A hőmérséklet-szabályozási stratégiák különbségei a különböző méretű erjesztőtartályok esetében a biológiai erjesztési folyamatokban
Bevezetés
A biológiai fermentáció egy olyan folyamat, amely a nyersanyagokat mikroorganizmusok anyagcsere-aktivitása révén céltermékekké alakítja. Széles körben alkalmazzák a gyógyszeriparban, az élelmiszeriparban, a mezőgazdaságban és a környezetvédelemben. A fermentációs folyamat során a hőmérséklet kulcsfontosságú paraméter, amely befolyásolja a mikrobiális aktivitást, az anyagcsere-utakat és a termékképződést. Jelentős különbségek vannak a hőmérséklet-szabályozási stratégiákban a különböző méretű fermentációs tartályok között, amelyek főként a hővezetési hatékonyságban, a vezérlőrendszer felépítésében, a válaszidőben, az energiafogyasztás szabályozásában és a folyamat skálázásában nyilvánulnak meg. Ez a cikk szisztematikusan elemzi a hőmérséklet-szabályozási stratégiák különbségeit a következők között: erjesztő tartályok laboratóriumi, kísérleti és ipari méretekben, valamint azok mögött meghúzódó okok feltárása, azzal a céllal, hogy elméleti referenciákat nyújtson a fermentációs folyamatok optimalizálásához és méretnöveléséhez.
I. A hőmérséklet-szabályozás szerepe a fermentációs folyamatban
A hőmérséklet befolyásolja a mikrobiális sejtek enzimatikus aktivitását, a sejtmembránok permeabilitását, az anyagcsere-útvonalak kiválasztását és a termékek képződésének sebességét. A legtöbb fermentációs folyamatban a mikroorganizmusok számára optimális hőmérsékleti tartomány 20 és 40 Celsius-fok között van. Ennek a tartománynak a túllépése az anyagcsere-hatékonyság csökkenéséhez, vagy akár a sejtek pusztulásához vezet. Ezért a megfelelő és stabil hőmérséklet fenntartása előfeltétele a fermentáció hatékonyságának és a termékminőség biztosításának.
A hőmérséklet-szabályozó rendszernek nemcsak a beállított hőmérsékletet kell stabilan fenntartania, hanem képesnek kell lennie arra is, hogy gyorsan reagáljon az olyan kihívásokra, mint a hirtelen hőmérsékletváltozások (például a gyors mikrobiális szaporodás, amely nagy mennyiségű metabolikus hőt termel) a fermentációs folyamat során.
II. Különböző méretű erjesztőtartályok hőmérséklet-szabályozó rendszerei
1. Laboratóriumi mérleg (1 liter - 20 liter)
Laboratóriumi szintű erjesztőedények általában kisebb méretűek, és gyors a hőtermelésük és -leadásuk. Hőmérséklet-szabályozó rendszereik viszonylag egyszerűek, és általában a következő komponensekből állnak:
- Fűtési rendszer: Elektromos fűtőköpeny vagy fűtőrúd;
- Hűtőrendszer: Hűtött víz keringtetése köpenyen vagy beépített hűtőtekercseken keresztül;
- Vezérlőrendszer: PID (arányos-integrál-differenciált) szabályozórendszer, amely termisztorokhoz csatlakozik a fűtés és hűtés közötti váltás vezérléséhez;
- Hőmérséklet-visszacsatolás: A hőelemek vagy termisztorok valós idejű hőmérsékletjeleket biztosítanak.
Kis méretüknek köszönhetően a hő könnyen egyenletesen oszlik el, a hőmérséklet-szabályozás gyors, a rendszer stabilitása pedig magas. A hőmérséklet-ingadozás általában ±0,2 ℃-on belül van.
2. Kísérleti méret (50L - 500L)
Kísérleti méretű erjesztőedények folyamatoptimalizálásra és méretnövelési ellenőrzésre használják. A rendszer komplexitása jelentősen megnő:
- Fűtési mód: Melegvíz-keringető rendszer köpenyen vagy gőzfűtésen keresztül
- Hűtési módszer: Kétrétegű köpeny hűtővíz-keringetéssel vagy belső hűtőtekercsekkel;
- Hőmérséklet-szabályozó berendezések: Általában PLC vezérlőrendszerrel vannak felszerelve, amely képes beállítani a hideg/meleg víz arányát;
- Felügyeleti pontok: A hőmérséklet-érzékelők több ponton is elhelyezhetők a folyadék különböző részei közötti hőmérséklet-különbségek monitorozására.
Ebben a szakaszban a hőmérséklet-eloszlás már nem teljesen egyenletes. Különösen a nagy viszkozitású vagy nagy sejtsűrűségű fermentációs rendszerekben fordulhat elő lokális túlmelegedés vagy túlhűtés, ezért ezt a keverési hatékonyság és a vezérlőrendszer válaszképességének optimalizálásával kell kompenzálni.
3. Ipari méret (1 m³-től több tíz m³-ig)
Ipari méretű erjesztő tartályok több kihívással kell szembenézniük a hőmérséklet-szabályozás terén:
- Hőátadási hatékonysági probléma: A térfogat növekedésével a felület és a térfogat aránya csökken, ami megnehezíti a hő eloszlatását egységnyi térfogaton belül;
- A metabolikus hő gyors felhalmozódása: A magas sejtkoncentráció és az aktív anyagcsere gyors hőfelhalmozódáshoz vezet;
- Továbbfejlesztett hűtőrendszer: Több rendszert, például többrétegű burkolatokat, nagy teljesítményű hűtőket, hűtőtekercseket és hűtőtornyokat alkalmaznak;
- Magas szintű automatizálás: A hőmérséklet-szabályozáshoz DCS (elosztott vezérlőrendszer) vagy SCADA rendszereket használnak, amelyek lehetővé teszik a zónahőmérséklet-szabályozást és a dinamikus beállítást;
- Megnövekedett hőtehetetlenség: Lassabb reakció, késleltetett hőmérséklet-szabályozás, ezért korai előrejelzést és beállítást igényel;
Ezenkívül a nagyméretű erjesztőtartályok tervezése során CFD (számítógépes folyadékdinamikai) szimulációra van szükség a hőmérséklet-mező eloszlásának előrejelzéséhez, a hűtővezetékek elrendezésének és a keverők tervezésének irányításához.
III. A hőmérséklet-szabályozási stratégiák közötti különbségek elemzése
1. A hőmérséklet-szabályozás válaszsebessége
A laboratóriumi méretű rendszer gyorsan reagál, néhány másodpercen belül elvégzi a hőmérséklet-beállítást;
A kísérleti méretű rendszer átlagos válaszsebessége tíz másodperctől több percig is eltarthat;
Az ipari méretű rendszer reagál a leglassabbra, ami több percet vagy akár tovább is igénybe vehet. Ezért gyakran prediktív stratégiát (prediktív szabályozás) alkalmaznak.
MIKEBIO ipari méretű fermentációs rendszer
2. A hőmérséklet-szabályozási módszerek sokfélesége
Kisméretű rendszerek esetében az elektromos fűtés és a hidegvíz-szabályozás a fő módszerek;
Kísérleti méretű és annál nagyobb rendszerek esetén általában gőzfűtést és a hűtővíz keverékarányának beállítását alkalmazzák;
Ipari méretű tartályokhoz többcsatornás vezérlésre van szükség, és a hideg/meleg források automatikusan kapcsolódnak a környezeti hőmérséklet, az erjesztési szakasz és a hőterhelés változásai alapján.
3. A hőeloszlás egyenletessége
A kis tartályok kis méretük miatt keveréssel érhetik el a hőegyenletességet;
A félüzemi méretű tartályoknak a keverést hőmérséklet-szabályozó keringető rendszerrel kell kombinálniuk;
Az ipari tartályok bonyolultabb belső szerkezeti kialakítást igényelnek, mint például a többpontos hőmérsékletmérés, az irányított keverőáramlás és a réteges hűtés stb.
- Nehézségek a hőmérséklet-szabályozásban és az optimalizálási irányokban
| Skála | Nehézségek a hőmérséklet-szabályozásban | optimalizált irány |
|---|---|---|
| Labor | A hőmérséklet-ingadozások zavarják az érzékeny adatok elemzését | Növelje az érzékelő érzékenységét és javítsa a PID paramétereket |
| Pilóta | Helyi túlmelegedés és késleltetett hőreakció | Adjon hozzá megfigyelési pontokat és optimalizálja a keverőlapátok típusát |
| Ipari | nagy hőtehetetlenséggel és egyenetlen eloszlással rendelkezik | Prediktív szabályozás modellezése, CFD szimuláció, továbbfejlesztett automatizálás |
IV. A hőmérséklet-szabályozás és az erjesztési hatékonyság közötti kapcsolat
A hőmérséklet-szabályozás pontossága közvetlenül hatással van a mikroorganizmusok növekedési üteme és a keletkező metabolitok típusa. Például az antibiotikumos fermentáció során a hőmérséklet emelkedése felgyorsíthatja a biomassza kezdeti felhalmozódását, de gátolja a másodlagos metabolitok képződését. Azoknál a folyamatoknál, ahol a fermentációs termék egy hőmérséklet-érzékeny fehérje, mint például a rekombináns fehérje expressziós rendszerek, a hőmérséklet-eltérések a fehérjeszerkezet helytelen feltekeredéséhez vagy zárványtestek képződéséhez vezethetnek, ami jelentősen csökkenti a termék hozamát.
Továbbá a folyamat felskálázása során a hőmérséklet-szabályozási stratégiák közötti különbségek is az egyik fő oka annak, hogy a laboratóriumi adatokat nehéz ipari körülmények között megismételni.
V. Következtetés
A hőmérséklet-szabályozás kulcsfontosságú paraméter a biofeldolgozási fermentációban. A különböző méretű fermentációs tartályok célzott hőmérséklet-szabályozási stratégiákat igényelnek. A kisüzemi fermentáció a gyors reagálásra és a stabilitásra összpontosít, a közepes méretű fermentáció a válaszsebesség és az egyenletes hőmérséklet-eloszlás közötti egyensúlyt igényli, míg az ipari méret magas szintű automatizálást és szisztematikus tervezést igényel. Az intelligens gyártási és adatelemzési technológiák fejlődésével a jövő hőmérséklet-szabályozó rendszerei intelligensebbek és pontosabbak lesznek, erős támogatást nyújtva a hatékony és szabályozható fermentációs folyamatokhoz.
Másrészt, amikor választunk egy bioreaktor fermentor, a termék minőségének biztosítása érdekében fontos egy jó hírnévvel és erősséggel rendelkező, rendszeres gyártót találni. A Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd.-t 2008-ban alapították, és a következőkre összpontosít: biológiai fermentációs berendezések Kutatás és fejlesztés, gyártás és értékesítés high-tech vállalatok számára. Cégünk rendelkezik egy intelligenciával és automatizálással integrált kísérleti fermentációs platformmal, és egy kiforrott fermentációs rendszert épített ki, amely képes optimalizálni a kísérleti fermentációs folyamatot, megbízni az összes folyamat fejlesztését a kísérleti fermentációtól a fermentációs termék elválasztásáig és tisztításáig, valamint egy orvosi munkaállomást és egy modern laboratóriumot állítani.
Cégünk szabványosított gyártóüzemmel rendelkezik, amely a telepítéshez szükséges komplett berendezés- és szerszámkészlettel rendelkezik, beleértve a különféle szerszámgépeket, automata argon ívhegesztőgépet, automata polírozógépet, automata vágógépet és hibakereső gépet, valamint több mint 60 gyártó- és tesztelőberendezést. A gyártási folyamat mind modern szabványos működést valósít meg, hogy professzionálisabb minőséget és technikai támogatást nyújtson az ügyfeleknek.