Type of Bio Reactor and Design

Polson Mahakhan; MIC431 Polson Mahakhan; MIC431 BioreactorsBioreactors 11

Type of bioreactor and Type of bioreactor and designdesign


วัตถุประสงควัตถุประสงค

•• รูจักชนิดของถังหมักแบบตางๆรูจักชนิดของถังหมักแบบตางๆ•• คุณสมบัติคุณสมบัติ •• คุณสมบัติพิเศษคุณสมบัติพิเศษ ((ลักษณะเดนลักษณะเดน))•• ความจําเพาะความจําเพาะ•• ขอดีขอดี ขอดอยขอดอย

อธิบายอธิบาย เปรียบเทียบเปรียบเทียบ ตัวอยางตัวอยาง


การออกแบบถังหมักการออกแบบถังหมัก reactor design reactor design

•• Weizman 1941Weizman 1941--19181918–– Clostridium acetobutylicumClostridium acetobutylicum --> acetone> acetone–– anaerobicanaerobic

•• 19301930--1940 Compressed yeast1940 Compressed yeast–– AerobicAerobic

•• 1943 Penicillin 1943 Penicillin --> submerged culture> submerged culture


สมบัติพื้นฐานของถังหมักสมบัติพื้นฐานของถังหมัก

•• แข็งแรงแข็งแรง ทนรอนทนรอน แรงดันแรงดัน•• มีระบบใหอากาศมีระบบใหอากาศ,, กวนที่ดีกวนที่ดี•• มีระบบควบคุมอุณหภูมิที่ดีมีระบบควบคุมอุณหภูมิที่ดี•• มีระบบควบคุมมีระบบควบคุม pHpH•• มีระบบควบคุมการเกิดฟองมีระบบควบคุมการเกิดฟอง•• มีที่เก็บตัวอยางโดยไมปนเปอนมีที่เก็บตัวอยางโดยไมปนเปอน•• มีการสูญเสียเนื่องจากการระเหยมีการสูญเสียเนื่องจากการระเหย

นอยนอย

•• ใชแรงงานนอยใชแรงงานนอย•• ใชกับกระบวนการหมักไดหลายใชกับกระบวนการหมักไดหลาย

ชนิดชนิด•• ดานในมีผิวเรียบดานในมีผิวเรียบ•• ปลอดเชื้อไดนานปลอดเชื้อไดนาน•• ทนตอการกัดกรอนทนตอการกัดกรอน,, ไมเปนพิษไมเปนพิษ•• ทําจากวัสดุราคาถูกทําจากวัสดุราคาถูก คุณภาพดีคุณภาพดี



การสรางถังหมักการสรางถังหมัก

•• วัสดุวัสดุ –– แกวแกว;; ถังขนาดเล็กถังขนาดเล็ก –– stainless stellstainless stell–– เคลือบเคลือบ แกวแกว–– phenolic epoxyphenolic epoxy–– คอนกรีตคอนกรีต–– ไมไม

•• การกวนการกวน,, ใบพัดใบพัด,, การใหอากาศการใหอากาศ,, การกําจัดฟองการกําจัดฟอง ((หัวขอถัดไปหัวขอถัดไป))



ขนาดของถังหมักขนาดของถังหมัก

•• Laboratory scale fermenterLaboratory scale fermenter–– 11--20 L, working volume 20 L, working volume ½½--15 L15 L

•• PilotPilot--plant scale fermenterplant scale fermenter–– 4040--200 L 200 L --> 1000 L> 1000 L

•• Factory scale fermenterFactory scale fermenter–– 20,000, 50,000, 500,000, 20,000, 50,000, 500,000,

2,500,000 L2,500,000 L



ระบบควบคุมการหมกัระบบควบคุมการหมกั

•• การใหอากาศการใหอากาศ (aeration)(aeration)•• การกวนการกวน ( (agitation)agitation)•• การควบคุมอณุหภูมิการควบคุมอณุหภูมิ ( (temperature cont.)temperature cont.)•• การควบคุมความเปนการควบคุมความเปน กรดกรด--ดางดาง ( (pH cont.)pH cont.)•• การควบคุมออกซเิจนการควบคุมออกซเิจน ( (oxygent cont.)oxygent cont.)•• การปองกนัฟองการปองกนัฟอง ( (antifoam control)antifoam control)







ถังหมักแบบตางๆถังหมักแบบตางๆ•• Packed towerPacked tower•• Tower fermenterTower fermenter•• WaldhofWaldhof--type fermentertype fermenter•• Acetator & cavitatorAcetator & cavitator•• Cyclone columnCyclone column•• CylindroCylindro--conical vesselconical vessel•• AirAir--lift fermenterlift fermenter•• DeepDeep--jet fermenterjet fermenter•• Rotating disc fermenterRotating disc fermenter


Packed towerPacked tower•• คอลัมนทรงกระบอกสูงคอลัมนทรงกระบอกสูง•• บรรจุสารเฉื่อยเปนชิน้ๆบรรจุสารเฉื่อยเปนชิน้ๆ

–– เศษไมเศษไม,, กิง่ไมกิง่ไม,, ถานหินถานหิน,, โพลเีอทธลินีโพลเีอทธลินี,, polystyrenepolystyrene•• เติมอาหารดานบนเติมอาหารดานบน,, เชื้อเจริญเปนแผนฟลมที่ผิววัสดุเฉื่อยเชื้อเจริญเปนแผนฟลมที่ผิววัสดุเฉื่อย•• เติมอาหารดานบนเติมอาหารดานบน และเก็บผลผลิตดานลางและเก็บผลผลิตดานลาง•• Generator Generator น้ําสมสายชูน้ําสมสายชู•• บําบดัน้ําเสยีบําบดัน้ําเสยี,, ปจจุบนัไมนยิมใชปจจุบนัไมนยิมใช•• ราคาถูกราคาถูก,, ไมตองดูแลรักษามากไมตองดูแลรักษามาก,, ใชพื้นทีน่อยใชพื้นทีน่อย



Tower fermenterTower fermenterถังหมักทรงสูงถังหมักทรงสูง((มากมาก)) ไมมีใบพดักวนไมมีใบพดักวน

•• อตัราสวนความสูงชวงอตัราสวนความสูงชวง tubular section tubular section ไมนอยไมนอยกวากวา 6:1 or total 10:16:1 or total 10:1

•• อาหารและอากาศเขาทางฐานอาหารและอากาศเขาทางฐาน ผลผลติออกดานบนผลผลติออกดานบน•• หมักแบบหมักแบบ batch batch และและ continuouscontinuous•• มีความซบัซอนมากมีความซบัซอนมาก ใชใช หมกัเบียรหมกัเบียร •• Besik 1973 Besik 1973 เติมอาหารดานบนเติมอาหารดานบน ใหอากาศทางฐานใหอากาศทางฐาน


Tower fermenterTower fermenter


WaldhofWaldhof--type fermentertype fermenter

•• หมักหมัก yeast yeast ในใน sulphite waste liqoursulphite waste liqour•• ใหอากาศโดยใหอากาศโดย rotating pinrotating pin--wheelwheel

–– ใบพัดรูปโคงใบพัดรูปโคง•• ตดิตั้งทอทรงกระบอกกลางถังหมกัตดิตั้งทอทรงกระบอกกลางถังหมกั

–– ดูดอากาศจากผิวหนาอาหารดูดอากาศจากผิวหนาอาหาร,, ลดการเกิดฟองลดการเกิดฟอง


WaldhofWaldhof--type fermentertype fermenter

Rotating pinRotating pin--wheelwheel


AcetatorAcetator

•• Frings generatorFrings generator•• Heindrich Frings Heindrich Frings ออกแบบออกแบบ•• หมักน้ําสมสายชูหมักน้ําสมสายชู โดยโดย AcetobacterAcetobacter•• ตองการออกซิเจนมากกวาปกติตองการออกซิเจนมากกวาปกติ•• ดดูอากาศโดยดดูอากาศโดย selfself--priming aeratorpriming aerator•• ใชวิธีกลใชวิธีกล ในการกําจดัฟองในการกําจดัฟอง เพราะวิธีใชสารเคมีมีผลกระทบเพราะวิธีใชสารเคมีมีผลกระทบ


SelfSelf--priming aeratorpriming aeratorFrings generatorFrings generator



CavitatorCavitator

•• หมักน้ําสมสายชูหมักน้ําสมสายชู•• กลางถังมีปลายทอเปดกลางถังมีปลายทอเปด•• ชวยใหอากาศมีการกระจายชวยใหอากาศมีการกระจายตัวสม่าํเสมอตัวสม่าํเสมอ

•• เครื่องกวนมหีลายแบบเครื่องกวนมหีลายแบบ แตแตคลายกับคลายกับ acetatoracetator


Cyclone columnCyclone column

•• ใชกับจลุินทรียที่เปนเสนสายใชกับจลุินทรียที่เปนเสนสาย•• เติมอาหารและอากาศเติมอาหารและอากาศ ใกลฐานใกลฐาน•• ปลอยแกสออกทางดานบนปลอยแกสออกทางดานบน•• มีการหมุนเวียนอาหารมีการหมุนเวียนอาหาร จากดานลางสูจากดานลางสู

ดานบนดานบน•• มีการแลกเปลี่ยนแกสไดดีมีการแลกเปลี่ยนแกสไดดี ไมเกิดฟองไมเกิดฟอง •• ไมมีการเจริญของจุลินทรียติดผนังคอลัมนไมมีการเจริญของจุลินทรียติดผนังคอลัมน


CylindroCylindro--conical vesselconical vessel

•• Nathan 1930 Nathan 1930 ใชหมักเบียรใชหมักเบียร•• 1960 1960 นิยมใชมากขึ้นนิยมใชมากขึ้น•• ทรงกระบอกทรงกระบอก ฐานแหลมฐานแหลม มีแจคเกตหลอเย็นลอมรอบมีแจคเกตหลอเย็นลอมรอบ•• สูงสูง 2222--25 m 25 m ∅∅ 6 m 6 m ความจุความจุ 450450,,000 000 ลิตรลิตร•• ลดเวลาหมักลดเวลาหมัก 4040--48 h48 h, , ของเหลวผสมกันไดดีของเหลวผสมกันไดดี•• เอาตะกอนยีสตออกไดงายเอาตะกอนยีสตออกไดงาย จากโครงสรางรูปกรวยจากโครงสรางรูปกรวย•• ลดเวลาในการบมโดยเติมคารบอนไดออกไซดในถังหมักลดเวลาในการบมโดยเติมคารบอนไดออกไซดในถังหมัก


CylindroCylindro--conical vesselconical vessel



AirAir--lift fermenterlift fermenter

•• พัฒนาจากการผลติพัฒนาจากการผลติ single cell protein single cell protein จากจาก methanol methanol ปกตติองใชการกวนและใหอากาศสูงมากปกตติองใชการกวนและใหอากาศสูงมาก

•• มีปญหาในการระบายความรอนมีปญหาในการระบายความรอน•• AirAir--lift lift ไมมีใบพดัไมมีใบพดั สูงมากสูงมาก 45 m45 m

–– Outer loop < inner loopOuter loop < inner loop–– อาศัยความถวงจําเพาะที่แตกตางกันของของเหลวที่มอีากาศผสมอยูอาศัยความถวงจําเพาะที่แตกตางกันของของเหลวที่มอีากาศผสมอยูในปริมาณที่แตกตางกันในปริมาณที่แตกตางกัน


AirAir--lift fermenterlift fermenter

Outer loopOuter loop Inner loopInner loop



DeepDeep--jet fermenterjet fermenter

•• ใชเลี้ยงเชื้อแบบตอเนือ่งใชเลี้ยงเชื้อแบบตอเนือ่ง•• ใชปมหมุนเวียนอาหารผานใชปมหมุนเวียนอาหารผานไปยังไปยัง air air entrainer entrainer แลวแลวไหลวนกลับสูถังหมักไหลวนกลับสูถังหมัก


Rotating disc fermenterRotating disc fermenter

•• ใชในระบบบาํบัดน้าํเสียใชในระบบบาํบัดน้าํเสีย•• ใชกับจลุนิทรียที่เจริญเปนแผนฟลมบนแผนใชกับจลุนิทรียที่เจริญเปนแผนฟลมบนแผน discdisc•• Anderson & Blain 1980 Anderson & Blain 1980

–– Polypropylene disc, 40 LPolypropylene disc, 40 L–– Aspergillus, Rhizopus, Mucor, Aspergillus, Rhizopus, Mucor,

PenicilliumPenicillium–– ผลิตผลิต citric acid citric acid โดยโดย A. nigerA. niger, 80g/l, 80g/l



สรุปสรุป

•• สวนประกอบสําคัญของถังหมักสวนประกอบสําคัญของถังหมัก•• หนาที่หนาที่,, การทํางานของสวนประกอบการทํางานของสวนประกอบ•• ชนดิของถังหมักชนดิของถังหมัก และสมบตัิและสมบตัิ

Documents

Type of Bio Reactor and Design