Temperatūras kontroles stratēģiju atšķirības dažāda izmēra fermentācijas tvertnēs bioloģiskās fermentācijas procesos

Ievads

Bioloģiskā fermentācija ir process, kurā izejvielas tiek pārvērstas mērķa produktos, izmantojot mikroorganismu vielmaiņas aktivitātes. To plaši pielieto farmācijas, pārtikas, lauksaimniecības un vides aizsardzības jomā. Fermentācijas procesa laikā temperatūra ir galvenais parametrs, kas ietekmē mikrobu aktivitāti, vielmaiņas ceļus un produktu veidošanos. Temperatūras kontroles stratēģijās starp dažādiem fermentācijas tvertņu mērogiem pastāv būtiskas atšķirības, kas galvenokārt izpaužas siltuma vadīšanas efektivitātē, vadības sistēmas struktūrā, reakcijas ātrumā, enerģijas patēriņa kontrolē un procesa mērogošanā. Šajā rakstā tiks sistemātiski analizētas temperatūras kontroles stratēģiju atšķirības starp... fermentācijas tvertnes laboratorijas, pilotprojektu un rūpnieciskā mērogā, kā arī to iemesli, ar mērķi sniegt teorētiskas atsauces fermentācijas procesu optimizācijai un mērogošanai.

I. Temperatūras kontroles loma fermentācijas procesā

Temperatūra ietekmē mikrobu šūnu fermentatīvo aktivitāti, šūnu membrānu caurlaidību, vielmaiņas ceļu izvēli un produktu veidošanās ātrumu. Vairumā fermentācijas procesu optimālais temperatūras diapazons mikroorganismiem ir no 20 līdz 40 grādiem pēc Celsija. Šī diapazona pārsniegšana novedīs pie vielmaiņas efektivitātes samazināšanās vai pat šūnu nāves. Tāpēc atbilstošas ​​un stabilas temperatūras uzturēšana ir priekšnoteikums fermentācijas efektivitātes un produkta kvalitātes nodrošināšanai.

Temperatūras kontroles sistēmai ne tikai stabili jāuztur iestatītā temperatūra, bet arī jāspēj ātri reaģēt, lai tiktu galā ar tādiem izaicinājumiem kā pēkšņas siltuma izmaiņas (piemēram, strauja mikrobu savairošanās, radot lielu daudzumu vielmaiņas siltuma) fermentācijas procesa laikā.

II. Dažāda mēroga fermentācijas tvertņu temperatūras kontroles sistēmas

1. Laboratorijas svari (1–20 l)

Laboratorijas līmeņa fermentācijas trauki parasti ir mazāki izmēri un tiem ir ātra siltuma ģenerēšana un izkliede. To temperatūras kontroles sistēmas ir samērā vienkāršas un parasti sastāv no šādām sastāvdaļām:

• Apkures sistēma: elektriskā apkures jaka vai apkures stienis;
• Dzesēšanas sistēma: Atdzesēta ūdens cirkulācija caur apvalku vai iebūvētām dzesēšanas spolēm;
• Vadības sistēma: PID (proporcionāli integrāla atvasināta) regulēšanas sistēma, kas savienota ar termistoriem, lai kontrolētu pārslēgšanos starp sildīšanu un dzesēšanu;
• Temperatūras atgriezeniskā saite: Termopāri vai termistori nodrošina reāllaika temperatūras signālus.

Pateicoties to mazajam izmēram, siltums tiek vienmērīgi sadalīts, temperatūras kontroles reakcija ir ātra un sistēmas stabilitāte ir augsta. Temperatūras svārstības parasti ir ±0,2 ℃ robežās.

2. Pilota mērogs (50–500 l)

Pilota mēroga fermentācijas trauki tiek izmantoti procesu optimizācijai un mēroga palielināšanas pārbaudei. Sistēmas sarežģītība ievērojami palielinās:

• Apkures metode: karstā ūdens cirkulācijas sistēma caur apvalku vai tvaika sildīšana
• Dzesēšanas metode: divslāņu apvalks ar dzesēšanas ūdens cirkulāciju vai iekšējām dzesēšanas spolēm;
• Temperatūras kontroles iekārtas: parasti aprīkotas ar PLC vadības sistēmu, kas var regulēt aukstā/karstā ūdens attiecību;
• Uzraudzības punkti: Temperatūras sensorus var novietot vairākos punktos, lai uzraudzītu temperatūras atšķirības dažādās šķidruma daļās.

Šajā posmā temperatūras sadalījums vairs nav pilnīgi vienmērīgs. Īpaši augstas viskozitātes vai augsta šūnu blīvuma fermentācijas sistēmās var rasties lokāla pārkaršana vai nepietiekama atdzesēšana, tāpēc ir nepieciešams to kompensēt, optimizējot maisīšanas efektivitāti un vadības sistēmas reakcijas spēju.

3. Rūpnieciskais mērogs (no 1 m³ līdz vairākiem desmitiem m³)

Rūpnieciskā mēroga fermentācijas tvertnes saskaras ar vairāk izaicinājumiem temperatūras kontrolē:

• Siltuma pārneses efektivitātes problēma: palielinoties tilpumam, virsmas laukuma attiecība pret tilpumu samazinās, apgrūtinot siltuma izkliedi tilpuma vienībā;
• Strauja vielmaiņas siltuma uzkrāšanās: augsta šūnu koncentrācija un aktīva vielmaiņa noved pie straujas siltuma uzkrāšanās;
• Uzlabota dzesēšanas sistēma: tiek izmantotas vairākas sistēmas, piemēram, daudzslāņu apvalki, lieljaudas dzesētāji, dzesēšanas spoles un dzesēšanas torņi;
• Augsts automatizācijas līmenis: temperatūras kontrolei tiek izmantotas DCS (Distributed Control System) vai SCADA sistēmas, kas nodrošina zonas temperatūras kontroli un dinamisko regulēšanu;
• Paaugstināta termiskā inerce: lēnāka reakcija, aizkavēta temperatūras kontrole, tādēļ nepieciešama agrīna prognozēšana un pielāgošana;

Turklāt, projektējot liela mēroga fermentācijas tvertnes, ir nepieciešama CFD (skaitļošanas šķidrumu dinamikas) simulācija, lai prognozētu temperatūras lauka sadalījumu, vadot dzesēšanas cauruļvadu izkārtojumu un maisītāju projektēšanu.

III. Temperatūras kontroles stratēģiju atšķirību analīze

1. Temperatūras kontroles reakcijas ātrums

Laboratorijas mēroga sistēma reaģē ātri, pabeidzot temperatūras regulēšanu dažu sekunžu laikā;

Pilota mēroga sistēmai ir vidējais reakcijas ātrums, kas aizņem no desmitiem sekunžu līdz vairākām minūtēm;

Rūpnieciskā mēroga sistēmai ir vislēnākā reakcija, kas var aizņemt vairākas minūtes vai pat ilgāk. Tāpēc bieži tiek izmantota paredzošā stratēģija (prognozējošā vadība).

MIKEBIO rūpnieciskā mēroga fermentācijas sistēma

2. Temperatūras kontroles metožu daudzveidība

Maza mēroga sistēmām galvenās metodes ir elektriskā apkure un aukstā ūdens kontrole;

Pilotmēroga un augstākām sistēmām parasti izmanto tvaika sildīšanu un dzesēšanas ūdens maisījuma attiecības regulēšanu;

Rūpnieciska mēroga tvertnēm ir nepieciešama daudzkanālu vadība, un aukstuma/karstuma avoti tiek automātiski pārslēgti atkarībā no vides temperatūras, fermentācijas stadijas un siltuma slodzes izmaiņām.

3. Siltuma sadalījuma vienmērīgums

Mazas tvertnes, pateicoties to mazajam izmēram, var panākt siltuma vienmērīgumu, maisot;

Pilota mēroga tvertnēm maisīšana jāapvieno ar temperatūras kontroles cirkulācijas sistēmu;

Rūpnieciskajām tvertnēm ir nepieciešamas sarežģītākas iekšējās konstrukcijas, piemēram, vairāku punktu temperatūras mērīšana, virziena maisīšanas plūsma un slāņveida dzesēšana utt.

1. Grūtības temperatūras kontrolē un optimizācijas virzienos

IV. Temperatūras kontroles un fermentācijas efektivitātes saistība

Temperatūras kontroles precizitāte tieši ietekmē mikroorganismu augšanas ātrums un saražoto metabolītu veids. Piemēram, antibiotiku fermentācijā temperatūras paaugstināšanās var paātrināt sākotnējo biomasas uzkrāšanos, bet kavēt sekundāro metabolītu veidošanos. Procesos, kuros fermentācijas produkts ir temperatūrai jutīgs proteīns, piemēram, rekombinantās proteīnu ekspresijas sistēmās, temperatūras novirzes var izraisīt nepareizu proteīna struktūras locīšanos vai ieslēguma ķermenīšu veidošanos, ievērojami samazinot produkta ražu.

Turklāt procesa palielināšanas laikā temperatūras kontroles stratēģiju atšķirības ir arī viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc laboratorijas datus ir grūti atkārtot rūpnieciskos apstākļos.

V. Secinājums

Temperatūras kontrole ir galvenais parametrs bioapstrādes fermentācijā. Dažāda izmēra fermentācijas traukiem ir nepieciešamas mērķtiecīgas temperatūras kontroles stratēģijas. Maza mēroga fermentācija koncentrējas uz ātru reaģēšanu un stabilitāti, vidēja mēroga fermentācijai ir nepieciešams līdzsvars starp reakcijas ātrumu un vienmērīgu temperatūras sadalījumu, savukārt rūpnieciskai fermentācijai ir nepieciešama augsta automatizācijas pakāpe un sistemātiska plānošana. Attīstoties intelektiskām ražošanas un datu analīzes tehnoloģijām, nākotnes temperatūras kontroles sistēmas būs inteliģentākas un precīzākas, nodrošinot spēcīgu atbalstu efektīviem un kontrolējamiem fermentācijas procesiem.

No otras puses, izvēloties bioreaktora fermentators, ir nepieciešams atrast regulāru ražotāju ar labu reputāciju un spēku, lai nodrošinātu produkta kvalitāti. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. tika dibināta 2008. gadā, un tā galvenā uzmanība ir pievērsta bioloģiskās fermentācijas iekārtas augsto tehnoloģiju uzņēmumu pētniecība un attīstība, ražošana un pārdošana. Mūsu uzņēmumam ir pilotfermentācijas platforma, kas ir integrēta ar intelektu un automatizāciju, un ir izveidota nobriedusi fermentācijas sistēma, kas var realizēt pilotfermentācijas procesa optimizāciju, pasūtot visu procesa procesu izstrādi, sākot no pilotfermentācijas ražošanas līdz fermentācijas produktu atdalīšanai un attīrīšanai, kā arī izveidojot ārsta darbstaciju un modernu laboratoriju.

Mūsu uzņēmumam ir standartizēta ražotne ar pilnu uzstādīšanai nepieciešamo iekārtu un instrumentu komplektu, galvenokārt ieskaitot dažādus darbgaldus, automātisko argona loka metināšanas iekārtu, automātisko pulēšanas iekārtu, automātisko griešanas iekārtu un defektu noteikšanas iekārtu, kā arī citus vairāk nekā 60 ražošanas un testēšanas iekārtu komplektus, un ražošanas process nodrošina mūsdienīgu standarta darbību, lai nodrošinātu klientiem profesionālāku kvalitāti un tehnisko atbalstu.