常见生物反应器桨叶类型及应用

2022-06-01 15:30 holves
在设计生物反应器中,桨叶的具有双重的作用,一方面转动的桨叶能够带动反应器内液体运动,进而实现液体内物质的混合,利于整个反应器内细胞吸收营养物质。另一方面桨叶转动导致流体内部速度梯度的形成,进而产生剪切力,当剪切力到达一定值时会造成细胞损伤,不利于细胞培养。桨叶的结构和转速决定了反应器内的混合效果和产生的剪切力大小,这两个因素往往互相矛盾,即混合效果好时产生的剪切力大,混合效果差时产生的剪切力小,如何在保证混合效果的情况下,使搅拌产生的剪切力最小是生物反应器桨叶设计的关键所在。

按照搅拌引起液体流动的状态可以将桨叶分为径向流桨叶、轴向流桨叶和混合流桨叶,径向流和轴向流,如下图所示。
当液流从搅拌桨轴推向罐体内壁便形成径向流,当液流沿搅拌桨轴上下推动便形成轴向流,同理当搅拌桨带动液体既有径向流动又有轴向流动时便为混合流。
 
目前径向流桨叶的代表是Rushton桨叶
现今Rushton搅拌桨已成为平叶或碟式涡轮搅拌桨的代称。这种搅拌桨的叶片是平的,并且沿搅拌轴垂直分布,在有挡板存在的时候可以自桨叶为界形成上下两个循环的流场,产生的剪切力较大,由于只是产生单向流,所以混合效果也较差,可处理料液的粘度范围最广,通常使用时转速范围为100~600rpm?;谝陨嫌诺?,且气体吸收过程,圆盘的下面可以存住些气体,并使气体的分散更平稳,Rushton以及其他 Rushton类型的搅拌桨广泛用于对剪切力不敏感的需氧条件下细胞系培养,如酵母、细菌、植物细胞以及某些霉菌。


 

轴向流桨叶的代表桨叶是螺旋搅拌桨
也被称为推进式搅拌桨,如图所示。桨叶前面可为平面或凹面,但背面都是凹面。在旋转时使液体向前方呈轴向流排出,使之在罐内形成循环,用于产生轴向流。这种桨叶循环速度较高,但是循环量较大,搅拌时产生的剪切力较小,但其和径向流桨叶一样,均是产生的单向流,因此混合效果较差,常用于低粘度流体,常用转速范围为100~500rpm。此类桨式及推进式桨叶对气体吸收过程基本上不适用,只有在少量易吸收的气体或要求分散度不高时才能应用。它主要用于液-液体系的混合、使温度均一化、在低浓度固-液体系中防止淤浆沉降等或者某些特定的厌氧培养。
 


 
混合流桨叶的代表是Elephant Ear桨叶
该类型的桨具有与搅拌轴呈一定角度的平面桨叶,能同时产生轴向流和径向流。这种组合流能够实现较好的混合效果,而且产生的剪切力也较小,工作时的转速一般不高,为 1~100rpm左右,用于低粘度流体。当扇面宽度为120°、桨叶与轴间夹角为45°和桨叶直径与罐体内径比为1:3 时,Elephant Ear 桨叶流场混合性能较好,对细胞的损伤也较小,适于动物细胞的培养。
 


 
桨式搅拌器
此类通常仅有两个叶片,是搅拌桨叶中最简单的一种,根据叶片的垂直或倾斜安装可分成径向流型和轴向流型。主要用于排出流是必要的场合,由于在同样的排量下,轴向流叶轮的功耗比径向流低,故轴向流叶轮使用较多。
其主要用途为:
在液-液体系用于防止分离和使温度均一;
在固-液体系多用于防止固体沉降。

 
 
然而,桨式叶轮不适用于气液分散那样保持气体和以细微化为目的的操作。另外,由于其适合于制成大叶径,故也可用于高黏度液体的搅拌,这种场合为了促使液体上下交换,或者使用3~5层的多层叶轮,或者使用如左图所示的变形的桨式叶轮。对于低黏度液体,桨式叶轮的叶径与罐径之比为0.35~0.5,对于高黏度液体为0.65~0.9;使用的转速为20~100r/min。

 
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