E differenze in e strategie di cuntrollu di a temperatura per i serbatoi di fermentazione di diverse dimensioni in i prucessi di fermentazione biologica

Introduzione

A fermentazione biologica hè un prucessu chì cunverte e materie prime in prudutti bersagliu per via di l'attività metaboliche di i microorganismi. Hè largamente applicata in i campi di a farmaceutica, di l'alimentazione, di l'agricultura è di a prutezzione ambientale. Durante u prucessu di fermentazione, a temperatura hè un parametru chjave chì influenza l'attività microbica, e vie metaboliche è a furmazione di u produttu. Ci sò differenze significative in e strategie di cuntrollu di a temperatura trà e diverse scale di serbatoi di fermentazione, manifestate principalmente in l'efficienza di a conduzione di u calore, a struttura di u sistema di cuntrollu, a velocità di risposta, u cuntrollu di u cunsumu energeticu è a scalatura di u prucessu. Questu articulu analizzerà sistematicamente e differenze in e strategie di cuntrollu di a temperatura di serbatoi di fermentazione à scala di laburatoriu, pilotu è industriale, è e ragioni daretu à elli, cù l'ubbiettivu di furnisce riferimenti teorichi per l'ottimisazione è l'espansione di i prucessi di fermentazione.

I. U rolu di u cuntrollu di a temperatura in u prucessu di fermentazione

A temperatura influenza l'attività enzimatica di e cellule microbiche, a permeabilità di e membrane cellulari, a selezzione di e vie metaboliche è a velocità di furmazione di i prudutti. In a maiò parte di i prucessi di fermentazione, l'intervallu di temperatura ottimale per i microorganismi hè trà 20 è 40 gradi Celsius. Superà questu intervallu porterà à una diminuzione di l'efficienza metabolica o ancu à a morte cellulare. Dunque, mantene una temperatura adatta è stabile hè un prerequisitu per assicurà l'efficienza di a fermentazione è a qualità di u pruduttu.

U sistema di cuntrollu di a temperatura ùn hà micca solu bisognu di mantene a temperatura impostata stabilmente, ma deve ancu avè a capacità di risponde rapidamente per trattà sfide cum'è cambiamenti di calore bruschi (cum'è a rapida proliferazione microbica chì genera una grande quantità di calore metabolicu) durante u prucessu di fermentazione.

II. Sistemi di cuntrollu di a temperatura di vasi di fermentazione di diverse scale

1. Bilancia di laburatoriu (1L - 20L)

Recipienti di fermentazione à livellu di laburatoriu sò generalmente di dimensioni più chjuche è anu una rapida generazione è dissipazione di calore. I so sistemi di cuntrollu di a temperatura sò relativamente simplici è generalmente consistenu in i seguenti cumpunenti:

• Sistema di riscaldamentu: Giacca di riscaldamentu elettrica o asta di riscaldamentu;
• Sistema di raffreddamentu: Circulazione di l'acqua raffreddata attraversu una giacca o serpentine di raffreddamentu integrate;
• Sistema di cuntrollu: Sistema di regulazione PID (Proporzionale-Integrale-Derivativa) cunnessu à termistori per cuntrullà a commutazione trà riscaldamentu è raffreddamentu;
• Feedback di temperatura: E termocoppie o i termistori furniscenu signali di temperatura in tempu reale.

A causa di a so piccula dimensione, u calore hè distribuitu uniformemente facilmente, a risposta di cuntrollu di a temperatura hè rapida è a stabilità di u sistema hè alta. A fluttuazione di a temperatura hè generalmente in ± 0,2 ℃.

2. Scala pilota (50L - 500L)

Recipienti di fermentazione à scala pilota sò aduprati per l'ottimisazione di u prucessu è a verificazione di scalabilità. A cumplessità di u sistema aumenta significativamente:

• Metudu di riscaldamentu: Sistema di circulazione d'acqua calda per mezu di una giacca o di riscaldamentu à vapore
• Metudu di raffreddamentu: Giacca à doppia strata cù circulazione d'acqua di raffreddamentu o bobine di raffreddamentu interne;
• Attrezzatura di cuntrollu di a temperatura: Di solitu dotata di un sistema di cuntrollu PLC, chì pò aghjustà u rapportu acqua fredda / calda;
• Punti di monitoraghju: I sensori di temperatura ponu esse piazzati in parechji punti per monitorà e differenze di temperatura in diverse parti di u liquidu.

À questu stadiu, a distribuzione di a temperatura ùn hè più cumpletamente uniforme. In particulare in i sistemi di fermentazione à alta viscosità o alta densità cellulare, pò accade un surriscaldamentu o un sottoraffreddamentu lucale, dunque hè necessariu cumpensà ottimizendu l'efficienza di l'agitazione è a capacità di risposta di u sistema di cuntrollu.

3. Scala industriale (da 1 m³ à parechje decine di m³)

Serbatoi di fermentazione à scala industriale affrontanu più sfide in u cuntrollu di a temperatura:

• Prublema di efficienza di trasferimentu di calore: Quandu u vulume aumenta, u rapportu trà a superficia è u vulume diminuisce, rendendu più difficiule a dissipazione di u calore in un vulume unitariu;
• Accumulazione rapida di calore metabolicu: L'alta concentrazione cellulare è u metabolismu attivu portanu à una rapida accumulazione di calore;
• Sistema di raffreddamentu miglioratu: Sò aduttati parechji sistemi cum'è giacche multistratu, refrigeratori d'alta putenza, serpentine di raffreddamentu è torri di raffreddamentu;
• Altu livellu di automatizazione: i sistemi DCS (Sistema di Cuntrollu Distribuitu) o SCADA sò aduprati per a gestione di u cuntrollu di a temperatura, chì permettenu u cuntrollu di a temperatura di zona è l'aghjustamentu dinamicu;
• Aumentu di l'inerzia termica: Reazione più lenta, cuntrollu di a temperatura ritardatu, chì richiede dunque una previsione è un adattamentu precoci;

Inoltre, durante a cuncepzione di serbatoi di fermentazione à grande scala, a simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) hè necessaria per prevede a distribuzione di u campu di temperatura, guidendu u layout di e tubazioni di raffreddamentu è a cuncepzione di l'agitatori.

III. Analisi di e Differenze in e Strategie di Cuntrollu di a Temperatura

1. Velocità di risposta di u cuntrollu di a temperatura

U sistema à scala di laburatoriu risponde rapidamente, cumpletendu l'aghjustamentu di a temperatura in pochi secondi;

U sistema à scala pilota hà una velocità di risposta media, chì piglia decine di secondi à parechji minuti;

U sistema à scala industriale hà a risposta a più lenta, chì pò piglià parechji minuti o ancu di più. Dunque, una strategia predittiva (cuntrollu predittivu) hè spessu aduttata.

Sistema di fermentazione à scala industriale MIKEBIO

2. Diversità di i metudi di cuntrollu di a temperatura

Per i sistemi à piccula scala, u riscaldamentu elettricu è u cuntrollu di l'acqua fredda sò i metudi principali;

Per i sistemi à scala pilota è superiori, u riscaldamentu à vapore è l'aghjustamentu di u rapportu di miscela d'acqua di raffreddamentu sò cumunimenti usati;

Per i serbatoi à scala industriale, hè necessariu un cuntrollu multicanale, è e fonti fredde/calde sò cambiate automaticamente in basa à a temperatura ambientale, a fase di fermentazione è i cambiamenti di carica termica.

3. Uniformità di a distribuzione di u calore

I picculi serbatoi, per via di a so piccula dimensione, ponu ottene uniformità di u calore per mezu di l'agitazione;

I serbatoi à scala pilota anu bisognu di cumbinà l'agitazione cù un sistema di circulazione di cuntrollu di temperatura;

I serbatoi industriali necessitanu disinni di strutture interne più cumplessi, cum'è a misurazione di a temperatura à più punti, u flussu di agitazione direzionale è u raffreddamentu à strati, ecc.

1. Difficultà in u cuntrollu di a temperatura è l'indicazioni di ottimizazione

IV. Relazione trà u cuntrollu di a temperatura è l'efficienza di a fermentazione

A precisione di u cuntrollu di a temperatura direttamente affetta u ritmu di crescita di i microorganismi è u tipu di metaboliti prudutti. Per esempiu, in a fermentazione antibiotica, un aumentu di a temperatura pò accelerà l'accumulazione iniziale di biomassa, ma inibisce a furmazione di metaboliti secundarii. Per i prucessi induve u pruduttu di fermentazione hè una proteina sensibile à a temperatura, cum'è i sistemi d'espressione di proteine ​​ricombinanti, e deviazioni di temperatura ponu purtà à un piegamentu incorrettu di a struttura di a proteina o à a furmazione di corpi d'inclusione, riducendu severamente u rendimentu di u pruduttu.

Inoltre, durante l'espansione di u prucessu, e differenze in e strategie di cuntrollu di a temperatura sò ancu una di e ragioni principali per chì i dati di laburatoriu sò difficiuli da replicà in cundizioni industriali.

V. Cunclusione

U cuntrollu di a temperatura hè un parametru chjave in a fermentazione di bioprocessu. I recipienti di fermentazione di diverse dimensioni richiedenu strategie mirate di cuntrollu di a temperatura. A fermentazione à piccula scala si concentra nantu à una risposta rapida è a stabilità, a media scala richiede un equilibriu trà a velocità di risposta è a distribuzione uniforme di a temperatura, mentre chì a scala industriale richiede una alta automatizazione è una pianificazione sistematica. Cù u sviluppu di tecnulugie intelligenti di fabricazione è analisi di dati, i futuri sistemi di cuntrollu di a temperatura saranu più intelligenti è precisi, furnendu un forte supportu per prucessi di fermentazione efficienti è cuntrollabili.

D’altronde, quandu si sceglie un fermentatore di bioreattore, hè necessariu truvà un fabricatore regulare cù una bona reputazione è forza, per assicurà a qualità di u pruduttu. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. hè stata fundata in u 2008, hè un focus nantu à apparecchiature di fermentazione biologica ricerca è sviluppu, pruduzzione è vendita di imprese high-tech. A nostra sucietà hà una piattaforma di fermentazione pilota, chì hè integrata cù l'intelligenza è l'automatizazione, è hà custruitu un sistema di fermentazione maturu, chì pò realizà l'ottimisazione di u prucessu di fermentazione pilota, cummissionendu u sviluppu di tutti i prucessi di prucessu da a pruduzzione di fermentazione pilota à a separazione è a purificazione di i prudutti di fermentazione, è installendu una stazione di travagliu medica è un laburatoriu mudernu.

A nostra sucietà hà una pianta di pruduzzione standardizata, cù insemi cumpleti di equipaggiamenti è strumenti necessarii per l'installazione, cumprese principalmente una varietà di macchine utensili, macchina automatica di saldatura à arcu d'argon, macchina di lucidatura automatica, macchina di taglio automatica è macchina di rilevazione di difetti è più di 60 insemi di equipaggiamenti di pruduzzione è di prova, u prucessu di pruduzzione realizà tuttu un funziunamentu standard mudernu, per furnisce à i clienti una qualità più prufessiunale è un supportu tecnicu.