, fermentadores se utilizan ampliamente en sistemas de fermentación tales como el cultivo microbiano, la producción de enzimas, los biofármacos y el cultivo de células animales.
En el diseño estructural de los fermentadores, el sistema de agitación influye directamente en la mezcla del medio, la transferencia de masa gas-líquido, la eficiencia de la transferencia de calor y el entorno de cizallamiento al que se enfrenta el sistema biológico. Como componente principal del sistema de agitación, la forma estructural del impulsor, las características del flujo y la idoneidad de su selección suelen determinar la estabilidad y la rentabilidad del funcionamiento del biorreactor.
II. Funciones de los impulsores en biorreactores y sistemas de fermentación
Durante el funcionamiento de los fermentadores biológicos, los impulsores no solo realizan la sencilla función de agitar el material, sino que también desempeñan un papel fundamental en varios eslabones clave:
1. Lograr una mezcla uniforme del medio de cultivo y las células microbianas.
Mediante la rotación de los impulsores, se genera un campo de flujo estable, evitando la formación de gradientes en la distribución de nutrientes, valores de pH y metabolitos en el fermentador.
2. Mejora de la transferencia de masa gas-líquido y del oxígeno disuelto.
En aeróbico sistema de fermentaciónLos impulsores funcionan en coordinación con el sistema de aireación para dispersar el gas en burbujas finas y aumentar la tasa de transferencia de oxígeno.
3. Mejora de las condiciones de transferencia de calor
Favorecer la circulación del fluido en el tanque, mejorar la eficiencia del intercambio de calor de las camisas o serpentines y garantizar una distribución uniforme de la temperatura en el biorreactor.
4. Construir un entorno de corte adecuado
La intensidad de cizallamiento generada por los diferentes impulsores varía significativamente, lo que afecta directamente al estado de crecimiento de los microorganismos, las hifas fúngicas y las células animales.
Sistema de fermentación MIKEBIO
III. Tipos comunes de impulsores en el diseño de fermentadores
1. Turbina de disco de seis palas rectas
La turbina de disco de seis palas rectas es un impulsor de flujo radial típico, con palas perpendiculares a la dirección de rotación y fijadas a un disco.
Este impulsor puede formar un fuerte flujo de chorro radial en el fermentador, con alta fuerza de corte local, gran capacidad de ruptura de burbujas y excelente rendimiento de oxígeno disuelto. Por lo tanto, se utiliza ampliamente en sistemas de fermentación bacteriana de alta aireación y es una configuración clásica en la industria biorreactoresSin embargo, debido a su alta intensidad de corte, generalmente no es adecuado para sistemas sensibles al corte.
2. Turbina de disco de seis tubos semicirculares
La turbina de disco de seis tubos semicirculares es una mejora estructural basada en la turbina de palas rectas, cuyas palas adoptan una estructura de tubo semicircular.
Si bien mantiene una gran capacidad de flujo radial, esta estructura hace que el proceso de separación de fluidos sea más suave, lo que ayuda a reducir el pico de cizallamiento instantáneo y a mejorar la uniformidad de la distribución de burbujas. Se utiliza frecuentemente en fermentadores biológicos que requieren una alta eficiencia en la absorción de oxígeno disuelto y un control preciso del cizallamiento.
3. Turbina de disco de seis aspas en forma de flecha
El borde de ataque de la turbina de disco de seis aspas en forma de flecha tiene forma de flecha o de cuña.
La estructura de cuchilla en forma de flecha puede guiar eficazmente la dirección del fluido, mejorar la eficiencia del corte de burbujas y reducir el consumo de energía hasta cierto punto. En tamaños medianos y grandes biorreactorPor lo tanto, este impulsor logra un buen equilibrio entre el rendimiento en cuanto al oxígeno disuelto y la eficiencia energética.
4. Turbina de disco de seis palas inclinadas
La turbina de disco de seis palas inclinadas introduce un componente de flujo axial sobre la base del flujo radial mediante la inclinación de las palas en un cierto ángulo.
Este impulsor no solo posee una capacidad de dispersión gas-líquido, sino que también mejora la circulación general en el tanque y reduce eficazmente la estratificación superior e inferior. Es un tipo de impulsor muy utilizado en fermentadores biológicos de uso general, especialmente adecuado para la fermentación fúngica y sistemas de fermentación multipropósito.
5. Impulsor de hélice de tres palas
El impulsor de hélice de tres palas es un impulsor de flujo axial típico con una estructura similar a la de una hélice marina.
Este impulsor está dominado por la circulación axial, con bajo consumo de energía, alta eficiencia de circulación y un entorno de cizallamiento relativamente suave. Es adecuado para medios de cultivo de baja viscosidad y gran volumen. biorreactory se utiliza ampliamente en la fermentación continua y en la producción a gran escala.
6. Impulsor de hélice de cuatro palas anchas
El impulsor de hélice de cuatro palas anchas aumenta el número y el ancho de las palas con respecto a la hélice convencional.
Posee una mayor capacidad de propulsión axial y puede mantener un campo de flujo estable a menor velocidad de rotación. Es adecuado para sistemas de fermentación sensibles al esfuerzo cortante pero que requieren una buena macromezcla, y se encuentra comúnmente en biorreactores para el cultivo de células animales.
7. Impulsor de paletas
El impulsor de paletas tiene una estructura relativamente simple, generalmente compuesta por aspas planas.
Se caracteriza por un flujo suave y una baja fuerza de cizallamiento, pero su capacidad de mezcla es limitada. Se suele utilizar en fermentadores de laboratorio o a escala piloto, o como impulsor auxiliar en combinaciones de impulsores multicapa.
8. Impulsor de oreja de elefante
El impulsor de tipo oreja de elefante tiene aspas anchas y de bordes lisos, y es una forma representativa de impulsores de baja cizalladura.
Este impulsor puede generar una macrocirculación estable a baja velocidad de rotación, reduciendo significativamente el riesgo de daño celular, y se utiliza ampliamente en equipos de bioingeniería de alta gama, como los utilizados en el cultivo de células animales y en la producción de biofármacos.
Sistema de fermentación MIKEBIO
IV. Principios clave para la selección del impulsor
En el diseño de fermentadores, la selección del impulsor no es una simple elección estructural, sino un proceso integral de toma de decisiones que involucra los procesos del biorreactor, las características biológicas y los parámetros de ingeniería.
1. Selección basada en el tipo de fermentación
- Fermentación bacteriana:
Las bacterias tienen una alta tasa metabólica y un gran consumo de oxígeno, por lo que se deben preferir los impulsores de flujo radial con una gran capacidad de oxígeno disuelto, como las turbinas de disco de seis palas rectas y sus tipos mejorados.
- Fermentación fúngica:
Es necesario equilibrar la uniformidad de la mezcla y el control del esfuerzo cortante, y a menudo se eligen impulsores de flujo mixto, como las turbinas de disco de seis palas inclinadas.
- Cultivo de células animales:
Debido a su extrema sensibilidad al esfuerzo cortante, se deben seleccionar impulsores de hélice, impulsores de oreja de elefante u otros impulsores aerodinámicos de bajo esfuerzo cortante.
2. Selección basada en la viscosidad media
Con el avance del proceso de fermentación, la viscosidad del medio de cultivo suele aumentar significativamente. Cuanto mayor sea la viscosidad, más impulsores con una fuerte capacidad de circulación axial y un buen efecto de adherencia a la pared deben seleccionarse para garantizar un campo de flujo continuo y estable en todo el reactor biológico. fermentador.
3. Selección basada en la escala del biorreactor
En biorreactores medianos y grandes, se suele adoptar un diseño de combinación de impulsores multicapa para evitar el problema de la estratificación superior e inferior y garantizar la uniformidad de la mezcla, el oxígeno disuelto y la distribución de la temperatura en todo el biorreactor. sistema de fermentación.
4. Diseño colaborativo con sistema de aireación
La estructura del impulsor debe coincidir con el tipo y la disposición de los aireadores. Gracias al efecto sinérgico de los impulsores y el sistema de aireación, se puede aprovechar al máximo la eficiencia de la transferencia de masa gas-líquido, reducir el consumo de energía y mejorar el rendimiento operativo general del sistema de fermentación.
V. Conclusión
En el contexto del rápido desarrollo de la biotecnología y la bioingeniería, biorreactorarena fermentadorLos sistemas de agitación están en constante evolución hacia aplicaciones a gran escala, especializadas y sofisticadas. Diversos tipos de impulsores, como turbinas de disco de seis palas rectas, turbinas de disco de seis tubos semicirculares, turbinas de disco de seis palas en forma de flecha, turbinas de disco de seis palas inclinadas, hélices de tres palas, hélices de cuatro palas anchas, impulsores de paleta e impulsores de oreja de elefante, constituyen la base técnica del sistema de agitación de los fermentadores biológicos modernos.
Solo mediante la comprensión completa de las características del patrón de flujo y la aplicabilidad de ingeniería de los distintos impulsores, y llevando a cabo una selección científica en combinación con sistemas de fermentación específicos, se pueden alcanzar los objetivos de una producción de bioingeniería segura, eficiente y estable.