Der Einfluss von Rühr- und Belüftungssystemen auf den Stofftransport von gelöstem Sauerstoff, die Scherkräfte und das mikrobielle Wachstum während der biologischen Fermentation

Die biologische Fermentation ist ein Prozess, bei dem Mikroorganismen unter kontrollierten Bedingungen organische Stoffe umwandeln und Produkte erzeugen. Sie findet breite Anwendung in der Pharma-, Lebensmittel-, Chemie- und Umweltindustrie. Während der Fermentation sind Sauerstofftransport, Homogenität des Nährmediums sowie Wachstum und Stoffwechsel der Mikroorganismen eng miteinander verknüpft. Diese drei Aspekte werden maßgeblich durch Rühr- und Belüftungssysteme beeinflusst. Daher ist ein umfassendes Verständnis der Rolle von Rühr- und Belüftungssystemen im Fermentationsprozess von großer Bedeutung für die Steigerung der Fermentationseffizienz und die Optimierung der Prozesssteuerung.

I. Grundfunktionen des Rühr- und Belüftungssystems

Das Rührsystem im Gärtank Das System besteht hauptsächlich aus Rührflügeln und -wellen, die für den Flüssigkeitsfluss, die Durchmischung der Substanzen und die Wärmeverteilung verantwortlich sind. Das Belüftungssystem umfasst einen Luftverteiler (Begaser), eine Druckluftversorgungseinrichtung und zugehörige Steuerungssysteme, die eine effektive Sauerstoffzufuhr in das Flüssigkultursystem gewährleisten.

Diese beiden Systeme arbeiten zusammen, um die gleichmäßige Verteilung von Nährstoffen und Stoffwechselprodukten, die Erneuerung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche, die Schaumkontrolle und die Zufuhr von gelöstem Sauerstoff, der für den mikrobiellen Stoffwechsel benötigt wird, sicherzustellen.

II. Einfluss auf den Stofftransport von gelöstem Sauerstoff

1. Der Widerspruch zwischen Sauerstoffangebot und -nachfrage

Bei der aeroben Gärung ist Sauerstoff ein wichtiger Elektronenakzeptor für das Wachstum und den Stoffwechsel von Mikroorganismen. Aufgrund der geringen Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser (üblicherweise 20 bis 30 mg/L) und des schnellen Verbrauchs durch Mikroorganismen ist die Fermentationssystem befindet sich oft in einem Zustand der „begrenzten Sauerstoffversorgung“. Daher ist die Verbesserung der Stoffaustauscheffizienz von Sauerstoff (d. h. der Geschwindigkeit, mit der gelöster Sauerstoff aus der Gasphase in die flüssige Phase übergeht) zum Schlüssel für die Optimierung der Fermentation geworden.

2. Die Funktion des Lüftungssystems

Das Belüftungssystem führt der flüssigen Phase durch die Bildung und Verteilung von Blasen Sauerstoff zu. Je größer das Belüftungsvolumen (üblicherweise als vvm angegeben, d. h. Gasvolumen/Flüssigkeitsvolumen pro Minute), desto mehr Sauerstoff wird pro Zeiteinheit zugeführt. Gleichzeitig ist bei kleineren Blasen die spezifische Oberfläche größer, was die Sauerstoffaufnahme begünstigt.

Allerdings ist mehr Belüftung nicht immer besser. Übermäßige Belüftung kann Probleme wie eine starke Schaumbildung, einen erhöhten Energieverbrauch und eine Hemmung des mikrobiellen Stoffwechsels verursachen. Daher ist es entscheidend, die Blasengröße und deren gleichmäßige Verteilung zu kontrollieren.

3. Die Funktion des Rührsystems

Rühren fördert die Flüssigkeitskonvektion, erhöht die relative Bewegungsgeschwindigkeit zwischen Blasen und Flüssigkeit und vergrößert dadurch die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche sowie den gesamten Sauerstofftransferkoeffizienten (kLa). Darüber hinaus verhindert Rühren die Bildung lokaler Sauerstoffkonzentrationsgradienten, vermeidet die Entstehung sauerstoffarmer Bereiche und gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des gelösten Sauerstoffs im System.

Im praktischen Betrieb muss die Rührgeschwindigkeit unter Berücksichtigung des Gleichgewichts zwischen Sauerstofftransfer und Scherkraft eingestellt werden. Bei der Hochdichtefermentation werden häufig mehrere Rührflügel (z. B. Rushton-Rührflügel, Wendelrührflügel usw.) kombiniert eingesetzt, um die kLa-Zahl zu erhöhen.

III. Einfluss auf die Scherkraft

1. Quellen und Eigenschaften der Scherkraft

Beim Rühren entsteht durch die lokale Geschwindigkeitsdifferenz der Flüssigkeit eine Scherspannung. Diese Scherkraft kann dazu beitragen, Zellaggregate oder Partikel aufzubrechen und die Stoffaustauscheffizienz zu verbessern. Bei einigen Mikroorganismen mit relativ fragilen Strukturen (wie Pilzen und tierischen Zellen) kann eine übermäßige Scherkraft jedoch zu Zellschäden, verminderter Aktivität oder sogar zum Tod führen.

2. Kontrolle der Scherkräfte durch Rühren

Je höher die Rührgeschwindigkeit, desto größer die Scherkraft. Die Schereigenschaften verschiedener Rührpaddeltypen variieren, zum Beispiel:

Rushton-Paddel erzeugen hohe Scherkräfte und eignen sich für Bakterien mit hoher Scherfestigkeit.

Das spiralförmige Bandpaddel oder Propellerpaddel hat eine relativ schonende Scherwirkung und eignet sich für die Kultivierung von Tierzellen oder Pflanzenzellen.

In der industriellen Produktion werden der geeignete Rührwerkstyp und die Drehzahl üblicherweise durch Versuche ausgewählt, oder es werden Niedrigschergeräte wie Airlift-Fermenter anstelle des traditionellen mechanischen Rührens eingesetzt, um den Bedürfnissen verschiedener Zellen gerecht zu werden.

3. Der indirekte Einfluss der Belüftung auf die Scherkräfte

Das Aufsteigen und Platzen von Blasen in einer Flüssigkeit kann ebenfalls zu Störungen und lokaler Scherung führen, insbesondere bei relativ hoher Gasgeschwindigkeit. Daher kann ein hoher Gasdurchfluss zwar den Stoffaustausch verbessern, aber auch die Scherkraft des Systems erhöhen.

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IV. Auswirkungen auf das mikrobielle Wachstum

1. Die Sauerstoffversorgung beeinflusst Stoffwechselwege

Die Stoffwechselwege von Mikroorganismen werden direkt vom Gehalt an gelöstem Sauerstoff beeinflusst. So betreibt Escherichia coli unter ausreichenden Sauerstoffbedingungen hauptsächlich aerobe Atmung über den Citratzyklus, was sich durch hohe Produktivität und schnelles Wachstum auszeichnet. Unter Sauerstoffmangelbedingungen wechselt es zum Gärungsstoffwechsel, der mit Säureansammlung und Wachstumshemmung einhergeht.

2. Scherkräfte beeinträchtigen die Zellintegrität

Bei Stämmen mit hoher Scherverträglichkeit, wie z. B. Hefen und Bakterien, kann die Vermehrung durch Erhöhung der Rührgeschwindigkeit gefördert werden.

Mäßiges Scheren von fadenförmigen Mikroorganismen wie Pilzen und Actinomyceten kann die Ausbreitung des Myzels fördern und dessen Aktivität steigern.

Bei empfindlicheren Systemen wie Tierzellen oder Mikroalgen sollten die Rührgeschwindigkeit und der Aufprall der Blasen begrenzt werden, um ein Platzen der Zellen zu verhindern.

Daher ist es während des Fermentationsprozesses notwendig, die Rühr- und Belüftungsparameter an die Art der Mikroorganismen, die Stoffwechseleigenschaften und die Produktarten anzupassen, um optimale Wachstumsbedingungen für die Zellen zu gewährleisten.

V. Optimierungsstrategien in praktischen Anwendungen

Stufenweise Steuerung von Rühren und Belüftung: Die Rühr- und Belüftungsparameter werden in verschiedenen Fermentationsstadien an die Zelldichte und den Stoffwechselstatus angepasst. Beispielsweise wird in der frühen Phase die Scherkraft reduziert, um das Wachstum der Inokulation zu fördern, und in der späteren Phase werden Belüftung und Sauerstoffzufuhr erhöht, um die Produktsynthese zu steigern.

DO-Rückkopplungsregelungssystem: Es überwacht die Konzentration des gelösten Sauerstoffs in Echtzeit und passt die Drehzahl und das Belüftungsvolumen automatisch über den PID-Regler an, um ein dynamisches Gleichgewicht der Sauerstoffzufuhr zu erreichen.

Sauerstoffreiches Gas oder reiner Sauerstoff verwenden: Bei großtechnischer Fermentation oder Hochdichtekultur sollte zur Ergänzung ein Gas mit höherer Sauerstoffkonzentration verwendet werden, um das Gesamtlüftungsvolumen zu reduzieren und die Schaum- und Scherkräfte zu verringern.

Strukturoptimierungsdesign: Auswahl des geeigneten Tankverhältnisses, der geeigneten Rührflügelanordnung und des geeigneten Begasungstyps, um kLa zu erhöhen und Totzonen zu reduzieren.

VI. Schlussfolgerung

Das Rühr- und Belüftungssystem, als zentrale technische Einheit des Fermentationsprozesses, beeinflusst nicht nur direkt die Sauerstoffübertragungseffizienz und die mechanische Umgebung der Zellen, sondern bestimmt auch indirekt Wachstumsrate, Stoffwechselmuster und Produktausbeute der Mikroorganismen. Mit der Weiterentwicklung der Biotechnologie und dem vertieften Verständnis des Fermentationsprozesses werden zunehmend intelligente Steuerungs-, Strukturoptimierungs- und Simulationstechnologien für die optimale Auslegung von Rühr- und Belüftungssystemen eingesetzt. Dies fördert die Entwicklung von Bio-Manufacturing hin zu mehr Effizienz, Flexibilität und Umweltfreundlichkeit.

Andererseits, bei der Auswahl eines Bioreaktor-FermenterUm die Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, einen zuverlässigen Hersteller mit gutem Ruf und ausreichender Leistungsfähigkeit zu finden. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. wurde 2008 gegründet und konzentriert sich auf … Anlagen zur biologischen Fermentation Forschung und Entwicklung, Produktion und Vertrieb eines Hightech-Unternehmens. 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 Prüfstation und eines modernen Labors.

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