As diferenzas nas estratexias de control da temperatura para tanques de fermentación de diferentes tamaños en procesos de fermentación biolóxica

Introdución

A fermentación biolóxica é un proceso que converte as materias primas en produtos obxectivo a través das actividades metabólicas dos microorganismos. Aplícase amplamente nos campos da industria farmacéutica, alimentaria, agrícola e da protección ambiental. Durante o proceso de fermentación, a temperatura é un parámetro clave que afecta a actividade microbiana, as vías metabólicas e a formación do produto. Existen diferenzas significativas nas estratexias de control da temperatura entre as diferentes escalas de tanques de fermentación, que se manifestan principalmente na eficiencia da condución de calor, a estrutura do sistema de control, a velocidade de resposta, o control do consumo de enerxía e a escala do proceso. Este artigo analizará sistematicamente as diferenzas nas estratexias de control da temperatura de tanques de fermentación a escala de laboratorio, piloto e industrial, e as razóns que as sustentan, co obxectivo de proporcionar referencias teóricas para a optimización e ampliación dos procesos de fermentación.

I. O papel do control da temperatura no proceso de fermentación

A temperatura afecta á actividade encimática das células microbianas, á permeabilidade das membranas celulares, á selección de vías metabólicas e á velocidade de formación de produtos. Na maioría dos procesos de fermentación, o rango de temperatura óptimo para os microorganismos está entre os 20 e os 40 graos Celsius. Superar este rango levará a unha diminución da eficiencia metabólica ou mesmo á morte celular. Polo tanto, manter unha temperatura axeitada e estable é un requisito previo para garantir a eficiencia da fermentación e a calidade do produto.

O sistema de control de temperatura non só precisa manter a temperatura establecida de forma estable, senón que tamén debe ter a capacidade de responder rapidamente para xestionar desafíos como cambios repentinos de calor (como a rápida proliferación microbiana que xera unha gran cantidade de calor metabólico) durante o proceso de fermentación.

II. Sistemas de control de temperatura de recipientes de fermentación a diferentes escalas

1. Báscula de laboratorio (1L - 20L)

Recipientes de fermentación de nivel de laboratorio adoitan ser de menor tamaño e teñen unha rápida taxa de xeración e disipación de calor. Os seus sistemas de control de temperatura son relativamente sinxelos e xeralmente constan dos seguintes compoñentes:

• Sistema de calefacción: Camisa de calefacción eléctrica ou varilla de calefacción;
• Sistema de refrixeración: Circulación de auga arrefriada a través dunha camisa ou serpentinas de refrixeración integradas;
• Sistema de control: sistema de regulación PID (proporcional-integral-derivativo) conectado a termistores para controlar a conmutación entre calefacción e refrixeración;
• Retroalimentación de temperatura: os termopares ou termistores proporcionan sinais de temperatura en tempo real.

Debido ao seu pequeno tamaño, a calor distribúese uniformemente con facilidade, a resposta de control de temperatura é rápida e a estabilidade do sistema é alta. A flutuación da temperatura xeralmente está dentro de ±0,2 ℃.

2. Báscula piloto (50L - 500L)

Recipientes de fermentación a escala piloto utilízanse para a optimización de procesos e a verificación da ampliación de escala. A complexidade do sistema aumenta significativamente:

• Método de quecemento: Sistema de circulación de auga quente a través dunha camisa ou quecemento por vapor
• Método de refrixeración: Camisa de dobre capa con circulación de auga de refrixeración ou serpentinas de refrixeración internas;
• Equipamento de control de temperatura: Normalmente equipado cun sistema de control PLC, que pode axustar a proporción de auga fría/quente;
• Puntos de monitorización: Os sensores de temperatura pódense colocar en varios puntos para monitorizar as diferenzas de temperatura en diferentes partes do líquido.

Nesta fase, a distribución da temperatura xa non é completamente uniforme. Especialmente en sistemas de fermentación de alta viscosidade ou alta densidade celular, pode producirse un sobrequecemento ou un subarrefriamento local, polo que é necesario compensar optimizando a eficiencia da axitación e a capacidade de resposta do sistema de control.

3. Escala industrial (de 1 m³ a varias decenas de m³)

Tanques de fermentación a escala industrial enfróntanse a máis desafíos no control da temperatura:

• Problema de eficiencia da transferencia de calor: a medida que o volume aumenta, a relación entre a superficie e o volume diminúe, o que dificulta a disipación da calor dentro dunha unidade de volume;
• Acumulación rápida de calor metabólico: unha alta concentración celular e un metabolismo activo provocan unha rápida acumulación de calor;
• Sistema de refrixeración mellorado: Adóptanse varios sistemas como camisas multicapa, refrixeradores de alta potencia, serpentinas de refrixeración e torres de refrixeración;
• Alto nivel de automatización: os sistemas DCS (Sistema de Control Distribuído) ou SCADA utilízanse para a xestión do control da temperatura, o que permite o control da temperatura por zona e o axuste dinámico;
• Maior inercia térmica: reacción máis lenta, control da temperatura máis atrasado, polo que require unha predición e un axuste temperáns;

Ademais, durante o deseño de tanques de fermentación a grande escala, requírese a simulación CFD (dinámica de fluídos computacional) para predicir a distribución do campo de temperatura, guiando o deseño das tubaxes de arrefriamento e os axitadores.

III. Análise das diferenzas nas estratexias de control da temperatura

1. Velocidade de resposta do control de temperatura

O sistema a escala de laboratorio responde rapidamente, completando o axuste da temperatura en poucos segundos;

O sistema a escala piloto ten unha velocidade de resposta media, que tarda de decenas de segundos a varios minutos;

O sistema a escala industrial ten a resposta máis lenta, que pode tardar varios minutos ou incluso máis. Polo tanto, adoita adoptarse unha estratexia preditiva (control preditivo).

Sistema de fermentación a escala industrial MIKEBIO

2. Diversidade de métodos de control de temperatura

Para sistemas a pequena escala, os principais métodos son a calefacción eléctrica e o control da auga fría;

Para sistemas a escala piloto e superiores, adóitase empregar o quentamento por vapor e o axuste da proporción da mestura de auga de refrixeración;

Para os tanques a escala industrial, requírese un control multicanle e as fontes de frío/quente cámbianse automaticamente en función da temperatura ambiental, a fase de fermentación e os cambios na carga térmica.

3. Uniformidade da distribución da calor

Os tanques pequenos, debido ao seu pequeno tamaño, poden conseguir uniformidade de calor mediante a axitación;

Os tanques a escala piloto deben combinar a axitación cun sistema de circulación para o control da temperatura;

Os tanques industriais requiren deseños de estruturas internas máis complexos, como a medición de temperatura en varios puntos, o fluxo de axitación direccional e o arrefriamento por capas, etc.

1. Dificultades no control da temperatura e nas direccións de optimización

IV. Relación entre o control da temperatura e a eficiencia da fermentación

A precisión do control directo da temperatura afecta a taxa de crecemento dos microorganismos e o tipo de metabolitos producidos. Por exemplo, na fermentación con antibióticos, un aumento da temperatura pode acelerar a acumulación inicial de biomasa, pero inhibir a formación de metabolitos secundarios. Para os procesos nos que o produto da fermentación é unha proteína sensible á temperatura, como os sistemas de expresión de proteínas recombinantes, as desviacións da temperatura poden levar a un pregamento incorrecto da estrutura da proteína ou á formación de corpos de inclusión, o que reduce gravemente o rendemento do produto.

Ademais, durante a ampliación de escala do proceso, as diferenzas nas estratexias de control da temperatura tamén son unha das principais razóns polas que os datos de laboratorio son difíciles de replicar en condicións industriais.

V. Conclusión

O control da temperatura é un parámetro clave na fermentación por bioprocesamento. Os recipientes de fermentación de diferentes tamaños requiren estratexias de control da temperatura específicas. A fermentación a pequena escala céntrase na resposta rápida e na estabilidade, a media escala require un equilibrio entre a velocidade de resposta e a distribución uniforme da temperatura, mentres que a escala industrial require unha alta automatización e unha planificación sistemática. Co desenvolvemento de tecnoloxías intelixentes de fabricación e análise de datos, os futuros sistemas de control da temperatura serán máis intelixentes e precisos, o que proporcionará un forte apoio para procesos de fermentación eficientes e controlables.

Por outra banda, á hora de elixir un fermentador de biorreactor, é necesario atopar un fabricante regular con boa reputación e solidez para garantir a calidade do produto. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. foi fundada en 2008 e céntrase en equipos de fermentación biolóxica investigación e desenvolvemento, produción e vendas de empresas de alta tecnoloxía. A nosa empresa conta cunha plataforma de fermentación piloto integrada con intelixencia e automatización, e construíu un sistema de fermentación maduro que pode optimizar o proceso de fermentación piloto, poñer en marcha o desenvolvemento de todos os procesos, desde a produción de fermentación piloto ata a separación e purificación de produtos de fermentación, e configurar unha estación de traballo médica e un laboratorio moderno.

A nosa empresa ten unha planta de produción estandarizada, con conxuntos completos de equipos e ferramentas necesarias para a instalación, incluíndo principalmente unha variedade de máquinas-ferramenta, máquina automática de soldadura por arco de argón, máquina de pulido automática, máquina de corte automática e máquina de detección de defectos e outros máis de 60 conxuntos de equipos de produción e probas, todo o proceso de produción realiza un funcionamento estándar moderno, para proporcionar aos clientes unha calidade e soporte técnico máis profesionais.