Wie man die Fermentationsbedingungen (pH-Wert, Temperatur, gelöster Sauerstoff) während der biologischen Fermentation optimiert

Die biologische Fermentation ist eine wichtige Biotechnologie, bei der Mikroorganismen unter spezifischen Umweltbedingungen Rohstoffe durch ihre Stoffwechselaktivität in Zielprodukte (wie Antibiotika, Aminosäuren, Enzyme, Alkohol usw.) umwandeln. pH-Wert, Temperatur und gelöster Sauerstoff sind während des Fermentationsprozesses die Schlüsselfaktoren, die das Wachstum der Mikroorganismen, die Synthese der Stoffwechselprodukte und die Endausbeute beeinflussen. Die Optimierung dieser Bedingungen kann nicht nur die Fermentationseffizienz steigern, sondern auch die Produktionskosten senken und die Stabilität und Kontrollierbarkeit der industriellen Produktion gewährleisten.

I. Optimierung des pH-Werts

1. Der Einfluss des pH-Werts auf Wachstum und Stoffwechsel von Mikroorganismen

Der pH-Wert beeinflusst die Durchlässigkeit der Zellmembran, die Aktivität von Enzymen und die Richtung von Stoffwechselwegen. Die meisten Mikroorganismen haben einen optimalen pH-Bereich. Weicht die Umgebung von diesem optimalen pH-Wert ab, sinkt die Enzymaktivität der Mikroorganismen, ihr Stoffwechsel wird beeinträchtigt, und die Zellen sterben sogar ab. Beispielsweise liegt der optimale pH-Wert für Hefen zwischen 4,0 und 5,5, Aktinomyzeten gedeihen in neutralen oder leicht alkalischen Umgebungen, während Milchsäurebakterien eher saure Umgebungen bevorzugen.

2. Strategie zur pH-Wert-Regulierung

(1) Einrichtung eines Puffersystems

Die Zugabe von Puffern wie Phosphaten und Citraten zur Fermentationsbrühe kann pH-Wert-Schwankungen wirksam stabilisieren. Dies ist anwendbar auf Reaktionssysteme, die über einen längeren Zeitraum einen bestimmten pH-Wert aufrechterhalten müssen.

(2) Online-Überwachung und automatische Anpassung

Modern Gärbehälter Sie sind meist mit pH-Elektroden ausgestattet. Durch ein Online-Überwachungs- und Regelungssystem lässt sich die Zugabe von Säure oder Lauge automatisch anpassen. Gängige Regler sind beispielsweise NaOH, HCl und NH₄OH.

(3) Strategien zur Stoffwechselregulation

Durch die Anpassung der Stoffwechselwege von Mikroorganismen mittels Gentechnik wird die Ansammlung saurer oder alkalischer Nebenprodukte reduziert und pH-Wert-Schwankungen werden direkt an der Quelle kontrolliert. Beispielsweise kann durch die Abschwächung der Milchsäuresynthese die Versauerungsrate des Kulturmediums verringert werden.

3. Dynamische pH-Regulierung

Ein Teil des Fermentationsprozesses nutzt eine stufenweise pH-Wert-Anpassung. Beispielsweise wird bei der Glutaminsäuregärung der pH-Wert in der frühen Phase kontrolliert, um das Zellwachstum zu fördern, und in der späteren Phase auf einen pH-Bereich eingestellt, der die Produktsynthese begünstigt.

MIKEBIO 30T mikrobielles Fermentationssystem für Spirituosen

II. Optimierung der Temperatur

1. Die Rolle der Temperatur bei der Fermentation

Die Temperatur beeinflusst den Stoffwechsel von Zellen, die Enzymaktivität und die Proteinfaltung. Zu niedrige Temperaturen können den Stoffwechsel verlangsamen, während zu hohe Temperaturen zur Inaktivierung von Enzymen oder zum Zelltod führen können. Jeder Mikroorganismus und sein Produktsyntheseweg weisen einen optimalen Temperaturbereich auf.

Escherichia coli wächst beispielsweise am schnellsten bei 37 °C, während die optimale Fermentationstemperatur für Pasteuria bei etwa 30 °C liegt. Einige thermophile Bakterien, wie etwa Streptomyces thermophilus, weisen eine optimale Fermentationstemperatur auf, die sogar 50 °C erreichen kann.

2. Temperaturregelungsmethoden

(1) Konstanttemperaturregelung

Die Temperatur im Gärtank wird durch Methoden wie die Umwälzung von Kühlwasser in einem Kühlmantel und interne Kühlregister konstant gehalten. Der Temperatursensor ist mit dem Steuerungssystem verbunden, um eine stabile Temperatur zu gewährleisten.

(2) Stufenweise Temperaturregelung

Manche Fermentationsprozesse erfordern unterschiedliche Temperaturen in verschiedenen Phasen. Nehmen wir die Penicillin-Fermentation als Beispiel. 28 °C in der frühen Phase fördern das Bakterienwachstum, während 25 °C in der späteren Phase die Produktsynthese begünstigen.

(3) Durch Hitzeschock induzierte Expression

Einige gentechnisch veränderte Bakterien nutzen thermosensitive Promotoren, wie beispielsweise den λ-Phagen-Promotor, und benötigen spezifische Temperaturen, um die Expression von Zielproteinen zu induzieren. So wird beispielsweise nach einer Wachstumsphase bei 30 °C die Proteinexpression durch eine Temperaturerhöhung auf 42 °C ausgelöst.

3. Temperaturstabilität und Kühlleistung

Bei großtechnischen Fermentationen kann die erhebliche Wärmeproduktion durch den mikrobiellen Stoffwechsel dazu führen, dass eine unzureichende Kühlung lokale Temperaturanstiege verursacht, die zum Ausfall der Fermentation führen können. Daher ist es notwendig, die Kühlung zu optimieren und die Wärmeübertragungseffizienz zu verbessern.

III. Optimierung des gelösten Sauerstoffs

1. Die Bedeutung von gelöstem Sauerstoff bei der Gärung

Gelöster Sauerstoff ist ein unverzichtbarer Faktor in der aerobe Fermentation Sauerstoff spielt nicht nur eine Rolle bei der Energieversorgung der Zellatmung, sondern beeinflusst auch die Synthese bestimmter Produkte. So ist beispielsweise die hohe Ausbeute von Produkten wie Antibiotika und Zitronensäure von einer effizienten Sauerstoffversorgung abhängig. Unzureichender gelöster Sauerstoff kann zu einer Umstellung des Stoffwechsels auf den anaeroben Weg führen, wodurch unerwünschte Nebenprodukte wie Ethanol und Milchsäure entstehen.

2. Faktoren, die den gelösten Sauerstoff beeinflussen

• Ventilationsrate

Die Lüftungsrate (vvm) bestimmt direkt die Sauerstoffversorgung. Eine Erhöhung des Luftdurchsatzes oder die Verwendung von reinem Sauerstoff kann die Sauerstoffversorgung verbessern, jedoch neigt eine hohe Luftgeschwindigkeit zur Schaumbildung und zu erhöhten Scherkräften.

• Rührgeschwindigkeit

Durch Rühren wird die Gas-Flüssigkeits-Kontaktfläche vergrößert und die Sauerstoffmassentransferrate (K_La) beschleunigt. Eine zu hohe Rührgeschwindigkeit kann jedoch zu erhöhtem Energieverbrauch und Zellschäden führen.

• Temperatur und Druck

Eine Temperaturerhöhung verringert die Sauerstofflöslichkeit, während eine Druckerhöhung den Gehalt an gelöstem Sauerstoff erhöhen kann. Hochdruckfermentation ist eine wirksame Methode zur Verbesserung der Sauerstoffversorgung.

3. Kontrollstrategien für gelösten Sauerstoff

• Mehrparameter-Gestängesteuerung

Modern Fermentationssysteme Typischerweise werden PID-Regelalgorithmen eingesetzt, um die Rührgeschwindigkeit, das Belüftungsvolumen und die Gegendruckregelung zu verriegeln und zu steuern, um den Zielwert für den gelösten Sauerstoff (üblicherweise auf 30 bis 50 % Sättigung eingestellt) aufrechtzuerhalten.

• Sauerstoffversorgung mittels Mikrobläschen und Verwendung von Sauerstoffträgern

Eine Verbesserung der Sauerstoffübertragungseffizienz durch Mikroblasengeneratoren oder die Zugabe von Sauerstoffträgern (wie Wasserstoffperoxid, sauerstoffangereichertem Silikonöl usw.) ist ein fortschrittliches Mittel zur Steigerung der Sauerstoffversorgung.

• Metabolische Engineering-Intervention

Durch die Steigerung der Expression des Atmungskettenkomplexes und die Verbesserung der Sauerstoffverbrauchseffizienz der Zellen lässt sich auch die Nutzung von gelöstem Sauerstoff indirekt optimieren. Beispielsweise kann die Expression einer hocheffizienten Cytochromoxidase die Produktausbeute erhöhen.

IV. Umfassende Optimierung der drei

Häufig besteht eine Wechselwirkung zwischen pH-Wert, Temperatur und gelöstem Sauerstoff. Beispielsweise kann eine hohe Temperatur den Gehalt an gelöstem Sauerstoff verringern, und ein Sauerstoffmangel kann zur Anreicherung saurer Nebenprodukte führen, was wiederum den pH-Wert beeinflusst. Daher sollten bei der Entwicklung von Fermentationsprozessen statistische Optimierungsmethoden wie orthogonale Versuche und die Response-Surface-Methodik (RSM) eingesetzt werden, um den Einfluss mehrerer Faktoren umfassend zu berücksichtigen und optimale Produktionsbedingungen zu ermitteln.

V. Entwicklungstrends der intelligenten Steuerung

Mit der Entwicklung von künstlicher Intelligenz und dem Internet der Dinge schreitet die moderne biologische Fermentation zunehmend in Richtung Automatisierung und Intelligenz voran. Durch die Echtzeitüberwachung verschiedener Parameter und die Kombination von Big Data mit Modellen des maschinellen Lernens lassen sich die Fermentationsbedingungen dynamisch anpassen, der Fermentationsstatus vorhersagen und die Produktqualität sowie die Produktionseffizienz steigern.

Fermentationssystem der MIKEBIO 100T-Serie für die industrielle Produktion

Abschluss

Die Optimierung von pH-Wert, Temperatur und Sauerstoffgehalt ist die zentrale technische Maßnahme zur Steigerung der Effizienz und Ausbeute biologischer Fermentation. Die traditionelle empirische Steuerung hat sich schrittweise hin zu präzisen und intelligenten Verfahren entwickelt. Mit der Weiterentwicklung der System- und Synthetischen Biologie wird die Kontrolle des Fermentationsprozesses zukünftig noch effizienter und besser steuerbar sein und somit eine solide Grundlage für die Modernisierung der Bioproduktionsindustrie bilden.

Andererseits, bei der Auswahl eines Bioreaktor GärbehälterUm die Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, einen zuverlässigen Hersteller mit gutem Ruf und entsprechender Leistungsfähigkeit zu finden. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. wurde 2008 gegründet und ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von Anlagen zur biologischen Fermentation spezialisiert hat. Unser Unternehmen verfügt über eine Pilotfermentationsplattform mit integrierter Intelligenz und Automatisierung sowie ein ausgereiftes Fermentationssystem. Dieses ermöglicht die Optimierung des Pilotfermentationsprozesses, die Inbetriebnahme aller Prozessschritte von der Pilotfermentation bis zur Trennung und Reinigung der Fermentationsprodukte und die Einrichtung einer Doktorarbeitsstation sowie eines modernen Labors.

Unser Unternehmen verfügt über eine standardisierte Produktionsanlage mit kompletten Ausrüstungssätzen und Werkzeugen, die für die Installation erforderlich sind. Dazu gehören hauptsächlich verschiedene Werkzeugmaschinen, eine automatische Argon-Lichtbogenschweißanlage, eine automatische Poliermaschine, eine automatische Schneidemaschine und eine Fehlererkennungsmaschine sowie mehr als 60 weitere Produktions- und Prüfgeräte. Der gesamte Produktionsprozess entspricht modernen Standards, um den Kunden professionelle Qualität und technischen Support zu bieten.