طراحی فرمانتور

فرمانتور یا بیوراکتور به دستگاهی اطلاق می شود که تمام نیازهای اساسی مهم برای استخراج محصول بیولوژیکی را فراهم می کند. یک فرمانتور حاوی دستگاه های مختلفی است که به حفظ فاکتور محیطی در داخل آن کمک می کند که به نوبه خود منجر به تولید محصولات بیولوژیکی می شود. بنابراین هدف اصلی یک تخمیر حفظ یک محیط کنترل شده است که از رشد باکتری ها یا هر موجود زنده دیگری پشتیبانی می کند. چندین عامل مهم وجود دارد که برای طراحی فرمانتور باید دقیق باشد.

از جمله این موارد

• وسل (vessel) باید به خوبی مجهز باشد تا شرایط آسپتیک داخل آن را برای چند روز حفظ کند.
• هوادهی و هم زدن برای تولید متابولیت های بیولوژیکی مهم هستند. با این حال، برای جلوگیری از هر گونه آسیب به سلول ها، به هم زدن کنترل‌شده نیاز است.
• از نظر مصرف برق باید هزینه کمتری داشته باشد.
• دما یک عامل محیطی مهم برای رشد میکروبی است. بنابراین، یک سیستم کنترل دما مورد نیاز است.
• pH بهینه برای رشد ارگانیسم مهم است. بنابراین، تخمیر باید به یک کنترل کننده pH مجهز باشد.
• تخمیر یک کشت عظیم فرآیندی زمان بر است. تا زمانی که فرآیند کامل شود باید بدون آلودگی باشد. جدای از آن، نظارت بر سرعت رشد ارگانیسم نیز مهم است. بنابراین، برای طراحی فرمانتور به یک سیستم نمونه برداری آسپتیک نیاز است.
• ظرف فرمانتور باید به گونه ای مناسب طراحی شود که کار لازم برای تمیز کردن، برداشت و غیره را به حداقل برساند.
• باید به گونه ای طراحی شود که تبخیر را کاهش دهد.
• ظرف باید مجهز به سطح داخلی صاف باشد تا از اختلاط کافی پشتیبانی کند.

مواد سازنده در طراحی فرمانتور

از آنجایی که تخمیر به شرایط آسپتیک کافی نیاز دارد، برای عملکرد بهتر زیست توده یا محصول، انتخاب ماده ای برای بدنه تخمیر مهم است که احتمال آلودگی را محدود می کند. علاوه بر این، باید غیر سمی و بدون خوردگی باشد. شیشه ماده ای است که سطح صافی را در داخل ظرف فراهم می کند و همچنین ماهیتی غیر سمی دارد. جدای از آن ضد خوردگی بوده و به دلیل شفافیت به راحتی می توان داخل ظرف را بررسی کرد. به طور عمده دو نوع فرمانتور شیشه ای وجود دارد.

1. ظرف شیشه ای با کف صاف و صفحه رویی به قطر 60 سانتی متر (تقریبا). استریل کردن این نوع ظروف به روش اتوکلاو عمومی انجام می شود. شیشه های باتری بوروسیلیکات به عنوان ظروف شیشه ای بزرگ استفاده می شد.
2. ظرف شیشه ای دوم شامل صفحات فولادی ضد زنگ در بالا و پایین ظرف شیشه ای است. استریلیزاسیون درجا برای این نوع ظرف شیشه ای امکان پذیر است. با این حال، به دلیل استفاده از صفحات فولادی ضد زنگ، گرانتر از مخازن رویه شیشه ای است.

عیب ظروف شیشه ایی

عیب اصلی ظروف شیشه ای این است که طراحی فرمانتور در مقیاس پایلوت با شیشه دشوار است. کار با شیشه به عنوان یک فرمانتور در مقیاس پایلوت دشوار است. بنابراین، یکی دیگر از مواد غیر سمی و ضد خوردگی، فولاد ضد زنگ، برای فرمانتور مقیاس پایلوت استفاده شد. طبق گفته موسسه آهن و فولاد آمریکا، فولاد حاوی بیش از 4 درصد کروم است و به عنوان فولاد ضد زنگ استاندارد شده است. با این حال، حداقل مقدار کروم مورد نیاز برای محافظت از فولاد در برابر خوردگی به عامل خوردگی موجود در یک محیط خاص بستگی دارد.

در یک فرمانتور در مقیاس آزمایشی معمولاً فولاد حاوی حدود 10-13٪ کروم است. در بسیاری از موارد، نیکل همچنین در غلظت بالا با کروم مخلوط می شود تا فولاد در برابر خوردگی مقاوم تر شود و مزایای مهندسی را نیز فراهم می کند. در‌این روزگار، طراحی فرمانتور های فولادی ضد زنگ بیشتر برای تولید صنعتی استفاده می شود. با این حال، تولید در مقیاس کوچک به ظروف شیشه ای نیاز دارد.

کنترل دما

در‌طول فرآیند تخمیر، گرما می تواند عمدتاً به دو روش تولید شود، اول واکنش های بیوشیمیایی میکروبی و دوم به هم زدن مکانیکی. در صورت تخمیر، یک کنترل دما با حذف یا تامین گرما به کنترل دما در سطح مطلوب کمک می کند. در مخازن تولیدی در مقیاس کوچک میزان گرمای تولید‌شده ناچیز است. بنابراین گرمای اضافی توسط حمام داغ یا کویل حرارتی داخلی یا ژاکت گرمایش با سیستم گردش آب یا ژاکت گرمایش سیلیکونی تامین می شود. ژاکت حرارتی سیلیکونی از تشک های لاستیکی سیلیکونی با سیم های گرم کننده تشکیل شده است و به دور فرمانتور پیچیده می شود. در مورد فرمانتورهای مقیاس پایلوت به دلیل سایز بزرگ امکان استفاده از ژاکت های سیلیکونی وجود ندارد. در چنین مواردی از کویل گرمایش داخلی برای تامین گرمای اضافی استفاده می شود در حالی که گردش آب سرد به حذف گرمای اضافی کمک می کند.

همزن (پرانه)

اهداف پروانه مورد استفاده در طراحی فرمانتور ها اختلاط توده سیال و گاز، پراکندگی هوا، انتقال حرارت، انتقال اکسیژن، تعلیق ذرات جامد، حفظ محیط یکنواخت داخل ظرف و غیره است. حباب های هوا اغلب در داخل تخمیر مشکل ایجاد می کنند. پروانه هایی که در شکستن حباب های هوای تولید شده در یک محیط مایع نقش دارند. عمدتاً سه نوع همزن در بیوراکتورهای مقیاس صنعتی استفاده می شود:

• دیسک توربین (Disc Turbine): شامل یک دیسک با یک سری پره های مستطیلی است که در یک صفحه عمودی به دور دیسک متصل شده‌اند.
• دیسک پره دار (Vaned disc): در این حالت پره های مستطیلی به صورت عمودی به قسمت زیرین دیسک متصل می شوند.
• توربین باز گام متغیر (Variable Pitch open turbine): این نوع همزن فاقد دیسک است و پره ها مستقیماً به یک محور مرکزی متصل می شوند.

بافل ها (سپرک) در طراحی فرمانتور

برای جلوگیری از گرداب و بهبود راندمان هوادهی، چهار بافل وجود دارد که در داخل یک بیوراکتور وجود دارد. بافل ها از نوارهای فلزی تقریباً یک دهم قطر ظرف ساخته‌شده و به دیوار متصل می شوند. اثر هم زدن با بافل‌های پهن‌تر کمی افزایش می‌یابد، اما با بافل‌های باریک‌تر به شدت کاهش می‌یابد. پس از نصب بافل، شکافی بین آنها و دیواره وسل ایجاد می شود که عملیات شستشوی اطراف بافل ها را تسهیل می کند و رشد میکروبی روی بافل ها و دیواره بیوراکتور را به حداقل می رساند. بافل ها اغلب به کویل های خنک کننده متصل می شوند تا ظرفیت خنک کننده فرمانتور افزایش یابد.

سیستم هوادهی در طراحی فرمانتور

اسپارگر وسیله ای است که هوا را به محیط مایع در فرمانتور وارد می کند. سه نوع اصلی از فرمانتور ها در بیوراکتورهای مقیاس صنعتی استفاده می شوند مانند:

اسپارگر متخلخل (Porous Sparger)

از شیشه متخلخل، سرامیک یا فلزات ساخته شده است و بیشتر در راکتورهای زیستی در مقیاس آزمایشگاهی استفاده می شود. با ورود هوا به داخل یک محیط مایع، حباب هایی تشکیل می شود. این حباب ها همیشه 10 تا 100 برابر بزرگتر از اندازه منافذ هواکش هستند. فشار هوا به طور کلی در این دستگاه‌ها کم است و یک عیب عمده استفاده از اسپارگر متخلخل این است که رشد میکروبی روی منافذ ممکن است رخ دهد که جریان هوا را مختل می‌کند.

Orifice Sparger

اینها در فرمانتورهای همزن کوچک که در آن لوله های سوراخ دار استفاده می شود و در زیر پروانه به شکل حلقه متصل می شوند، استفاده می شود. سوراخ های هوا بیشتر در زیر سطح لوله ها حفر می شوند. اسپارگرهای اوریفیس به میزان محدودی در تولید مخمر، تصفیه پساب و تولید پروتئین های تک سلولی مورد استفاده قرار گرفتند.

Nozzle Sparger

در طراحی فرمانتور های صنعتی استفاده می شود. ویژگی اصلی این نوع اسپارگر این است که دارای یک لوله باز یا نیمه‌بسته به عنوان خروجی هوا می باشد. لوله باید در زیر پروانه قرار گیرد. طراحی به غلبه بر مشکلات مربوط به انسداد اسپارگر کمک می کند.

سنسورهای کنترل pH در طراحی فرمانتور

همه انواع فرمانتورها با یک سنسور کنترل pH که شامل یک سنسور pH و یک پورت برای حفظ pH داخل تخمیر است متصل می شوند. تغییر pH می تواند منجر به مرگ ارگانیسم شود که منجر به از دست دادن محصول می شود. بنابراین، ابزار بسیار مهمی برای تخمیر است و نیاز به بررسی منظم دارد.

پره های همزن و بلبرینگ

مهمترین عامل طراحی فرمانتور ، حفظ شرایط آسپتیک در داخل ظرف است که در مورد بیوراکتورهای مقیاس پایلوت بسیار چالش برانگیز است. بنابراین شفت های همزن مورد نیاز است. این محورهای همزن نقش مهمی در آب بندی دهانه های یک بیوراکتور دارند. در نتیجه ورود هوا از خارج را محدود می کند.

The Stuffing Box

شفت توسط چندین لایه از حلقه های آزبست یا نخ پنبه ای مهر و موم می شود که توسط دنباله پره بر روی شفت فشرده می شود. در سرعت های بالا همزن، بسته بندی مهر و موم شده به سرعت فرسوده می شود و ممکن است برای اطمینان از محکم بودن نیاز به فشار بیش از حد باشد. به دلیل نفوذ گرمای نامطلوب ممکن است بسته بندی به سختی استریل شود و لازم است حلقه های بسته بندی مرتباً بررسی و تعویض شوند.

مهر و موم مکانیکی

هم در بیوراکتورهای کوچک و هم در مقیاس بزرگ استفاده می شود. مهر و موم به دو قسمت تقسیم می شود، اول محفظه یاتاقان ثابت است و قسمت دوم روی شفت می چرخد. این دو قسمت توسط فنرها به هم فشرده می شوند. میعانات بخار برای روانکاری و خنک کردن سیل ها در حین کار استفاده می شود و در برابر آلودگی محافظت می کند.

درایوهای مغناطیسی در طراحی فرمانتور

این نوع مهر و موم به مقابله با مشکل ناشی از شفت پروانه که از بالا یا پایین صفحه فرمانتور می رود کمک می کند. درایو مغناطیسی از دو آهنربا تشکیل شده‌است. آهنربای بالایی در یاتاقان ها در محفظه بیرونی صفحه سر نگه داشته‌شده و به یک محور محرک متصل می شود. آهنربای داخلی در یک انتهای محور پروانه قرار می گیرد و در یاتاقان ها در یک محفظه مناسب در سطح داخلی صفحه سر قرار می گیرد. با استفاده از این محرک آب را می توان در ظروف بافل تا ظرفیت 300 dm3 با سرعت 300 تا 2000 دور در دقیقه هم زد.

مطالب مفید: