機械撹拌発酵タンクの要件、原理、構造
バイオリアクター発酵槽の基本要件
発酵タンクは適切なアスペクト比を持つ必要があります。高さと直径の比率は一般的に（1.7-4）：1です。高さと直径の比率が大きいほど、溶存酸素効果が向上し、酸素利用率が高くなります。アスペクト比が大きいほどタンクが高くなり、建設コストに影響を与えることに注意してください。
発酵タンクは適切な設計圧力を持つ必要があります。現在、ほとんどの発酵タンクの設計圧力は0.3 MPaで、作動圧力は0.15 MPa以下です。
スターラーとその内部構造は酸素の溶解を促進します。発酵タンクのスターラーブレードは、通常、複数のスターラーブレードを組み合わせて、最高の溶存酸素効果を実現します。発酵タンクの内部バッフルと垂直チューブ構造により、攪拌中に培養培地に乱流が発生し、攪拌効果が高まります。
発酵タンクは密閉性が良好である必要があります。発酵タンクには、特に混合シールに高い密閉性が求められます。すべてのインターフェースとメカニカルシールは、漏れを最小限に抑え、培養中の細菌汚染の可能性を減らすために、密閉要件を満たす必要があります。
発酵タンク内部の設計では、殺菌や混合による死角を避けることが必要で、タンク内部のボルトが緩まないようにシンプルさと安定性を優先します。
発酵タンクは操作と清掃が簡単である必要があります。内面は鏡面仕上げで磨かれており、培地やその他の物質の付着を軽減します。インターフェースはクランプクイック接続方式を採用しており、操作、清掃、メンテナンスが簡単です。
発酵タンクには十分な熱交換面積が必要です。発酵タンクを設計する際には、急速加熱と冷却に十分な熱交換面積を確保し、殺菌中に培地中の栄養成分の損傷を最小限に抑え、発酵中の温度制御の精度を確保できるように、熱交換面積を計算する必要があります。
バイオリアクター発酵槽の動作原理
機械撹拌発酵タンクは、主に機械撹拌羽根の撹拌・粉砕効果と空気分配器の分散効果を利用して、滅菌空気を小さな泡に分散させて発酵液と混ぜ、発酵液中の酸素の溶解を促進して、微生物の増殖と製品生産に必要な酸素を確保します。
発酵タンクの品質を測定するための2つの基本的な指標は、溶存酸素係数（KLa）と1kgの酸素を移動させるために必要な電力量です。
発酵タンクは、酸、アルカリなどを添加して発酵液の pH を一定に保ちます。
ジャケット、コイル、蛇行管などに冷却水、温水、蒸気などを通すことで発酵液の温度を一定に保ちます。
微生物発酵中は、タンクの滅菌、滅菌フィルターの濾過、密閉、タンク内の正圧の維持により、厳格な無菌状態が維持されます。
換気量、溶存酸素、撹拌速度、タンク圧力、pH、温度、供給、細菌密度、排気ガス検知などのパラメータを制御することで、発酵が最適な状態になることが保証されます。
バイオリアクター発酵槽の主な構造
発酵タンクの主な構造は、図に示すように、タンク本体、撹拌機、バッフル、空気分配装置、メカニカルシール、熱交換装置、センサーインターフェース、付属構造などから構成されます。
（１）タンク本体
発酵タンクは、円筒形の直胴と、連結された楕円形または蝶形の上部および下部のヘッドで構成されています。
発酵タンクの公称容積（下蓋とシリンダー容積）は1m3以下です。発酵タンクの上蓋と直筒はフランジで接続されており、投入、清掃等のためのハンドホールが設けられています。発酵タンク内のメンテナンスが必要な場合は、上蓋を開ける必要があります。
公称容量1m3以上の発酵タンクの頭部はタンク本体に直接溶接されており、投入、清掃、タンクメンテナンス用のマンホールが設けられています。
タンク上部には、マンホール、給餌ポート、排気ポート、圧力計インターフェース、接種ポートなどのインターフェースがあります。
タンク本体のインターフェース：空気入口、種子移送ポート、サンプリングポート、排出ポート、各種センサーインターフェース、循環水入口および出口など。
一般的に使用されている機械換気撹拌発酵タンクの構造と主な寸法は標準化されており、発酵タンクのサイズと目的に基づいてさまざまなタイプに分けられます。主に実験室規模、パイロット規模、生産規模の3つのレベルに分けられます。
実験室規模では1、3、5、10、20、30Lの発酵タンクがあります。
パイロットスケールには、50100200300500Lおよび1、2、3m3の発酵タンクが含まれます。
発酵タンクには、生産規模5、10、20、50、100、200、200立方メートルのものがあります。（一般的な分類であり、絶対的なものではありません。）
発酵タンクの容量はニーズに応じて選択できます。
汎用機械撹拌換気発酵タンクの幾何学的寸法を次の図に示します。
図中、H は発酵タンクの直胴の高さ（メートル）を表します。
D - 発酵タンクの直径、m;
d - ミキサー直径、m;
W - バッフルの幅、m;
B - 下部ミキサーとタンクの底の間の距離、m;
s - ミキサー間の間隔、m。
一般的に使用される機械的撹拌および換気発酵タンクの幾何学的比率:
H/D=1.7～3.5；
d/D=1/3～1/2；
W/D=1/2～1/8；
=1-2 (以下、2と3はミキサー内のバッフルの数を表します)
発酵タンクのサイズは、全容量と公称容量で表すことができます。
全容積とは、直樽の容積と発酵タンクの上部ヘッドと下部ヘッドの容積の合計です。
公称容積（V0）とは、タンク本体の直筒容積（Va）と下面容積（Vb）の合計を指します。現在、発酵タンクの大きさは、一般的に全容量と呼ばれています。
負荷係数とは発酵槽の全容積に対する液容積の割合であり、一般的に発酵槽の負荷係数は70%～80%です。
発酵タンク栽培の過程で泡が多く発生する場合は、負荷係数を適切に下げることができます。
培養工程中の泡立ちや通気量が少ない発酵槽の場合は、投入係数を適切に増加させることができます。
（２）ブレンダー
機械式ミキサーの主な機能は、材料を混合し、気泡を粉砕し、熱と質量の移動を強化することです。
機械式撹拌機は発酵液中の固形物を懸濁状態に保ち、それによってガス・液体・固体の三相混合物の物質移動を維持します。
流入する空気を小さな泡に分散させ、発酵液と均一に混合し、気液接触界面を増加させ、気体と液体間の物質移動速度を向上させ、溶存酸素を増加させます。
撹拌することで発酵槽の各部の温度が均一になり、熱伝達が向上します。
スターラーのインペラーは、撹拌中に軸流、半径流、接線流を生成します。
軸流とは、撹拌軸に平行な流体の流れ方向のことです。流体は羽根によって押し下げられ、容器の底にぶつかると跳ね上がり、上下循環流を形成します。図(1)に示すように、液体循環流量は大きくなります。
軸流は、発酵タンク内の液体の全体的な流れに軸循環を形成し、マクロ的な混合を促進しますが、乱流レベルは高くありません。プロペラブレードの主なタイプには、パドルタイプとプロペラタイプの混合ブレードがあります。
ラジアルフローとは、撹拌軸に垂直な流体の流れの方向で、撹拌機と内壁の間を発酵槽の半径に沿って流れ、容器壁にぶつかると上向きと下向きの2つの流体の流れに分かれ、その後、羽根を通過せずに羽根端に戻り、図（2）に示すように、上下2つの循環流を形成します。
放射状の流れは、発酵タンク内の液体の全体的な流れをより複雑にし、液体に大きなせん断効果をもたらします。これは、泡の破壊には有利ですが、微生物細胞に損傷を与えやすくなります。主なブレードの形態には、タービン型スターラーブレードがあります。
接線流とは、バッフルのない容器内で軸を中心に流体が回転する動きを指します。遠心力の作用により、流体は容器の壁に向かって流れ、中央部分の液面が下がり、次の図に示すように大きな渦を形成します。
機械撹拌接線流
ひどい場合には、スターラーが発酵液に完全に浸からず、撹拌力が大幅に低下する可能性があります。
現在、発酵タンクで最も一般的に使用されているタイプはタービンスターラーで、下図に示すように、平羽根タービンスターラー、湾曲羽根タービンスターラー、矢印羽根タービンスターラーなどに分けられます。撹拌翼は一般的に6枚です。
タービン型撹拌機ブレード
（３）バリアボード
バッフルの機能は、流体の方向を接線方向から軸方向へ変更し、撹拌中に乱流を発生させ、渦の形成を防ぎ、溶存酸素含有量を増加させ、質量および熱伝達効率を改善し、撹拌効率を高めることです。
バッフルの上部は液面より上に、下部はヘッドと同じ高さでタンクの底まで伸びている必要があります。
バッフルの幅は一般的に（0.1～0.12）Dです。（Dは発酵タンクの直径です）
4～6枚のバッフルを設置すると、フルバッフル条件を満たすことができます。いわゆる「フルバッフル条件」とは、発酵タンクにバッフルやバッフルとして機能するその他の付属品を追加しても、混合力は変わらず、渦が基本的に消えることを指します。
バッフルの取り付けにはいくつかの特徴があります。
バッフルとタンク壁の間に隙間があり、タンク壁とバッフルの間の洗浄および殺菌の死角を効果的に防ぐことができます。
バッフルは取り外し可能なのでメンテナンスが容易です。
バッフルは最外部で液体の流れ方向に曲がるように加工されており、バッフルの強度を効果的に高め、バッフルの外側の液体の摩擦を減らすことができます。
10m3以上の発酵タンクでは、バッフルの代わりにチューブを使用できます。
（４）メカニカルシール
機械撹拌式発酵槽では、撹拌軸を発酵槽外に延ばす必要がない磁気撹拌式を除き、その他は撹拌軸を発酵槽外に延ばし、モーターで回転させる必要がある。撹拌軸が槽体外に延ばす部分には、漏れ防止のためメカニカルシールが必要となる。
メカニカルシールは、スタッフィングボックスメカニカルシールとエンドフェースメカニカルシールに分けられます。エンドフェースメカニカルシールは、シール端面の数に基づいて、片面メカニカルシールと両面メカニカルシールに分けられます。
スタッフィングボックスメカニカルシールは、図に示すように、スタッフィングボックス本体、スタッフィングボトムライナー、スタッフィングカバー、およびクランプボルトで構成されています。
スタッフィングボックスメカニカルシール
パッキングボックスは、パッキングチャンバー内にパッキング材を充填し、カバーと締め付けボルトで圧縮してパッキング材とシャフトの密着性を確保し、密閉の目的を達成する方法です。
スタッフィング ボックス メカニカル シールの利点は、価格が安く、構造がシンプルで、メンテナンスが容易で、シャフトの加工精度に対する要件が低く、シャフトの摩耗が最小限であることです。
欠点としては、死角が多く、完全な殺菌が難しいこと、耐用年数が短い、漏れが大きい、密閉効果が悪い、細菌感染しやすい、メンテナンスが頻繁に行われる、発酵タンクではほとんど使用されない、などが挙げられます。
発酵タンクの温度と圧力の範囲に応じて、図に示すように、シングルエンドメカニカルシールが最も一般的に使用されます。
一般的に使用されるシングルエンドメカニカルシール構造
シングルエンドメカニカルシールの端面は、ダイナミックリングとスタティックリングという硬度の異なる 2 つの材料で作られています。
スタティックリングは、回転しない端面で発酵タンクに固定されており、シールガスケットを介して発酵タンクのメカニカルシールベースにしっかりと接着されており、スタティックリングと発酵タンクの接触部分で漏れが発生しないことを保証します。
ダイナミックリングはシャフトに取り付けられており、内部にはシャフトにしっかりと密着するシーリングガスケットがあり、ダイナミックリングとシャフト間の漏れを防止できます。ダイナミックリングの上部スプリングはダイナミックリングをスタティックリングに向かって押し付け、ダイナミックリングの滑らかな端面がスタティックリングの滑らかな端面に密着することを確保し、シールの目的を達成します。
シングルエンドメカニカルシールは、滑らかな接触面を確保するために、取り付け前後に十分に保護する必要があります。取り付け中は、可動リングと固定リングができるだけ傾かないようにしてください。
一般的に小型のメカニカルシールはタンク内部に設置され、このタイプではできるだけ構造が単純で死角の少ないメカニカルシールを選択する必要があります。大型のメカニカルシールは発酵タンクの外側に設置されるため、修理、調整、メンテナンスが容易です。
（５）空気分配装置
空気分配装置の主な機能は、滅菌空気を発酵タンクに吹き込み、滅菌空気を小さな泡に分散させて発酵液に完全に溶解させ、細菌の増殖に有益にすることです。
空気分配装置の一般的な形状は、図に示すように単管式と環状管式です。
円形チューブと単管エアディストリビューター
単管エアパイプは底部のミキシングブレードの下部まで伸びており、開口部は下向きになっており、パイプ内に材料が溜まったり、死角ができたりしないようにしています。同時に、下向きに吹き出す空気はタンクの底にある材料を吹き上げることができ、泡はミキシングブレードによってさらに粉砕され、良好な溶存酸素効果が得られます。空気出口の底とタンクの底の間の距離は、タンクのサイズによってわずかに異なります。
環状管タイプは、エアチューブの尾部に溶接されており、環状管は一般に閉円または開円です。環状管の底部と側面にはいくつかの小さな穴があり、すべての小さな穴の断面積の合計は、吸気管の断面積とほぼ等しくなります。
円形チューブディストリビューターは、一般的に容積の小さい発酵タンクに使用されます。小型発酵タンクは容積と高さの制限があり、発酵液中の空気の滞留時間が短くなります。そのため、エアリングディストリビューターを使用して空気を小さな泡に変えることは、溶存酸素の増加に効果的です。単管タイプは、大型発酵タンクに使用されます。
（６）熱交換装置
発酵タンクには殺菌と温度管理が必要であり、そのためには熱交換装置が必要です。発酵タンクに使用される熱交換装置には、主にジャケット、コイル、垂直コイル、垂直チューブなどがあります。
容積が5m3以下の発酵タンクではジャケットが一般的に使用され、容積が5m3以上のタンクではコイル、垂直コイル、垂直チューブが使用されます。
ジャケット上部の高さが発酵液の液面を超える場合は、計算は必要ありません。ジャケットには流入と流出があり、温度制御中は、図に示すように、ジャケットの下部から冷却水または温水が入り、上部から排出されます。
ジャケット熱交換装置と熱交換概略図
滅菌予熱時にはジャケットの高い位置から蒸気が入り、ジャケットの低い位置から凝縮水が排出されます。
ジャケットの利点：構造がシンプルで製造が簡単。タンク内に冷却装置がないため、死角を効果的に減らし、タンクの洗浄と殺菌を容易にします。
欠点としては、冷却水流量が低く、熱伝達が不均一で、発酵中の熱伝達効率が比較的低いことです。
コイルとは発酵タンク内部に設置される螺旋状のステンレス鋼配管システムで、入口と出口があり、熱伝達効率が高い。図（1）参照。
図（2）に示すように、発酵タンク内の垂直蛇行管の各セットは、多数の垂直ステンレス鋼管で構成されており、ステンレス鋼管は180°エルボを介して直列に接続され、溶接され、最終的に1つが入口で1つが出口である垂直蛇行管のセットを形成します。
一般的には4、6、8グループあり、具体的な数量とパイプ径はタンク本体のサイズと熱伝達要件に応じて決定されます。
垂直コイルはジャケットに比べて熱伝達効率が高く、熱伝達面積が大きく、熱伝達媒体の短絡問題がありません。また、スネークチューブは耐圧性が高く、比較的高圧の熱交換媒体を使用して熱伝達効率を向上させることができます。
垂直スネークチューブはバッフルとしても機能し、発酵タンク内にバッフルを設置する必要はありません。
しかし、スネークチューブ溶接の製造は比較的複雑で、溶接箇所が多く、溶接漏れの可能性が比較的高いため、漏れを修理することが困難です。
図（3）に示すように、発酵タンク内の各垂直管セットは、複数の垂直ステンレス鋼管で構成されており、入口パイプと排水パイプを介して平行に溶接され、最終的に1つの入口と1つの出口を持つ垂直管セットを形成します。
具体的な数量とパイプ径は、タンク本体のサイズと熱伝達要件に応じて決定されます。
縦管加工は簡単ですが、熱媒体の短絡問題があり、縦コイルに比べて熱伝達効率が低くなります。縦管はバッフルの役割も果たし、発酵タンク内にバッフルを設置する必要がありません。
（７）消泡装置
発酵液にはタンパク質など泡立ちやすい物質が含まれているため、発酵中に換気や撹拌の影響で泡が多く発生することがあります。泡が多くなりすぎると発酵タンクの排気口から排出され、液漏れの原因となり、発酵中に細菌感染の可能性が高まります。
発酵槽の消泡装置は、発酵中に発生する泡を物理的に除去する装置である。現在、主な消泡装置は消泡パドルである。消泡剤の効果が限られているため、多くの発酵槽が廃止されている。
消泡ブレードは、図に示すように、主に蛇状、鋸歯状、すくい歯状の形状で、物理的に泡を分解するために使用されます。
一般的な消泡剤
脱泡パドルは混合軸の上部に設置され、混合軸とともに回転します。泡が脱泡パドルの位置に到達すると、脱泡パドルが泡を破壊することができます。
要約する
バイオテクノロジーの発展と工業用発酵需要の継続的な増加に伴い、機械撹拌発酵タンクの設計と応用も常に最適化され、革新されています。
現在、発酵プロセスにおけるpH、温度、溶存酸素、撹拌速度などの重要なパラメータを正確に制御することで、微生物の代謝効率と製品の収量を大幅に向上させることができます。これらのパラメータ制御も、オンライン検査装置の発達により、より安定して正確になりました。
発酵タンクの構造は、発酵細菌の特性に応じてカスタマイズされ、この記事の発酵タンクの原理と構造と組み合わせて、さまざまな発酵条件を満たします。
さらに、発酵タンクの自動化およびインテリジェント制御システムにより、中央制御システムによるパラメータ制御により、より正確なプロセス制御を実現する可能性が提供されます。必要な空気量、温度、pH、供給速度などを設定するだけで、システムによって自動的に制御および調整されます。これらのテクノロジーにより、発酵プロセスの近代化と効率がさらに促進されます。