Diferenças nas estratégias de controle de temperatura para tanques de fermentação de diferentes tamanhos em processos de fermentação biológica.

Introdução

A fermentação biológica é um processo que converte matérias-primas em produtos desejados por meio da atividade metabólica de microrganismos. Ela é amplamente aplicada nas áreas farmacêutica, alimentícia, agrícola e de proteção ambiental. Durante o processo de fermentação, a temperatura é um parâmetro fundamental que afeta a atividade microbiana, as vias metabólicas e a formação do produto. Existem diferenças significativas nas estratégias de controle de temperatura entre tanques de fermentação de diferentes escalas, manifestadas principalmente na eficiência da condução de calor, na estrutura do sistema de controle, na velocidade de resposta, no controle do consumo de energia e na escalabilidade do processo. Este artigo analisará sistematicamente as diferenças nas estratégias de controle de temperatura em tanques de fermentação de diferentes escalas. tanques de fermentação nas escalas laboratorial, piloto e industrial, e as razões por trás delas, com o objetivo de fornecer referências teóricas para a otimização e ampliação de processos de fermentação.

I. O papel do controle de temperatura no processo de fermentação

A temperatura afeta a atividade enzimática das células microbianas, a permeabilidade das membranas celulares, a seleção das vias metabólicas e a taxa de formação dos produtos. Na maioria dos processos de fermentação, a faixa de temperatura ideal para os microrganismos situa-se entre 20 e 40 graus Celsius. Ultrapassar essa faixa leva a uma diminuição da eficiência metabólica ou mesmo à morte celular. Portanto, manter uma temperatura adequada e estável é um pré-requisito para garantir a eficiência da fermentação e a qualidade do produto.

O sistema de controle de temperatura não só precisa manter a temperatura definida de forma estável, como também deve ter a capacidade de responder rapidamente a desafios como mudanças repentinas de calor (como a rápida proliferação microbiana que gera uma grande quantidade de calor metabólico) durante o processo de fermentação.

II. Sistemas de controle de temperatura em tanques de fermentação de diferentes escalas

1. Escala de laboratório (1L - 20L)

Recipientes de fermentação em escala laboratorial Geralmente são de tamanho menor e possuem uma alta taxa de geração e dissipação de calor. Seus sistemas de controle de temperatura são relativamente simples e geralmente consistem nos seguintes componentes:

• Sistema de aquecimento: Jaqueta de aquecimento elétrico ou resistência de aquecimento;
• Sistema de refrigeração: Circulação de água refrigerada através de uma camisa ou serpentinas de refrigeração integradas;
• Sistema de controle: Sistema de regulação PID (Proporcional-Integral-Derivativo) conectado a termistores para controlar a alternância entre aquecimento e resfriamento;
• Feedback de temperatura: Termopares ou termistores fornecem sinais de temperatura em tempo real.

Devido ao seu pequeno tamanho, o calor é distribuído uniformemente com facilidade, a resposta do controle de temperatura é rápida e a estabilidade do sistema é alta. A flutuação de temperatura geralmente fica dentro de ±0,2℃.

2. Escala piloto (50L - 500L)

Vasos de fermentação em escala piloto São utilizadas para otimização de processos e verificação de ampliação de escala. A complexidade do sistema aumenta significativamente:

• Método de aquecimento: Sistema de circulação de água quente através de uma camisa de aquecimento ou aquecimento a vapor.
• Método de resfriamento: Camisa de dupla camada com circulação de água de resfriamento ou serpentinas de resfriamento internas;
• Equipamento de controle de temperatura: Geralmente equipado com um sistema de controle PLC, que pode ajustar a proporção de água fria/quente;
• Pontos de monitoramento: Sensores de temperatura podem ser colocados em vários pontos para monitorar as diferenças de temperatura em diferentes partes do líquido.

Nessa etapa, a distribuição de temperatura já não é completamente uniforme. Especialmente em sistemas de fermentação de alta viscosidade ou alta densidade celular, podem ocorrer superaquecimento ou subresfriamento localizados, sendo necessário compensar otimizando a eficiência da agitação e a capacidade de resposta do sistema de controle.

3. Escala industrial (1 m³ a várias dezenas de m³)

Tanques de fermentação em escala industrial enfrentar mais desafios no controle de temperatura:

• Problema de eficiência na transferência de calor: À medida que o volume aumenta, a relação entre a área da superfície e o volume diminui, tornando mais difícil a dissipação de calor dentro de um volume unitário;
• Acúmulo rápido de calor metabólico: Alta concentração celular e metabolismo ativo levam a um rápido acúmulo de calor;
• Sistema de refrigeração aprimorado: São adotados múltiplos sistemas, como jaquetas multicamadas, chillers de alta potência, serpentinas de resfriamento e torres de resfriamento;
• Alto nível de automação: Sistemas DCS (Sistema de Controle Distribuído) ou SCADA são usados ​​para o gerenciamento do controle de temperatura, permitindo o controle da temperatura por zona e o ajuste dinâmico;
• Aumento da inércia térmica: reação mais lenta, controle de temperatura retardado, exigindo, portanto, previsão e ajuste antecipados;

Além disso, durante o projeto de tanques de fermentação em grande escala, a simulação CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) é necessária para prever a distribuição do campo de temperatura, orientando o layout das tubulações de resfriamento e o projeto dos agitadores.

III. Análise das diferenças nas estratégias de controle de temperatura

1. Velocidade de resposta do controle de temperatura

O sistema em escala laboratorial responde rapidamente, concluindo o ajuste de temperatura em poucos segundos;

O sistema em escala piloto tem uma velocidade de resposta média que varia de dezenas de segundos a vários minutos;

O sistema em escala industrial apresenta a resposta mais lenta, podendo levar vários minutos ou até mais. Portanto, uma estratégia preditiva (controle preditivo) é frequentemente adotada.

Sistema de fermentação em escala industrial MIKEBIO

2. Diversidade de métodos de controle de temperatura

Para sistemas de pequena escala, o aquecimento elétrico e o controle de água fria são os principais métodos;

Para sistemas de escala piloto e superiores, o aquecimento a vapor e o ajuste da proporção da mistura de água de resfriamento são comumente utilizados;

Para tanques de escala industrial, é necessário um controle multicanal, e as fontes de água fria/quente são alternadas automaticamente com base na temperatura ambiente, no estágio de fermentação e nas mudanças de carga térmica.

3. Uniformidade da Distribuição de Calor

Tanques pequenos, devido ao seu tamanho reduzido, podem alcançar uniformidade de calor através da agitação;

Os tanques em escala piloto precisam combinar agitação com um sistema de circulação para controle de temperatura;

Tanques industriais exigem projetos de estrutura interna mais complexos, como medição de temperatura em múltiplos pontos, fluxo de agitação direcional e resfriamento em camadas, etc.

1. Dificuldades no controle de temperatura e direções de otimização

IV. Relação entre o controle de temperatura e a eficiência da fermentação

A precisão do controle de temperatura diretamente afeta A taxa de crescimento dos microrganismos e o tipo de metabólitos produzidos são fatores importantes. Por exemplo, na fermentação de antibióticos, um aumento na temperatura pode acelerar o acúmulo inicial de biomassa, mas inibir a formação de metabólitos secundários. Em processos onde o produto da fermentação é uma proteína termossensível, como em sistemas de expressão de proteínas recombinantes, variações de temperatura podem levar ao dobramento incorreto da estrutura da proteína ou à formação de corpos de inclusão, reduzindo drasticamente o rendimento do produto.

Além disso, durante o aumento de escala do processo, as diferenças nas estratégias de controle de temperatura também são um dos principais motivos pelos quais os dados de laboratório são difíceis de replicar em condições industriais.

V. Conclusão

O controle de temperatura é um parâmetro fundamental na fermentação em bioprocessos. Vasos de fermentação de diferentes tamanhos exigem estratégias de controle de temperatura específicas. A fermentação em pequena escala prioriza resposta rápida e estabilidade; a fermentação em média escala requer um equilíbrio entre velocidade de resposta e distribuição uniforme de temperatura; já a fermentação em escala industrial exige alta automação e planejamento sistemático. Com o desenvolvimento de tecnologias de manufatura inteligente e análise de dados, os futuros sistemas de controle de temperatura serão mais inteligentes e precisos, oferecendo um suporte robusto para processos de fermentação eficientes e controláveis.

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