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【生物反应装置(Bioreactor)设计初阶 1】

 

 

Micro-giant BioEngineering 许志明著 2007.05.10

南台科技大学 生物科技系 讲稿

 
 
   
缘由:  
  生命科学带来新世纪的希望,而生物工程技术赋于实踐此一希望的可能.新的能源替代方案、机能保健食品開发、特用化学原料取代、蛋白质用药、环境工程之培菌工法、废弃物减积或再利用、醫药美容抗老化、抗生素的取代、生物制剂精致农业、工业食品饲料用酵素…种种,皆试图或成功的采用微生物的制程得到成果或改善.随著新式生技技术突飞猛进及日趋复杂,是故探索追源、按部就班研究实验及实务操作益形重要.而"生物反应装置(bioreactor)" 为达成此一目的不可或缺的核心技术, 此核心技术涵盖 机械、化工、电子、电机、自控 及 微生物学六大专科领域,现藉此篇幅将陆续 前五大专科环绕微生物学主轴,试图尽個人棉薄浅见及从业实务经验作尽量完善之讲 探讨.
一、 广义定义: 以化工程序特指应用於微生物增殖、代谢或催化反应(细胞培养)得以顺利进行之装置.
二、 装置系统仪控流程图说:(详见附图一)
三、 装置组成:
   

1.动力单元
2.传动单元(含机械轴封组)
3.搅拌系统
4.槽单体
5.不銹钢壳管式冷凝器
6.灭菌控制阀组
7.蒸汽减压及過滤系统
8.温度控制配管阀组
9.无菌通气控制配管阀组

10.尾气槽压配管阀组

11.加药馈料控制阀组
12.Transfer接种传输控制阀组(含取样阀组)
13.电极(pH、O2、温度、AF)及现场相对仪表   SENSOR(转速、压力)、配管架
14.仪控电气自动控制箱
15.其他附件
16.公用设施

四、 各部说明:
  1.动力单元:
    大致由马达+减速机所构成,一般称马达减速机.
有時会因装设位置关系而增加十字转向器或采用出力轴与入力轴成90°之减速 机,在大型(100kL以上)或部分下部搅拌槽会采用皮带轮减速机构,但此款须注意Slip及传动轴刚性需增强問题,马达减速机可依装设位置分为水平、垂直及倒掛(即有時为下部磁式无轴封搅拌所用)型式,马力计算系与搅拌系统(主要为搅拌翼)型式不同及剪切力(shear force)对微生物之影响,将另后续专刊探讨。

 
  ◎ 马达:
      一般需考虑 操作电压、频率(跟使用区域及耗电量有关) 、屋内或 屋外型、防爆等级(部分產氢或内容物如酒精…等,或改用气动马达 ) 、摆设传动位置(立、卧、倒式) 、转速(极数)等因素.当然若为 pilot plant或 Lab. 用,噪音之dB值最好2m内< 70dB(噪音总值尚有 其他因素需考虑).
  ◎ 减速机:
      一般依传动方式可分为行星式、游星式、摆线齿轮式、斜齿轮式… ,选择参考因素系以点接触为佳,因接触面入角缓和,產生较低之噪音, 得到较高之传动效率,尤其適合流体变动(紊流Turbulent flow,雷诺数 Re>4,000)搅拌用.而 "传动系数" 请选用 "变动负荷" 該项.
  2.传动单元(含机械轴封组):
    附图--详见附图二
系由马达座、传动座、传动座板、传动轴、联轴器、轴承、油封及机械轴封组 等部品所组成.

 
  ◎ 马达座:
      衔接马达减速机及传动座用,早期材质为SS400(黑铁)表面喷砂或油 漆涂装,但经两三年发酵工厂使用,洗槽潮湿或近海风,则发生锈蚀致 锈粉侵袭入轴承,甚而进入轴封,导致传动异音接著损坏.所以现今皆 改为 SUS304不锈钢,表面加电解抛光处理,耐蚀性极佳.
  ◎ 传动座:
      放置轴封、轴承及衔接盖板用,材质同上说明,除刚性外,传动座的高 度,需谨慎注 意"传动跨距" 问题,所谓 "传动跨距" 系指上下两 轴承间之距離, 跨距不足将促使搅拌轴摆动偏幅角過大,而提早造成 机械轴封损害泄漏,致使气密不良或產生死角发生染菌.
  ◎ 传动座板:
      承接传动座用(若为小槽時,平盖板即是传动座板) ,材质需同内槽接 液部相同,一般为SUS316或316L以上等级.焊接至桶槽容器時须注 意中心度及水平校正.
  ◎ 传动轴:
      将动力单元之动力顺利传递至搅拌单元用.一般小槽(约50L以下), 为考虑高速、刚性及中心度問题而设计成一体化(即传动轴=搅拌轴), 但缺点维护较不易(分解传动系统時),还好小槽较轻,故可被忽略.另外 传动轴上因有与轴承、油封、轴封接触之处,都得设计表面镀硬铬,增 加耐磨性,提高搅拌轴寿命及避免咬伤刮伤轴面破坏气密性.尤其因传 动轴为与接液部材质相同不锈钢材质,刚性及韧性不如S45C(中碳钢) 或SF(锻钢)钢种,是故为兼具耐蚀及耐磨,表面电镀上一层铬(Cr)约 0.03~0.06tmm,后再施以精密研磨之程序不可省略.
  ◎ 联轴器 :
      顾名思义连结马达减速机出力轴与传动轴之用.一般系以链传式CR系列(小型轴径30以下可采用蛛胶式)传达动力,因此款扰性联轴器可吸收3~5度偏摆角,减少传动振幅,又可有效传递大动力.另有款设计为采用法蘭式键联(Key)之刚性联轴器,此款设计须注意其理念系以减速机出力轴为”传动跨距”之上部第一跨距点,所以切勿再设计超越两点以上跨距点,且减速机最好提高一号规格.
  ◎ 轴承 :
      上部第一跨距点,可采用UKF 或 UCF 连座轴承,注意需加斜錐套筒,因有助於组立時装配中心度自动对正. 下部第二跨距点,建议采用自动对位滚珠或滚柱轴承成对一组.加上油封圈,提供润滑油添加口.注意1,000rpm以上需选择滚珠间隙值小高精密度等级轴承.
  ◎ (机械)轴封 :
      初期(约20年前),系以格蘭(Ground)式迫紧条(PTFE材质),以绕轴3~6圈加迫紧垫圈组合成密封材,但有其使用缺点已不再采用,改以机械轴封(Mechanicals Seal)取代. 而机械轴封又大致可依润滑方式分湿式及干式两种,若采用湿式须注意润滑液必须为无菌水,且无菌水產生器必须单套装置设置一组(One by one),不可共用.避免单套无菌水受到污染時,不会影响厂内其他套生物反应器生產. 若采用干式 (Dry Mechanicals Seal),则免除上述問题.新式机械轴封有提供卡匣式设计,可大幅减少组装面压施力均等技术要求,但因有内套管设计,故轴径增加一号致制造成本增加. 机械轴封大分为回转环及固定环两部分, 固定环材质可采用碳化钨或陶瓷,而回转环采用石墨环或碳化钨. 金属部分材质可采用SUS316 , SUS316L 或 钛. 轴封软性密封材(ex. O环或垫圈)皆采用Viton或 EPDM材质,不建议Teflon,因为容易因摺动面(即对磨面)研磨精度過高,在灭菌段產生镜面吸著效应,又无定位销時会產生Slip,破坏软性密封材. 机械轴封用於生技业,除常态考量外,尚格外须注意在灭菌段以湿热灭菌法所產生之高温及冷却水(Drain)排放問题,因为灭菌時121°C维持20~30min,将造成冷凝水残留,故蒸气上进下出才不易產生死角,致使轴封灭菌不完全.又轴封设计或选择時,注意要有断热之设计考量,因培养周期内所產生之发酵热将延著搅拌轴往上将热量传达累积至传动系统,促使轴封或轴承密封材提早损坏.
    Ps. 注意(机械)轴封设计,为第一道距培养容器接液最近处,期间不可再加其他密封材ex.油封或其他轴承.
另有无轴封设计,例如磁式搅拌,但传达动力漏损较大,且有跳脱疑虑.若为下部,则因占据最底低点,故出料口设计会有残料疑虑,现已不大采用.
  3. 搅拌系统:
    系由搅拌轴、破泡翼、搅拌翼、挡板、轴支持座等部品所组成.
 
  ◎ 搅拌轴 :
      材质需与接液部相同(一般为SUS316或SUS316L),轴上端设计有法蘭式联轴器,以便衔接传动轴,在与搅拌翼结合处,小型(200L以下)试量產培养槽,往往在搅拌翼轮毂上做止付螺丝设计,但要有2支且互成90°.防止下滑或移位,又可方便的改变桨翼位置.至於中大型就得要有键槽(key way)设计,若又要兼具可改变桨翼位,则得设计长条键,供搅拌翼轮毂滑动至所需位置后用止付螺丝锁固,若担心搅拌翼松脱下滑,可在长条键下方做带头键设计.轴下末端在中大型(500L以上)培养槽须设计轴支持座以便缩小搅拌中心偏移量.
    ◎ 破泡翼 :
      又称打泡翼或消泡翼,为简易之Impeller(平桨型)设计,常当作物理性消泡策略之一种 ,不负担搅拌动能效果,故可在回转径内不打到其他部品時,尽量加长.但实务下发现泡沫生成(Foaming)溢出時,大都沿著桶壁贴附依著架橋现象堆叠上去.故如何在泡沫生成初期破坏桶壁架橋,是目前物理性消泡策略新式设计.另外又有款设计是兼具物理及化学性消泡策略,即是将消泡剂透過破泡翼下缘,经回转动作做均匀洒出,期使发酵液(Broth)表面在相同剂量下接触液面表面积加大,增加消泡剂效果.
    ◎ 搅拌翼 :
      一般好气性培生物培养,经常采用轮机型(Turbine又称Rushton type),又可分为6翼、四翼、斜板、曲板多种变化.此款常用型系因为通气装置(Air sparger)太近搅拌翼時会发生气泡的聚合或泛滥,太遠又不易被搅拌翼打破分散,所以实測发现要兼具高通气量及分散气泡, 轮机型翼片优於船舶螺旋桨型(propeller type). 但若为嫌气气性或厌氧性培生物培养,则考虑桨翼形式重点应摆在料性黏度或固成分形式及多寡,且注意沉淀.
    Ps. 注意轮机型翼片设计, 翼径外缘最適切线速度为2~5 M/sec 操作.
    ◎ 挡板(Baffles):
      置於容器桶壁直立式,可分三组(50L以下)或四组.其功用为增加搅拌時紊流程度,达到均温、气液相传递均匀、药液(酸硷消泡)及營养源(氮、碳、微量元素)添加分散度.及破坏搅拌依中心產生漩涡现象(即破除涡流).在大型培养装置(50kL以上),因夹层热传面积不足,故以特殊直排管束取代原来挡板位置,如此不仅增加热传面积且可达成扰流状态.但相对增加清洗困难度.
    ◎ 轴支持座 :
    在中大型(500L以上)培养装置,因悬轴加长,在搅拌轴末端设计轴支持座加以扶持搅拌轴,此举可吸收偏摆度,增加传动稳定度.而内衬设计以吸收幅相应力,不负責轴向应力.材质以Teflon(铁弗龙)有時可加玻纤增加硬度,若要考虑强酸硷及硬度,PEEK是不错的选择.
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