Influence des systèmes d'agitation et d'aération sur le transfert de masse d'oxygène dissous, la force de cisaillement et la croissance microbienne lors de la fermentation biologique
La fermentation biologique est un procédé qui utilise des micro-organismes pour transformer la matière organique et produire des composés dans des conditions contrôlées. Elle est largement utilisée dans les secteurs pharmaceutique, agroalimentaire, chimique, environnemental, etc. Au cours de la fermentation, le transfert d'oxygène, l'homogénéité du milieu de culture et la croissance et le métabolisme des micro-organismes sont étroitement liés, et ces trois aspects sont fortement influencés par les systèmes d'agitation et de ventilation. Par conséquent, une compréhension approfondie du rôle de ces systèmes est essentielle pour améliorer l'efficacité de la fermentation et optimiser le contrôle du procédé.
I. Fonctions de base du système d'agitation et de ventilation
Le système d'agitation dans le cuve de fermentation Il est principalement composé de palettes et d'arbres d'agitation, qui assurent le maintien du flux de liquide, le mélange des substances et la répartition de la chaleur. Le système de ventilation comprend un diffuseur d'air, un dispositif d'alimentation en air comprimé et les systèmes de contrôle associés, permettant une oxygénation efficace du milieu de culture liquide.
Ces deux systèmes fonctionnent de concert pour assurer la distribution uniforme des nutriments et des produits métaboliques, le renouvellement de l'interface gaz-liquide, le contrôle de la mousse et l'apport d'oxygène dissous nécessaire au métabolisme microbien.
II. Impact sur le transfert de masse de l'oxygène dissous
1. La contradiction entre l'offre et la demande d'oxygène
Lors de la fermentation aérobie, l'oxygène est un accepteur d'électrons essentiel à la croissance et au métabolisme des micro-organismes. En raison de sa faible solubilité dans l'eau (généralement de 20 à 30 mg/L) et de sa consommation rapide par les micro-organismes, système de fermentation Le milieu est souvent en état de « limite d'apport en oxygène ». Par conséquent, l'amélioration de l'efficacité du transfert de masse de l'oxygène (c'est-à-dire la vitesse à laquelle l'oxygène dissous passe de la phase gazeuse à la phase liquide) est devenue la clé de l'optimisation de la fermentation.
2. Fonctionnement du système de ventilation
Le système de ventilation introduit de l'oxygène dans la phase liquide par la formation et la distribution de bulles. Plus le volume de ventilation est important (généralement exprimé en vvm, soit volume de gaz/volume de liquide par minute), plus la quantité d'oxygène fournie par unité de temps est élevée. Par ailleurs, plus les bulles sont petites, plus leur surface spécifique est grande, ce qui favorise la dissolution de l'oxygène.
Cependant, une ventilation excessive n'est pas toujours bénéfique. Elle peut engendrer des problèmes tels qu'une augmentation importante de la formation de mousse, une hausse de la consommation d'énergie et une inhibition du métabolisme microbien. Il est donc essentiel de contrôler la taille des bulles et l'homogénéité de leur répartition.
3. Fonction du système d'agitation
L'agitation favorise la convection du liquide, augmente la vitesse relative de déplacement entre les bulles et le liquide, accroissant ainsi la surface d'interface gaz-liquide et améliorant le coefficient global de transfert d'oxygène (kLa). De plus, l'agitation prévient la formation de gradients locaux de concentration en oxygène, évite la formation de zones pauvres en oxygène et assure une distribution uniforme de l'oxygène dissous dans le système.
En pratique, le réglage de la vitesse d'agitation doit tenir compte de l'équilibre entre le transfert d'oxygène et la force de cisaillement. Lors de fermentations à haute densité, plusieurs agitateurs (de type Rushton, à ruban hélicoïdal, etc.) sont souvent utilisés conjointement pour augmenter la concentration en kLa.
III. Impact sur la force de cisaillement
1. Sources et caractéristiques de la force de cisaillement
Lors de l'agitation, des contraintes de cisaillement apparaissent en raison des différences de vitesse locales du liquide. Ces forces de cisaillement peuvent contribuer à la désagrégation des cellules ou des particules et améliorer l'efficacité du transfert de masse. Cependant, pour certains micro-organismes à la structure relativement fragile (comme les champignons et les cellules animales), des forces de cisaillement excessives peuvent entraîner des lésions cellulaires, une diminution de leur activité, voire leur mort.
2. Contrôle de la force de cisaillement par agitation
Plus la vitesse d'agitation est élevée, plus la force de cisaillement est importante. Les caractéristiques de cisaillement des différents types de pales d'agitation varient, par exemple :
Les palettes Rushton génèrent un cisaillement élevé et conviennent aux bactéries présentant une forte résistance au cisaillement.
La palette à ruban hélicoïdal ou la palette à hélice a un effet de cisaillement relativement doux et convient à la culture de cellules animales ou végétales.
Dans la production industrielle, le type de palette et la vitesse de rotation appropriés sont généralement sélectionnés par des essais, ou bien des équipements à faible cisaillement tels que les fermenteurs à air comprimé sont utilisés pour remplacer l'agitation mécanique traditionnelle afin de répondre aux besoins des différentes cellules.
3. L'influence indirecte de la ventilation sur le cisaillement
La remontée et l'éclatement des bulles dans un liquide peuvent également provoquer des perturbations et un cisaillement local, notamment lorsque la vitesse du gaz est relativement élevée. Par conséquent, tout en améliorant le transfert de masse, un débit de gaz important peut aussi accroître la résistance au cisaillement du système.
Système de fermentation industrielle à grande échelle MIKEBIO
IV. Effets sur la croissance microbienne
1. L'apport en oxygène influence les voies métaboliques.
Les voies métaboliques microbiennes sont directement influencées par la concentration d'oxygène dissous. Par exemple, en présence d'une quantité suffisante d'oxygène, Escherichia coli effectue principalement la respiration aérobie via le cycle de l'acide tricarboxylique, ce qui se caractérise par une productivité élevée et une croissance rapide. En conditions de déficit en oxygène, elle bascule vers un métabolisme de fermentation, entraînant une accumulation d'acide et une inhibition de la croissance cellulaire.
2. La force de cisaillement affecte l'intégrité cellulaire
Pour les souches présentant une forte tolérance au cisaillement, telles que les levures et les bactéries, la prolifération peut être favorisée en augmentant la vitesse d'agitation.
Un cisaillement modéré des micro-organismes filamenteux tels que les champignons et les actinomycètes peut favoriser la dispersion du mycélium et renforcer son activité.
Pour les systèmes plus fragiles tels que les cellules animales ou les microalgues, la vitesse d'agitation et l'impact des bulles doivent être limités afin d'éviter la rupture cellulaire.
Par conséquent, lors du processus de fermentation, il est nécessaire de définir des paramètres d'agitation et d'aération raisonnables en fonction des types de micro-organismes, des caractéristiques métaboliques et des types de produits afin de garantir un environnement de croissance cellulaire optimal.
V. Stratégies d'optimisation dans les applications pratiques
Contrôle progressif de l'agitation et de l'aération : Ajuster les paramètres d'agitation et d'aération aux différentes étapes de la fermentation en fonction de la densité cellulaire et de l'état métabolique. Par exemple, réduire le cisaillement en début de fermentation pour favoriser la croissance de l'inoculum, puis augmenter l'aération et l'apport d'oxygène en fin de fermentation pour optimiser la synthèse du produit.
Système de contrôle de rétroaction DO : Il surveille en temps réel la concentration d’oxygène dissous et ajuste automatiquement la vitesse de rotation et le volume de ventilation grâce au contrôleur PID afin d’obtenir un équilibre dynamique de l’apport en oxygène.
Utiliser un gaz riche en oxygène ou de l'oxygène pur : dans les fermentations à grande échelle ou les cultures à haute densité, utiliser un gaz à concentration en oxygène plus élevée en complément pour réduire le volume total de ventilation et atténuer la formation de mousse et les contraintes de cisaillement.
Conception d'optimisation structurelle : Sélectionner les proportions appropriées du réservoir, la disposition des pales d'agitation et le type de diffuseur afin d'augmenter le kLa et de réduire les zones mortes.
VI. Conclusion
Le système d'agitation et d'aération, élément central du processus de fermentation, influe directement sur l'efficacité du transfert d'oxygène et l'environnement mécanique auquel les cellules sont soumises, et indirectement sur le taux de croissance, le métabolisme et le rendement des micro-organismes. Grâce aux progrès de la biotechnologie et à une meilleure compréhension de la fermentation, des technologies de contrôle intelligent, d'optimisation structurelle et de simulation seront de plus en plus appliquées à la conception optimale des systèmes d'agitation et d'aération, favorisant ainsi une production de bio-manubican plus efficace, plus flexible et plus respectueuse de l'environnement.
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