Temperatūros kontrolės strategijų skirtumai skirtingo dydžio fermentacijos bakuose biologinės fermentacijos procesuose

Įvadas

Biologinė fermentacija – tai procesas, kurio metu žaliavos paverčiamos tiksliniais produktais, vykstant mikroorganizmų metaboliniam aktyvumui. Jis plačiai taikomas farmacijos, maisto, žemės ūkio ir aplinkos apsaugos srityse. Fermentacijos proceso metu temperatūra yra pagrindinis parametras, turintis įtakos mikrobų aktyvumui, medžiagų apykaitos keliams ir produktų susidarymui. Skirtingų dydžių fermentacijos bakų temperatūros kontrolės strategijos labai skiriasi, daugiausia pasireiškiant šilumos laidumo efektyvumu, valdymo sistemos struktūra, reakcijos greičiu, energijos suvartojimo kontrole ir proceso masteliu. Šiame straipsnyje bus sistemingai analizuojami temperatūros kontrolės strategijų skirtumai tarp... fermentacijos talpyklos laboratoriniu, bandomuoju ir pramoniniu mastu bei jų priežastis, siekiant pateikti teorines nuorodas fermentacijos procesų optimizavimui ir didinimui.

I. Temperatūros kontrolės vaidmuo fermentacijos procese

Temperatūra veikia mikrobinių ląstelių fermentinį aktyvumą, ląstelių membranų pralaidumą, medžiagų apykaitos kelių pasirinkimą ir produktų susidarymo greitį. Daugumoje fermentacijos procesų optimalus temperatūros diapazonas mikroorganizmams yra nuo 20 iki 40 laipsnių Celsijaus. Viršijus šį diapazoną, sumažėja medžiagų apykaitos efektyvumas arba ląstelės net žūsta. Todėl tinkamos ir stabilios temperatūros palaikymas yra būtina sąlyga siekiant užtikrinti fermentacijos efektyvumą ir produkto kokybę.

Temperatūros reguliavimo sistema ne tik turi stabiliai palaikyti nustatytą temperatūrą, bet ir gebėti greitai reaguoti į tokius iššūkius kaip staigūs šilumos pokyčiai (pvz., greitas mikrobų dauginimasis, dėl kurio susidaro didelis metabolinės šilumos kiekis) fermentacijos proceso metu.

II. Įvairių dydžių fermentacijos indų temperatūros kontrolės sistemos

1. Laboratorinės svarstyklės (1–20 l)

Laboratorinio lygio fermentacijos indai paprastai yra mažesnio dydžio ir greitai generuoja bei išsklaido šilumą. Jų temperatūros reguliavimo sistemos yra gana paprastos ir paprastai susideda iš šių komponentų:

• Šildymo sistema: elektrinis šildymo striukė arba šildymo strypas;
• Aušinimo sistema: aušinto vandens cirkuliacija per apvalkalą arba įmontuotus aušinimo ritinius;
• Valdymo sistema: PID (proporcinė-integralinė-išvestinė) reguliavimo sistema, prijungta prie termistorių, skirtų valdyti šildymo ir vėsinimo perjungimą;
• Temperatūros grįžtamasis ryšys: Termoelementai arba termistoriai teikia realaus laiko temperatūros signalus.

Dėl mažo dydžio šiluma lengvai paskirstoma tolygiai, temperatūros reguliavimo reakcija yra greita, o sistemos stabilumas didelis. Temperatūros svyravimai paprastai yra ±0,2 ℃ ribose.

2. Bandomoji skalė (50–500 l)

Bandomojo masto fermentacijos indai naudojami procesų optimizavimui ir mastelio didinimo patikrai. Sistemos sudėtingumas žymiai padidėja:

• Šildymo būdas: karšto vandens cirkuliacijos sistema per apvalkalą arba garo šildymas
• Aušinimo būdas: Dvisluoksnis apvalkalas su aušinimo vandens cirkuliacija arba vidinėmis aušinimo ritėmis;
• Temperatūros reguliavimo įranga: Paprastai įrengta PLC valdymo sistema, kuri gali reguliuoti šalto ir karšto vandens santykį;
• Stebėjimo taškai: Temperatūros jutiklius galima išdėstyti keliuose taškuose, kad būtų galima stebėti temperatūros skirtumus skirtingose ​​skysčio dalyse.

Šiame etape temperatūros pasiskirstymas nebėra visiškai vienodas. Ypač didelio klampumo arba didelio ląstelių tankio fermentacijos sistemose gali įvykti vietinis perkaitimas arba per mažas aušinimas, todėl būtina tai kompensuoti optimizuojant maišymo efektyvumą ir valdymo sistemos reagavimo galimybes.

3. Pramoninis mastas (nuo 1 m³ iki kelių dešimčių m³)

Pramoninio masto fermentacijos bakai susiduria su daugiau iššūkių temperatūros kontrolės srityje:

• Šilumos perdavimo efektyvumo problema: didėjant tūriui, paviršiaus ploto ir tūrio santykis mažėja, todėl šilumai sunkiau išsisklaidyti tūrio vienete;
• Greitas metabolinės šilumos kaupimasis: didelė ląstelių koncentracija ir aktyvus metabolizmas lemia greitą šilumos kaupimąsi;
• Patobulinta aušinimo sistema: Priimamos kelios sistemos, tokios kaip daugiasluoksnės striukės, didelio galingumo aušintuvai, aušinimo ritės ir aušinimo bokštai;
• Aukštas automatizavimo lygis: temperatūros valdymui naudojamos DCS (paskirstytos valdymo sistemos) arba SCADA sistemos, leidžiančios valdyti zonos temperatūrą ir ją dinamiškai reguliuoti;
• Padidėjusi šiluminė inercija: lėtesnė reakcija, uždelstas temperatūros reguliavimas, todėl reikia iš anksto numatyti ir koreguoti;

Be to, projektuojant didelio masto fermentacijos bakus, reikalingas CFD (skaičiuojamosios skysčių dinamikos) modeliavimas, kad būtų galima numatyti temperatūros lauko pasiskirstymą, vadovaujantis aušinimo vamzdynų išdėstymu ir maišytuvų projektavimu.

III. Temperatūros kontrolės strategijų skirtumų analizė

1. Temperatūros reguliavimo reakcijos greitis

Laboratorinio masto sistema reaguoja greitai, temperatūros reguliavimą atlikdama per kelias sekundes;

Bandomojo masto sistemos vidutinis atsako greitis trunka nuo dešimčių sekundžių iki kelių minučių;

Pramoninio masto sistema reaguoja lėčiausiai, tai gali užtrukti kelias minutes ar net ilgiau. Todėl dažnai taikoma nuspėjamoji strategija (nuspėjamasis valdymas).

MIKEBIO pramoninio masto fermentacijos sistema

2. Temperatūros kontrolės metodų įvairovė

Mažo masto sistemoms pagrindiniai metodai yra elektrinis šildymas ir šalto vandens valdymas;

Bandomosios ir didesnės apimties sistemose dažniausiai naudojamas šildymas garais ir aušinimo vandens mišinio santykio reguliavimas;

Pramoninio masto talpykloms reikalingas daugiakanalis valdymas, o šalti / karšti šaltiniai automatiškai perjungiami atsižvelgiant į aplinkos temperatūrą, fermentacijos etapą ir šilumos apkrovos pokyčius.

3. Šilumos paskirstymo tolygumas

Maži rezervuarai dėl savo mažo dydžio gali pasiekti šilumos vienodumą maišant;

Bandomojo masto talpyklose maišymas turi būti derinamas su temperatūros reguliavimo cirkuliacijos sistema;

Pramoninėms talpykloms reikalingi sudėtingesni vidiniai konstrukcijos projektai, tokie kaip daugiataškis temperatūros matavimas, kryptingas maišymo srautas ir sluoksniuotas aušinimas ir kt.

1. Temperatūros kontrolės ir optimizavimo krypčių sunkumai

IV. Temperatūros kontrolės ir fermentacijos efektyvumo ryšys

Temperatūros reguliavimo tikslumas tiesiogiai paveikia mikroorganizmų augimo greitis ir susidarančių metabolitų tipas. Pavyzdžiui, antibiotikų fermentacijos metu temperatūros padidėjimas gali pagreitinti pradinį biomasės kaupimąsi, tačiau slopinti antrinių metabolitų susidarymą. Procesuose, kuriuose fermentacijos produktas yra temperatūrai jautrus baltymas, pavyzdžiui, rekombinantinėse baltymų ekspresijos sistemose, temperatūros nukrypimai gali lemti neteisingą baltymo struktūros lankstymąsi arba intarpinių kūnelių susidarymą, o tai labai sumažina produkto išeigą.

Be to, didinant proceso mastą, temperatūros kontrolės strategijų skirtumai taip pat yra viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl laboratorinius duomenis sunku atkartoti pramoninėmis sąlygomis.

V. Išvada

Temperatūros kontrolė yra pagrindinis bioprocesorinės fermentacijos parametras. Skirtingo dydžio fermentacijos indams reikalingos tikslinės temperatūros kontrolės strategijos. Mažos apimties fermentacija orientuota į greitą reagavimą ir stabilumą, vidutinės apimties fermentacijai reikalinga pusiausvyra tarp reagavimo greičio ir tolygaus temperatūros pasiskirstymo, o pramoniniam mastui reikalingas aukštas automatizavimo lygis ir sistemingas planavimas. Tobulėjant išmaniosioms gamybos ir duomenų analizės technologijoms, ateities temperatūros kontrolės sistemos bus išmanesnės ir tikslesnės, užtikrindamos tvirtą paramą efektyviems ir valdomiems fermentacijos procesams.

Kita vertus, renkantis bioreaktoriaus fermentatorius, būtina rasti nuolatinį gamintoją, turintį gerą reputaciją ir stiprybę, kad būtų užtikrinta produkto kokybė. „Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd.“ buvo įkurta 2008 m. ir daugiausia dėmesio skiria biologinės fermentacijos įranga Aukštųjų technologijų įmonių tyrimai ir plėtra, gamyba ir pardavimas. Mūsų įmonė turi bandomosios fermentacijos platformą, integruotą su intelektu ir automatizavimu, ir sukūrė brandžią fermentacijos sistemą, kuri gali optimizuoti bandomosios fermentacijos procesą, užsakyti visų proceso procesų kūrimą nuo bandomosios fermentacijos gamybos iki fermentacijos produktų atskyrimo ir valymo, taip pat įrengti gydytojo darbo vietą ir modernią laboratoriją.

Mūsų įmonė turi standartizuotą gamybos įmonę su visais įrengimui reikalingais įrangos ir įrankių komplektais, daugiausia įskaitant įvairias stakles, automatinį argono lanko suvirinimo aparatą, automatinį poliravimo aparatą, automatinį pjovimo aparatą ir defektų aptikimo aparatą bei kitą daugiau nei 60 gamybos ir bandymo įrangos komplektų. Gamybos procesas įgyvendina šiuolaikinį standartinį veikimą, siekiant klientams suteikti profesionalesnę kokybę ir techninę pagalbą.