Persyaratan, prinsip, dan struktur tangki fermentasi berpengaduk mekanis
Persyaratan dasar untuk Bioreactor Fermentor
Tangki fermentasi harus memiliki rasio aspek yang sesuai. Rasio tinggi terhadap diameter umumnya (1,7-4): 1. Semakin besar rasio tinggi terhadap diameter, semakin baik efek oksigen terlarut dan semakin tinggi tingkat pemanfaatan oksigen. Perlu dicatat bahwa semakin besar rasio aspek, semakin tinggi tangki, yang mempengaruhi biaya konstruksi.
Tangki fermentasi harus memiliki tekanan desain yang sesuai. Saat ini, tekanan desain sebagian besar tangki fermentasi adalah 0,3 MPa, dan tekanan kerja di bawah 0,15 MPa.
Pengaduk dan struktur internalnya memfasilitasi pembubaran oksigen. Bilah pengaduk tangki fermentasi umumnya merupakan kombinasi dari beberapa bilah pengaduk untuk mencapai efek oksigen terlarut terbaik. Penyekat internal dan struktur tabung vertikal tangki fermentasi menciptakan turbulensi dalam media kultur selama pengadukan, sehingga meningkatkan efek pengadukan.
Tangki fermentasi harus memiliki penyegelan yang baik. Tangki fermentasi memerlukan persyaratan penyegelan yang tinggi, terutama untuk segel pencampur. Semua antarmuka dan segel mekanis harus memenuhi persyaratan penyegelan untuk meminimalkan kebocoran dan mengurangi kemungkinan kontaminasi bakteri selama budidaya.
Saat mendesain bagian dalam tangki fermentasi, perlu untuk menghindari sterilisasi dan pencampuran sudut mati. Mengutamakan kesederhanaan dan stabilitas untuk mencegah kendornya baut di dalam tangki.
Tangki fermentasi harus mudah dioperasikan dan dibersihkan. Permukaan bagian dalam dipoles dengan lapisan cermin untuk mengurangi daya rekat media kultur dan bahan lainnya. Antarmuka mengadopsi metode koneksi cepat penjepit untuk memudahkan pengoperasian, pembersihan, dan pemeliharaan.
Tangki fermentasi harus memiliki area pertukaran panas yang cukup. Saat merancang tangki fermentasi, area pertukaran panas harus dihitung untuk memastikan permukaan pertukaran panas yang cukup untuk pemanasan dan pendinginan yang cepat, meminimalkan kerusakan komponen nutrisi dalam media kultur selama sterilisasi, dan memastikan keakuratan kontrol suhu selama fermentasi.
Prinsip kerja Fermentor Bioreaktor
Tangki fermentasi pengadukan mekanis terutama memanfaatkan efek pengadukan dan penghancuran dari bilah pengaduk mekanis dan efek pendispersi dari distributor udara untuk membubarkan udara steril ke dalam gelembung-gelembung kecil yang bercampur dengan kaldu fermentasi, mendorong pelarutan oksigen dalam kaldu fermentasi menjadi memastikan oksigen yang dibutuhkan untuk pertumbuhan mikroba dan produksi produk.
Dua indikator dasar untuk mengukur kualitas tangki fermentasi adalah koefisien oksigen terlarut (KLa) dan besarnya daya yang dibutuhkan untuk mentransfer 1kg oksigen.
Tangki fermentasi mempertahankan pH tertentu dari kaldu fermentasi dengan menambahkan asam, alkali, dll;
Pertahankan suhu tertentu dari kaldu fermentasi dengan melewatkan air pendingin, air panas, uap, dll. melalui jaket, gulungan, tabung serpentin, dll;
Kondisi aseptik yang ketat dipertahankan selama fermentasi mikroba melalui sterilisasi tangki, filtrasi filter sterilisasi, penyegelan, dan pemeliharaan tekanan positif di dalam tangki.
Dengan mengontrol parameter seperti laju ventilasi, oksigen terlarut, kecepatan pengadukan, tekanan tangki, pH, suhu, feeding, kepadatan bakteri, dan deteksi gas buang, fermentasi dipastikan berada dalam kondisi optimal.
Struktur utama Fermentor Bioreaktor
Struktur utama tangki fermentasi meliputi: badan tangki, Pengaduk , penyekat, alat distribusi udara, segel mekanis, alat penukar panas, antarmuka sensor, struktur aksesori, dll., Seperti yang ditunjukkan pada gambar.
(1) Badan tangki
Tangki fermentasi terdiri dari badan silinder lurus dan kepala atas dan bawah berbentuk elips atau kupu-kupu yang dihubungkan bersama.
Volume nominal (volume kepala dan silinder bawah) tangki fermentasi adalah 1m3 atau kurang. Kepala atas dan silinder lurus tangki fermentasi dihubungkan dengan flensa dan dilengkapi dengan lubang tangan untuk memberi makan, membersihkan, dll. Jika diperlukan perawatan di dalam tangki fermentasi, kepala atas perlu dibuka;
Kepala tangki fermentasi dengan kapasitas nominal 1m3 atau lebih langsung dilas ke badan tangki, dan terdapat lubang got untuk pemberian makan, pembersihan, dan pemeliharaan tangki.
Di bagian atas tangki terdapat antarmuka seperti manhole, feeding port, exhaust port, pressure gauge interface, inoculation port, dll.
Antarmuka pada badan tangki: saluran masuk udara, port transfer benih, port pengambilan sampel, port pembuangan, berbagai antarmuka sensor, saluran masuk dan keluar air bersirkulasi, dll.
Struktur dan dimensi utama tangki fermentasi berpengaduk berventilasi mekanis yang umum digunakan telah distandarisasi, dan dapat dibagi menjadi berbagai jenis berdasarkan ukuran dan tujuan tangki fermentasi. Ini terutama dibagi menjadi tiga tingkatan: skala laboratorium, skala percontohan, dan skala produksi.
Tangki fermentasi skala laboratorium berukuran 1, 3, 5, 10, 20, dan 30L;
Skala percontohan mencakup tangki fermentasi 50100200300500L dan 1,2,3m3;
Terdapat tangki fermentasi dengan skala produksi 5, 10, 20, 50, 100, 200, dan 200 meter kubik. (Klasifikasi umum, tidak absolut.)
Kapasitas tangki fermentasi dapat kita pilih sesuai dengan kebutuhan kita.
Dimensi geometris tangki fermentasi pengadukan mekanis dan ventilasi universal ditunjukkan pada gambar berikut.
Pada gambar, H melambangkan tinggi laras lurus tangki fermentasi, dalam meter;
D - diameter tangki fermentasi, m;
d - diameter pengaduk, m;
W - lebar penyekat, m;
B - Jarak antara mixer bawah dan dasar tangki, m;
s - jarak antar mixer, m.
Proporsi geometris tangki fermentasi agitasi dan ventilasi mekanis yang umum digunakan:
H/H=1,7～3,5；
h/D=1/3～1/2；
L/H=1/2～1/8；
=1-2 (Di bawah, 2 dan 3 mewakili jumlah penyekat dalam mixer)
Ukuran tangki fermentasi dapat digambarkan sebagai kapasitas penuh dan kapasitas nominal.
Volume penuh adalah jumlah volume laras lurus dan volume kepala atas dan bawah tangki fermentasi;
Volume nominal (V0) mengacu pada jumlah volume silinder lurus badan tangki (Va) dan volume kepala bagian bawah (Vb). Saat ini, ukuran tangki fermentasi umumnya disebut sebagai kapasitas penuhnya.
Koefisien pembebanan adalah perbandingan volume cairan dengan total volume tangki fermentasi, dan umumnya koefisien pembebanan tangki fermentasi adalah 70% hingga 80%.
Dalam proses budidaya tangki fermentasi, jika lebih banyak busa yang dihasilkan, koefisien pemuatan dapat dikurangi secara tepat;
Untuk tangki fermentasi dengan lebih sedikit busa dan lebih sedikit aerasi selama proses budidaya, koefisien pengisian dapat ditingkatkan secara tepat.
(2) pencampur
Fungsi utama mixer mekanis adalah untuk mencampur bahan, menghancurkan gelembung, dan meningkatkan perpindahan panas dan massa.
Pengaduk mekanis menjaga bahan padat dalam kaldu fermentasi tetap tersuspensi, sehingga mempertahankan perpindahan massa campuran tiga fase padat cair gas;
Membubarkan udara yang masuk ke dalam gelembung-gelembung kecil dan mencampurkannya secara merata dengan kaldu fermentasi, meningkatkan antarmuka kontak gas-cair, meningkatkan laju perpindahan massa antara gas dan cairan, dan meningkatkan oksigen terlarut;
Dengan pengadukan, suhu setiap bagian tangki fermentasi didistribusikan secara merata, sehingga meningkatkan perpindahan panas.
Impeler Pengaduk menghasilkan aliran aksial, aliran radial, dan aliran tangensial selama pengadukan.
Aliran aksial adalah arah aliran fluida sejajar dengan poros pengaduk. Cairan didorong ke bawah oleh bilah-bilahnya, dan ketika bertemu dengan dasar wadah, ia membalik ke atas membentuk aliran sirkulasi naik turun. Laju aliran sirkulasi cairan besar, seperti ditunjukkan pada Gambar (1).
Aliran aksial menyebabkan aliran keseluruhan cairan dalam tangki fermentasi membentuk sirkulasi aksial, yang kondusif untuk pencampuran makroskopis, namun tingkat turbulensinya tidak tinggi. Jenis utama bilah baling-baling meliputi bilah pencampur tipe dayung dan bilah pencampur tipe baling-baling.
Aliran radial adalah arah aliran fluida yang tegak lurus terhadap poros pengaduk, mengalir sepanjang jari-jari tangki fermentasi antara pengaduk dan dinding bagian dalam. Ketika bertemu dengan dinding wadah, ia terbagi menjadi dua aliran fluida yang masing-masing mengalir ke atas dan ke bawah, kemudian kembali ke ujung sudu tanpa melewati sudu, membentuk dua aliran sirkulasi atas dan bawah, seperti terlihat pada Gambar (2) .
Aliran radial membuat keseluruhan aliran cairan dalam tangki fermentasi menjadi lebih kompleks, dengan efek geser yang besar pada cairan, yang bermanfaat untuk memecahkan gelembung, namun dapat dengan mudah menyebabkan kerusakan pada sel mikroba. Bentuk bilah utama termasuk bilah Pengaduk tipe turbin .
Aliran tangensial mengacu pada gerakan rotasi fluida di sekitar sumbu dalam wadah tanpa penyekat. Di bawah pengaruh gaya sentrifugal, fluida mengalir deras menuju dinding wadah, menyebabkan ketinggian cairan di bagian tengah turun dan membentuk pusaran besar, seperti terlihat pada gambar berikut.
Aliran tangensial pengadukan mekanis
Dalam kasus yang parah, Pengaduk mungkin tidak terendam seluruhnya dalam kaldu fermentasi, sehingga mengakibatkan penurunan kekuatan pengadukan secara signifikan.
Saat ini jenis tangki fermentasi yang paling umum digunakan adalah Pengaduk Turbin , seperti terlihat pada gambar di bawah ini, yang terbagi menjadi Pengaduk Turbin Bilah Datar, Pengaduk Turbin Bilah Melengkung , Pengaduk Turbin Bilah Panah , dll. Bilah pengaduk umumnya 6 bagian-bagian.
Bilah pengaduk tipe turbin
(3) Papan pembatas
Fungsi penyekat adalah untuk mengubah arah fluida, dari aliran tangensial ke aliran aksial, menghasilkan turbulensi selama pengadukan, mencegah pembentukan pusaran, meningkatkan kandungan oksigen terlarut, meningkatkan efisiensi perpindahan massa dan panas, serta meningkatkan efisiensi pengadukan.
Bagian atas penyekat harus berada di atas permukaan cairan, dan bagian bawah harus mencapai bagian bawah tangki, sejajar dengan kepala.
Lebar penyekat umumnya (0,1-0,12) D. (D adalah diameter tangki fermentasi)
Pemasangan 4-6 baffle dapat memenuhi kondisi baffle penuh. Apa yang disebut "kondisi penyekat penuh" berarti bahwa ketika penyekat dan aksesori lain yang dapat berfungsi sebagai penyekat ditambahkan ke dalam tangki fermentasi, kekuatan pencampuran tetap tidak berubah dan pusaran pada dasarnya menghilang.
Pemasangan baffle mempunyai beberapa ciri :
Terdapat celah antara penyekat dan dinding tangki, yang secara efektif dapat mencegah pembersihan dan sterilisasi sudut mati antara dinding tangki dan penyekat;
Penyekat dapat dilepas untuk memudahkan perawatan;
Penyekat diproses hingga ditekuk searah aliran cairan di bagian terluar, yang secara efektif dapat meningkatkan kekuatan penyekat dan mengurangi gesekan cairan di bagian luar penyekat;
Dalam tangki fermentasi berukuran 10m3 ke atas, tabung dapat menggantikan sekat.
(4) Segel mekanis
Dalam tangki fermentasi pengadukan mekanis, kecuali pengadukan magnetis, yang tidak memerlukan poros pengaduk dikeluarkan dari tangki fermentasi, yang lainnya memerlukan poros pengaduk dikeluarkan dari tangki fermentasi dan kemudian diputar oleh motor. Pada bagian dimana poros pengaduk memanjang keluar dari badan tangki, diperlukan segel mekanis untuk mencegah kebocoran.
Segel mekanis dapat dibagi menjadi segel mekanis kotak isian dan segel mekanis permukaan ujung. Segel mekanis muka akhir dapat dibagi menjadi segel mekanis muka tunggal dan segel mekanis muka ganda berdasarkan jumlah muka akhir penyegelan.
Segel mekanis kotak isian terdiri dari badan kotak isian, lapisan bawah isian, penutup isian, dan baut penjepit, seperti yang ditunjukkan pada gambar.
Segel mekanis kotak isian
Kotak pengepakan adalah metode menambahkan bahan pengepakan ke dalam ruang pengepakan, yang dikompresi dengan penutup dan baut pengencang untuk memastikan kontak yang erat antara bahan pengepakan dan poros, sehingga mencapai tujuan penyegelan.
Keuntungan dari segel mekanis kotak isian adalah harga murah, struktur sederhana, perawatan mudah, persyaratan akurasi pemesinan poros yang rendah, dan keausan poros yang minimal.
Kerugiannya adalah terdapat banyak titik buta sehingga sulit untuk disterilkan secara menyeluruh; Masa pakai yang singkat, kebocoran besar, efek penyegelan yang buruk, infeksi bakteri yang mudah, perawatan yang sering, dan jarang digunakan dalam tangki fermentasi.
Menurut kisaran suhu dan tekanan tangki fermentasi, yang paling umum digunakan adalah segel mekanis ujung tunggal, seperti yang ditunjukkan pada gambar.
Struktur segel mekanis ujung tunggal yang umum digunakan
Permukaan ujung segel mekanis ujung tunggal terbuat dari dua bahan dengan kekerasan berbeda, yaitu cincin dinamis dan cincin statis.
Cincin statis dipasang pada tangki fermentasi, dengan permukaan ujung yang tidak berputar. Ini melekat erat pada dasar segel mekanis tangki fermentasi melalui paking penyegel, memastikan tidak ada kebocoran pada area kontak antara cincin statis dan tangki fermentasi.
Cincin dinamis dipasang pada poros, dan di dalamnya terdapat paking penyegel yang melekat erat pada poros, yang dapat mencegah kebocoran antara cincin dinamis dan poros. Pegas atas cincin dinamis menekan cincin dinamis ke arah cincin statis, memastikan bahwa permukaan ujung halus cincin dinamis bersentuhan erat dengan permukaan ujung halus cincin statis, sehingga mencapai tujuan penyegelan.
Segel mekanis ujung tunggal perlu dilindungi dengan baik sebelum dan sesudah pemasangan untuk memastikan permukaan kontak yang mulus. Selama pemasangan, usahakan sebisa mungkin untuk tidak memiringkan cincin bergerak dan cincin diam.
Segel mekanis kecil umumnya dipasang di dalam tangki, dan untuk jenis ini, segel mekanis dengan struktur sederhana dan sedikit sudut mati harus dipilih sebanyak mungkin; Segel mekanis yang lebih besar dipasang di luar tangki fermentasi, sehingga mudah diperbaiki, disesuaikan, dan dirawat.
(5) Alat distribusi udara
Fungsi utama alat distribusi udara adalah untuk meniupkan udara steril ke dalam tangki fermentasi, menyebarkan udara steril ke dalam gelembung-gelembung kecil agar larut lebih sempurna dalam kaldu fermentasi, sehingga bermanfaat bagi pertumbuhan bakteri.
Bentuk alat distribusi udara yang umum digunakan adalah tabung tunggal dan tabung annular, seperti terlihat pada gambar.
Distributor udara tabung melingkar dan tabung tunggal
Pipa udara tabung tunggal memanjang ke bagian bawah bilah pencampur di bagian bawah, dengan bukaan menghadap ke bawah, untuk memastikan tidak ada penumpukan material atau sudut mati di dalam pipa. Pada saat yang sama, udara yang bertiup ke bawah dapat meledakkan material di dasar tangki, dan gelembung-gelembung tersebut selanjutnya dihancurkan oleh pisau pencampur, yang dapat menghasilkan efek oksigen terlarut yang baik. Jarak antara bagian bawah saluran keluar udara dan bagian bawah tangki sedikit berbeda tergantung ukuran tangki.
Jenis tabung annular dilas pada bagian ekor tabung udara, dan tabung annular umumnya berbentuk lingkaran tertutup atau lingkaran terbuka. Terdapat beberapa lubang kecil di bagian bawah dan samping tabung annular, dan jumlah luas penampang semua lubang kecil kira-kira sama dengan luas penampang pipa masuk.
Distributor tabung melingkar umumnya digunakan untuk tangki fermentasi dengan volume yang lebih kecil. Tangki fermentasi yang lebih kecil dibatasi volume dan tingginya, sehingga waktu tinggal udara dalam kaldu fermentasi menjadi lebih singkat. Oleh karena itu, penggunaan distributor cincin udara untuk mengubah udara menjadi gelembung yang lebih kecil bermanfaat untuk meningkatkan oksigen terlarut. Tipe tabung tunggal digunakan untuk tangki fermentasi yang lebih besar.
(6) Alat penukar panas
Tangki fermentasi memerlukan sterilisasi dan pengatur suhu, yang memerlukan alat pertukaran panas. Perangkat penukar panas yang digunakan untuk tangki fermentasi terutama meliputi jaket, kumparan, kumparan vertikal, dan tabung vertikal.
Tangki fermentasi dengan volume 5m3 atau kurang umumnya menggunakan jaket, sedangkan tangki dengan volume 5m3 atau lebih dapat menggunakan kumparan, kumparan vertikal, atau tabung vertikal.
Jika tinggi bagian atas jaket melebihi tingkat cairan kaldu fermentasi, tidak diperlukan perhitungan. Jaket ada import dan ekspor. Selama pengatur suhu, air pendingin atau air panas masuk dari posisi bawah jaket dan dikeluarkan dari posisi yang lebih tinggi, seperti yang ditunjukkan pada gambar;
Perangkat pertukaran panas jaket dan diagram skema pertukaran panas
Selama pemanasan awal sterilisasi, uap masuk dari posisi jaket yang tinggi dan air yang terkondensasi dikeluarkan dari posisi jaket yang rendah.
Keuntungan jaket: struktur sederhana dan produksi mudah; Tidak ada alat pendingin di dalam tangki, yang secara efektif dapat mengurangi sudut mati dan memfasilitasi pembersihan dan sterilisasi tangki.
Kerugiannya adalah laju aliran air pendingin yang rendah, perpindahan panas yang tidak merata, dan efisiensi perpindahan panas selama fermentasi relatif rendah.
Coil adalah sistem perpipaan baja tahan karat spiral di dalam tangki fermentasi, dengan saluran masuk dan keluar, serta efisiensi perpindahan panas yang tinggi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar (1).
Seperti ditunjukkan pada Gambar (2), setiap rangkaian tabung serpentin vertikal dalam tangki fermentasi terdiri dari banyak tabung baja tahan karat vertikal. Tabung baja tahan karat dihubungkan dan dilas secara seri melalui siku 180°, yang pada akhirnya membentuk satu set tabung serpentin vertikal dengan satu masuk dan satu keluar.
Umumnya, ada empat, enam, atau delapan kelompok, dan jumlah spesifik serta diameter pipa ditentukan sesuai dengan ukuran badan tangki dan persyaratan perpindahan panas.
Kumparan vertikal memiliki efisiensi perpindahan panas yang lebih tinggi, area perpindahan panas yang lebih besar, dan tidak ada masalah hubung singkat pada media perpindahan panas dibandingkan jaket. Dan tabung ular memiliki ketahanan terhadap tekanan tinggi, yang dapat menggunakan media pertukaran panas bertekanan relatif tinggi untuk meningkatkan efisiensi perpindahan panas.
Tabung ular vertikal juga dapat berfungsi sebagai penyekat, dan tidak perlu memasang penyekat di dalam tangki fermentasi.
Namun pembuatan las tabung ular relatif rumit, dengan banyak lasan dan kemungkinan kebocoran las yang relatif tinggi sehingga sulit untuk memperbaiki kebocoran.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar (3), setiap rangkaian tabung vertikal dalam tangki fermentasi terdiri dari beberapa tabung baja tahan karat vertikal, yang dilas secara paralel melalui pipa saluran masuk dan pipa pembuangan, yang pada akhirnya membentuk satu set tabung vertikal dengan satu saluran masuk dan satu saluran keluar.
Kuantitas spesifik dan diameter pipa harus ditentukan sesuai dengan ukuran badan tangki dan persyaratan perpindahan panas.
Pemrosesan tabung vertikal sederhana, namun terdapat masalah korsleting pada media perpindahan panas, sehingga efisiensi perpindahan panas lebih rendah dibandingkan kumparan vertikal. Tabung ular vertikal juga dapat berfungsi sebagai penyekat, dan tidak perlu memasang penyekat di dalam tangki fermentasi.
(7) Perangkat penghilang busa
Karena terdapat protein dan zat lain yang mudah berbusa dalam cairan fermentasi, lebih banyak busa dapat dihasilkan di bawah pengaruh ventilasi dan pengadukan selama fermentasi. Terlalu banyak busa yang keluar dari lubang pembuangan tangki fermentasi, menyebabkan kebocoran cairan, dan meningkatkan kemungkinan infeksi bakteri selama fermentasi.
Alat penghilang busa pada tangki fermentasi adalah alat untuk menghilangkan secara fisik busa yang dihasilkan selama fermentasi. Saat ini, alat penghilang busa utama adalah dayung penghilang busa. Karena terbatasnya efektivitas pencegah busa, banyak tangki fermentasi telah dibatalkan
Bilah pencegah busa digunakan untuk memecah gelembung secara fisik, terutama dalam bentuk ular, gerigi, dan gigi garu, seperti yang ditunjukkan pada gambar.
Penghilang busa yang umum
Dayung penghilang busa dipasang di bagian atas poros pencampur dan berputar bersama poros pencampur. Ketika busa mencapai posisi dayung penghilang busa, dayung penghilang busa dapat memecahkan busa.
Meringkaskan
Dengan perkembangan bioteknologi dan permintaan fermentasi industri yang terus meningkat, desain dan penerapan tangki fermentasi pengadukan mekanis juga terus dioptimalkan dan berinovasi.
Saat ini, dengan mengontrol secara tepat parameter-parameter utama dalam proses fermentasi, seperti pH, suhu, oksigen terlarut, kecepatan pengadukan, dll., efisiensi metabolisme mikroorganisme dan hasil produk dapat ditingkatkan secara signifikan. Kontrol parameter ini juga menjadi lebih stabil dan akurat dengan berkembangnya peralatan inspeksi online.
Struktur tangki fermentasi akan disesuaikan dengan karakteristik bakteri fermentasi, dikombinasikan dengan prinsip dan struktur tangki fermentasi dalam artikel ini, untuk memenuhi kondisi fermentasi yang berbeda.
Selain itu, otomatisasi dan sistem kendali cerdas pada tangki fermentasi memberikan kemungkinan untuk mencapai kendali proses yang lebih tepat, dengan kendali parameter oleh sistem kendali pusat. Hanya volume udara, suhu, pH, kecepatan pengumpanan, dll. yang diperlukan yang perlu diatur dan dikontrol serta disesuaikan secara otomatis oleh sistem. Teknologi ini semakin mendorong modernisasi dan efisiensi proses fermentasi.