A laboratóriumi méretekről az ipari méretekre való felskálázás alapelvei a biofeldolgozásban és a fermentációs tartályok tervezési követelményei

Bevezetés

A biológiai fermentációs technológia fontos alapvető lépés a modern biotechnológiában és biogyártásban, és széles körben alkalmazzák olyan területeken, mint a gyógyszeripar, az élelmiszeripar, az energiaipar és a környezetvédelem. A fermentációs folyamat általában kisléptékű laboratóriumi kutatással kezdődik, és fokozatosan bővül a félüzemi méretektől az ipari méretekig, a köztes méretű termelésen keresztül. Azonban jelentős különbségek vannak a berendezések mennyiségében, az üzemeltetési körülményekben és az ellenőrzési módszerekben a laboratóriumi és az ipari méretek között. Ésszerű méretnövelési elvek és megfelelő... erjesztő tartály tervezés, nagy valószínűséggel csökkent hozamot, különféle baktériumok okozta szennyeződést vagy folyamathibát eredményez. Ezért a méretnövelési folyamatok alapvető törvényeinek és a követelményeknek a mélyreható ismerete elengedhetetlen. erjesztő tartály A tervezésnek nagy jelentősége van a laboratóriumi eredmények iparosítása szempontjából.

Ez a cikk a fermentációs folyamat méretnövelésének alapelveivel kezdődik, részletesen ismerteti a laboratóriumi és ipari méretnövelési eljárásokban elterjedt méretnövelési módszereket, majd elemzi és összefoglalja azokat a tipikus fermentációs eljárások tervezési követelményeivel kombinálva. erjesztő tartályok.

I. A fermentációs folyamat léptéknövelésének alapvető kérdései

Laboratóriumi erjesztés általában 100 ml-10 literes rázólombikokban vagy kis tartályokban végzik, míg az ipari termeléshez gyakran 10 m³ - 500 m³ vagy akár nagyobb tartályokra van szükség. A térfogatnövelés folyamata nem pusztán a geometriai méretek egyszerű megváltoztatása; összetett kérdéseket is magában foglal, mint például a folyadékdinamika, a tömeg- és hőátadás, valamint a keverési hatékonyság. A fő kihívások a következők:

1. Csökkent oxigénátviteli kapacitás: Ahogy a erjesztő tartály A térfogat növekedésével a gáz-folyadék érintkezési felülete csökken, ami az oxigénátadási sebesség jelentős csökkenéséhez vezet, ami korlátozó tényezővé válhat.

2. Inhomogén keverés: A nagy tartályokban az áramlási mező összetett, holt zónákkal és koncentrációgradiensekkel, ami a tápanyagok és az oldott oxigén egyenetlen eloszlásához vezet.

3. Nehéz hőátadás: A mikrobiális anyagcsere nagy mennyiségű hőt termel, míg a nagy tartályok hőelvezetési hatékonysága viszonylag alacsony. A nem megfelelő hőmérséklet-szabályozás befolyásolhatja a mikroorganizmusok életképességét.

4. Növelési hatás: A laboratóriumi méretekben nem jelentős problémák ipari méretekben felerősödhetnek, mint például a habzás, a mikroorganizmusok nyíróerő okozta károsodása stb.

Ezért a méretezési elvek meghatározása a kulcsfontosságú kinetikai paraméterek relatív konzisztenciájának fenntartását célozza a különböző skálák között.

MIKEBIO laboratóriumi méretű, bentchtop bioreaktor fermentor

II. Közös skálázási alapelvek

Jelenleg az ipari fermentációban számos fő méretezési elv és módszer létezik:

1. Geometriai hasonlósági elv

Tartsa meg a geometriai arányokat erjesztő tartály változatlan, azaz a magasság és az átmérő aránya, valamint a keverőlapát átmérőjének és a tartály átmérőjének aránya állandó marad. Ez a módszer kényelmes a berendezések tervezése és gyártása szempontjából, de nehéz biztosítani, hogy a kinetikai feltételek teljesen azonosak legyenek, különösen az oxigénátadás és a keverési hatékonyság tekintetében, ahol gyakran vannak eltérések.

2. Kinetikus hasonlósági elv

A skálázási folyamat során ügyeljen arra, hogy az anyagcserével kapcsolatos kinetikai paraméterek állandóak maradjanak, például:

• Térfogati oxigénátviteli együttható (k_L a): Győződjön meg arról, hogy az oxigénellátási kapacitás különböző léptékekben egyenértékű;
• Keverési teljesítmény/térfogat arány (P/V): Győződjön meg arról, hogy a keverési és nyírási környezet hasonló;
• Gázáramlás/térfogat arány (Q/V): A gáz-folyadék tömegátadási környezet hasonlóságának fenntartása.

Ez a módszer közelebb áll a mikroorganizmusok fiziológiai igényeihez, de a gyakorlatban gyakran kompromisszumokat igényel több paraméter között.

3. Időállandó hasonlósági elv

Összpontosítson az anyag- és energiaátadás időskáláira, például a keverési időre, a buborékvisszatartási időre és a hőmérséklet-válaszidőre. Ezen jellemző idők mikrobiális anyagcsere-időhöz való igazításával elkerülhetők a helyi tápanyaghiányok vagy a hőmérséklet-egyensúlyhiányok.

4. Átfogó skálázási elv

A tényleges ipari méretekben nehéz egyetlen elv alapján teljes mértékben megfelelni a követelményeknek, ezért gyakran átfogó stratégiát alkalmaznak. Például a k_L a biztosítása során megfelelően figyelembe kell venni a P/V és a Q/V arányokat, és optimalizálni kell a hatást a folyamatszabályozás, a betáplálási stratégiák és a szakaszos oxigénellátás révén.

III. Átmenet a laboratóriumból a kísérleti üzembe és az ipari méretnövelésbe

A skálázás jellemzően három szakaszból áll:

• Laboratóriumi szakasz: A fő feladat a törzsek szűrése, az alapvető táptalaj összetételének és a folyamat körülményeinek meghatározása. Ebben a szakaszban főként kis rázólombikokat és asztali fermentorok.
• Kísérleti üzemi szakaszA térfogat általában 30 és 1000 l között van. A cél a folyamat skálázhatóságának tesztelése, a keverési, levegőztetési és adagolási rendszerek optimalizálása, valamint a mérnöki adatok gyűjtése. Ez a szakasz főként a következőket használja: kísérleti fermentorok.
• Ipari szakasz: A térfogat néhány tíztől több száz köbméterig terjed. Olyan kérdéseket igényel, mint a hosszú távú stabil működés, az alapanyagellátás, a berendezések karbantartása és a költségellenőrzés. Ez a szakasz főként a következőket használja: nagy ipari fermentorok.

Az egyes szakaszok adatai és tapasztalatai képezik a következő szakasz tervezésének és optimalizálásának alapját.

IV. Az erjesztőtartályok tervezésének alapvető követelményei

A erjesztő tartály a fermentációs folyamat központi berendezése, és kialakítása közvetlenül befolyásolja a mikroorganizmusok növekedését és a termékek szintézisét. A fermentációs tartály ésszerű kialakításának meg kell felelnie a következő követelményeknek:

1. Szerkezeti tervezés

• Anyag: Általában rozsdamentes acélt (például 316L) használnak a korrózióállóság és a könnyű tisztíthatóság biztosítása érdekében.
• Geometriai arány: A magasság és az átmérő aránya gyakran 2:1 és 3:1 között van, ami elősegíti a gáz-folyadék diszperziót és a tömegátadást.
• Tartálytartozékok: Tartalmazhatnak keverőberendezéseket, szellőztetőrendszereket, hűtőköpenyeket vagy belső tekercseket, mintavételi nyílásokat, sterilizáló rendszereket stb.

2. Keverő és keverőrendszer

• Keverőlapát típusa: A gyakori típusok közé tartoznak a hatlevelű kör alakú turbinalapátok, a propellerlapátok stb., amelyeket a mikroorganizmus jellemzői alapján kell kiválasztani.
• Keverőerő: Egyensúlyt kell teremtenie a keverési hatékonyság és a nyíróerő között, biztosítva az oxigénátadást, miközben elkerüli a mikroorganizmusok károsodását.
• Terelőlemez kialakítása: Általában 4 terelőlemezt állítanak be a folyadékörvények elkerülése és a keverési hatékonyság javítása érdekében.

3. Szellőzés és oxigénátadás

•  Szellőztetőrendszer: Porózus vagy gyűrűs perlátorokat tartalmaz a buborékok szétszóródásának fokozása érdekében.
•  Oxigénfelhasználási sebesség: A gázáramlási sebességet a mikroorganizmus oxigénigényének megfelelően kell megtervezni, amelyet általában vvm-ben (gáztérfogat/folyadéktérfogat·perc) fejeznek ki.
•  Nyomásos oxigénellátás: Nagy sűrűségű termesztés esetén az oxigénszint a tartálynyomás növelésével növelhető.

4. Hőátadó és hőmérséklet-szabályozó rendszer

• Hűtőköpenyek és belső tekercsek: Az anyagcsere-hő elvezetésére szolgálnak.
• Hőmérséklet-szabályozás pontossága: Általában ±0,5 ℃-on belül kell szabályozni.
• Méretezési szempont: A nagy tartályok nehezen oszlanak el hőt, ezért a hűtési területet ésszerűen kell elosztani.

5. Sterilizálás és sterilitási követelmények

• Helyi sterilizálás (SIP) és Helyi tisztító /CIP rendszerek nélkülözhetetlenek;
• Minden szelepnek és illesztésnek kerülnie kell a holt sarkokat, hogy csökkentse az idegen baktériumok okozta szennyeződés kockázatát.

6. Habzásszabályozás

• Mechanikus habtörő vagy kémiai habzásgátló: Annak megakadályozására, hogy a hab befolyásolja a szellőztetést és a monitorozást.
• Habszonda csatlakozásvezérlés: A habzásgátló automatikus hozzáadása megvalósítható.

7. Automatizálás és monitorozás

• Online monitorozás: pH, oldott oxigén (DO), hőmérséklet, keverési sebesség, gázáramlási sebesség stb.;
• Speciális vezérlés: Például az adagolási sebesség automatikus beállítása, az oxigénkompenzáció szabályozása, az adatgyűjtés és a folyamatelemzés.

V. Esettanulmány: Antibiotikumos fermentáció felskálázása

Vegyük például az antibiotikum-termelést, a laboratóriumi kísérletek jellemzően 5 literes erjesztőtartályok a folyamatfeltételek optimalizálása érdekében. 100 m³-es ipari tartályok méretének növelésekor gyakran tapasztalható oxigénhiány. A járókerekek számának növelésével, a szellőzőnyílások eloszlásának javításával, a tartálynyomás mérsékelt növelésével és a szakaszos adagolási módszer alkalmazásával a baktériumok anyagcsere-szintje a nagyüzemi termelési szakaszban hatékonyan fenntartható, és a termékhozam stabilizálható.

VI. Jövőbeli trendek

• A szintetikus biológia és az intelligens gyártás fejlődésével, a fermentációs folyamatok felskálázásával és a ... tervezésével... erjesztő tartályok új trendeket mutattak be:
• Intelligencia: Szenzorhálózatok és big data modellezés használata a pontos előrejelzés és szabályozás érdekében.
• Moduláris berendezések: Gyors kombinálást és rugalmas bővítést tesznek lehetővé.
• Zöld és alacsony energiafogyasztás: A keverési és szellőztetési módszerek optimalizálásával csökkenthető az energiafogyasztás és a szén-dioxid-kibocsátás.
• Egyszer használatos biológiai reaktorok: Egyes gyógyszeripari gyártási folyamatokban alkalmazzák, elkerülve a tisztítási és sterilizálási lépéseket.

MIKEBIO nagyméretű ipari fermentációs rendszer 

Következtetés

A fermentáció laboratóriumi méretekről ipari méretekre való felskálázása kulcsfontosságú lépés a biogyártás sikere szempontjából. Az ésszerű felskálázási elveknek átfogóan figyelembe kell venniük olyan tényezőket, mint az oxigénátadás, a keverés és a hőátadás, és azokat folyamatosan optimalizálni kell a gyakorlatban. Ugyanakkor a fermentációs tartályok, mint alapvető berendezések tervezésének számos követelménynek kell megfelelnie, mint például a sterilitás, a tömegátadás, a hőátadás és a szabályozhatóság. Az új technológiák fejlődésével az intelligens megoldások és a környezetbarát megoldások fontos irányokká válnak a jövő fermentációs mérnöki munkája során.

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.