Sauerstoffkontrollstrategien in der Bioprozesstechnik und ihre Anwendung bei der Konstruktion von Fermentationsgefäßen

Einführung

Gelöster Sauerstoff (DO) ist einer der Schlüsselfaktoren, der den mikrobiellen Fermentationsprozess beeinflusst und insbesondere bei der aeroben Fermentation eine entscheidende Rolle spielt. Veränderungen des Sauerstoffgehalts wirken sich direkt auf die Stoffwechselrate, die Produktbildungswege und die Ausbeute der Mikroorganismen aus. Daher ist die präzise und dynamische Steuerung des Sauerstoffgehalts nicht nur eine zentrale Aufgabe zur Optimierung des Fermentationsprozesses, sondern auch ein wichtiger Forschungsschwerpunkt im modernen Fermentationsingenieurwesen.

Dieser Artikel untersucht die grundlegenden Strategien zur Kontrolle des gelösten Sauerstoffs bei der biologischen Fermentation und analysiert anhand praktischer Beispiele, wie diese Strategien in die Konstruktion und den Betrieb von Fermentationsbehältern einfließen können, um so eine effiziente und stabile Fermentationsproduktion zu unterstützen.

I. Die Rolle und die Anforderungen an Sauerstoff in der Bioprozessierung

Bei der Fermentation aerober Mikroorganismen (wie Hefen, Bacillus subtilis, Penicillium usw.) dient Sauerstoff als Elektronenakzeptor im Atmungsstoffwechsel und liefert so Energie für Zellwachstum und Produktsynthese. Bei unzureichender Sauerstoffkonzentration können die Mikroorganismen auf anaeroben Stoffwechsel umschalten, was zu vermehrten Nebenprodukten, reduzierten Zielprodukten und sogar zum Zelltod führen kann.

Der Sauerstoffgehalt in der Fermentationsbrühe wird üblicherweise als relative Sättigung (%) angegeben. In der Industrie wird der gelöste Sauerstoff (DO) typischerweise im Bereich von 20–60 % gehalten, abhängig vom Bakterienstamm, dem Wachstumsstadium und der Art des Zielprodukts.

II. Grundlegende Strategien zur Sauerstoffkontrolle

Der Sauerstoffgehalt ist das Ergebnis des Dreiphasen-Stoffaustauschs zwischen Gas, Flüssigkeit und Feststoff. Zur Kontrolle des Sauerstoffgehalts sollten folgende Aspekte berücksichtigt werden:

1. Regelung der Sauerstoffzufuhr

• Anpassung der Belüftungsrate: Die Erhöhung der Belüftungsrate (vvm, das Verhältnis von Gasvolumen zu Fermentationsflüssigkeitsvolumen) ist die direkteste Methode zur Sauerstoffzufuhr. Eine zu hohe Belüftungsrate führt jedoch zu vermehrter Schaumbildung, übermäßiger Scherkraft und kann sogar die Mikroorganismen schädigen.
• Anpassung der Sauerstoffkonzentration: Durch die Zufuhr von angereichertem Sauerstoff (z. B. durch Verwendung von reinem Sauerstoff oder sauerstoffreicher Luft) kann die Sauerstoffübertragungseffizienz verbessert werden, was für die Fermentation mit hoher Dichte geeignet ist.
• Wechselnde Zufuhr: Bei einigen Prozessen wird eine stufenweise und gruppierte Strategie für die Zufuhr verschiedener Gase (wie Luft und reiner Sauerstoff) angewendet, um die Gesamteffizienz des Sauerstofftransfers zu verbessern.

2. Optimierung des Mischsystems

Das Rühren beeinflusst den Blasenzerfall, die Flüssigkeitszirkulation und die Effizienz des Sauerstofftransfers in der Mikroumgebung.

Durch eine Erhöhung der Rührgeschwindigkeit kann der Grad der Blasendispersion und die Störung des Flüssigkeitsfilms erhöht werden, wodurch die Sauerstoffübertragungsrate (KLa) erhöht wird.

Durch den Einsatz von mehrschichtigen Rührwerken, variablen Rührflügelstrukturen oder selbstansaugenden Rührwerken lassen sich die Gleichmäßigkeit der Mischung und die Förderleistung verbessern.

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3. Druckregelung

Durch eine Erhöhung des Drucks im Fermentationsbehälter kann die Löslichkeit von Sauerstoff in der flüssigen Phase gesteigert werden (nach dem Henryschen Gesetz). Dies ist anwendbar auf Fermentationsprozesse mit extrem hohem Sauerstoffbedarf, wie beispielsweise die Herstellung von Antibiotika oder Polypeptiden.

4. Optimierung des Kulturmediums

Die Viskosität, die Oberflächenspannung und das Komponentenverhältnis des Kulturmediums beeinflussen den Sauerstofftransfer. Die Zugabe von Tensiden kann die Blasenverschmelzung verringern und die Sauerstofflöslichkeit verbessern.

5. Echtzeitüberwachung und Rückkopplungsregelung

Durch eine Online-DO-Sonde in Kombination mit einem automatisierten System wird eine Rückkopplungsregelung erreicht:

• DO
• DO > obere Grenze: Gasdurchflussrate oder -geschwindigkeit reduzieren, um Energie zu sparen und die hemmende Wirkung einer übermäßigen Sauerstoffsättigung zu vermeiden.

III. Umsetzung einer Strategie zur Kontrolle des gelösten Sauerstoffs im Fermentationstankdesign

Eine effiziente Kontrolle des gelösten Sauerstoffs erfordert, dass die Konstruktion der Gärtank Der Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit, der Energieverbrauch und die Toleranz der Mikroorganismen werden umfassend berücksichtigt. Die wichtigsten Konstruktionsaspekte sind folgende:

1. Planung des Gasverteilungssystems

• Ringförmige oder mehrpunktige Belüftungsvorrichtungen: Verbessern die gleichmäßige Gasverteilung im Tank, um lokale Hypoxie zu vermeiden.
• Mikroperforierte Belüfter oder rotierende Belüftungsköpfe: Sie vergrößern die Oberfläche der Blasen und erhöhen dadurch die Sauerstoffübertragungsrate pro Volumeneinheit.
• Sauerstoffreiche oder duale Gasquellensysteme: Es müssen sauerstoffreiche Schnittstellen oder Backup-Gasquellenschnittstellen entwickelt werden, um sich an die Schwankungen des Sauerstoffbedarfs in verschiedenen Phasen anzupassen.

2. Auslegung des Mischsystems

• Mehrstufige Rührwerkskonstruktionen (z. B. Rushton-Rührwerk, Rührwerk mit schrägen Schaufeln, Blasenrührwerk): Erfüllen die Anforderungen an den Sauerstoffaustausch für verschiedene Mikroorganismen und Viskositäten.
• Drehzahlvariables Antriebssystem: Dynamische Anpassung der Rührgeschwindigkeit an unterschiedliche Fermentationsstadien.
• Selbstansaugendes Mischsystem: Einige Gärtanks verfügen über eine Sauerstoffabsorptionsfunktion unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche, wodurch die Sauerstoffnutzungsrate bei geringer Belüftung verbessert wird.

3. Optimierung der Tankgeometrie und des Volumenverhältnisses

• Design mit hohem Verhältnis von H zu D (H/D ≥ 2): Erhöht die Höhe der Flüssigkeitssäule, verlängert die Verweilzeit der Blasen und verbessert die Sauerstoffübertragungseffizienz.
• Richtungsstruktur der Reaktionszone: Steuerung der Strömungsfeldverteilung, um „Totzonen“ und lokale Hypoxiephänomene zu vermeiden.

4. Online-Sensoren und automatisches Steuerungssystem

Zur Standardausrüstung gehören DO-Sonden, pH-Sonden, Temperatursensoren usw., um eine vollständige Prozessdatenerfassung zu ermöglichen;

Anbindung an das SPS-Steuerungssystem, automatische Anpassung der Belüftungs- und Rührstrategien durch Festlegung von DO-Schwellenwerten;

Intelligenter Alarm- und Störungsregulierungsmechanismus, um sicherzustellen, dass der gelöste Sauerstoff im optimalen Bereich arbeitet.

IV. Fallanalyse der Kontrolle von gelöstem Sauerstoff

1. Kontrolle des gelösten Sauerstoffs bei der Expression rekombinanter Proteine

Im Expressionssystem von Escherichia coli wird in der späteren Phase der Hochdichtefermentation eine große Menge Sauerstoff benötigt. Durch den Ersatz von Luft durch reinen Sauerstoff, die Erhöhung der Rührgeschwindigkeit auf 600–800 U/min und die Anhebung des Tankdrucks auf 0,1 MPa konnte der Sauerstoffgehalt bei 30–40 % gehalten und somit die Expressionsrate effektiv gesteigert werden.

2. „Sauerstofflimitierungsstrategie“ bei der Antibiotikafermentation

Einige Streptomyces-Arten reagieren in bestimmten Stadien, wie beispielsweise der Erythromycin-Fermentation, empfindlich auf Sauerstoff. Im Versuchsaufbau wurde durch schrittweises Reduzieren der Rührgeschwindigkeit oder durch Begrenzung der Sauerstoffzufuhr der Stoffwechselweg von Bakterienwachstum hin zur Produktsynthese gelenkt.

V. Zukünftige Entwicklungstrends

• Integration intelligenter Steuerungssysteme: Adaptive Regelungssysteme auf Basis von KI oder Modellvorhersagen ermöglichen eine effizientere dynamische Sauerstoffversorgung.
• Mikroblasen-Technologie: Nutzung ultrafeiner Blasen zur Steigerung der Sauerstoffübertragungsrate, deren Wirksamkeit in Experimenten und Pilotversuchen nachgewiesen wurde.
• Modulare Fermentationsgefäße: Je nach Sauerstoffbedarf der verschiedenen Mikroorganismen können Rühr-, Gaszufuhr- und Sondenmodule schnell ausgetauscht werden, um eine flexible Anpassung zu erreichen.

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Abschluss

In der modernen Fermentationstechnik ist die Sauerstoffkontrolle nicht nur eine Frage der Anpassung eines Prozessparameters, sondern auch eine der wichtigsten Voraussetzungen für Effizienz und Qualität der Fermentation. Eine gute Sauerstoffkontrollstrategie und eine durchdachte Auslegung der Fermentationsbehälter ergänzen sich und sind die Grundvoraussetzung für eine effiziente Produktion. Mit der Weiterentwicklung der Regelungstechnik und der Anlagentechnik wird die Sauerstoffkontrolle in der biologischen Fermentation zukünftig intelligenter und präziser werden und so die Weiterentwicklung der mikrobiellen Industrie maßgeblich unterstützen.

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