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常見生物反應器槳葉類型及應用 時間:2022.06.17
在設計生物反應器中,槳葉的具有雙重的作用,一方面轉動的槳葉能夠帶動反應器內液體運動,進而實現液體內物質的混合,利于整個反應器內細胞吸收營養物質。另一方面槳葉轉動導致流體內部速度梯度的形成,進而產生剪切力,當剪切力到達一定值時會造成細胞損傷,不利于細胞培養。槳葉的結構和轉速決定了反應器內的混合效果和產生的剪切力大小,這兩個因素往往互相矛盾,即混合效果好時產生的剪切力大,混合效果差時產生的剪切力小,如何在保證混合效果的情況下,使攪拌產生的剪切力最小是生物反應器槳葉設計的關鍵所在。

按照攪拌引起液體流動的狀態可以將槳葉分為徑向流槳葉、軸向流槳葉和混合流槳葉,徑向流和軸向流,如下圖所示。
當液流從攪拌槳軸推向罐體內壁便形成徑向流,當液流沿攪拌槳軸上下推動便形成軸向流,同理當攪拌槳帶動液體既有徑向流動又有軸向流動時便為混合流。


 
目前徑向流槳葉的代表是Rushton槳葉
現今Rushton攪拌槳已成為平葉或碟式渦輪攪拌槳的代稱。這種攪拌槳的葉片是平的,并且沿攪拌軸垂直分布,在有擋板存在的時候可以自槳葉為界形成上下兩個循環的流場,產生的剪切力較大,由于只是產生單向流,所以混合效果也較差,可處理料液的粘度范圍最廣,通常使用時轉速范圍為100~600rpm?;谝陨蟽烖c,且氣體吸收過程,圓盤的下面可以存住些氣體,并使氣體的分散更平穩,Rushton以及其他 Rushton類型的攪拌槳廣泛用于對剪切力不敏感的需氧條件下細胞系培養,如酵母、細菌、植物細胞以及某些霉菌。

 
軸向流槳葉的代表槳葉是螺旋攪拌槳
也被稱為推進式攪拌槳,如圖所示。槳葉前面可為平面或凹面,但背面都是凹面。在旋轉時使液體向前方呈軸向流排出,使之在罐內形成循環,用于產生軸向流。這種槳葉循環速度較高,但是循環量較大,攪拌時產生的剪切力較小,但其和徑向流槳葉一樣,均是產生的單向流,因此混合效果較差,常用于低粘度流體,常用轉速范圍為100~500rpm。此類槳式及推進式槳葉對氣體吸收過程基本上不適用,只有在少量易吸收的氣體或要求分散度不高時才能應用。它主要用于液-液體系的混合、使溫度均一化、在低濃度固-液體系中防止淤漿沉降等或者某些特定的厭氧培養。

 
混合流槳葉的代表是Elephant Ear槳葉
該類型的槳具有與攪拌軸呈一定角度的平面槳葉,能同時產生軸向流和徑向流。這種組合流能夠實現較好的混合效果,而且產生的剪切力也較小,工作時的轉速一般不高,為 1~100rpm左右,用于低粘度流體。當扇面寬度為120°、槳葉與軸間夾角為45°和槳葉直徑與罐體內徑比為1:3 時,Elephant Ear 槳葉流場混合性能較好,對細胞的損傷也較小,適于動物細胞的培養。

 
槳式攪拌器
此類通常僅有兩個葉片,是攪拌槳葉中最簡單的一種,根據葉片的垂直或傾斜安裝可分成徑向流型和軸向流型。主要用于排出流是必要的場合,由于在同樣的排量下,軸向流葉輪的功耗比徑向流低,故軸向流葉輪使用較多。

其主要用途為:
在液-液體系用于防止分離和使溫度均一;
在固-液體系多用于防止固體沉降。
然而,槳式葉輪不適用于氣液分散那樣保持氣體和以細微化為目的的操作。另外,由于其適合于制成大葉徑,故也可用于高黏度液體的攪拌,這種場合為了促使液體上下交換,或者使用3~5層的多層葉輪,或者使用如左圖所示的變形的槳式葉輪。對于低黏度液體,槳式葉輪的葉徑與罐徑之比為0.35~0.5,對于高黏度液體為0.65~0.9;使用的轉速為20~100r/min。

上述內容就是幾種常見生物反應器的槳葉類型及應用。更多專業知識,請繼續關注霍爾斯,如有其他疑問可與我們聯系,霍爾斯將為您解答。
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