Конструктивные устройства для фильтрации ферментатора представляют собой вертикальные полосы или пластины, установленные возле стен сосуда для прерывания вращательного потока. Их основная задача заключается в снижении образования вихревых потоков и преобразовании движения вала в эффективную циркуляцию от верхней части к нижней части, рассеивании газа, суспендировании твердых частиц и передаче тепла. конструкция патрубка ферментатора Это не правило “четыре пластины на каждый резервуар”: число диффузоров, ширина, расстояние от стенки к стенке, длина, монтаж и легкость очистки должны соответствовать типу судна, типу вращающего устройства, скорости аэрации, физико-химическим свойствам бульона, рабочему объему и стратегии стерилизации.
Настоящий руководство объясняет, какие решения инженеры должны принять при покупке или расширении стального резервуара для ферментации. Пример соответствующего оборудования можно найти в разделе YIYI’s. ферментер и линейка биореакторов.
Почему неподвижный корабль образует вихрь
В неподвижном круглом сосуде жидкость может вращаться вместе с валом в виде одного большого тела. Поверхность снижается вблизи вала и поднимается к стенке, образуя вихрь. Мощь расходуется на вращение вихря, а не на осевое или радиалное движение. Глубокий вихрь может поглощать газ из пространства между валом и корпусом, открывая доступ к валу, увеличивая объем пенного слоя, создавая нестабильные нагрузки и снижая степень смешивания.
Конфигурация вентиляторов предотвращает движение по кругу. Это повышает турбулентность и направляет больше энергии в циркуляцию. Изменение обычно приводит к увеличению потребляемой мощности на одном и том же обороте, поэтому необходимо проверять мощность двигателя, вала, уплотнителя, коробки передач и нагрузки на опору. Конфигурация вентиляторов не устраняет все проблемы с перемешиванием; тип вала, его диаметр, расстояние между валами, уровень жидкости, расход газа и реологические свойства жидкости остаются важными факторами.
| Дизайнерская переменная | Если слишком мало или ограничено | Если слишком большой или агрессивный | Что проверять |
|---|---|---|---|
| Количество ребер | Остаточные вихри и ассиметричная циркуляция | Дополнительные препятствия, необходимость очистки зоны и дополнительные затраты | Смешивание шаблонов на разных уровнях управления |
| Ширина решетки | Неэффективное подавление вихрей | Высокое напряжение, застойные зоны или избыточный срез | Мощность, время смешивания, дисперсия газа и очистка |
| Размер свободного пространства у стены | Залежание или плохое мытье под плитой | Сокращение эффекта анти-вокругловости и увеличение зоны разрыва | Обхват покрытия CIP, дренаж и поведение бульона |
| Вертикальная длина | Размещение круга над или под активным элементом | Интерференция с дренажными системами, спиралями или насадками | Минимальный и максимальный рабочий объем |
| Геометрия крепления | Риск от вибрации или усталости | Неровности и трудность проверки | Сварка, опоры, циклическое напряжение и гигиеническая обработка поверхности |
Число и расположение
Четири одинаково размещённых баффа является общим исходным геометрическим расположением в реакционно-механических реакторах, но окончательное число баффа должно соответствовать целям смешивания и физическим ограничениям. Малые сосуды, перевёрнутые винтовые насосы, спирали, трубки для вытяжки, зонды и несколько винтовых подшипников могут оправдывать использование другого расположения. Неравномерное расстояние между баффами может привести к локальным различиям в циркуляции и искажению результатов измерений; если асимметрия неизбежна, следует соответствующим образом пересмотреть расположение зондов и образцов.
Конденсаторы должны работать в пределах предусмотренного рабочего объема. Низкий уровень жидкости может сделать верхнюю часть нерациональной, а высокий уровень может создать турбулентность над коротким конденсатором. При разработке конструкции необходимо учитывать минимальный и максимальный рабочий объем, объем выделения пенообразователя и переходы между заполнениями. Конденсатор не должен препятствовать выходу воды снизу или препятствовать полной откачке.
Ширина и расстояние между стенами
Публикации с общими рекомендациями часто указывают ширину патрубка в виде части от диаметра резервуара, но при этом предполагается использование определенных ньютоновских жидкостей и стандартной геометрии. Их следует использовать только в качестве начальной оценки. Жидкости с высокой вязкостью, с пониженной вязкостью при смешивании, содержащие газ или образующие пену или содержащие твердые частицы могут проявлять поведение, отличающееся от описанного выше. При масштабировании следует учитывать измеренные параметры мощности, времени смешивания, дисперсии газа, переноса кислорода и реакции продукта.
Складная балка удаляет разницу в высоте между стеной и балкой, но при этом создаёт длинные сварные швы и проблемы с чисткой краёв. Балка с отклонением позволяет пропускать поток и очищающую жидкость, но балка не должна задерживать твердые частицы или создавать труднопросматриваемую зону. Используйте гладкие и полностью обработанные опоры и конструкцию с возможностью слива. Избегайте острых углов, которые могут сохранять остатки или повредить чувствительный биологический материал.
Взаимодействие с валами
Радиальные шнеки направляют поток к стенке, где перемычки разделяют его на верхний и нижний контур. Осьовые шнеки перемещают жидкость вдоль оси сосуда и используют перемычки для предотвращения вращения целого потока. Многослойные шнеки создают взаимодействующие контурные цепи, а длина перемычек должна их поддерживать без блокирования подачи, зондов или поверхностей для теплопередачи.
Проверьте расстояние между лопастью и надувной трубой для обеспечения соответствия установленным требованиям по размерам, отклонению оси, вибрации и обслуживанию. Гибкие валы и высокая загрузка газа могут привести к увеличению движения. Края надувной трубки не должны располагаться настолько близко, чтобы небольшая ошибка в установке создавала контакт. Руководство по выбору манипулятора описывает более широкие возможности выбора винта и его характеристик.
Воздухообработка и перенос кислорода
При аэробном ферментационном процессе перегоны помогают предотвратить образование пузырьков в жидкости и способствуют повторному контакту с выходом от вала. Более эффективное распределение газа может увеличить площадь поверхности контакта газа и жидкости, но эффективность переноса кислорода по-прежнему зависит от скорости газа, мощности вала, размещаемых на нем устройств, давления, температуры, среды, антипескообразовательного средства и поведения клеток. Цель проектирования должна основываться на потреблении кислорода организмом при работе вала.
Высокая степень аэрации может привести к затоплению, образованию больших газовых пустот, появлению пенообразований и снижению эффективной мощности. Анализ отходящих газов, тенденции содержания растворенного кислорода и испытания на расширение масштабов позволяют получить подтверждение этих фактов. Не обещайте значения kLa только по размерам перегородок. В последующей статье о переносе кислорода в ферментаторе следует рассмотреть расчет и испытания kLa без дублирования этой темы механического проектирования.
Сверление, пена и биологическая реакция
Конструктивные элементы увеличивают турбулентность и могут повышать локальный срез. Это может быть приемлемо или полезно для устойчивых микробиальных систем, однако у чувствительных клеток, мицелиальной морфологии, продуктов, чувствительных к срезу, и среды, склонной к появлению пен, необходимо провести оценку. Возможные повреждения могут возникать из-за пузырьков, винтов, насосов, клапанов и разрушения поверхности, а также из-за конструктивных элементов.
Пеновые датчики и системы дозирования пенообразователей не заменяют соответствующую механическую конструкцию. Избыток пенообразователя может повлиять на перенос кислорода и последующую обработку. Обеспечьте достаточный объем воздуха в полости, контролируйте выдув воздуха и имейте документально подтвержденную реакцию на образование большого количества пенообразователя. Не ставьте датчик для измерения пенообразователя в местах, где воздух застаивается или где часто происходит разбрызгивание, что может привести к ложным сигналам.
Гигиенический дизайн и легкость в уходе
Конструктивные элементы, такие как рассеивающие устройства, добавляют сварные швы, кромки, затененные поверхности и узкие промежутки. Поэтому при выборе средства для очистки важна не менее важная роль, чем выбор смеси. Спрейные устройства должны увлажнять как переднюю, так и заднюю стороны, стену позади рассеивающих устройств, места крепления и нижнюю поверхность опоры. Тестирование на проникаемость подтверждает увлажнение; тестирование на остатки — подтверждает эффективность очистки. Эти два процесса не являются взаимозаменяемыми.
Укажите характеристики поверхности контакта с продуктом, обработку сваркой, радиус, возможность слива, доступ для осмотра и химический состав средства очистки. Если ферментатор стерилизовают на месте, проверьте доступ к паровому источнику, отведение конденсата, отведение воздуха и температурный контроль вокруг барьеров и опор. Руководство по проверке соответствия для уборки предусматривает полезные принципы регулируемой отрасли; фактические критерии приемлемости остаются специфическими для каждого процесса.
Механическое проектирование и изготовление
Конструктивные элементы испытывают колебания в гидравлическом давлении, вибрацию, термические нагрузки, силы очистки и, возможно, деформацию сосуда из-за давления или вакуума. Конструкции и швы должны быть разработаны для этих условий без создания концентраций напряжений. Длинные неподдерживаемые пластины могут вибраровать. Грубые пластины и тяжелые опоры могут быть труднее чистить и могут деформировать корпус во время сварки.
Технические чертежи должны указывать ширину, толщину, радиалную позицию, длину, расстояние между опорами, профиль сварки, обработку поверхности и интервал между катушками, зондами, пробами, вентиляционными трубами и валами. Инспекция должна подтвердить фактические размеры и качество поверхности перед закрытием сосуда. В случае необходимости удаления необходимо использовать гигиенические крепежные элементы и контролируемый процесс повторной сборки.
Развертывание и тестирование на примерах
Геометрическая схожесть не гарантирует биологической схожести. На более крупном уровне скорость вращения вала, мощность на единицу объема, время смешивания, поверхностная скорость газа, площадь поверхности теплообмена на единицу объема и изменение гидростатического давления происходят по разным способам. Выбирайте критерии масштабирования с учетом ограничений процесса и четко определите компромиссы.
Проверки на заводе позволяют проверить размеры, направление вращения, вибрацию, диапазон скорости, ток двигателя, утечки, площадь покрытия распылением, а также контролировать работу устройств. Тесты смешивания воды позволяют сравнивать образование вихрей, время смешивания и схему циркуляции, но вода не воспроизводит ненейтронные свойства бульонной или газообразной среды. При квалификационных испытаниях следует использовать соответствующие жидкости и утвержденные операционные пределы.
Полезными вспомогательными показателями являются мощность двигателя, крутящий момент, время смешивания после добавления индикатора, реакция растворенного кислорода, распределение газа, равномерность температуры, поведение пены и стабильность образца. Перед началом испытания необходимо определить метод испытания и критерии приемлемости. Руководство по обеспечению отслеживаемости измерений это актуально, когда приемлемость зависит от точности измерений.
Общие ошибки
- Копирование стандартной ширины параболического экрана без учета вязкости бульона, скорости потока газа или чувствительности к смещению.
- Несоблюдение минимального рабочего объема, оставление активной жидкости ниже эффективной зоны патрубка.
- Установка зондов или точек отбора проб в локальном потоке высокой скорости или в стационарном тумане.
- Создание узких участков, которые нельзя очищать, осмотреть или осушить.
- Добавление барьеров после выбора двигателя без повторного расчета мощности, крутящего момента и нагрузки на вал.
- Предполагать эффективность переноса кислорода по геометрическим параметрам без конкретных испытаний на основе процесса.
Информация для поставщика
- Диаметр сосуда, высота касательной поверхности, диапазон рабочих объемов, объемный просвет, корпус и внутренние спирали.
- Глубина настоя, поведение вязкости, наличие твердых частиц, фракция газа, склонность к образованию пен, чувствительность к сгибанию и химическая структура средства для очистки.
- Тип шнека, его диаметр, количество, диапазон оборотов, мощность, расположение вала и геометрия распылителя.
- Цели в области времени смешивания, суспензии, переноса кислорода, равномерности температуры и легкости в очистке.
- Места расположения зон пробоотбора, подачи сырья, отбора проб, выхода, отверстия для прохода воздуха и устройства для распыления, а также требуемые расстояния между ними.
- Метод CIP/SIP, поверхностная обработка, пропускная способность, контроль, испытания приемлемости и документация.
Проект устройства отсека должен быть рассмотрен вместе с полным биологическим процессом. Сравнение биореакторы и ферментаторы, обогрев ферментатора и планирование скорости вращения, и Конструкция ферментатора с вискозной массой предоставляет дополнительную информацию без замены проверок процесса.
Часто задаваемые вопросы
Нужны ли все ферментаторы с четырьмя решётками?
Нет. Четыре одинаково размещённых вентилятора являются стандартной конфигурацией, но правильное количество и геометрия зависят от типа водяного насоса, сосуда, бульона, а также от условий работы, производительности, силы сжатия, очистки и наличия внутренних препятствий.
Улучшают ли более широкие решетки качество смешивания?
Нет. Широкие рассеивающие устройства могут снизить турбулентность, но при этом повысить мощность, локальный срез, образование препятствий, трудности с очисткой и появление застойных зон. Показатели эффективности следует оценивать с учетом определенных задач по смешиванию и биологическому процессу.
Может ли анализ воды подтвердить эффективность ферментации?
Тест на воду позволяет проверить вращение, подавление вихревых потоков, утечки и основную циркуляцию. Он не может полностью воспроизвести вискозность, загрузку газом, пена, потребность в кислороде, количество клеток, твердых частиц или чувствительность продукта, поэтому для проверки требуется использование специфических для процесса процедур.
