生物反應裝置(Bioreactor)設計初階 1
【生物反應裝置(Bioreactor)設計初階 1】
Micro-giant BioEngineering 許志明著 2007.05.10
南台科技大學 生物科技系 講稿
緣由：
生命科學帶來新世紀的希望,而生物工程技術賦于實踐此一希望的可能.新的能源替代方案、機能保健食品開發、特用化學原料取代、蛋白質用藥、環境工程之培菌工法、廢棄物減積或再利用、醫藥美容抗老化、抗生素的取代、生物製劑精緻農業、工業食品飼料用酵素…種種,皆試圖或成功的採用微生物的製程得到成果或改善.隨著新式生技技術突飛猛進及日趨複雜,是故探索追源、按部就班研究實驗及實務操作益形重要.而"生物反應裝置(bioreactor)" 為達成此一目的不可或缺的核心技術, 此核心技術涵蓋 機械、化工、電子、電機、自控 及 微生物學六大專科領域,現藉此篇幅將陸續 前五大專科環繞微生物學主軸,試圖盡個人棉薄淺見及從業實務經驗作盡量完善之講 探討.
一、廣義定義: 以化工程序特指應用於微生物增殖、代謝或催化反應(細胞培養)得以順利進行之裝置.
二、裝置系統儀控流程圖說:(詳見附圖一)
三、裝置組成:
- 動力單元
- 傳動單元(含機械軸封組)
- 攪拌系統
- 槽單體
- 不銹鋼殼管式冷凝器
- 滅菌控制閥組
- 蒸汽減壓及過濾系統
- 溫度控制配管閥組
- 無菌通氣控制配管閥組
- 尾氣槽壓配管閥組
- 加藥饋料控制閥組
- Transfer接種傳輸控制閥組(含取樣閥組)
- 電極(pH、O2、溫度、AF)及現場相對儀錶 SENSOR(轉速、壓力)、配管架
- 儀控電氣自動控制箱
- 其他附件
- 公用設施
四、各部說明:
- 動力單元:
大致由馬達+減速機所構成,一般稱馬達減速機.
有時會因裝設位置關係而增加十字轉向器或採用出力軸與入力軸成90°之減速 機，在大型(100kL以上)或部分下部攪拌槽會採用皮帶輪減速機構,但此款須注意Slip及傳動軸剛性需增強問題，馬達減速機可依裝設位置分為水平、垂直及倒掛(即有時為下部磁式無軸封攪拌所用)型式，馬力計算係與攪拌系統(主要為攪拌翼)型式不同及剪切力(shear force)對微生物之影響,將另後續專刊探討。
◎ 馬達:
一般需考慮 操作電壓、頻率(跟使用區域及耗電量有關) 、屋內或 屋外型、防爆等級(部分產氫或內容物如酒精…等,或改用氣動馬達 ) 、擺設傳動位置(立、臥、倒式) 、轉速(極數)等因素.當然若為 pilot plant或 Lab. 用,噪音之dB值最好2m內< 70dB(噪音總值尚有 其他因素需考慮).
◎ 減速機:
一般依傳動方式可分為行星式、遊星式、擺線齒輪式、斜齒輪式… ,選擇參考因素係以點接觸為佳,因接觸面入角緩和,產生較低之噪音, 得到較高之傳動效率,尤其適合流體變動(紊流Turbulent flow,雷諾數 Re>4,000)攪拌用.而 "傳動係數" 請選用 "變動負荷" 該項. - 傳動單元(含機械軸封組):
附圖--詳見附圖二係由馬達座、傳動座、傳動座板、傳動軸、聯軸器、軸承、油封及機械軸封組 等部品所組成.
◎ 馬達座:
銜接馬達減速機及傳動座用,早期材質為SS400(黑鐵)表面噴砂或油 漆塗裝,但經兩三年醱酵工廠使用,洗槽潮濕或近海風,則發生鏽蝕致 鏽粉侵襲入軸承,甚而進入軸封,導致傳動異音接著損壞.所以現今皆 改為 SUS304不鏽鋼,表面加電解拋光處理,耐蝕性極佳.
◎ 傳動座:
放置軸封、軸承及銜接蓋板用,材質同上說明,除剛性外,傳動座的高 度,需謹慎注意 "傳動跨距" 問題,所謂 "傳動跨距" 係指上下兩 軸承間之距離, 跨距不足將促使攪拌軸擺動偏幅角過大,而提早造成 機械軸封損害洩漏,致使氣密不良或產生死角發生染菌.
◎ 傳動座板:
承接傳動座用(若為小槽時,平蓋板即是傳動座板) ,材質需同內槽接 液部相同,一般為SUS316或316L以上等級.焊接至桶槽容器時須注意 中心度及水平校正.
◎ 傳動軸:
將動力單元之動力順利傳遞至攪拌單元用.一般小槽(約50L以下), 為考慮高速、剛性及中心度問題而設計成一體化(即傳動軸=攪拌軸), 但缺點維護較不易(分解傳動系統時),還好小槽較輕,故可被忽略.另外 傳動軸上因有與軸承、油封、軸封接觸之處,都得設計表面鍍硬鉻,增 加耐磨性,提高攪拌軸壽命及避免咬傷刮傷軸面破壞氣密性.尤其因傳 動軸為與接液部材質相同不鏽鋼材質,剛性及韌性不如S45C(中碳鋼) 或SF(鍛鋼)鋼種,是故為兼具耐蝕及耐磨,表面電鍍上一層鉻(Cr)約 0.03~0.06tmm,後再施以精密研磨之程序不可省略.
◎ 聯軸器 :
顧名思義連結馬達減速機出力軸與傳動軸之用.一般係以鏈傳式CR系列(小型軸徑30以下可採用蛛膠式)傳達動力,因此款擾性聯軸器可吸收3~5度偏擺角,減少傳動振幅,又可有效傳遞大動力.另有款設計為採用法蘭式鍵聯(Key)之剛性聯軸器,此款設計須注意其理念係以減速機出力軸為”傳動跨距”之上部第一跨距點,所以切勿再設計超越兩點以上跨距點,且減速機最好提高一號規格.
◎ 軸承 :
上部第一跨距點,可採用UKF 或 UCF 連座軸承,注意需加斜錐套筒,因有助於組立時裝配中心度自動對正. 下部第二跨距點,建議採用自動對位滾珠或滾柱軸承成對一組.加上油封圈,提供潤滑油添加口.注意1,000rpm以上需選擇滾珠間隙值小高精密度等級軸承.
◎ (機械)軸封 :
初期(約20年前),係以格蘭(Ground)式迫緊條(PTFE材質),以繞軸3~6圈加迫緊墊圈組合成密封材,但有其使用缺點已不再採用,改以機械軸封(Mechanicals Seal)取代. 而機械軸封又大致可依潤滑方式分濕式及乾式兩種,若採用濕式須注意潤滑液必須為無菌水,且無菌水產生器必須單套裝置設置一組(One by one),不可共用.避免單套無菌水受到污染時,不會影響廠內其他套生物反應器生產. 若採用乾式 (Dry Mechanicals Seal),則免除上述問題.新式機械軸封有提供卡匣式設計,可大幅減少組裝面壓施力均等技術要求,但因有內套管設計,故軸徑增加一號致製造成本增加. 機械軸封大分為迴轉環及固定環兩部分, 固定環材質可採用碳化鎢或陶瓷,而迴轉環採用石墨環或碳化鎢. 金屬部分材質可採用SUS316 , SUS316L 或 鈦. 軸封軟性密封材(ex. O環或墊圈)皆採用Viton或 EPDM材質,不建議Teflon,因為容易因摺動面(即對磨面)研磨精度過高,在滅菌段產生鏡面吸著效應,又無定位銷時會產生Slip,破壞軟性密封材. 機械軸封用於生技業,除常態考量外,尚格外須注意在滅菌段以溼熱滅菌法所產生之高溫及冷卻水(Drain)排放問題,因為滅菌時121°C維持20~30min,將造成冷凝水殘留,故蒸氣上進下出才不易產生死角,致使軸封滅菌不完全.又軸封設計或選擇時,注意要有斷熱之設計考量,因培養週期內所產生之醱酵熱將延著攪拌軸往上將熱量傳達累積至傳動系統,促使軸封或軸承密封材提早損壞.
Ps.注意(機械)軸封設計,為第一道距培養容器接液最近處,期間不可再加其他密封材ex.油封或其他軸承.
另有無軸封設計,例如磁式攪拌,但傳達動力漏損較大,且有跳脫疑慮.若為下部,則因佔據最底低點,故出料口設計會有殘料疑慮,現已不大採用. - 攪拌系統:
係由攪拌軸、破泡翼、攪拌翼、擋板、軸支持座等部品所組成.
◎ 攪拌軸 :
材質需與接液部相同(一般為SUS316或SUS316L),軸上端設計有法蘭式聯軸器,以便銜接傳動軸,在與攪拌翼結合處,小型(200L以下)試量產培養槽,往往在攪拌翼輪轂上做止付螺絲設計,但要有2支且互成90°.防止下滑或移位,又可方便的改變槳翼位置.至於中大型就得要有鍵槽(key way)設計,若又要兼具可改變槳翼位,則得設計長條鍵,供攪拌翼輪轂滑動至所需位置後用止付螺絲鎖固,若擔心攪拌翼鬆脫下滑,可在長條鍵下方做帶頭鍵設計.軸下末端在中大型(500L以上)培養槽須設計軸支持座以便縮小攪拌中心偏移量.
◎ 破泡翼 :
又稱打泡翼或消泡翼,為簡易之Impeller(平槳型)設計,常當作物理性消泡策略之一種 ,不負擔攪拌動能效果,故可在迴轉徑內不打到其他部品時,盡量加長.但實務下發現泡沫生成(Foaming)溢出時,大都沿著桶壁貼附依著架橋現象堆疊上去.故如何在泡沫生成初期破壞桶壁架橋,是目前物理性消泡策略新式設計.另外又有款設計是兼具物理及化學性消泡策略,即是將消泡劑透過破泡翼下緣,經迴轉動作做均勻灑出,期使醱酵液(Broth)表面在相同劑量下接觸液面表面積加大,增加消泡劑效果.
◎ 攪拌翼 :
一般好氣性培生物培養,經常採用輪機型(Turbine又稱Rushton type),又可分為6翼、四翼、斜板、曲板多種變化.此款常用型係因為通氣裝置(Air sparger)太近攪拌翼時會發生氣泡的聚合或氾濫,太遠又不易被攪拌翼打破分散,所以實測發現要兼具高通氣量及分散氣泡, 輪機型翼片優於船舶螺旋槳型(propeller type). 但若為嫌氣氣性或厭氧性培生物培養,則考慮槳翼形式重點應擺在料性黏度或固成分形式及多寡,且注意沉澱.
Ps.注意輪機型翼片設計, 翼徑外緣最適切線速度為2~5 M/sec 操作.
◎ 擋板(Baffles):
置於容器桶壁直立式,可分三組(50L以下)或四組.其功用為增加攪拌時紊流程度,達到均溫、氣液相傳遞均勻、藥液(酸鹼消泡)及營養源(氮、碳、微量元素)添加分散度.及破壞攪拌依中心產生漩渦現象(即破除渦流).在大型培養裝置(50kL以上),因夾層熱傳面積不足,故以特殊直排管束取代原來擋板位置,如此不僅增加熱傳面積且可達成擾流狀態.但相對增加清洗困難度.
◎ 軸支持座 :
在中大型(500L以上)培養裝置,因懸軸加長,在攪拌軸末端設計軸支持座加以扶持攪拌軸,此舉可吸收偏擺度,增加傳動穩定度.而內襯設計以吸收幅相應力,不負責軸向應力.材質以Teflon(鐵弗龍)有時可加玻纖增加硬度,若要考慮強酸鹼及硬度,PEEK是不錯的選擇.
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