Разликите во стратегиите за контрола на температурата за резервоари за ферментација со различна големина во процесите на биолошка ферментација

Вовед

Биолошката ферментација е процес што ги претвора суровините во целни производи преку метаболичките активности на микроорганизмите. Широко се применува во областа на фармацевтската индустрија, прехранбената индустрија, земјоделството и заштитата на животната средина. За време на процесот на ферментација, температурата е клучен параметар што влијае на микробната активност, метаболичките патишта и формирањето на производот. Постојат значителни разлики во стратегиите за контрола на температурата помеѓу различните размери на резервоарите за ферментација, главно манифестирани во ефикасноста на спроводливоста на топлина, структурата на контролниот систем, брзината на одговор, контролата на потрошувачката на енергија и скалирањето на процесот. Оваа статија систематски ќе ги анализира разликите во стратегиите за контрола на температурата на резервоари за ферментација на лабораториски, пилотски и индустриски размери, како и причините зад нив, со цел да се обезбедат теоретски референци за оптимизација и зголемување на процесите на ферментација.

I. Улогата на контролата на температурата во процесот на ферментација

Температурата влијае на ензимската активност на микробните клетки, пропустливоста на клеточните мембрани, изборот на метаболички патишта и брзината на формирање на производи. Во повеќето процеси на ферментација, оптималниот температурен опсег за микроорганизмите е помеѓу 20 и 40 степени Целзиусови. Надминувањето на овој опсег ќе доведе до намалување на метаболичката ефикасност или дури и до смрт на клетките. Затоа, одржувањето на соодветна и стабилна температура е предуслов за обезбедување ефикасност на ферментацијата и квалитет на производот.

Системот за контрола на температурата не само што треба стабилно да ја одржува поставената температура, туку мора да има и способност брзо да реагира за да се справи со предизвици како што се ненадејни промени на топлината (како што е брза микробна пролиферација што генерира голема количина на метаболичка топлина) за време на процесот на ферментација.

II. Системи за контрола на температурата на садови за ферментација со различна скала

1. Лабораториска вага (1L - 20L)

Садови за ферментација на лабораториско ниво обично се помали по големина и имаат брза стапка на генерирање и дисипација на топлина. Нивните системи за контрола на температурата се релативно едноставни и генерално се состојат од следниве компоненти:

• Систем за греење: Електрична грејна обвивка или грејна прачка;
• Систем за ладење: Циркулација на ладена вода преку обвивка или вградени калеми за ладење;
• Контролен систем: PID (Пропорционално-Интегрално-Деривативно) регулациски систем поврзан со термистори за контрола на префрлувањето помеѓу греење и ладење;
• Повратна информација за температурата: Термопаровите или термисторите обезбедуваат сигнали за температурата во реално време.

Поради нивната мала големина, топлината лесно се распределува рамномерно, одговорот за контрола на температурата е брз, а стабилноста на системот е висока. Флуктуацијата на температурата е генерално во рамките на ±0,2℃.

2. Пилотска вага (50L - 500L)

Садови за ферментација на пилотска скала се користат за оптимизација на процесите и верификација на скалирање. Комплексноста на системот значително се зголемува:

• Метод на греење: Систем за циркулација на топла вода преку јакна или парно греење
• Метод на ладење: Двослојна обвивка со циркулација на вода за ладење или внатрешни калеми за ладење;
• Опрема за контрола на температурата: Обично опремена со PLC систем за контрола, кој може да го прилагоди односот на ладна/топла вода;
• Точки за следење: Сензорите за температура можат да се постават на повеќе точки за да се следат температурните разлики во различни делови од течноста.

Во оваа фаза, распределбата на температурата повеќе не е целосно униформна. Особено во системи за ферментација со висок вискозитет или висока густина на клетките, може да се појави локално прегревање или недоволно ладење, па затоа е потребно да се компензира со оптимизирање на ефикасноста на мешање и способноста за одговор на контролниот систем.

3. Индустриски размери (1m³ до неколку десетици m³)

Резервоари за ферментација од индустриски размер се соочуваат со повеќе предизвици во контролата на температурата:

• Проблем со ефикасноста на пренос на топлина: Како што се зголемува волуменот, односот на површината кон волуменот се намалува, што го отежнува распрснувањето на топлината во рамките на единица волумен;
• Брза акумулација на метаболичка топлина: Високата концентрација на клетки и активниот метаболизам доведуваат до брза акумулација на топлина;
• Подобрен систем за ладење: Се користат повеќе системи како што се повеќеслојни обвивки, ладилници со голема моќност, калеми за ладење и ладилни кули;
• Високо ниво на автоматизација: DCS (Дистрибуиран систем за контрола) или SCADA системи се користат за управување со контролата на температурата, овозможувајќи контрола на температурата во зоната и динамичко прилагодување;
• Зголемена термичка инерција: Побавна реакција, одложена контрола на температурата, што бара рано предвидување и прилагодување;

Дополнително, за време на дизајнирањето на резервоари за ферментација со голем обем, потребна е CFD (компјутерска динамика на флуиди) симулација за да се предвиди распределбата на температурното поле, водејќи го распоредот на цевководите за ладење и дизајнот на агитаторите.

III. Анализа на разликите во стратегиите за контрола на температурата

1. Брзина на одговор на контролата на температурата

Системот на лабораториска скала реагира брзо, завршувајќи го прилагодувањето на температурата во рок од неколку секунди;

Системот на пилотско ниво има просечна брзина на одговор, која трае од десетици секунди до неколку минути;

Системот на индустриско ниво има најбавен одговор, кој може да трае неколку минути или дури и подолго. Затоа, често се користи предикативна стратегија (предикативна контрола).

MIKEBIO систем за ферментација на индустриска скала

2. Разновидност на методи за контрола на температурата

За мали системи, електричното греење и контролата на ладна вода се главните методи;

За системи од пилотска скала и повисоки, најчесто се користи греење со пареа и прилагодување на соодносот на мешавината со вода за ладење;

За резервоари од индустриски размер, потребна е повеќеканална контрола, а изворите на ладно/топло се вклучуваат автоматски врз основа на температурата на околината, фазата на ферментација и промените во топлинското оптоварување.

3. Рамномерност на распределбата на топлината

Малите резервоари, поради нивната мала големина, можат да постигнат униформност на топлината преку мешање;

Резервоарите со пилотска скала треба да комбинираат мешање со систем за циркулација со контрола на температурата;

Индустриските резервоари бараат посложени дизајни на внатрешна структура, како што се мерење на температурата во повеќе точки, насочен проток на мешање и слоевито ладење итн.

1. Тешкотии во контролата на температурата и насоките за оптимизација

IV. Однос помеѓу контролата на температурата и ефикасноста на ферментацијата

Точноста на контролата на температурата директно влијае стапката на раст на микроорганизмите и видот на произведени метаболити. На пример, при ферментација со антибиотици, зголемувањето на температурата може да го забрза почетното акумулирање на биомаса, но да го инхибира формирањето на секундарни метаболити. За процеси каде што производот на ферментација е протеин чувствителен на температура, како што се системите за експресија на рекомбинантни протеини, отстапувањата во температурата може да доведат до неправилно преклопување на протеинската структура или формирање на инклузивни тела, со што сериозно се намалува приносот на производот.

Понатаму, за време на зголемувањето на процесот, разликите во стратегиите за контрола на температурата се исто така една од главните причини зошто лабораториските податоци се тешки за реплицирање во индустриски услови.

V. Заклучок

Контролата на температурата е клучен параметар во биопроцесираната ферментација. Садовите за ферментација со различна големина бараат насочени стратегии за контрола на температурата. Малата ферментација се фокусира на брз одговор и стабилност, средната скала бара рамнотежа помеѓу брзината на одговор и униформната распределба на температурата, додека индустриската скала бара висока автоматизација и систематско планирање. Со развојот на интелигентни технологии за производство и анализа на податоци, идните системи за контрола на температурата ќе бидат поинтелигентни и попрецизни, обезбедувајќи силна поддршка за ефикасни и контролирани процеси на ферментација.

Од друга страна, при изборот на биореакторски ферментатор, потребно е да се најде редовен производител со добра репутација и сила, со цел да се обезбеди квалитетот на производот. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. е основана во 2008 година, е фокусирана на опрема за биолошка ферментација истражување и развој, производство и продажба на високотехнолошки претпријатија. Нашата компанија има пилот-платформа за ферментација, која е интегрирана со интелигенција и автоматизација, и има изградено зрел систем за ферментација, кој може да ја реализира оптимизацијата на пилот-процесот на ферментација, пуштање во употреба на сите процесни процеси од производство на пилот-ферментација до одвојување и прочистување на производите од ферментација, како и поставување на лекарска работна станица и модерна лабораторија.

Нашата компанија има стандардизиран производствен погон, со комплетни комплети опрема и алатки потребни за инсталација, главно вклучувајќи различни машински алати, машина за автоматско аргонско лачно заварување, машина за автоматско полирање, машина за автоматско сечење и машина за откривање на недостатоци и повеќе од 60 комплети опрема за производство и тестирање, целиот производствен процес реализира модерно стандардно работење, за да им обезбеди на клиентите попрофесионален квалитет и техничка поддршка.