Разликите в стратегиите за контрол на температурата за ферментационни резервоари с различни размери в процесите на биологична ферментация

Въведение

Биологичната ферментация е процес, който преобразува суровините в целеви продукти чрез метаболитната активност на микроорганизмите. Той се прилага широко в областта на фармацевтиката, храните, селското стопанство и опазването на околната среда. По време на процеса на ферментация температурата е ключов параметър, който влияе върху микробната активност, метаболитните пътища и образуването на продукта. Съществуват значителни разлики в стратегиите за контрол на температурата между различните мащаби на ферментационните резервоари, които се проявяват главно в ефективността на топлопроводимостта, структурата на системата за контрол, скоростта на реакция, контрола на консумацията на енергия и мащабирането на процеса. Тази статия ще анализира систематично разликите в стратегиите за контрол на температурата. ферментационни резервоари в лабораторни, пилотни и промишлени мащаби, както и причините за тях, с цел предоставяне на теоретични справки за оптимизиране и мащабиране на ферментационните процеси.

I. Ролята на контрола на температурата в процеса на ферментация

Температурата влияе върху ензимната активност на микробните клетки, пропускливостта на клетъчните мембрани, избора на метаболитни пътища и скоростта на образуване на продукти. В повечето ферментационни процеси оптималният температурен диапазон за микроорганизмите е между 20 и 40 градуса по Целзий. Превишаването на този диапазон ще доведе до намаляване на метаболитната ефективност или дори до клетъчна смърт. Следователно, поддържането на подходяща и стабилна температура е предпоставка за осигуряване на ефективност на ферментацията и качество на продукта.

Системата за контрол на температурата не само трябва да поддържа зададената температура стабилно, но и да може да реагира бързо, за да се справи с предизвикателства като внезапни промени в температурата (като бърза микробна пролиферация, генерираща голямо количество метаболитна топлина) по време на процеса на ферментация.

II. Системи за контрол на температурата на ферментационни съдове с различен мащаб

1. Лабораторна везна (1 л - 20 л)

Ферментационни съдове на лабораторно ниво обикновено са по-малки по размер и имат бърза скорост на генериране и разсейване на топлина. Техните системи за контрол на температурата са сравнително прости и обикновено се състоят от следните компоненти:

• Отоплителна система: Електрическа нагревателна риза или нагревателен прът;
• Охладителна система: Циркулация на охладена вода през кожух или вградени охлаждащи серпентини;
• Система за управление: PID (пропорционално-интегрално-деривативна) система за регулиране, свързана с термистори за управление на превключването между отопление и охлаждане;
• Обратна връзка за температурата: Термодвойките или термисторите осигуряват температурни сигнали в реално време.

Поради малкия си размер, топлината се разпределя равномерно лесно, реакцията на температурния контрол е бърза, а стабилността на системата е висока. Температурните колебания обикновено са в рамките на ±0,2℃.

2. Пилотен кантар (50L - 500L)

Ферментационни съдове в пилотен мащаб се използват за оптимизация на процесите и проверка на мащаба. Сложността на системата се увеличава значително:

• Метод на нагряване: Система за циркулация на топла вода чрез кожух или парно нагряване
• Метод на охлаждане: Двуслойна обвивка с циркулация на охлаждаща вода или вътрешни охлаждащи серпентини;
• Оборудване за контрол на температурата: Обикновено е оборудвано с PLC система за управление, която може да регулира съотношението студена/топла вода;
• Точки за мониторинг: Температурните сензори могат да бъдат поставени на множество точки, за да се следят температурните разлики в различните части на течността.

На този етап разпределението на температурата вече не е напълно равномерно. Особено при ферментационни системи с висок вискозитет или висока клетъчна плътност може да възникне локално прегряване или преохлаждане, така че е необходимо да се компенсира чрез оптимизиране на ефективността на разбъркване и способността за реакция на системата за управление.

3. Индустриален мащаб (от 1 м³ до няколко десетки м³)

Ферментационни резервоари в индустриален мащаб са изправени пред повече предизвикателства при контрола на температурата:

• Проблем с ефективността на топлопреноса: С увеличаването на обема съотношението на повърхността към обема намалява, което затруднява разсейването на топлината в рамките на единица обем;
• Бързо натрупване на метаболитна топлина: Високата клетъчна концентрация и активният метаболизъм водят до бързо натрупване на топлина;
• Подобрена охладителна система: Използват се множество системи, като многослойни обвивки, мощни охладители, охлаждащи серпентини и охладителни кули;
• Високо ниво на автоматизация: DCS (разпределена система за управление) или SCADA системи се използват за управление на температурния контрол, което позволява контрол на температурата в зоните и динамично регулиране;
• Повишена топлинна инерция: По-бавна реакция, забавен контрол на температурата, което изисква ранно прогнозиране и коригиране;

Освен това, по време на проектирането на големи ферментационни резервоари, е необходима CFD (Изчислителна флуидна динамика) симулация, за да се предвиди разпределението на температурното поле, което да насочва разположението на охлаждащите тръбопроводи и проектирането на бъркалките.

III. Анализ на разликите в стратегиите за контрол на температурата

1. Скорост на реакция на контрола на температурата

Лабораторната система реагира бързо, като завършва регулирането на температурата в рамките на няколко секунди;

Системата в пилотен мащаб има средна скорост на реакция, която отнема от десетки секунди до няколко минути;

Системата в индустриален мащаб има най-бавната реакция, която може да отнеме няколко минути или дори повече. Поради това често се прилага прогнозна стратегия (предсказуемо управление).

MIKEBIO ферментационна система в индустриален мащаб

2. Разнообразие от методи за контрол на температурата

За малки системи, електрическото отопление и контролът на студената вода са основните методи;

За пилотни и по-големи системи обикновено се използва парно нагряване и регулиране на съотношението на охлаждащата вода в сместа;

За резервоари с промишлен мащаб е необходимо многоканално управление, а източниците на студена/топла вода се превключват автоматично въз основа на температурата на околната среда, етапа на ферментация и промените в топлинното натоварване.

3. Равномерност на разпределението на топлината

Малките резервоари, поради малкия си размер, могат да постигнат равномерност на топлината чрез разбъркване;

Резервоарите в пилотен мащаб трябва да комбинират разбъркване със система за циркулация с контрол на температурата;

Индустриалните резервоари изискват по-сложни вътрешни структурни решения, като например многоточково измерване на температурата, насочен разбъркващ поток и слоесто охлаждане и др.

1. Трудности при контрола на температурата и насоките за оптимизация

IV. Връзка между контрола на температурата и ефективността на ферментацията

Точността на директния контрол на температурата засяга скоростта на растеж на микроорганизмите и вида на произведените метаболити. Например, при ферментацията с антибиотици, повишаването на температурата може да ускори първоначалното натрупване на биомаса, но да потисне образуването на вторични метаболити. При процеси, при които продуктът на ферментацията е температурно чувствителен протеин, като например рекомбинантни протеинови експресионни системи, отклоненията в температурата могат да доведат до неправилно сгъване на протеиновата структура или образуване на включени тела, което силно намалява добива на продукта.

Освен това, по време на мащабирането на процеса, разликите в стратегиите за контрол на температурата са също една от основните причини, поради които лабораторните данни са трудни за възпроизвеждане в промишлени условия.

V. Заключение

Контролът на температурата е ключов параметър при биотехнологичната ферментация. Съдовете за ферментация с различни размери изискват целенасочени стратегии за контрол на температурата. Ферментацията в малък мащаб се фокусира върху бързата реакция и стабилност, средният мащаб изисква баланс между скоростта на реакция и равномерното разпределение на температурата, докато индустриалният мащаб изисква висока автоматизация и систематично планиране. С развитието на интелигентните технологии за производство и анализ на данни, бъдещите системи за контрол на температурата ще бъдат по-интелигентни и прецизни, осигурявайки силна подкрепа за ефективни и контролируеми ферментационни процеси.

От друга страна, при избора на биореактор ферментатор, е необходимо да се намери редовен производител с добра репутация и сила, за да се гарантира качеството на продукта. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. е създадена през 2008 г. и е фокусирана върху оборудване за биологична ферментация научноизследователска и развойна дейност, производство и продажби на високотехнологични предприятия. Нашата компания разполага с пилотна ферментационна платформа, интегрирана с интелигентност и автоматизация, и е изградила зряла ферментационна система, която може да реализира оптимизация на пилотния ферментационен процес, да въведе в експлоатация разработването на всички технологични процеси - от пилотното ферментационно производство до отделянето и пречистването на ферментационните продукти, както и да изгради лекарско работно място и модерна лаборатория.

Нашата компания разполага със стандартизиран производствен завод, с пълен комплект оборудване и инструменти, необходими за монтаж, включително главно разнообразие от машинни инструменти, автоматична машина за аргонова дъга, автоматична машина за полиране, автоматична машина за рязане и машина за откриване на дефекти, както и повече от 60 комплекта производствено и тестово оборудване. Производственият процес реализира съвременна стандартна работа, за да осигури на клиентите по-професионално качество и техническа поддръжка.