기계식 교반 발효조의 요구사항, 원리 및 구조
생물반응기 발효기 의 기본 요구사항
발효 탱크는 적절한 종횡비를 가져야 합니다. 높이 대 직경의 비율은 일반적으로 (1.7-4): 1입니다. 높이 대 직경의 비율이 클수록 용존 산소 효과가 더 좋고 산소 이용률도 높아집니다. 종횡비가 클수록 탱크가 높아져 건설 비용에 영향을 미친다는 점에 유의해야 합니다.
발효조는 적절한 설계 압력을 가져야 합니다. 현재 대부분의 발효조의 설계 압력은 0.3MPa이고 작동 압력은 0.15MPa 미만입니다.
교반기 와 내부 구조는 산소의 용해를 촉진합니다 . 발효 탱크 교반기 블레이드는 일반적으로 최고의 용존 산소 효과를 달성하기 위해 여러 교반기 블레이드 의 조합입니다 . 발효조의 내부 배플과 수직형 튜브 구조는 교반 중에 배양액에 난류를 발생시켜 교반 효과를 높입니다.
발효 탱크는 밀봉이 좋아야 합니다. 발효 탱크는 특히 혼합 씰의 경우 높은 씰링 요구 사항을 요구합니다. 모든 인터페이스와 기계적 밀봉은 누출을 최소화하고 배양 중 박테리아 오염 가능성을 줄이기 위해 밀봉 요구 사항을 충족해야 합니다.
발효조 내부를 설계할 때, 살균 및 혼합을 방지하는 것이 필요합니다. 탱크 내부의 볼트 풀림을 방지하기 위해 단순성과 안정성을 우선시합니다.
발효조는 작동과 청소가 쉬워야 합니다. 배양액과 기타 물질의 부착을 줄이기 위해 내부 표면을 거울 마감으로 연마합니다. 인터페이스는 쉬운 작동, 청소 및 유지 관리를 위해 클램프 빠른 연결 방법을 채택합니다.
발효조에는 충분한 열교환 면적이 있어야 합니다. 발효조를 설계할 때 급속 가열 및 냉각을 위한 충분한 열교환면적을 확보하고, 멸균 시 배양액 내 영양성분의 손상을 최소화하며, 발효 중 온도조절의 정확성을 확보할 수 있도록 열교환 면적을 계산해야 합니다.
생물 반응기 발효기 의 작동 원리
기계식 교반 발효조는 주로 기계식 교반 날개의 교반 및 파쇄 효과와 공기 분배기의 분산 효과를 활용하여 멸균 공기를 발효액과 혼합되는 작은 기포로 분산시켜 발효액 내의 산소 용해를 촉진합니다. 미생물 성장과 제품 생산에 필요한 산소를 보장합니다.
발효조의 품질을 측정하는 두 가지 기본 지표는 용존산소계수(KLa)와 산소 1kg을 이송하는 데 필요한 전력량입니다.
발효조는 산, 알칼리 등을 첨가하여 발효액의 특정 pH를 유지합니다.
재킷, 코일, 구불구불한 관 등에 냉각수, 뜨거운 물, 증기 등을 통과시켜 발효액의 특정 온도를 유지하는 단계;
탱크 멸균, 멸균 필터 여과, 밀봉, 탱크 내부 양압 유지를 통해 미생물 발효 과정에서 엄격한 무균 조건을 유지합니다.
환기율, 용존 산소, 교반 속도, 탱크 압력, pH, 온도, 공급, 박테리아 밀도 및 배기 가스 감지와 같은 매개변수를 제어함으로써 발효가 최적의 상태가 되도록 보장됩니다.
생물반응기 발효기 의 주요 구조
발효조의 주요 구조에는 그림과 같이 탱크 본체, 교반기 , 배플, 공기 분배 장치, 기계적 밀봉, 열 교환 장치, 센서 인터페이스, 액세서리 구조 등이 포함됩니다.
(1) 탱크 본체
발효조는 원통형의 직선형 몸체와 타원형 또는 나비 모양의 상부와 하부 헤드가 서로 연결되어 구성되어 있습니다.
발효조의 공칭 부피(하부 헤드 및 실린더 부피)는 1m3 이하입니다. 발효조의 상부 헤드와 직선 실린더는 플랜지로 연결되어 있으며 공급, 청소 등을 위한 손 구멍이 있습니다. 발효조 내부에 유지 관리가 필요한 경우 상부 헤드를 열어야 합니다.
공칭용량 1m3 이상의 발효조 헤드는 탱크 본체에 직접 용접되어 있으며, 공급, 청소, 탱크 유지관리를 위한 맨홀이 마련되어 있습니다.
탱크 상단에는 맨홀, 공급 포트, 배기구, 압력계 인터페이스, 접종 포트 등과 같은 인터페이스가 있습니다.
탱크 본체의 인터페이스: 공기 흡입구, 종자 이송 포트, 샘플링 포트, 배출 포트, 다양한 센서 인터페이스, 순환수 입구 및 출구 등
일반적으로 사용되는 기계식 환기식 교반발효조의 구조와 주요 치수는 표준화되어 있으며, 발효조의 크기와 목적에 따라 다양한 종류로 나눌 수 있습니다. 주로 실험실 규모, 파일럿 규모, 생산 규모의 세 가지 수준으로 나뉩니다.
실험실 규모에는 1, 3, 5, 10, 20 및 30L 발효 탱크가 있습니다.
파일럿 규모에는 50100200300500L 및 1,2,3m3 발효 탱크가 포함됩니다.
생산 규모가 5, 10, 20, 50, 100, 200, 200m3인 발효조가 있습니다. (절대적인 분류는 아니고 일반적인 분류입니다.)
우리는 필요에 따라 발효조 용량을 선택할 수 있습니다.
범용 기계식 교반 및 환기 발효 탱크의 기하학적 치수는 다음 그림에 나와 있습니다.
그림에서 H는 발효조의 직선 배럴 높이(미터)를 나타냅니다.
D - 발효 탱크 직경, m;
d - 믹서 직경, m;
W - 배플의 폭, m;
B - 하부 믹서와 탱크 바닥 사이의 거리, m;
s - 믹서 사이의 간격, m.
일반적으로 사용되는 기계적 교반 및 환기 발효 탱크의 기하학적 비율:
H/D=1.7~3.5;
d/D=1/3~1/2;
W/D=1/2~1/8;
=1-2 (아래에서 2와 3은 믹서의 배플 수를 나타냅니다)
발효조의 크기는 전체 용량과 공칭 용량으로 설명할 수 있습니다.
전체 부피는 직선형 배럴의 부피와 발효조의 상부 및 하부 헤드의 부피를 합한 것입니다.
공칭 부피(V0)는 탱크 본체의 직선 실린더 부피(Va)와 하부 헤드 부피(Vb)의 합을 나타냅니다. 요즘에는 발효조의 크기를 일반적으로 최대 용량이라고 합니다.
로딩계수는 발효조의 전체 부피에 대한 액체부피의 비율로, 일반적으로 발효조의 로딩계수는 70%~80%이다.
발효조 재배 과정에서 거품이 더 많이 생성되면 적재 계수를 적절하게 줄일 수 있습니다.
재배 과정에서 거품이 적고 통기가 적은 발효 탱크의 경우 충전 계수를 적절하게 높일 수 있습니다.
(2) 블렌더
기계식 믹서의 주요 기능은 재료를 혼합하고 기포를 분쇄하며 열 및 물질 전달을 향상시키는 것입니다.
기계식 교반기는 발효액 내의 고체 물질을 현탁 상태로 유지하여 기체 액체 고체 3상 혼합물의 물질 전달을 유지합니다.
유입되는 공기를 작은 기포로 분산시켜 발효액과 균일하게 혼합하고, 기액 접촉 계면을 높이고, 기체와 액체 사이의 물질 전달 속도를 향상시키며, 용존 산소를 향상시킵니다.
교반을 통해 발효조 각 부분의 온도가 고르게 분포되어 열전달이 향상됩니다.
교반기 임펠러 는 교반 중에 축류, 방사형 흐름 및 접선 흐름을 생성합니다.
축류는 교반축과 평행한 유체의 흐름 방향입니다. 유체는 블레이드에 의해 아래로 밀려 용기 바닥에 닿으면 위로 뒤집어 상하 순환 흐름을 형성합니다. 그림(1)과 같이 액체 순환 유량이 큽니다.
축류는 발효조 내 액체의 전체 흐름이 축류를 형성하게 하여 거시적 혼합에 도움이 되지만 난류 수준은 높지 않습니다. 프로펠러 블레이드의 주요 유형에는 패들 유형과 프로펠러 유형 혼합 블레이드가 있습니다.
방사형 흐름은 교반축에 수직인 유체 흐름의 방향으로, 교반기와 내벽 사이의 발효조 반경을 따라 흐릅니다. 컨테이너 벽을 만나면 각각 위쪽과 아래쪽으로 흐르는 2개의 유체 흐름으로 갈라지고 블레이드를 통과하지 않고 블레이드 끝으로 돌아가 그림(2)과 같이 상부와 하부의 두 가지 순환 흐름을 형성합니다. .
방사형 흐름은 발효조 내 액체의 전체 흐름을 더욱 복잡하게 만들고, 액체에 큰 전단 효과를 가해 기포 파괴에 유리하지만 미생물 세포에 쉽게 손상을 줄 수 있습니다. 주요 블레이드 형태에는 터빈형 교반기 블레이드가 포함됩니다.
접선 흐름은 배플이 없는 용기 내에서 축을 중심으로 하는 유체의 회전 운동을 나타냅니다. 원심력의 작용으로 유체가 용기 벽을 향해 돌진하여 중앙 부분의 액체 레벨이 떨어지고 다음 그림과 같이 큰 소용돌이가 형성됩니다.
기계적 교반 접선 흐름
심한 경우 교반기가 발효액에 완전히 담기지 않아 교반력이 현저히 저하될 수 있습니다.
현재 가장 일반적으로 사용되는 발효 탱크 유형은 아래 그림과 같이 터빈 교반기 이며 평면 블레이드 터빈 교반기 , 곡선 블레이드 터빈 교반기 , 화살 블레이드 터빈 교반기 등으로 구분됩니다. 교반 블레이드는 일반적으로 6입니다. 조각.
터빈형 교반기 블레이드
(3) 배리어보드
배플의 기능은 유체의 방향을 접선 흐름에서 축 흐름으로 변경하여 교반 중에 난류를 생성하고, 와류 형성을 방지하고, 용존 산소 함량을 높이고, 질량 및 열 전달 효율을 향상시키고, 교반 효율을 높이는 것입니다.
배플의 상부는 액체 높이보다 높아야 하며, 하부는 탱크 바닥까지 연장되어 헤드와 같은 높이여야 합니다.
배플의 너비는 일반적으로 (0.1-0.12)D입니다. (D는 발효조의 직경입니다.)
4-6개의 배플을 설치하면 전체 배플 조건을 충족할 수 있습니다. 소위 "완전 배플 상태"란 발효조에 배플 및 배플 역할을 할 수 있는 기타 부속품을 추가할 때 혼합력이 변하지 않고 와류가 기본적으로 사라지는 것을 말합니다.
배플 설치에는 다음과 같은 몇 가지 특징이 있습니다.
배플과 탱크 벽 사이에 간격이 있어 탱크 벽과 배플 사이의 청소 및 살균 사각지대를 효과적으로 방지할 수 있습니다.
배플은 분리 가능하여 유지 관리가 쉽습니다.
배플은 가장 바깥쪽 부분에서 액체 흐름 방향으로 구부러지도록 가공되어 배플의 강도를 효과적으로 높이고 배플 외부의 액체 마찰을 줄일 수 있습니다.
10m3 이상의 발효조에서는 튜브가 배플을 대체할 수 있습니다.
(4) 기계적 밀봉
기계식 교반 발효조에서는 교반 샤프트를 발효 탱크 밖으로 확장할 필요가 없는 자기 교반을 제외하고 모든 다른 모든 경우에는 교반 샤프트를 발효 탱크 밖으로 확장한 다음 모터로 회전해야 합니다. 교반축이 탱크본체 밖으로 연장되는 부분에는 누수방지를 위한 메카니컬씰이 필요합니다.
기계적 밀봉은 스터핑 박스 기계적 밀봉과 단면 기계적 밀봉으로 나눌 수 있습니다. 단면 메카니컬 씰은 씰링 단면의 수에 따라 단면 메카니컬 씰과 양면 메카니컬 씰로 나눌 수 있습니다.
스터핑 박스 메카니컬 씰은 그림과 같이 스터핑 박스 본체, 스터핑 바닥 라이너, 스터핑 커버 및 클램핑 볼트로 구성됩니다.
채우는 상자 기계적 밀봉
포장 상자는 포장재를 포장실에 추가하는 방법으로, 포장재와 샤프트 사이의 긴밀한 접촉을 보장하기 위해 덮개와 조임 볼트로 압축되어 밀봉 목적을 달성합니다.
스터핑 박스 메카니칼 씰의 장점은 저렴한 가격, 간단한 구조, 쉬운 유지 관리, 샤프트 가공 정확도에 대한 낮은 요구 사항 및 샤프트 마모 최소화입니다.
단점은 사각지대가 많아 완전한 살균이 어렵다는 점, 수명이 짧고 누출이 많으며 밀봉 효과가 좋지 않고 세균 감염이 쉽고 유지 관리가 잦으며 발효 탱크에는 거의 사용되지 않습니다.
발효조의 온도 및 압력 범위에 따라 가장 일반적으로 사용되는 것은 그림과 같이 단일 끝 기계적 밀봉입니다.
일반적으로 사용되는 단일 끝 기계적 밀봉 구조
단일 엔드 메카니컬 씰의 단면은 경도가 다른 두 가지 재료, 즉 동적 링과 정적 링으로 구성됩니다.
고정 링은 회전하지 않는 끝면으로 발효 탱크에 고정됩니다. 밀봉 개스킷을 통해 발효조의 기계적 밀봉 베이스에 단단히 접착되어 고정 링과 발효조 사이의 접촉 부위에서 누출이 없도록 보장합니다.
다이나믹 링은 샤프트에 장착되며 내부에는 샤프트에 단단히 접착되는 밀봉 개스킷이 있어 다이나믹 링과 샤프트 사이의 누출을 방지할 수 있습니다. 동적 링의 상부 스프링은 동적 링을 정적 링 방향으로 눌러 동적 링의 매끄러운 끝면이 정적 링의 매끄러운 끝면과 밀착되도록 하여 밀봉 목적을 달성합니다.
단일 엔드 기계식 씰은 원활한 접촉 표면을 보장하기 위해 설치 전후에 잘 보호되어야 합니다. 설치하는 동안 움직이는 링과 고정된 링이 최대한 기울어지지 않도록 하십시오.
일반적으로 탱크 내부에는 소형 메카니컬 씰이 설치되는데, 이러한 형식의 경우 구조가 단순하고 데드 코너가 적은 메카니컬 씰을 최대한 선택해야 하며; 발효조 외부에는 대형 메카니컬 씰이 설치되어 있어 고정, 조정, 유지관리가 용이합니다.
(5) 공기분배장치
공기 분배 장치의 주요 기능은 멸균 공기를 발효 탱크에 불어 넣어 멸균 공기를 작은 기포로 분산시켜 발효액에 보다 완전한 용해를 제공하는 것입니다. 이는 박테리아 성장에 유리합니다.
일반적으로 사용되는 공기 분배 장치의 형태는 그림과 같이 단일 튜브와 환형 튜브입니다.
원형 튜브 및 단일 튜브 공기 분배기
단일 튜브 공기 파이프는 입구가 아래쪽을 향하도록 믹싱 블레이드 하단 부분까지 연장되어 파이프 내부에 재료가 쌓이거나 죽은 모서리가 없는지 확인합니다. 동시에, 아래로 불어오는 공기는 탱크 바닥에 있는 물질을 날려버릴 수 있고, 혼합 블레이드에 의해 기포가 더욱 분쇄되어 좋은 용존 산소 효과를 얻을 수 있습니다. 공기 배출구 바닥과 탱크 바닥 사이의 거리는 탱크 크기에 따라 조금씩 다릅니다.
환형 튜브 유형은 공기 튜브의 꼬리에 용접되며 환형 튜브는 일반적으로 닫힌 원 또는 열린 원입니다. 환형 튜브의 바닥과 측면에는 몇 개의 작은 구멍이 있으며, 모든 작은 구멍의 단면적의 합은 흡입 파이프의 단면적과 거의 같습니다.
원형 튜브 분배기는 일반적으로 부피가 작은 발효 탱크에 사용됩니다. 더 작은 발효 탱크는 부피와 높이에 의해 제한되어 발효액에 공기가 머무르는 시간이 더 짧아집니다. 따라서 공기 링 분배기를 사용하여 공기를 더 작은 기포로 바꾸는 것은 용존 산소를 증가시키는 데 도움이 됩니다. 단일 튜브 유형은 더 큰 발효 탱크에 사용됩니다.
(6) 열교환 장치
발효조에는 살균과 온도 조절이 필요하며, 이를 위해서는 열교환 장치가 필요합니다. 발효조에 사용되는 열교환 장치에는 주로 재킷, 코일, 수직 코일 및 수직 튜브가 포함됩니다.
5m3 이하의 발효조는 일반적으로 재킷을 사용하고, 5m3 이상의 발효조는 코일, 수직 코일 또는 수직 튜브를 사용할 수 있습니다.
재킷 상부의 높이가 발효액의 액위를 초과하는 경우 계산이 필요하지 않습니다. 재킷에는 수입품과 수출품이 있습니다. 온도 제어 중에는 그림과 같이 냉각수 또는 온수가 재킷의 낮은 위치에서 유입되고 높은 위치에서 배출됩니다.
재킷 열교환 장치 및 열교환 개략도
멸균예열시 자켓의 높은 위치에서 증기가 유입되고, 자켓의 낮은 위치에서 응축수가 배출됩니다.
재킷의 장점: 구조가 간단하고 생산이 용이합니다. 탱크 내부에는 냉각 장치가 없으므로 사각지대를 효과적으로 줄이고 탱크 청소 및 살균을 용이하게 할 수 있습니다.
단점은 냉각수 유속이 낮고 열 전달이 고르지 않으며 발효 중 열 전달 효율이 상대적으로 낮다는 것입니다.
코일은 입구와 출구가 있고 열 전달 효율이 높은 발효조 내부의 나선형 스테인레스 스틸 배관 시스템입니다. 그림(1)과 같습니다.
그림(2)에서 볼 수 있듯이 발효조의 각 수직 구불구불한 관 세트는 많은 수직 스테인레스 스틸 관으로 구성됩니다. 스테인레스 스틸 튜브는 180° 엘보우를 통해 직렬로 연결 및 용접되어 궁극적으로 하나의 내부와 하나의 외부가 있는 수직 구불구불한 튜브 세트를 형성합니다.
일반적으로 4개, 6개 또는 8개의 그룹이 있으며 구체적인 수량과 파이프 직경은 탱크 본체의 크기와 열 전달 요구 사항에 따라 결정됩니다.
수직 코일은 열 전달 효율이 높고, 열 전달 면적이 더 크며, 재킷에 비해 열 전달 매체에 단락 문제가 없습니다. 그리고 스네이크 튜브는 내압성이 높기 때문에 상대적으로 고압의 열 교환 매체를 사용하여 열 전달 효율을 향상시킬 수 있습니다.
수직 스네이크 튜브는 배플 역할도 할 수 있으며, 발효조 내부에 배플을 설치할 필요가 없습니다.
그러나 스네이크 튜브 용접의 제조는 용접이 많고 용접 누출 확률이 상대적으로 높아 누출 수리가 어렵고 상대적으로 복잡합니다.
그림(3)에 도시된 바와 같이, 발효조의 각 수직관 세트는 여러 개의 수직 스테인레스 스틸 튜브로 구성되며, 유입관과 배수관을 통해 병렬로 용접되어 최종적으로 하나의 유입관과 배수관을 갖는 수직관 세트를 형성합니다. 콘센트 하나.
특정 수량과 파이프 직경은 탱크 본체의 크기와 열 전달 요구 사항에 따라 결정됩니다.
수직형 튜브 가공은 간단하지만 열전달 매체의 단락 문제가 있어 수직형 코일에 비해 열전달 효율이 낮다. 수직 스네이크 튜브는 배플 역할도 할 수 있으며, 발효조 내부에 배플을 설치할 필요가 없습니다.
(7) 소포장치
발효액에는 단백질 등 거품이 생기기 쉬운 물질들이 있기 때문에 발효 중 환기와 교반의 효과로 더 많은 거품이 생길 수 있습니다. 발효조 배기구에서 너무 많은 거품이 배출되어 액체 누출이 발생하고 발효 중 박테리아 감염 가능성이 높아집니다.
발효조의 소포장치는 발효과정에서 발생하는 거품을 물리적으로 제거하기 위한 장치이다. 현재 주요 소포장치는 소포패들입니다. 소포제의 제한된 효과로 인해 많은 발효 탱크가 취소되었습니다.
소포제 블레이드는 그림과 같이 주로 뱀 모양, 톱니 모양, 갈퀴 이빨 모양의 거품을 물리적으로 부수는 데 사용됩니다.
일반 소포제
소포패들은 믹싱샤프트 상부에 설치되어 믹싱샤프트와 함께 회전합니다. 거품이 소포 패들의 위치에 도달하면 소포 패들이 거품을 깨뜨릴 수 있습니다.
요약
생명 공학의 발전과 산업 발효 수요의 지속적인 성장으로 인해 기계식 교반 발효 탱크의 설계 및 적용도 지속적으로 최적화되고 혁신되고 있습니다.
현재 pH, 온도, 용존 산소, 교반 속도 등과 같은 발효 공정의 주요 매개 변수를 정밀하게 제어함으로써 미생물의 대사 효율과 제품 수율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이러한 매개변수 제어 역시 온라인 검사 장비의 발전으로 더욱 안정적이고 정확해졌습니다.
발효 탱크의 구조는 발효 박테리아의 특성에 따라 맞춤화되고 이 기사의 발효 탱크의 원리 및 구조와 결합되어 다양한 발효 조건을 충족합니다.
또한, 발효조의 자동화 및 지능형 제어 시스템은 중앙 제어 시스템에 의한 매개 변수 제어로 보다 정밀한 공정 제어가 가능하도록 합니다. 필요한 풍량, 온도, pH, 공급 속도 등만 설정하고 시스템에서 자동으로 제어 및 조정하면 됩니다. 이러한 기술은 발효 공정의 현대화와 효율성을 더욱 촉진합니다.