यांत्रिक मिश्रित किण्वन टैंक की आवश्यकताएं, सिद्धांत और संरचनाएं
बायोरिएक्टर किण्वक के लिए बुनियादी आवश्यकताएं
किण्वन टैंक का एक उपयुक्त पहलू अनुपात होना चाहिए। ऊंचाई से व्यास का अनुपात आम तौर पर (1.7-4) होता है: 1. ऊंचाई से व्यास का अनुपात जितना बड़ा होगा, घुलित ऑक्सीजन प्रभाव उतना ही बेहतर होगा और ऑक्सीजन उपयोग दर उतनी ही अधिक होगी। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि पहलू अनुपात जितना बड़ा होगा, टैंक उतना ही अधिक होगा, जो निर्माण लागत को प्रभावित करता है।
किण्वन टैंक में उपयुक्त डिज़ाइन दबाव होना चाहिए। वर्तमान में, अधिकांश किण्वन टैंकों का डिज़ाइन दबाव 0.3 एमपीए है, और काम का दबाव 0.15 एमपीए से कम है।
स्टिरर और इसकी आंतरिक संरचना ऑक्सीजन के विघटन को सुगम बनाती है। किण्वन टैंक स्टिरर ब्लेड आम तौर पर सबसे अच्छा घुलित ऑक्सीजन प्रभाव प्राप्त करने के लिए कई स्टिरर ब्लेड का एक संयोजन होते हैं। किण्वन टैंक की आंतरिक बाधा और ऊर्ध्वाधर ट्यूब संरचना सरगर्मी के दौरान संस्कृति माध्यम में अशांति पैदा करती है, जिससे सरगर्मी प्रभाव बढ़ जाता है।
किण्वन टैंक में अच्छी सीलिंग होनी चाहिए। किण्वन टैंकों को उच्च सीलिंग आवश्यकताओं की आवश्यकता होती है, विशेष रूप से मिक्सिंग सील के लिए। सभी इंटरफेस और मैकेनिकल सील को रिसाव को कम करने और खेती के दौरान जीवाणु संदूषण की संभावना को कम करने के लिए सीलिंग आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए।
किण्वन टैंक के अंदरूनी हिस्से को डिज़ाइन करते समय, स्टरलाइज़ेशन और मिक्सिंग डेड कॉर्नर से बचना ज़रूरी है। टैंक के अंदर बोल्ट को ढीला होने से रोकने के लिए सादगी और स्थिरता को प्राथमिकता दें।
किण्वन टैंक को संचालित करना और साफ करना आसान होना चाहिए। संस्कृति माध्यम और अन्य सामग्रियों के आसंजन को कम करने के लिए आंतरिक सतह को दर्पण खत्म के साथ पॉलिश किया जाता है। इंटरफ़ेस आसान संचालन, सफाई और रखरखाव के लिए क्लैंप त्वरित कनेक्शन विधियों को अपनाता है।
किण्वन टैंक में पर्याप्त ऊष्मा विनिमय क्षेत्र होना चाहिए। किण्वन टैंक को डिज़ाइन करते समय, ऊष्मा विनिमय क्षेत्र की गणना तेजी से गर्म करने और ठंडा करने के लिए पर्याप्त ऊष्मा विनिमय सतह सुनिश्चित करने के लिए की जानी चाहिए, नसबंदी के दौरान संस्कृति माध्यम में पोषक तत्वों के घटकों के नुकसान को कम करना और किण्वन के दौरान तापमान नियंत्रण की सटीकता सुनिश्चित करना।
बायोरिएक्टर किण्वक का कार्य सिद्धांत
यांत्रिक सरगर्मी किण्वन टैंक मुख्य रूप से यांत्रिक सरगर्मी ब्लेड के सरगर्मी और कुचल प्रभाव और वायु वितरक के फैलाव प्रभाव का उपयोग करके बाँझ हवा को छोटे बुलबुले में फैलाता है जो किण्वन शोरबा के साथ मिश्रित होते हैं, किण्वन शोरबा में ऑक्सीजन के विघटन को बढ़ावा देते हैं ताकि सूक्ष्मजीव विकास और उत्पाद उत्पादन के लिए आवश्यक ऑक्सीजन सुनिश्चित हो सके।
किण्वन टैंक की गुणवत्ता मापने के लिए दो बुनियादी संकेतक हैं - घुलित ऑक्सीजन गुणांक (केएलए) और 1 किलोग्राम ऑक्सीजन स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक शक्ति की मात्रा।
किण्वन टैंक एसिड, क्षार, आदि जोड़कर किण्वन शोरबा का एक निश्चित पीएच बनाए रखता है;
जैकेट, कॉइल, सर्पेन्टाइन ट्यूब आदि के माध्यम से ठंडा पानी, गर्म पानी, भाप आदि को पारित करके किण्वन शोरबा का एक निश्चित तापमान बनाए रखें;
टैंक कीटाणुशोधन, कीटाणुशोधन फिल्टर निस्पंदन, सीलिंग, और टैंक के अंदर सकारात्मक दबाव बनाए रखने के माध्यम से सूक्ष्मजीवी किण्वन के दौरान सख्त सड़नरोधी स्थितियों को बनाए रखा जाता है।
वेंटिलेशन दर, घुलित ऑक्सीजन, मिश्रण गति, टैंक दबाव, पीएच, तापमान, फीडिंग, जीवाणु घनत्व और निकास गैस का पता लगाने जैसे मापदंडों को नियंत्रित करके, किण्वन को इष्टतम स्थिति में सुनिश्चित किया जाता है।
बायोरिएक्टर किण्वक की मुख्य संरचना
किण्वन टैंक की मुख्य संरचना में शामिल हैं: टैंक बॉडी, स्टिरर , बैफल, वायु वितरण उपकरण, मैकेनिकल सील, हीट एक्सचेंज डिवाइस, सेंसर इंटरफेस, सहायक संरचना, आदि, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।
(1) टैंक बॉडी
किण्वन टैंक एक बेलनाकार सीधे शरीर और एक अण्डाकार या तितली के आकार के ऊपरी और निचले सिर से बना होता है जो एक साथ जुड़े होते हैं।
किण्वन टैंक का नाममात्र आयतन (निचला सिर और सिलेंडर आयतन) 1m3 या उससे कम है। किण्वन टैंक का ऊपरी सिर और सीधा सिलेंडर फ्लैंग्स द्वारा जुड़ा हुआ है और फीडिंग, सफाई आदि के लिए हाथ के छेद से सुसज्जित है। यदि किण्वन टैंक के अंदर रखरखाव की आवश्यकता है, तो ऊपरी सिर को खोलने की आवश्यकता है;
1m3 या उससे अधिक की नाममात्र क्षमता वाले किण्वन टैंक का शीर्ष सीधे टैंक बॉडी से वेल्डेड होता है, और इसमें फीडिंग, सफाई और टैंक रखरखाव के लिए एक मैनहोल होता है।
टैंक के शीर्ष पर मैनहोल, फीडिंग पोर्ट, एग्जॉस्ट पोर्ट, प्रेशर गेज इंटरफेस, इनोक्यूलेशन पोर्ट आदि इंटरफेस होते हैं।
टैंक बॉडी पर इंटरफेस: वायु इनलेट, बीज स्थानांतरण पोर्ट, नमूना पोर्ट, डिस्चार्ज पोर्ट, विभिन्न सेंसर इंटरफेस, परिसंचारी जल इनलेट और आउटलेट, आदि।
आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले यांत्रिक रूप से हवादार हलचल किण्वन टैंकों की संरचना और मुख्य आयामों को मानकीकृत किया गया है, और किण्वन टैंक के आकार और उद्देश्य के आधार पर विभिन्न प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है। इसे मुख्य रूप से तीन स्तरों में विभाजित किया जाता है: प्रयोगशाला पैमाने, पायलट पैमाने और उत्पादन पैमाने।
प्रयोगशाला पैमाने में 1, 3, 5, 10, 20 और 30L किण्वन टैंक हैं;
पायलट पैमाने में 50100200300500L और 1,2,3m3 किण्वन टैंक शामिल हैं;
5, 10, 20, 50, 100, 200 और 200 घन मीटर के उत्पादन पैमाने वाले किण्वन टैंक हैं। (सामान्य वर्गीकरण, निरपेक्ष नहीं।)
हम अपनी आवश्यकताओं के अनुसार किण्वन टैंक की क्षमता का चयन कर सकते हैं।
सार्वभौमिक यांत्रिक सरगर्मी और वेंटिलेशन किण्वन टैंक के ज्यामितीय आयाम निम्नलिखित चित्र में दिखाए गए हैं।
चित्र में, H किण्वन टैंक के सीधे बैरल की ऊंचाई को मीटर में दर्शाता है;
डी - किण्वन टैंक व्यास, मीटर;
डी - मिक्सर व्यास, मीटर;
W - बाधक की चौड़ाई, मी;
बी - निचले मिक्सर और टैंक के तल के बीच की दूरी, मीटर;
s - मिक्सर के बीच की दूरी, मी.
आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले यांत्रिक आंदोलन और वेंटिलेशन किण्वन टैंकों के ज्यामितीय अनुपात:
एच/डी=1.7～3.5；
डी/डी=1/3～1/2；
डब्ल्यू/डी=1/2～1/8；
=1-2 (नीचे, 2 और 3 मिक्सर में बैफल्स की संख्या दर्शाते हैं)
किण्वन टैंक के आकार को पूर्ण क्षमता और नाममात्र क्षमता के रूप में वर्णित किया जा सकता है।
पूर्ण मात्रा सीधे बैरल की मात्रा और किण्वन टैंक के ऊपरी और निचले सिर की मात्रा का योग है;
नाममात्र आयतन (V0) टैंक बॉडी (Va) के सीधे सिलेंडर के आयतन और निचले सिर (Vb) के आयतन के योग को संदर्भित करता है। आजकल, किण्वन टैंक के आकार को आम तौर पर इसकी पूरी क्षमता के रूप में संदर्भित किया जाता है।
लोडिंग गुणांक किण्वन टैंक की कुल मात्रा के लिए तरल मात्रा का अनुपात है, और आम तौर पर किण्वन टैंक का लोडिंग गुणांक 70% से 80% होता है।
किण्वन टैंक खेती की प्रक्रिया में, यदि अधिक फोम का उत्पादन होता है, तो लोडिंग गुणांक को उचित रूप से कम किया जा सकता है;
खेती की प्रक्रिया के दौरान कम फोम और कम वातन वाले किण्वन टैंकों के लिए, चार्जिंग गुणांक को उचित रूप से बढ़ाया जा सकता है।
(2) ब्लेंडर
यांत्रिक मिक्सर का मुख्य कार्य सामग्रियों को मिलाना, बुलबुले को कुचलना, तथा ऊष्मा और द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ाना है।
यांत्रिक स्टिरर किण्वन शोरबा में ठोस पदार्थों को निलंबित रखता है, जिससे गैस तरल ठोस तीन चरण मिश्रण का द्रव्यमान स्थानांतरण बनाए रखा जाता है;
आने वाली हवा को छोटे बुलबुले में फैलाएं और उन्हें किण्वन शोरबा के साथ समान रूप से मिलाएं, गैस-तरल संपर्क इंटरफ़ेस को बढ़ाएं, गैस और तरल के बीच द्रव्यमान हस्तांतरण दर में सुधार करें, और घुलित ऑक्सीजन को बढ़ाएं;
सरगर्मी से किण्वन टैंक के प्रत्येक भाग का तापमान समान रूप से वितरित होता है, जिससे ऊष्मा का स्थानांतरण बढ़ जाता है।
स्टिरर प्ररितक ( इम्पेलर ) स्टिरिंग के दौरान अक्षीय प्रवाह, रेडियल प्रवाह और स्पर्शरेखीय प्रवाह उत्पन्न करता है।
अक्षीय प्रवाह तरल पदार्थ की प्रवाह दिशा है जो सरगर्मी शाफ्ट के समानांतर होती है। तरल पदार्थ को ब्लेड द्वारा नीचे धकेला जाता है, और जब यह कंटेनर के तल से टकराता है, तो यह ऊपर और नीचे परिसंचरण प्रवाह बनाने के लिए ऊपर की ओर मुड़ जाता है। तरल परिसंचरण प्रवाह दर बड़ी है, जैसा कि चित्र (1) में दिखाया गया है।
अक्षीय प्रवाह किण्वन टैंक में तरल के समग्र प्रवाह को अक्षीय परिसंचरण बनाने का कारण बनता है, जो मैक्रोस्कोपिक मिश्रण के लिए अनुकूल है, लेकिन अशांति का स्तर अधिक नहीं है। प्रोपेलर ब्लेड के मुख्य प्रकारों में पैडल प्रकार और प्रोपेलर प्रकार मिश्रण ब्लेड शामिल हैं।
रेडियल प्रवाह तरल पदार्थ के प्रवाह की दिशा है जो स्टिरिंग शाफ्ट के लंबवत है, जो स्टिरर और आंतरिक दीवार के बीच किण्वन टैंक की त्रिज्या के साथ बहता है। जब यह कंटेनर की दीवार से टकराता है, तो यह तरल पदार्थ की दो धाराओं में विभाजित हो जाता है जो क्रमशः ऊपर और नीचे की ओर बहती हैं, और फिर ब्लेड से गुज़रे बिना ब्लेड के सिरे पर वापस आ जाती हैं, जिससे ऊपरी और निचले दो परिसंचरण प्रवाह बनते हैं, जैसा कि चित्र (2) में दिखाया गया है।
图5
रेडियल प्रवाह किण्वन टैंक में तरल के समग्र प्रवाह को और अधिक जटिल बनाता है, तरल पर एक बड़े कतरनी प्रभाव के साथ, जो बुलबुले के टूटने के लिए फायदेमंद है, लेकिन आसानी से माइक्रोबियल कोशिकाओं को नुकसान पहुंचा सकता है। मुख्य ब्लेड रूपों में टर्बाइन प्रकार के स्टिरर ब्लेड शामिल हैं।
स्पर्शरेखीय प्रवाह से तात्पर्य बिना किसी बाधा के एक कंटेनर में एक अक्ष के चारों ओर तरल पदार्थ की घूर्णी गति से है। केन्द्रापसारक बल की क्रिया के तहत, तरल पदार्थ कंटेनर की दीवार की ओर बढ़ता है, जिससे केंद्रीय भाग में तरल स्तर गिर जाता है और एक बड़ा भंवर बन जाता है, जैसा कि निम्नलिखित चित्र में दिखाया गया है।
यांत्रिक सरगर्मी स्पर्शरेखीय प्रवाह
गंभीर मामलों में, स्टिरर किण्वन शोरबे में पूरी तरह से डूबा नहीं हो सकता है, जिसके परिणामस्वरूप स्टिरर की शक्ति में महत्वपूर्ण कमी आ सकती है।
वर्तमान में, किण्वन टैंक का सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला प्रकार टरबाइन स्टिरर्स है , जैसा कि नीचे दिए गए आंकड़े में दिखाया गया है, जिसे फ्लैट ब्लेड टरबाइन स्टिरर्स , घुमावदार ब्लेड टरबाइन स्टिरर्स , एरो ब्लेड टरबाइन स्टिरर्स आदि में विभाजित किया गया है। सरगर्मी ब्लेड आम तौर पर 6 टुकड़े होते हैं।
टर्बाइन प्रकार स्टिरर ब्लेड
(3) बैरियर बोर्ड
बाधक का कार्य तरल पदार्थ की दिशा को स्पर्शरेखीय प्रवाह से अक्षीय प्रवाह में बदलना, सरगर्मी के दौरान अशांति उत्पन्न करना, भंवर गठन को रोकना, घुलित ऑक्सीजन सामग्री को बढ़ाना, द्रव्यमान और गर्मी हस्तांतरण दक्षता में सुधार करना और सरगर्मी दक्षता को बढ़ाना है।
बाफ़ल का ऊपरी भाग तरल स्तर से ऊपर होना चाहिए, और निचला भाग टैंक के तल तक, सिर के साथ समतल होना चाहिए।
बाधक की चौड़ाई सामान्यतः (0.1-0.12) D होती है। (D किण्वन टैंक का व्यास है)
4-6 बाफ़ल की स्थापना पूर्ण बाफ़ल स्थिति को पूरा कर सकती है। तथाकथित "पूर्ण बाफ़ल स्थिति" से तात्पर्य है कि जब किण्वन टैंक में बाफ़ल और अन्य सहायक उपकरण जोड़े जाते हैं जो बाफ़ल के रूप में कार्य कर सकते हैं, तो मिश्रण शक्ति अपरिवर्तित रहती है और भंवर मूल रूप से गायब हो जाता है।
बाफ़ल की स्थापना की कई विशेषताएं हैं:
बाधक और टैंक की दीवार के बीच एक अंतर है, जो टैंक की दीवार और बाधक के बीच मृत कोनों की सफाई और नसबंदी को प्रभावी ढंग से रोक सकता है;
आसान रखरखाव के लिए बाफ़ल अलग किया जा सकता है;
बाफ़ल को सबसे बाहरी भाग में तरल प्रवाह की दिशा में मोड़ने के लिए संसाधित किया जाता है, जो प्रभावी रूप से बाफ़ल की ताकत को बढ़ा सकता है और बाफ़ल के बाहर तरल के घर्षण को कम कर सकता है;
10m3 और उससे अधिक के किण्वन टैंकों में, ट्यूब, बैफल्स का स्थान ले सकती हैं।
(4) मैकेनिकल सील
यांत्रिक स्टिरिंग किण्वन टैंक में, चुंबकीय स्टिरिंग को छोड़कर, जिसके लिए स्टिरिंग शाफ्ट को किण्वन टैंक से बाहर निकालने की आवश्यकता नहीं होती है, अन्य सभी में स्टिरिंग शाफ्ट को किण्वन टैंक से बाहर निकालने और फिर मोटर द्वारा घुमाने की आवश्यकता होती है। जिस हिस्से में स्टिरिंग शाफ्ट टैंक बॉडी से बाहर निकलती है, वहां रिसाव को रोकने के लिए एक यांत्रिक सील की आवश्यकता होती है।
मैकेनिकल सील को स्टफिंग बॉक्स मैकेनिकल सील और एंड फेस मैकेनिकल सील में विभाजित किया जा सकता है। एंड फेस मैकेनिकल सील को सीलिंग एंड फेस की संख्या के आधार पर सिंगल फेस मैकेनिकल सील और डबल फेस मैकेनिकल सील में विभाजित किया जा सकता है।
स्टफिंग बॉक्स मैकेनिकल सील स्टफिंग बॉक्स बॉडी, स्टफिंग बॉटम लाइनर, स्टफिंग कवर और क्लैम्पिंग बोल्ट से बना होता है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।
स्टफिंग बॉक्स मैकेनिकल सील
पैकिंग बॉक्स पैकिंग कक्ष में पैकिंग सामग्री जोड़ने की एक विधि है, जिसे एक आवरण और एक कसने वाले बोल्ट द्वारा संपीड़ित किया जाता है ताकि पैकिंग सामग्री और शाफ्ट के बीच कड़ा संपर्क सुनिश्चित किया जा सके, जिससे सीलिंग का उद्देश्य प्राप्त हो सके।
स्टफिंग बॉक्स मैकेनिकल सील के फायदे हैं कम कीमत, सरल संरचना, आसान रखरखाव, शाफ्ट मशीनिंग सटीकता के लिए कम आवश्यकताएं और न्यूनतम शाफ्ट पहनना।
नुकसान यह है कि कई अंधे धब्बे हैं, जिससे पूरी तरह से बाँझ करना मुश्किल हो जाता है; लघु सेवा जीवन, बड़े रिसाव, खराब सीलिंग प्रभाव, आसान जीवाणु संक्रमण, लगातार रखरखाव, और शायद ही कभी किण्वन टैंक में उपयोग किया जाता है।
किण्वन टैंक के तापमान और दबाव सीमा के अनुसार, सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला एकल अंत यांत्रिक सील है, जैसा कि आंकड़े में दिखाया गया है।
आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली एकल अंत यांत्रिक सील संरचनाएं
एकल-अंत यांत्रिक सील का अंतिम भाग अलग-अलग कठोरता वाली दो सामग्रियों से बना होता है, अर्थात् गतिशील रिंग और स्थैतिक रिंग।
स्टैटिक रिंग को किण्वन टैंक पर स्थिर किया जाता है, जिसका अंतिम भाग घूमता नहीं है। इसे सीलिंग गैस्केट के माध्यम से किण्वन टैंक के यांत्रिक सील बेस पर कसकर चिपकाया जाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि स्टैटिक रिंग और किण्वन टैंक के बीच संपर्क क्षेत्र में कोई रिसाव न हो।
डायनेमिक रिंग शाफ्ट पर फिट की जाती है, और इसके अंदर एक सीलिंग गैस्केट होता है जो शाफ्ट से कसकर चिपक जाता है, जो डायनेमिक रिंग और शाफ्ट के बीच रिसाव को रोक सकता है। डायनेमिक रिंग का ऊपरी स्प्रिंग डायनेमिक रिंग को स्टैटिक रिंग की ओर दबाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि डायनेमिक रिंग का चिकना अंत चेहरा स्टैटिक रिंग के चिकने अंत चेहरे के साथ निकट संपर्क में है, जिससे सीलिंग का उद्देश्य प्राप्त होता है।
एक चिकनी संपर्क सतह सुनिश्चित करने के लिए स्थापना से पहले और बाद में सिंगल एंड मैकेनिकल सील को अच्छी तरह से संरक्षित किया जाना चाहिए। स्थापना के दौरान, जितना संभव हो सके चलती और स्थिर रिंगों को झुकाने से बचने की कोशिश करें।
छोटे यांत्रिक मुहरों को आम तौर पर टैंक के अंदर स्थापित किया जाता है, और इस प्रकार के लिए, सरल संरचना और कुछ मृत कोनों वाले यांत्रिक मुहरों को यथासंभव चुना जाना चाहिए; बड़े यांत्रिक मुहरों को किण्वन टैंक के बाहर स्थापित किया जाता है, जिससे उन्हें ठीक करना, समायोजित करना और रखरखाव करना आसान हो जाता है।