Exigences, principes et structures des cuves de fermentation à agitation mécanique
Exigences de base pour le fermenteur de bioréacteur
Les cuves de fermentation doivent avoir un rapport hauteur/diamètre approprié. Le rapport hauteur/diamètre est généralement (1,7-4) : 1. Plus le rapport hauteur/diamètre est élevé, meilleur est l'effet de l'oxygène dissous et plus le taux d'utilisation de l'oxygène est élevé. Il convient de noter que plus le rapport hauteur/diamètre est élevé, plus le réservoir est élevé, ce qui affecte le coût de construction.
La cuve de fermentation doit avoir une pression de conception appropriée. À l'heure actuelle, la pression de conception de la plupart des cuves de fermentation est de 0,3 MPa et la pression de travail est inférieure à 0,15 MPa.
Les agitateurs et leur structure interne facilitent la dissolution de l'oxygène. Les lames d'agitateur de cuve de fermentation sont généralement une combinaison de plusieurs lames d'agitateur pour obtenir le meilleur effet d'oxygène dissous. Le déflecteur interne et la structure tubulaire verticale de la cuve de fermentation créent des turbulences dans le milieu de culture pendant l'agitation, augmentant l'effet d'agitation.
La cuve de fermentation doit avoir une bonne étanchéité. Les cuves de fermentation nécessitent des exigences d'étanchéité élevées, en particulier pour les joints de mélange. Toutes les interfaces et les joints mécaniques doivent répondre aux exigences d'étanchéité pour minimiser les fuites et réduire la probabilité de contamination bactérienne pendant la culture.
Lors de la conception de l'intérieur de la cuve de fermentation, il est nécessaire d'éviter la stérilisation et le mélange des coins morts. Privilégiez la simplicité et la stabilité pour éviter le desserrage des boulons à l'intérieur de la cuve.
Le réservoir de fermentation doit être facile à utiliser et à nettoyer. La surface intérieure est polie avec une finition miroir pour réduire l'adhérence du milieu de culture et d'autres matériaux. L'interface adopte des méthodes de connexion rapide par pince pour une utilisation, un nettoyage et une maintenance faciles.
Le réservoir de fermentation doit avoir une surface d'échange thermique suffisante. Lors de la conception d'un réservoir de fermentation, la surface d'échange thermique doit être calculée pour assurer une surface d'échange thermique suffisante pour un chauffage et un refroidissement rapides, minimiser les dommages aux composants nutritifs dans le milieu de culture pendant la stérilisation et assurer la précision du contrôle de la température pendant la fermentation.
Principe de fonctionnement du fermenteur de bioréacteur
Le réservoir de fermentation à agitation mécanique utilise principalement l'effet d'agitation et d'écrasement de la lame d'agitation mécanique et l'effet de dispersion du distributeur d'air pour disperser l'air stérile en petites bulles qui se mélangent au bouillon de fermentation, favorisant la dissolution de l'oxygène dans le bouillon de fermentation pour assurer l'oxygène nécessaire à la croissance microbienne et à la production de produits.
Les deux indicateurs de base pour mesurer la qualité d'un réservoir de fermentation sont le coefficient d'oxygène dissous (KLa) et la quantité d'énergie nécessaire pour transférer 1 kg d'oxygène.
La cuve de fermentation maintient un certain pH du bouillon de fermentation en ajoutant de l'acide, de l'alcali, etc.
Maintenir une certaine température du bouillon de fermentation en faisant passer de l'eau de refroidissement, de l'eau chaude, de la vapeur, etc. à travers des chemises, des serpentins, des tubes serpentins, etc.
Des conditions aseptiques strictes sont maintenues pendant la fermentation microbienne grâce à la stérilisation de la cuve, à la filtration par filtre de stérilisation, à l'étanchéité et au maintien d'une pression positive à l'intérieur de la cuve.
En contrôlant des paramètres tels que le taux de ventilation, l'oxygène dissous, la vitesse d'agitation, la pression de la cuve, le pH, la température, l'alimentation, la densité bactérienne et la détection des gaz d'échappement, la fermentation est assurée d'être dans un état optimal.
Structure principale du fermenteur de bioréacteur
La structure principale d'une cuve de fermentation comprend : le corps de la cuve, les agitateurs, le déflecteur, le dispositif de distribution d'air, le joint mécanique, le dispositif d'échange de chaleur, l'interface du capteur, la structure accessoire, etc., comme indiqué sur la figure.
(1) Corps de la cuve
La cuve de fermentation est composée d'un corps droit cylindrique et d'une tête supérieure et inférieure elliptique ou en forme de papillon reliées ensemble.
Le volume nominal (volume inférieur de la tête et du cylindre) de la cuve de fermentation est 1 m3 ou moins. La tête supérieure et le cylindre droit de la cuve de fermentation sont reliés par des brides et équipés de trous pour les mains pour l'alimentation, le nettoyage, etc. Si un entretien est nécessaire à l'intérieur de la cuve de fermentation, la tête supérieure doit être ouverte ;
La tête de la cuve de fermentation d'une capacité nominale de 1 m3 ou plus est directement soudée au corps de la cuve, et il y a un trou d'homme pour l'alimentation, le nettoyage et l'entretien de la cuve.
Sur le dessus de la cuve, il y a des interfaces telles que le trou d'homme, l'orifice d'alimentation, l'orifice d'échappement, l'interface du manomètre, l'orifice d'inoculation, etc.
Interfaces sur le corps de la cuve : entrée d'air, orifice de transfert de semences, orifice d'échantillonnage, orifice de décharge, diverses interfaces de capteurs, entrée et sortie d'eau de circulation, etc.
La structure et les dimensions principales des cuves de fermentation agitées à ventilation mécanique couramment utilisées ont été normalisées et peuvent être divisées en différents types en fonction de la taille et de l'objectif de la cuve de fermentation. Elle est principalement divisée en trois niveaux : échelle de laboratoire, échelle pilote et échelle de production.
Il existe des cuves de fermentation de 1, 3, 5, 10, 20 et 30 L à l'échelle du laboratoire ;
L'échelle pilote comprend des cuves de fermentation de 50100200300500 L et 1,2,3 m3 ;
Il existe des cuves de fermentation avec des échelles de production de 5, 10, 20, 50, 100, 200 et 200 mètres cubes. (Classification générale, non absolue.)
Nous pouvons choisir la capacité de la cuve de fermentation en fonction de nos besoins.
Les dimensions géométriques de la cuve de fermentation universelle à agitation mécanique et ventilation sont présentées dans la figure suivante.
Sur la figure, H représente la hauteur du fût droit de la cuve de fermentation, en mètres ;
D - diamètre de la cuve de fermentation, m ;
d - diamètre du mélangeur, m ;
W - largeur du déflecteur, m ;
B - Distance entre le mélangeur inférieur et le fond de la cuve, m ;
s - espacement entre les mélangeurs, m.
Les proportions géométriques des cuves de fermentation à agitation et ventilation mécaniques couramment utilisées :
H/P = 1,7 ~ 3,5 ;
d/P = 1/3 ~ 1/2 ;
L/P = 1/2 ~ 1/8 ;
= 1-2 (Ci-dessous, 2 et 3 représentent le nombre de déflecteurs dans le mélangeur)
La taille de la cuve de fermentation peut être décrite comme la capacité totale et la capacité nominale.
Le volume total est la somme du volume du fût droit et du volume des têtes supérieure et inférieure de la cuve de fermentation ;
Le volume nominal (V0) fait référence à la somme du volume du cylindre droit du corps de la cuve (Va) et du volume de la tête inférieure (Vb). De nos jours, la taille d'une cuve de fermentation est généralement désignée par sa capacité totale.
Le coefficient de charge est le rapport entre le volume de liquide et le volume total de la cuve de fermentation, et généralement le coefficient de charge de la cuve de fermentation est de 70 % à 80 %.
Dans le processus de culture de la cuve de fermentation, si plus de mousse est produite, le coefficient de charge peut être réduit de manière appropriée ;
Pour les cuves de fermentation avec moins de mousse et moins d'aération pendant le processus de culture, le coefficient de charge peut être augmenté de manière appropriée.
(2) Mélangeur
La fonction principale d'un mélangeur mécanique est de mélanger les matériaux, d'écraser les bulles et d'améliorer le transfert de chaleur et de masse.
L'agitateur mécanique maintient les matières solides dans le bouillon de fermentation en suspension, maintenant ainsi le transfert de masse du mélange triphasé gaz-liquide-solide ;
Disperser l'air entrant en petites bulles et les mélanger uniformément avec le bouillon de fermentation, augmenter l'interface de contact gaz-liquide, améliorer le taux de transfert de masse entre le gaz et le liquide et améliorer l'oxygène dissous ;
En remuant, la température de chaque partie de la cuve de fermentation est uniformément répartie, améliorant le transfert de chaleur.
La turbine de l'agitateur génère un flux axial, un flux radial et un flux tangentiel pendant l'agitation.
Le flux axial est la direction d'écoulement du fluide parallèle à l'arbre d'agitation. Le fluide est poussé vers le bas par les lames et lorsqu'il rencontre le fond du récipient, il se retourne pour former un flux de circulation de haut en bas. Le débit de circulation du liquide est important, comme le montre la figure (1).
Le flux axial amène le flux global de liquide dans la cuve de fermentation à former une circulation axiale, ce qui est propice au mélange macroscopique, mais le niveau de turbulence n'est pas élevé. Les principaux types de pales d'hélice comprennent les pales de mélange de type à palette et de type à hélice.
L'écoulement radial est la direction de l'écoulement du fluide perpendiculaire à l'arbre d'agitation, s'écoulant Le flux radial est formé par le mouvement de rotation du liquide dans la cuve de fermentation entre l'agitateur et la paroi intérieure. Lorsqu'il rencontre la paroi du récipient, il se divise en deux flux de fluide qui s'écoulent respectivement vers le haut et vers le bas, puis retourne à l'extrémité de la lame sans passer par la lame, formant deux flux de circulation supérieur et inférieur, comme le montre la figure (2).
Le flux radial rend le flux global de liquide dans la cuve de fermentation plus complexe, avec un effet de cisaillement important sur le liquide, ce qui est bénéfique pour la rupture des bulles, mais peut facilement endommager les cellules microbiennes. Les principales formes de lames comprennent les lames d'agitateurs de type turbine.
Le flux tangentiel fait référence au mouvement de rotation du fluide autour d'un axe dans un récipient sans chicanes. Sous l'action de la force centrifuge, le fluide se précipite vers la paroi du récipient, provoquant une baisse du niveau de liquide dans la partie centrale et la formation d'un grand vortex, comme le montre la figure suivante.
Agitation mécanique flux tangentiel
Dans les cas graves, les agitateurs peuvent ne pas être complètement immergés dans le bouillon de fermentation, ce qui entraîne une diminution significative de la puissance d'agitation.
À l'heure actuelle, le type de cuve de fermentation le plus couramment utilisé est l'agitateur à turbine, comme le montre la figure ci-dessous, qui est divisé en agitateurs à turbine à lame plate, agitateurs à turbine à lame incurvée, agitateurs à turbine à lame fléchée, etc. La lame d'agitation est généralement composée de 6 pièces.
Lame d'agitateur de type turbine
(3) Panneau barrière
La fonction du déflecteur est de changer la direction du fluide, du flux tangentiel au flux axial, pour générer des turbulences pendant l'agitation, empêcher la formation de vortex, augmenter la teneur en oxygène dissous, améliorer l'efficacité du transfert de masse et de chaleur et améliorer l'efficacité de l'agitation.
La partie supérieure du déflecteur doit être au-dessus du niveau du liquide et la partie inférieure doit s'étendre jusqu'au fond du réservoir, au niveau de la tête.
La largeur du déflecteur est généralement de (0,1-0,12) D. (D est le diamètre de la cuve de fermentation)
L'installation de 4 à 6 déflecteurs peut répondre à la condition de déflecteur complet. La soi-disant « condition de déflecteur complet » fait référence au fait que lors de l'ajout de déflecteurs et d'autres accessoires pouvant servir de déflecteurs dans la cuve de fermentation, la puissance de mélange reste inchangée et le vortex disparaît pratiquement.
L'installation du déflecteur présente plusieurs caractéristiques :
Il y a un espace entre le déflecteur et la paroi du réservoir, ce qui peut empêcher efficacement le nettoyage et la stérilisation des angles morts entre la paroi du réservoir et le déflecteur ;
Le déflecteur est amovible pour un entretien facile ;
Le déflecteur est traité pour se plier dans le sens de l'écoulement du liquide à la partie la plus extérieure, ce qui peut augmenter efficacement la résistance du déflecteur et réduire le frottement du liquide sur l'extérieur du déflecteur ;
Dans les cuves de fermentation de 10 m3 et plus, des tubes peuvent remplacer les déflecteurs.
(4) Joint mécanique
Dans une cuve de fermentation à agitation mécanique, à l'exception de l'agitation magnétique, qui ne nécessite pas que l'arbre d'agitation soit étendu hors de la cuve de fermentation, toutes les autres nécessitent que l'arbre d'agitation soit étendu hors de la cuve de fermentation puis mis en rotation par un moteur. À la partie où l'arbre d'agitation s'étend hors du corps du réservoir, un joint mécanique est nécessaire pour éviter les fuites.
Les joints mécaniques peuvent être divisés en joints mécaniques de presse-étoupe et joints mécaniques de face d'extrémité. Les joints mécaniques à face d'extrémité peuvent être divisés en joints mécaniques à face simple et joints mécaniques à double face en fonction du nombre de faces d'extrémité d'étanchéité.
Le joint mécanique de presse-étoupe est composé d'un corps de presse-étoupe, d'une chemise inférieure de presse-étoupe, d'un couvercle de presse-étoupe et d'un boulon de serrage, comme indiqué sur la figure.
Joint mécanique de presse-étoupe
La boîte à garniture est une méthode d'ajout de matériau de garniture dans la chambre de garniture, qui est comprimée par un couvercle et un boulon de serrage pour assurer un contact étroit entre le matériau de garniture et l'arbre, réalisant l'objectif d'étanchéité.
Les avantages des joints mécaniques de presse-étoupe sont un prix bas, une structure simple, un entretien facile, de faibles exigences en matière de précision d'usinage de l'arbre et une usure minimale de l'arbre.
L'inconvénient est qu'il existe de nombreux angles morts, ce qui rend difficile la stérilisation complète ; courte durée de vie, fuite importante, mauvais effet d'étanchéité, infection bactérienne facile, entretien fréquent et rarement utilisé dans les cuves de fermentation.
Selon la plage de température et de pression de la cuve de fermentation, le joint mécanique à extrémité simple est le plus couramment utilisé, comme indiqué sur la figure.
Structures de joints mécaniques à extrémité unique couramment utilisées
La face d'extrémité d'un joint mécanique à extrémité unique est constituée de deux matériaux de dureté différente, à savoir l'anneau dynamique et l'anneau statique.
L'anneau statique est fixé sur la cuve de fermentation, avec une face d'extrémité non rotative. Il est étroitement collé à la base du joint mécanique de la cuve de fermentation par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité, garantissant qu'il n'y a pas de fuite au niveau de la zone de contact entre l'anneau statique et la cuve de fermentation.
L'anneau dynamique est monté sur l'arbre, et il y a un joint d'étanchéité à l'intérieur qui adhère étroitement à l'arbre, ce qui peut empêcher les fuites entre l'anneau dynamique et l'arbre. Le ressort supérieur de l'anneau dynamique presse l'anneau dynamique vers l'anneau statique, garantissant que la face d'extrémité lisse de l'anneau dynamique est en contact étroit avec la face d'extrémité lisse de l'anneau statique, réalisant ainsi l'objectif d'étanchéité.
Les joints mécaniques à extrémité unique doivent être bien protégés avant et après l'installation pour assurer une surface de contact lisse. Lors de l'installation, essayez d'éviter autant que possible d'incliner les anneaux mobiles et fixes.
Les petits joints mécaniques sont généralement installés à l'intérieur de la cuve, et pour ce type, des joints mécaniques à structure simple et peu d'angles morts doivent être sélectionnés autant que possible ; les joints mécaniques plus grands sont installés à l'extérieur de la cuve de fermentation, ce qui les rend faciles à fixer, à régler et à entretenir.
(5) Dispositif de distribution d'air
La fonction principale du dispositif de distribution d'air est de souffler de l'air stérile dans la cuve de fermentation, dispersant l'air stérile en petites bulles pour une dissolution plus complète dans le bouillon de fermentation, ce qui est bénéfique pour la croissance bactérienne.
Les formes couramment utilisées de dispositifs de distribution d'air sont le tube unique et le tube annulaire, comme indiqué sur la figure.
Distributeurs d'air à tube circulaire et à tube unique
Le tuyau d'air à tube unique s'étend jusqu'à la partie inférieure de la lame de mélange en bas, avec l'ouverture orientée vers le bas, pour garantir qu'il n'y a pas d'accumulation de matériaux ou de coins morts à l'intérieur du tuyau. En même temps, l'air soufflant vers le bas peut faire exploser le matériau au fond du réservoir, et les bulles sont encore écrasées par la lame de mélange, ce qui peut obtenir un bon effet d'oxygène dissous. La distance entre le bas de la sortie d'air et le fond du réservoir varie légèrement en fonction de la taille du réservoir.
Le type de tube annulaire est soudé à la queue du tube d'air, et le tube annulaire est généralement un cercle fermé ou un cercle ouvert. Il y a quelques petits trous au fond et sur les côtés du tube annulaire, et la somme des sections transversales de tous les petits trous est approximativement égale à la section transversale du tuyau d'admission.
Les distributeurs à tubes circulaires sont généralement utilisés pour les cuves de fermentation de plus petit volume. Les cuves de fermentation plus petites sont limitées par leur volume et leur hauteur, ce qui entraîne un temps de séjour plus court de l'air dans le bouillon de fermentation. Par conséquent, l'utilisation d'un distributeur à anneau d'air pour transformer l'air en bulles plus petites est bénéfique pour augmenter l'oxygène dissous. Le type à tube unique est utilisé pour les cuves de fermentation plus grandes.
(6) Dispositif d'échange de chaleur
Les cuves de fermentation nécessitent une stérilisation et un contrôle de la température, ce qui nécessite des dispositifs d'échange de chaleur. Les dispositifs d'échange de chaleur utilisés pour les cuves de fermentation comprennent principalement des chemises, des serpentins, des serpentins verticaux et des tubes verticaux.
Les cuves de fermentation d'un volume de 5 m3 ou moins utilisent généralement des chemises, tandis que les cuves d'un volume de 5 m3 ou plus peuvent utiliser des serpentins, des serpentins verticaux ou des tubes verticaux.
Si la hauteur de la partie supérieure de la chemise dépasse le niveau de liquide du bouillon de fermentation, aucun calcul n'est requis. La chemise a des importations et des exportations. Pendant le contrôle de la température, l'eau de refroidissement ou l'eau chaude entre par la position inférieure de la chemise et est évacuée par la position supérieure, comme indiqué sur la figure ;
Dispositif d'échange de chaleur à chemise et schéma d'échange de chaleur
Pendant le préchauffage de stérilisation, la vapeur entre par la position haute de la chemise et l'eau condensée est évacuée par la position basse de la chemise.
Avantages de la chemise : structure simple et production facile ; il n'y a pas de dispositif de refroidissement à l'intérieur du réservoir, ce qui peut réduire efficacement les angles morts et faciliter le nettoyage et la stérilisation du réservoir.
L'inconvénient est que le débit d'eau de refroidissement est faible, le transfert de chaleur est irrégulier et l'efficacité du transfert de chaleur pendant la fermentation est relativement faible.
La bobine est un système de tuyauterie en acier inoxydable en spirale à l'intérieur d'une cuve de fermentation, avec une entrée et une sortie, et une efficacité de transfert de chaleur élevée. Comme le montre la figure (1).
Comme le montre la figure (2), chaque ensemble de tubes serpentins verticaux dans la cuve de fermentation est composé de nombreux tubes verticaux en acier inoxydable. Les tubes en acier inoxydable sont connectés et soudés en série par des coudes à 180°, formant finalement un ensemble de tubes serpentins verticaux avec une entrée et une sortie.
En général, il existe quatre, six ou huit groupes, et la quantité spécifique et le diamètre du tuyau sont déterminés en fonction de la taille du corps du réservoir et des exigences de transfert de chaleur.
La bobine verticale a une efficacité de transfert de chaleur plus élevée, une plus grande surface de transfert de chaleur et aucun problème de court-circuit dans le fluide de transfert de chaleur par rapport à la chemise. Et le Le tube serpentin a une résistance à haute pression, qui peut utiliser un support d'échange de chaleur à pression relativement élevée pour améliorer l'efficacité du transfert de chaleur.
Les tubes serpentins verticaux peuvent également servir de déflecteurs, et il n'est pas nécessaire d'installer des déflecteurs à l'intérieur de la cuve de fermentation.
Cependant, la fabrication du soudage de tubes serpentins est relativement complexe, avec de nombreuses soudures et une probabilité relativement élevée de fuite de soudure, ce qui rend difficile la réparation des fuites.
Comme le montre la figure (3), chaque ensemble de tubes verticaux dans la cuve de fermentation se compose de plusieurs tubes verticaux en acier inoxydable, qui sont soudés en parallèle via un tuyau d'entrée et un tuyau de drainage, formant finalement un ensemble de tubes verticaux avec une entrée et une sortie.
La quantité spécifique et le diamètre du tuyau doivent être déterminés en fonction de la taille du corps de la cuve et des exigences de transfert de chaleur.
Le traitement des tubes verticaux est simple, mais il existe un problème de court-circuit avec le support de transfert de chaleur, ce qui entraîne une efficacité de transfert de chaleur inférieure par rapport à la bobine verticale. Les tubes serpentins verticaux peuvent également servir de déflecteurs, et il n'est pas nécessaire d'installer des déflecteurs à l'intérieur de la cuve de fermentation.
(7) Dispositif anti-mousse
Étant donné que le liquide de fermentation contient des protéines et d'autres substances qui moussent facilement, davantage de mousse peut être produite sous l'effet de la ventilation et de l'agitation pendant la fermentation. Trop de mousse sera évacuée de l'orifice d'échappement de la cuve de fermentation, provoquant une fuite de liquide et augmentant la probabilité d'infection bactérienne pendant la fermentation.
Le dispositif anti-mousse de la cuve de fermentation est un dispositif permettant d'éliminer physiquement la mousse générée pendant la fermentation. À l'heure actuelle, le principal dispositif anti-mousse est la palette anti-mousse. En raison de l'efficacité limitée des anti-mousse, de nombreuses cuves de fermentation ont été annulées.
Les lames anti-mousse sont utilisées pour briser physiquement les bulles, principalement sous la forme de serpents, de dentelures et de dents de râteau, comme indiqué sur la figure.
Anti-mousse courants
La palette anti-mousse est installée sur la partie supérieure de l'arbre de mélange et tourne avec l'arbre de mélange. Lorsque la mousse atteint la position de la palette anti-mousse, la palette anti-mousse peut briser la mousse.
Résumé
Avec le développement de la biotechnologie et la croissance continue de la demande de fermentation industrielle, la conception et l'application de l'agitation mécanique Les cuves de fermentation sont également constamment optimisées et innovées.
À l'heure actuelle, en contrôlant avec précision les paramètres clés du processus de fermentation, tels que le pH, la température, l'oxygène dissous, la vitesse d'agitation, etc., l'efficacité métabolique des micro-organismes et le rendement des produits peuvent être considérablement améliorés. Ces contrôles de paramètres sont également devenus plus stables et plus précis avec le développement d'équipements d'inspection en ligne.
La structure de la cuve de fermentation sera personnalisée en fonction des caractéristiques des bactéries de fermentation, combinée aux principes et à la structure de la cuve de fermentation de cet article, pour répondre à nos différentes conditions de fermentation.
De plus, le système d'automatisation et de contrôle intelligent de la cuve de fermentation offre la possibilité d'obtenir un contrôle de processus plus précis, avec un contrôle des paramètres par le système de contrôle central. Seuls le volume d'air, la température, le pH, la vitesse d'alimentation, etc. requis doivent être réglés et contrôlés et ajustés automatiquement par le système. Ces technologies favorisent davantage la modernisation et l'efficacité du processus de fermentation.