常見的生物反應(yīng)器槳葉類型及應(yīng)用
在設(shè)計生物反應(yīng)器中，槳葉的具有雙重的作用，一方面轉(zhuǎn)動的槳葉能夠帶動反應(yīng)器內(nèi)液體運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液體內(nèi)物質(zhì)的混合，利于整個反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞吸收營養(yǎng)物質(zhì)。另一方面槳葉轉(zhuǎn)動導(dǎo)致流體內(nèi)部速度梯度的形成，進(jìn)而產(chǎn)生剪切力，當(dāng)剪切力到達(dá)一定值時會造成細(xì)胞損傷，不利于細(xì)胞培養(yǎng)。槳葉的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速決定了反應(yīng)器內(nèi)的混合效果和產(chǎn)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(chǎn)生的剪切力大，混合效果差時產(chǎn)生的剪切力小，如何在保證混合效果的情況下，使攪拌產(chǎn)生的剪切力最小是生物反應(yīng)器槳葉設(shè)計的關(guān)鍵所在。
按照攪拌引起液體流動的狀態(tài)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。
現(xiàn)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(huán)的流場，產(chǎn)生的剪切力較大，由于只是產(chǎn)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(zhuǎn)速范圍為100~600rpm。基于以上優(yōu)點(diǎn)，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(wěn)，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(xì)胞系培養(yǎng)，如酵母、細(xì)菌、植物細(xì)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(jìn)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(zhuǎn)時使液體向前方呈軸向流排出，使之在罐內(nèi)形成循環(huán)，用于產(chǎn)生軸向流。這種槳葉循環(huán)速度較高，但是循環(huán)量較大，攪拌時產(chǎn)生的剪切力較小，但其和徑向流槳葉一樣，均是產(chǎn)生的單向流，因此混合效果較差，常用于低粘度流體，常用轉(zhuǎn)速范圍為100~500rpm。此類槳式及推進(jìn)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(yīng)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(yǎng)。
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(chǎn)生軸向流和徑向流。這種組合流能夠?qū)崿F(xiàn)較好的混合效果，而且產(chǎn)生的剪切力也較小，工作時的轉(zhuǎn)速一般不高，為 1~100rpm左右，用于低粘度流體。當(dāng)扇面寬度為120°、槳葉與軸間夾角為45°和槳葉直徑與罐體內(nèi)徑比為1:3 時，Elephant Ear 槳葉流場混合性能較好，對細(xì)胞的損傷也較小，適于動物細(xì)胞的培養(yǎng)。
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(jù)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。
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(xì)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，或者使用如下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(zhuǎn)速為20~100r/min。
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