常見生物反應器槳葉類型及應用
時間：2022.06.17
在設計生物反應器中，槳葉的具有雙重的作用，一方面轉動的槳葉能夠帶動反應器內液體運動，進而實現液體內物質的混合，利于整個反應器內細胞吸收營養物質。另一方面槳葉轉動導致流體內部速度梯度的形成，進而產生剪切力，當剪切力到達一定值時會造成細胞損傷，不利于細胞培養。槳葉的結構和轉速決定了反應器內的混合效果和產生的剪切力大小，這兩個因素往往互相矛盾，即混合效果好時產生的剪切力大，混合效果差時產生的剪切力小，如何在保證混合效果的情況下，使攪拌產生的剪切力最小是生物反應器槳葉設計的關鍵所在。
按照攪拌引起液體流動的狀態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。
當液流從攪拌槳軸推向罐體內壁便形成徑向流，當液流沿攪拌槳軸上下推動便形成軸向流，同理當攪拌槳帶動液體既有徑向流動又有軸向流動時便為混合流。
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按照攪拌引起液體流動的狀態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。
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目前徑向流槳葉的代表是Rushton槳葉
現今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的流場，產生的剪切力較大，由于只是產生單向流，所以混合效果也較差，可處理料液的粘度范圍最廣，通常使用時轉速范圍為100~600rpm。基于以上優點，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，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胞系培養，如酵母、細菌、植物細胞以及某些霉菌。 |
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軸向流槳葉的代表槳葉是螺旋攪拌槳
也被稱為推進式攪拌槳，如圖所示。槳葉前面可為平面或凹面，但背面都是凹面。在旋轉時使液體向前方呈軸向流排出，使之在罐內形成循環，用于產生軸向流。這種槳葉循環速度較高，但是循環量較大，攪拌時產生的剪切力較小，但其和徑向流槳葉一樣，均是產生的單向流，因此混合效果較差，常用于低粘度流體，常用轉速范圍為100~500rpm。此類槳式及推進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。 |
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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，能同時產生軸向流和徑向流。這種組合流能夠實現較好的混合效果，而且產生的剪切力也較小，工作時的轉速一般不高，為 1~100rpm左右，用于低粘度流體。當扇面寬度為120°、槳葉與軸間夾角為45°和槳葉直徑與罐體內徑比為1:3 時，Elephant Ear 槳葉流場混合性能較好，對細胞的損傷也較小，適于動物細胞的培養。 |
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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。 其主要用途為： 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。 |
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然而，槳式葉輪不適用于氣液分散那樣保持氣體和以細微化為目的的操作。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，或者使用如左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；使用的轉速為20~100r/min。
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