Les diferències en les estratègies de control de temperatura per a tancs de fermentació de diferents mides en processos de fermentació biològica

Introducció

La fermentació biològica és un procés que converteix les matèries primeres en productes objectiu a través de les activitats metabòliques dels microorganismes. S'aplica àmpliament en els camps de la indústria farmacèutica, l'alimentació, l'agricultura i la protecció del medi ambient. Durant el procés de fermentació, la temperatura és un paràmetre clau que afecta l'activitat microbiana, les vies metabòliques i la formació del producte. Hi ha diferències significatives en les estratègies de control de la temperatura entre les diferents escales de tancs de fermentació, que es manifesten principalment en l'eficiència de la conducció de calor, l'estructura del sistema de control, la velocitat de resposta, el control del consum d'energia i l'escala del procés. Aquest article analitzarà sistemàticament les diferències en les estratègies de control de la temperatura de tancs de fermentació a escala de laboratori, pilot i industrial, i les raons que les hi ha darrere, amb l'objectiu de proporcionar referències teòriques per a l'optimització i l'ampliació dels processos de fermentació.

I. El paper del control de la temperatura en el procés de fermentació

La temperatura afecta l'activitat enzimàtica de les cèl·lules microbianes, la permeabilitat de les membranes cel·lulars, la selecció de vies metabòliques i la velocitat de formació de productes. En la majoria dels processos de fermentació, el rang de temperatura òptim per als microorganismes és d'entre 20 i 40 graus Celsius. Superar aquest rang comportarà una disminució de l'eficiència metabòlica o fins i tot la mort cel·lular. Per tant, mantenir una temperatura adequada i estable és un requisit previ per garantir l'eficiència de la fermentació i la qualitat del producte.

El sistema de control de temperatura no només ha de mantenir la temperatura establerta de manera estable, sinó que també ha de tenir la capacitat de respondre ràpidament per gestionar reptes com ara canvis sobtats de calor (com ara una proliferació microbiana ràpida que genera una gran quantitat de calor metabòlica) durant el procés de fermentació.

II. Sistemes de control de temperatura de recipients de fermentació de diferents escales

1. Escala de laboratori (1L - 20L)

Recipients de fermentació a nivell de laboratori solen ser de mida més petita i tenen una ràpida taxa de generació i dissipació de calor. Els seus sistemes de control de temperatura són relativament senzills i generalment consten dels components següents:

• Sistema de calefacció: jaqueta de calefacció elèctrica o vareta de calefacció;
• Sistema de refrigeració: circulació d'aigua refrigerada a través d'una jaqueta o serpentins de refrigeració integrats;
• Sistema de control: sistema de regulació PID (proporcional-integral-derivatiu) connectat a termistors per controlar la commutació entre calefacció i refrigeració;
• Retroalimentació de temperatura: Els termoparells o termistors proporcionen senyals de temperatura en temps real.

A causa de la seva petita mida, la calor es distribueix uniformement i fàcilment, la resposta de control de temperatura és ràpida i l'estabilitat del sistema és alta. La fluctuació de temperatura generalment és de ±0,2 ℃.

2. Escala pilot (50L - 500L)

Recipients de fermentació a escala pilot s'utilitzen per a l'optimització de processos i la verificació d'escalat. La complexitat del sistema augmenta significativament:

• Mètode d'escalfament: Sistema de circulació d'aigua calenta a través d'una jaqueta o calefacció per vapor
• Mètode de refrigeració: Jaqueta de doble capa amb circulació d'aigua de refrigeració o serpentins de refrigeració interns;
• Equip de control de temperatura: normalment equipat amb un sistema de control PLC, que pot ajustar la proporció d'aigua freda/calenta;
• Punts de monitorització: Els sensors de temperatura es poden col·locar en diversos punts per controlar les diferències de temperatura en diferents parts del líquid.

En aquesta etapa, la distribució de la temperatura ja no és completament uniforme. Especialment en sistemes de fermentació d'alta viscositat o alta densitat cel·lular, es pot produir un sobreescalfament o un subrefredament local, per la qual cosa cal compensar-ho optimitzant l'eficiència de l'agitació i la capacitat de resposta del sistema de control.

3. Escala industrial (d'1 m³ a diverses desenes de m³)

Tancs de fermentació a escala industrial s'enfronten a més reptes en el control de la temperatura:

• Problema d'eficiència de transferència de calor: a mesura que augmenta el volum, la relació entre la superfície i el volum disminueix, cosa que dificulta la dissipació de la calor dins d'una unitat de volum;
• Acumulació ràpida de calor metabòlica: una alta concentració cel·lular i un metabolisme actiu provoquen una ràpida acumulació de calor;
• Sistema de refrigeració millorat: s'adopten múltiples sistemes com ara jaquetes multicapa, refrigeradors d'alta potència, serpentins de refrigeració i torres de refrigeració;
• Alt nivell d'automatització: els sistemes DCS (Sistema de Control Distribuït) o SCADA s'utilitzen per a la gestió del control de la temperatura, permetent el control de la temperatura per zona i l'ajust dinàmic;
• Augment de la inèrcia tèrmica: reacció més lenta, control de la temperatura retardat, per la qual cosa cal una predicció i un ajust primerencs;

A més, durant el disseny de tancs de fermentació a gran escala, es requereix la simulació CFD (Dinàmica de Fluids Computacional) per predir la distribució del camp de temperatura, guiant el disseny de les canonades de refrigeració i els agitadors.

III. Anàlisi de les diferències en les estratègies de control de temperatura

1. Velocitat de resposta del control de temperatura

El sistema a escala de laboratori respon ràpidament, completant l'ajust de la temperatura en pocs segons;

El sistema a escala pilot té una velocitat de resposta mitjana, que triga des de desenes de segons fins a diversos minuts;

El sistema a escala industrial té la resposta més lenta, que pot trigar diversos minuts o fins i tot més. Per tant, sovint s'adopta una estratègia predictiva (control predictiu).

Sistema de fermentació a escala industrial MIKEBIO

2. Diversitat de mètodes de control de temperatura

Per a sistemes a petita escala, la calefacció elèctrica i el control de l'aigua freda són els principals mètodes;

Per a sistemes a escala pilot i superiors, s'utilitza habitualment l'escalfament amb vapor i l'ajust de la proporció de la barreja d'aigua de refrigeració;

Per als tancs a escala industrial, es requereix un control multicanal i les fonts de fred/calor es canvien automàticament en funció de la temperatura ambiental, l'etapa de fermentació i els canvis de càrrega tèrmica.

3. Uniformitat de la distribució de la calor

Els dipòsits petits, a causa de la seva petita mida, poden aconseguir uniformitat de calor mitjançant l'agitació;

Els tancs a escala pilot han de combinar l'agitació amb un sistema de circulació de control de temperatura;

Els tancs industrials requereixen dissenys d'estructura interna més complexos, com ara la mesura de temperatura en múltiples punts, el flux d'agitació direccional i el refredament per capes, etc.

1. Dificultats en el control de la temperatura i les direccions d'optimització

IV. Relació entre el control de la temperatura i l'eficiència de la fermentació

La precisió del control directe de la temperatura afecta la taxa de creixement dels microorganismes i el tipus de metabòlits produïts. Per exemple, en la fermentació amb antibiòtics, un augment de la temperatura pot accelerar l'acumulació inicial de biomassa, però inhibir la formació de metabòlits secundaris. Per a processos on el producte de fermentació és una proteïna sensible a la temperatura, com ara els sistemes d'expressió de proteïnes recombinants, les desviacions de temperatura poden conduir a un plegament incorrecte de l'estructura de la proteïna o a la formació de cossos d'inclusió, reduint greument el rendiment del producte.

A més, durant l'escalat del procés, les diferències en les estratègies de control de la temperatura també són una de les principals raons per les quals les dades de laboratori són difícils de replicar en condicions industrials.

V. Conclusió

El control de la temperatura és un paràmetre clau en la fermentació de bioprocessos. Els recipients de fermentació de diferents mides requereixen estratègies de control de la temperatura específiques. La fermentació a petita escala se centra en la resposta ràpida i l'estabilitat, la mitjana escala requereix un equilibri entre la velocitat de resposta i la distribució uniforme de la temperatura, mentre que l'escala industrial requereix una alta automatització i una planificació sistemàtica. Amb el desenvolupament de tecnologies intel·ligents de fabricació i anàlisi de dades, els futurs sistemes de control de la temperatura seran més intel·ligents i precisos, proporcionant un fort suport per a processos de fermentació eficients i controlables.

D'altra banda, a l'hora d'escollir un fermentador de bioreactor, cal trobar un fabricant regular amb bona reputació i força, per tal de garantir la qualitat del producte. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. va ser fundada el 2008, se centra en equips de fermentació biològica investigació i desenvolupament, producció i vendes d'empreses d'alta tecnologia. La nostra empresa disposa d'una plataforma de fermentació pilot, integrada amb intel·ligència i automatització, i ha construït un sistema de fermentació madur, que pot aconseguir l'optimització del procés de fermentació pilot, posant en marxa el desenvolupament de tots els processos, des de la producció de fermentació pilot fins a la separació i purificació del producte de fermentació, i configurant una estació de treball mèdica i un laboratori modern.

La nostra empresa disposa d'una planta de producció estandarditzada, amb conjunts complets d'equips i eines necessàries per a la instal·lació, que inclouen principalment una varietat de màquines-eina, màquines de soldadura per arc d'argó automàtices, màquines de polit automàtices, màquines de tall automàtices i màquines de detecció de defectes, i més de 60 conjunts d'equips de producció i proves. Tot el procés de producció realitza un funcionament estàndard modern per oferir als clients una qualitat i un suport tècnic més professionals.