Funcionamiento y especificaciones de diseño del sistema de agitación en el proceso de fermentación biológica

Introducción

Tecnología de fermentación biológica Se utiliza ampliamente en los campos farmacéutico, alimentario, de protección ambiental y de bioenergía, y el sistema de agitación, como componente clave del proceso de fermentación, tiene un impacto importante en el crecimiento de los microorganismos, la síntesis de metabolitos y la eficiencia de la fermentación. Un diseño razonable del sistema de mezcla no solo puede mejorar la eficiencia del oxígeno disuelto y promover la mezcla de materiales, sino también mantener un entorno de crecimiento adecuado para los microorganismos. Este artículo analizará el papel principal del sistema de agitación en fermentación biológica proceso y sus especificaciones de diseño.

1. El papel del sistema de agitación en el proceso de fermentación biológica.

Mejorar la eficiencia del oxígeno disuelto y promover el crecimiento de microorganismos.

En vías de fermentación aeróbicaEl suministro de oxígeno es uno de los factores importantes que afectan el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. Debido a la baja solubilidad del oxígeno en la fase líquida, es difícil satisfacer la demanda de oxígeno de los microorganismos únicamente mediante la difusión de gases. El sistema de agitación puede distribuir uniformemente el aire en el líquido de fermentación mediante cizallamiento, aumentar el área de contacto con el líquido atmosférico, mejorar la eficiencia de transferencia de masa de oxígeno y, por lo tanto, mejorar la eficiencia de la fermentación.

Mejorar la mezcla de materiales para prevenir la delaminación y la sedimentación.

En el fermentadorLa distribución uniforme de los componentes del medio, los nutrientes y los metabolitos es esencial para el crecimiento de los microorganismos. El sistema de agitación permite mezclar rápidamente el medio de cultivo, evitar la sedimentación de células microbianas, partículas sólidas y mantener la uniformidad del entorno en todo el fermentador, lo que contribuye a mejorar el rendimiento de los productos de fermentación.

Ajusta la temperatura y el valor de pH para mejorar la estabilidad de la fermentación.

Muchos procesos de fermentación biológica tienen estrictos requisitos de temperatura y pH, y el metabolismo microbiano puede causar cambios ambientales locales. Al agitar, se puede acelerar la transferencia de calor para evitar el sobrecalentamiento o enfriamiento local, al tiempo que se promueve la rápida difusión de la lejía o el ácido, de modo que el valor del pH se mantenga estable, para así garantizar el funcionamiento estable del proceso. sistema de fermentación.

Fermentador biorreactor a escala de laboratorio de nuevo diseño de MIKEBIO

Reducir la generación de espuma y mejorar el ambiente de fermentación.

En el proceso de fermentación biológica, debido a la presencia de proteínas y sustancias tensioactivas, se genera fácilmente mucha espuma, lo que afecta el intercambio de gases y la agitación. Un diseño adecuado del sistema de agitación, mediante el control de la fuerza de cizallamiento del líquido, puede reducir la formación de espuma y, además, puede equiparse con un dispositivo antiespumante para mejorar la eficiencia de la fermentación.

Promover la secreción del producto y mejorar el rendimiento del producto objetivo.

En algunos procesos de fermentación microbiana, la agitación no solo contribuye al crecimiento celular, sino que también promueve la síntesis y secreción de productos. Por ejemplo, la acumulación de ciertos metabolitos puede tener un efecto inhibidor sobre el crecimiento microbiano, y una agitación adecuada puede acelerar la difusión de los productos y reducir las concentraciones locales, mejorando así el rendimiento de los productos deseados.

2. Especificaciones de diseño del sistema de mezcla

Selección de paletas mezcladoras

El tipo de paleta mezcladora afecta directamente la eficiencia de la mezcla y el modo de flujo del fluido. Los tipos comunes de paletas mezcladoras incluyen:

• 1. Impulsor de turbina (turbina Rushton): con una fuerte fuerza de corte, es adecuado para procesos de fermentación con alta viscosidad o fuerte transferencia de oxígeno;
• 2. Paleta de propulsión: adecuada para líquidos de baja viscosidad, la dirección del flujo es principalmente axial, adecuada para fermentación de gran volumen;
• 3. Paleta de anclaje o de marco: adecuada para procesos de fermentación de alta viscosidad o en suspensión sólida.
• Los distintos procesos de fermentación tienen requisitos diferentes para la selección de las paletas de agitación, que deben optimizarse en función de las características del fluido y los requisitos microbianos.

Optimización de la velocidad de mezcla

La velocidad de agitación tiene un impacto importante en la transferencia de oxígeno, la fuerza de corte y la uniformidad de la mezcla, y generalmente se deben considerar los siguientes factores:

• 1. Una velocidad de agitación demasiado alta provocará daños por cizallamiento celular y afectará al crecimiento microbiano;
• 2. Una velocidad de agitación demasiado baja puede provocar una baja eficiencia en la transferencia de oxígeno y afectar la síntesis de los productos de fermentación.

Por lo tanto, la velocidad de agitación debe optimizarse en función de la especie microbiana, las características del medio y los requisitos del producto final, ajustándose normalmente en un rango de 100 a 500 rpm.

Diseño del sistema de distribución de gas

Para mejorar la eficiencia de la transferencia de masa de oxígeno, los sistemas de agitación se suelen utilizar junto con dispositivos de ventilación. Los métodos de ventilación más comunes incluyen:

• 1. Ventilación por burbujas: El aire se transporta al líquido de fermentación a través de un aireador microporoso o un dispositivo de distribución de gas para formar burbujas y mejorar la solubilidad del oxígeno;
• 2. Ventilación con agitación mecánica: mediante la acción de una paleta agitadora, el aire se dispersa en el medio de cultivo para mejorar la tasa de utilización del oxígeno.

El diseño del sistema de distribución de gas debe asegurar una distribución uniforme de las burbujas y reducir su consolidación para mejorar el coeficiente de transferencia de oxígeno (kLa).

Prevención de daños por cizallamiento

Algunos microorganismos, como las bacterias filamentosas, las células animales y las células vegetales, son más sensibles a las fuerzas de cizallamiento. Para reducir el daño por cizallamiento, se pueden tomar las siguientes medidas:

• 1. Elija una paleta mezcladora de baja cizalladura, como una paleta de cinta o una paleta de marco;
• 2. Reduzca la velocidad de agitación y disminuya el grado de turbulencia del fluido;
• 3. Reduzca el riesgo de daño celular con un agente protector, como el polietilenglicol o el alginato de sodio.

Optimización de los parámetros geométricos del fermentador

El efecto del sistema de agitación está estrechamente relacionado con la geometría del fermentador, y los principales parámetros incluyen:

• 1. Relación altura/diámetro (H/D): generalmente entre 2:1 y 3:1 para asegurar un buen efecto de mezcla;
• 2. Posición de instalación de la paleta mezcladora: la paleta mezcladora se suele instalar a 1/3 por encima del fondo del tanque para obtener el mejor efecto de mezcla;
• 3. Diseño de deflectores: La instalación de deflectores en la pared interior del fermentador puede reducir el flujo giratorio del líquido y mejorar la eficiencia de la mezcla.

Sistema de fermentación biológica MIKEBIO para la producción de probióticos

3. Conclusión

El sistema de agitación desempeña un papel fundamental en el proceso de fermentación biológica, ya que no solo afecta la eficiencia de la mezcla de oxígeno disuelto y de los materiales, sino que también influye directamente en el rendimiento de los productos deseados y en la estabilidad de la fermentación. Para optimizar el proceso de fermentación biológica y mejorar la eficiencia de la producción, es necesario considerar el tipo de paleta de agitación, la velocidad de agitación, la distribución de gases, el control de la fuerza de cizallamiento y los parámetros geométricos del tanque de fermentación. En el futuro, con el desarrollo de la biotecnología, los sistemas de mezcla inteligentes y automatizados mejorarán aún más el control preciso del proceso de fermentación y brindarán apoyo técnico para el desarrollo sostenible de la industria biológica.

Por otro lado, al elegir un fermentador biorreactorEs necesario encontrar un fabricante confiable, con buena reputación y solidez, para garantizar la calidad del producto. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd., fundada en 2008, es una empresa de alta tecnología dedicada a la investigación, desarrollo, producción y venta de equipos de fermentación biológica. Nuestra empresa cuenta con una plataforma piloto de fermentación, que integra inteligencia y automatización, y ha desarrollado un sistema de fermentación avanzado que permite optimizar el proceso de fermentación piloto, gestionar el desarrollo de todos los procesos, desde la producción hasta la separación y purificación del producto final. Además, contamos con una estación de trabajo para médicos y un laboratorio moderno.

Nuestra empresa dispone de una planta de producción estandarizada, con conjuntos completos de equipos y herramientas necesarios para la instalación, que incluyen principalmente una variedad de máquinas herramienta, máquina de soldadura automática por arco de argón, máquina de pulido automática, máquina de corte automática y máquina de detección de defectos, además de más de 60 conjuntos de equipos de producción y prueba. Todo el proceso de producción cumple con los estándares operativos modernos, para brindar a los clientes una calidad más profesional y un mejor soporte técnico.