تُعتبر شفرات التحريك في المفاعلات الحيوية مكوناتً حاسمةً، مسؤولةً عن توليد الحركة السائلة والخلط اللازمين لعملية التخمير الفعّالة. تشمل وظائفها الرئيسية ما يلي:

الخلط المتجانس وانتقال الكتلة

• توزّع الركيزة والمغذيات والخلايا بشكلٍ متساوٍ داخل الوعاء.

• تعزّز نقل الأكسجين (kLa) عبر تفريق فقاعات الغاز في الوسط.

انتقال الحرارة والتحكم في درجة الحرارة

• تنقل الحرارة الناتجة عن الأيض بشكلٍ منتظم لمنع تكون النقاط الساخنة.

• تحسّن التلامس مع أغطية التدفئة أو التبريد والملفات.

تشتت الغاز

• تكسر الهواء أو الأكسجين الداخل إلى فقاعات دقيقة، مما يزيد من مساحة السطح بين السائل والغاز.

إدارة القص (الإجهاد الميكانيكي)

• يجب مطابقة نوع الشفرة وسرعتها مع تحمل الخلايا.

• تحمي التصاميم منخفضة القص (مثل المجداف والشريط الحلزوني) الخلايا الثديية الحساسة، بينما تتحمّل الخلايا المتينة الشفرات عالية القص (مثل توربين الريشة المسطحة).

المعايير الرئيسية للاختيار

نمط الجريان

• شفرات التدفق الشعاعي (مثل توربين Rushton) : اضطراب عالٍ وتشتت ممتاز للغاز

• شفرات التدفق المحوري (مثل المروحة البحرية) : دوران داخلي قوي واستهلاك طاقة منخفض

اللزوجة والكثافة

• الأوساط منخفضة اللزوجة تناسب التوربينات عالية السرعة أو المراوح

• الأوساط عالية اللزوجة تتطلب شريطًا حلزونيًا أو شفرة المرساة

حساسية القص

• الثقافات البكتيرية أو الخميرية المتينة تتحمّل القص العالي

• الخلايا الثديية الهشة تحتاج إلى شفرات مجداف أو منخفضة القص

الحجم وكثافة الطاقة

• للمفاعلات المخبرية الصغيرة مقابل الخزانات الصناعية الكبيرة متطلبات مختلفة لنسبة الطاقة إلى الحجم

أنواع الشفرات الشائعة

• توربين Rushton (ذو الريشة المسطحة): ممتاز في تشتت الغاز وشدة الخلط

• المروحة البحرية: توفر تدفقًا محوريًا ودورانًا جماعيًا فعّالًا من حيث الطاقة

• شفرة المجداف: خلط لطيف وإجهاد قص منخفض

• الشريط الحلزوني: مثالي للسوائل والمواد المعلقة عالية اللزوجة

• شفرة المرساة: تقشر جدار الوعاء لمنع ترسيب الأوساط عالية اللزوجة

معايير الاختيار التفصيلية

اللزوجة

• منخفضة (كاللماء): توربين Rushton، المروحة البحرية

• متوسطة (كالشراب): شفرات مقعرة، شفرات قابلة للتعديل

• عالية (كالهلام/العجينة): الشريط الحلزوني، شفرة المرساة

حساسية القص

• قص منخفض مطلوب: مجـداف، شريط حلزوني، مرساة

• شدة خلط عالية مطلوبة: توربين Rushton، توربين الأقراص

تشتت الغاز ونقل الأكسجين

• نقل عالي للأكسجين: توربين Rushton

• نقل متوسط: شفرات مقعرة، شفرات قابلة للتعديل

كفاءة الطاقة

• استهلاك طاقة منخفض: المروحة البحرية، مفاعلات رفع الغاز

• أقصى خلط: التوربينات