Diferențele în strategiile de control al temperaturii pentru rezervoarele de fermentație de diferite dimensiuni în procesele de fermentație biologică

Introducere

Fermentația biologică este un proces care transformă materiile prime în produse țintă prin activitățile metabolice ale microorganismelor. Este aplicată pe scară largă în domeniile farmaceutic, alimentar, agriculturii și protecției mediului. În timpul procesului de fermentație, temperatura este un parametru cheie care afectează activitatea microbiană, căile metabolice și formarea produsului. Există diferențe semnificative în strategiile de control al temperaturii între diferitele scale de rezervoare de fermentație, manifestate în principal în eficiența conducerii termice, structura sistemului de control, viteza de răspuns, controlul consumului de energie și scalarea procesului. Acest articol va analiza sistematic diferențele în strategiile de control al temperaturii ale... rezervoare de fermentație la scară de laborator, pilot și industrială, precum și motivele din spatele acestora, cu scopul de a oferi referințe teoretice pentru optimizarea și extinderea proceselor de fermentație.

I. Rolul controlului temperaturii în procesul de fermentație

Temperatura afectează activitatea enzimatică a celulelor microbiene, permeabilitatea membranelor celulare, selecția căilor metabolice și rata de formare a produselor. În majoritatea proceselor de fermentație, intervalul optim de temperatură pentru microorganisme este între 20 și 40 de grade Celsius. Depășirea acestui interval va duce la o scădere a eficienței metabolice sau chiar la moartea celulară. Prin urmare, menținerea unei temperaturi adecvate și stabile este o condiție prealabilă pentru asigurarea eficienței fermentației și a calității produsului.

Sistemul de control al temperaturii nu trebuie doar să mențină temperatura setată stabil, ci trebuie să aibă și capacitatea de a răspunde rapid pentru a face față provocărilor precum schimbările bruște de căldură (cum ar fi proliferarea rapidă a microbilor care generează o cantitate mare de căldură metabolică) în timpul procesului de fermentare.

II. Sisteme de control al temperaturii pentru vase de fermentare de diferite dimensiuni

1. Cântar de laborator (1L - 20L)

Vase de fermentare la nivel de laborator sunt de obicei mai mici ca dimensiuni și au o rată rapidă de generare și disipare a căldurii. Sistemele lor de control al temperaturii sunt relativ simple și constau, în general, din următoarele componente:

• Sistem de încălzire: Manta de încălzire electrică sau tijă de încălzire;
• Sistem de răcire: Circulație a apei răcite printr-o manta sau bobine de răcire încorporate;
• Sistem de control: Sistem de reglare PID (Proporțional-Integral-Derivativ) conectat la termistoare pentru a controla comutarea între încălzire și răcire;
• Feedback de temperatură: Termocuplurile sau termistoarele furnizează semnale de temperatură în timp real.

Datorită dimensiunilor lor mici, căldura este distribuită uniform și ușor, răspunsul la controlul temperaturii este rapid, iar stabilitatea sistemului este ridicată. Fluctuația temperaturii este în general în limita a ±0,2 ℃.

2. Cântar pilot (50L - 500L)

Vase de fermentare la scară pilot sunt utilizate pentru optimizarea proceselor și verificarea scalării. Complexitatea sistemului crește semnificativ:

• Metodă de încălzire: Sistem de circulație a apei calde printr-o manta sau încălzire cu abur
• Metodă de răcire: Manta dublă cu circulație a apei de răcire sau serpentine interne de răcire;
• Echipament de control al temperaturii: De obicei, echipat cu un sistem de control PLC, care poate regla raportul apă rece/caldă;
• Puncte de monitorizare: Senzorii de temperatură pot fi plasați în mai multe puncte pentru a monitoriza diferențele de temperatură din diferite părți ale lichidului.

În această etapă, distribuția temperaturii nu mai este complet uniformă. În special în sistemele de fermentare cu vâscozitate ridicată sau densitate celulară mare, poate apărea supraîncălzire sau subrăcire locală, așadar este necesară compensarea prin optimizarea eficienței agitării și a capacității de răspuns a sistemului de control.

3. Scară industrială (de la 1 m³ la câteva zeci de m³)

Rezervoare de fermentare la scară industrială se confruntă cu mai multe provocări în controlul temperaturii:

• Problemă legată de eficiența transferului de căldură: Pe măsură ce volumul crește, raportul dintre suprafață și volum scade, ceea ce face mai dificilă disiparea căldurii într-o unitate de volum;
• Acumulare rapidă de căldură metabolică: Concentrația celulară ridicată și metabolismul activ duc la acumularea rapidă de căldură;
• Sistem de răcire îmbunătățit: Sunt adoptate mai multe sisteme, cum ar fi jachete multistrat, chillere de mare putere, serpentine de răcire și turnuri de răcire;
• Nivel ridicat de automatizare: sistemele DCS (Sistem de control distribuit) sau SCADA sunt utilizate pentru gestionarea controlului temperaturii, permițând controlul temperaturii zonei și reglarea dinamică;
• Inerție termică crescută: Reacție mai lentă, control întârziat al temperaturii, necesitând astfel o predicție și o ajustare timpurie;

În plus, în timpul proiectării rezervoarelor de fermentație la scară largă, este necesară simularea CFD (dinamica fluidelor computațională) pentru a prezice distribuția câmpului de temperatură, ghidând amplasarea conductelor de răcire și proiectarea agitatoarelor.

III. Analiza diferențelor în strategiile de control al temperaturii

1. Viteza de răspuns a controlului temperaturii

Sistemul la scară de laborator răspunde rapid, finalizând ajustarea temperaturii în câteva secunde;

Sistemul la scară pilot are o viteză medie de răspuns, de la zeci de secunde până la câteva minute;

Sistemul la scară industrială are cel mai lent răspuns, care poate dura câteva minute sau chiar mai mult. Prin urmare, adesea se adoptă o strategie predictivă (control predictiv).

Sistem de fermentare la scară industrială MIKEBIO

2. Diversitatea metodelor de control al temperaturii

Pentru sistemele la scară mică, încălzirea electrică și controlul apei reci sunt principalele metode;

Pentru sistemele la scară pilot și superioare, se utilizează în mod obișnuit încălzirea cu abur și ajustarea raportului amestecului de apă de răcire;

Pentru rezervoarele la scară industrială, este necesar un control multicanal, iar sursele de rece/cald sunt comutate automat în funcție de temperatura mediului, stadiul de fermentație și modificările sarcinii termice.

3. Uniformitatea distribuției căldurii

Rezervoarele mici, datorită dimensiunilor reduse, pot realiza uniformitate a căldurii prin agitare;

Rezervoarele la scară pilot trebuie să combine agitarea cu un sistem de circulație pentru controlul temperaturii;

Rezervoarele industriale necesită structuri interne mai complexe, cum ar fi măsurarea temperaturii în mai multe puncte, fluxul de agitare direcțional și răcirea în straturi etc.

1. Dificultăți în controlul temperaturii și direcții de optimizare

IV. Relația dintre controlul temperaturii și eficiența fermentării

Precizia controlului direct al temperaturii afectează rata de creștere a microorganismelor și tipul de metaboliți produși. De exemplu, în fermentația cu antibiotice, o creștere a temperaturii poate accelera acumularea inițială de biomasă, dar poate inhiba formarea metaboliților secundari. Pentru procesele în care produsul de fermentație este o proteină sensibilă la temperatură, cum ar fi sistemele de expresie a proteinelor recombinante, abaterile de temperatură pot duce la plierea incorectă a structurii proteinei sau la formarea de corpuri de incluziune, reducând drastic randamentul produsului.

În plus, în timpul extinderii procesului, diferențele în strategiile de control al temperaturii sunt, de asemenea, unul dintre principalele motive pentru care datele de laborator sunt dificil de reprodus în condiții industriale.

V. Concluzie

Controlul temperaturii este un parametru cheie în fermentația prin bioprocesare. Vasele de fermentare de diferite dimensiuni necesită strategii specifice de control al temperaturii. Fermentația la scară mică se concentrează pe răspuns rapid și stabilitate, la scară medie necesită un echilibru între viteza de răspuns și distribuția uniformă a temperaturii, în timp ce la scară industrială necesită un nivel ridicat de automatizare și planificare sistematică. Odată cu dezvoltarea tehnologiilor inteligente de fabricație și analiză a datelor, viitoarele sisteme de control al temperaturii vor fi mai inteligente și mai precise, oferind un suport puternic pentru procese de fermentare eficiente și controlabile.

Pe de altă parte, atunci când alegeți un fermentator bioreactor, este necesar să găsiți un producător constant, cu o bună reputație și putere, pentru a asigura calitatea produsului. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. a fost înființată în 2008 și se concentrează pe echipament de fermentație biologică Cercetare și dezvoltare, producție și vânzări ale întreprinderilor de înaltă tehnologie. Compania noastră deține o platformă pilot de fermentare, integrată cu inteligență și automatizare, și a construit un sistem de fermentare matur, care poate realiza optimizarea procesului de fermentare pilot, punând în funcțiune dezvoltarea tuturor proceselor de proces, de la producția de fermentare pilot până la separarea și purificarea produselor de fermentare, și înființând o stație de lucru medicală și un laborator modern.

Compania noastră are o unitate de producție standardizată, cu seturi complete de echipamente și unelte necesare pentru instalare, incluzând în principal o varietate de mașini-unelte, mașini automate de sudură cu arc de argon, mașini automate de lustruit, mașini automate de tăiere și mașini de detectare a defectelor și peste 60 de seturi de echipamente de producție și testare, toate procesele de producție realizând o funcționare standard modernă, pentru a oferi clienților o calitate profesională și asistență tehnică mai bună.