Rozdiely v stratégiách regulácie teploty pre fermentačné nádrže rôznych veľkostí v procesoch biologickej fermentácie

Úvod

Biologická fermentácia je proces, ktorý premieňa suroviny na cieľové produkty prostredníctvom metabolických aktivít mikroorganizmov. Široko sa uplatňuje v oblastiach farmácie, potravinárstva, poľnohospodárstva a ochrany životného prostredia. Počas fermentačného procesu je teplota kľúčovým parametrom, ktorý ovplyvňuje mikrobiálnu aktivitu, metabolické dráhy a tvorbu produktu. Existujú významné rozdiely v stratégiách regulácie teploty medzi rôznymi veľkosťami fermentačných nádrží, ktoré sa prejavujú najmä v účinnosti vedenia tepla, štruktúre riadiaceho systému, rýchlosti odozvy, regulácii spotreby energie a škálovaní procesu. Tento článok bude systematicky analyzovať rozdiely v stratégiách regulácie teploty. fermentačné nádrže v laboratórnom, pilotnom a priemyselnom meradle a dôvody, ktoré ich viedli, s cieľom poskytnúť teoretické referencie pre optimalizáciu a zväčšenie rozsahu fermentačných procesov.

I. Úloha regulácie teploty v procese fermentácie

Teplota ovplyvňuje enzymatickú aktivitu mikrobiálnych buniek, priepustnosť bunkových membrán, výber metabolických dráh a rýchlosť tvorby produktov. Vo väčšine fermentačných procesov je optimálny teplotný rozsah pre mikroorganizmy medzi 20 a 40 stupňami Celzia. Prekročenie tohto rozsahu povedie k zníženiu metabolickej účinnosti alebo dokonca k bunkovej smrti. Preto je udržiavanie vhodnej a stabilnej teploty nevyhnutným predpokladom pre zabezpečenie účinnosti fermentácie a kvality produktu.

Systém regulácie teploty musí nielen stabilne udržiavať nastavenú teplotu, ale musí byť tiež schopný rýchlo reagovať na výzvy, ako sú náhle zmeny teploty (napríklad rýchle množenie mikróbov generujúce veľké množstvo metabolického tepla) počas procesu fermentácie.

II. Systémy regulácie teploty fermentačných nádob rôzneho rozsahu

1. Laboratórna váha (1 l - 20 l)

Fermentačné nádoby na laboratórnej úrovni zvyčajne majú menšie rozmery a rýchlo sa vyvíjajú a odvádzajú teplo. Ich systémy regulácie teploty sú relatívne jednoduché a vo všeobecnosti pozostávajú z nasledujúcich komponentov:

• Vykurovací systém: Elektrický vykurovací plášť alebo vykurovacia tyč;
• Chladiaci systém: Cirkulácia chladenej vody cez plášť alebo vstavané chladiace špirály;
• Riadiaci systém: PID (proporcionálno-integračne-derivačný) regulačný systém pripojený k termistorom na riadenie prepínania medzi vykurovaním a chladením;
• Teplotná spätná väzba: Termočlánky alebo termistory poskytujú teplotné signály v reálnom čase.

Vďaka ich malej veľkosti sa teplo rovnomerne rozdeľuje, regulácia teploty je rýchla a systém má vysokú stabilitu. Kolísanie teploty je vo všeobecnosti v rozmedzí ±0,2 ℃.

2. Pilotná váha (50 l – 500 l)

Pilotné fermentačné nádoby sa používajú na optimalizáciu procesov a overovanie škálovania. Zložitosť systému sa výrazne zvyšuje:

• Metóda ohrevu: Systém cirkulácie teplej vody cez plášť alebo parné ohrev
• Metóda chladenia: Dvojvrstvový plášť s cirkuláciou chladiacej vody alebo vnútornými chladiacimi špirálami;
• Zariadenie na reguláciu teploty: Zvyčajne vybavené riadiacim systémom PLC, ktorý dokáže nastaviť pomer studenej a teplej vody;
• Monitorovacie body: Teplotné senzory je možné umiestniť na viacero miest na monitorovanie teplotných rozdielov v rôznych častiach kvapaliny.

V tejto fáze už rozloženie teploty nie je úplne rovnomerné. Najmä vo fermentačných systémoch s vysokou viskozitou alebo vysokou hustotou buniek môže dôjsť k lokálnemu prehriatiu alebo podchladeniu, preto je potrebné to kompenzovať optimalizáciou účinnosti miešania a reakčnej schopnosti riadiaceho systému.

3. Priemyselné meradlo (1 m³ až niekoľko desiatok m³)

Priemyselné fermentačné nádrže čelia ďalším výzvam pri regulácii teploty:

• Problém s účinnosťou prenosu tepla: S rastúcim objemom sa pomer povrchu k objemu znižuje, čo sťažuje rozptyl tepla v rámci jednotkového objemu;
• Rýchla akumulácia metabolického tepla: Vysoká koncentrácia buniek a aktívny metabolizmus vedú k rýchlej akumulácii tepla;
• Vylepšený chladiaci systém: Používa sa viacero systémov, ako sú viacvrstvové plášte, vysokovýkonné chladiče, chladiace špirály a chladiace veže;
• Vysoká úroveň automatizácie: Na riadenie teploty sa používajú systémy DCS (Distributed Control System) alebo SCADA, ktoré umožňujú reguláciu teploty zón a dynamické nastavenie;
• Zvýšená tepelná zotrvačnosť: Pomalšia reakcia, oneskorená regulácia teploty, čo si vyžaduje včasnú predpoveď a úpravu;

Okrem toho je počas návrhu rozsiahlych fermentačných nádrží potrebná simulácia CFD (výpočtová dynamika tekutín) na predpovedanie rozloženia teplotného poľa, čo usmerňuje usporiadanie chladiacich potrubí a návrh miešadiel.

III. Analýza rozdielov v stratégiách regulácie teploty

1. Rýchlosť odozvy regulácie teploty

Laboratórny systém reaguje rýchlo a dokončí nastavenie teploty v priebehu niekoľkých sekúnd;

Systém v pilotnom meradle má priemernú rýchlosť odozvy, ktorá trvá desiatky sekúnd až niekoľko minút;

Systém v priemyselnom meradle má najpomalšiu odozvu, ktorá môže trvať niekoľko minút alebo aj dlhšie. Preto sa často používa prediktívna stratégia (prediktívne riadenie).

Priemyselný fermentačný systém MIKEBIO

2. Rozmanitosť metód regulácie teploty

Pre malé systémy sú hlavnými metódami elektrické vykurovanie a regulácia studenej vody;

Pre pilotné a vyššie systémy sa bežne používa ohrev parou a úprava pomeru zmesi chladiacej vody;

Pre priemyselné nádrže je potrebné viackanálové riadenie a zdroje chladu/tepla sa automaticky prepínajú na základe teploty prostredia, štádia fermentácie a zmien tepelného zaťaženia.

3. Rovnomernosť rozloženia tepla

Malé nádrže vďaka svojej malej veľkosti dokážu dosiahnuť rovnomernosť tepla miešaním;

Nádrže v pilotnom meradle musia kombinovať miešanie so systémom regulácie teploty a cirkulácie;

Priemyselné nádrže vyžadujú zložitejšie vnútorné konštrukcie, ako napríklad meranie teploty vo viacerých bodoch, smerové miešanie a vrstvené chladenie atď.

1. Ťažkosti s reguláciou teploty a optimalizačnými pokynmi

IV. Vzťah medzi reguláciou teploty a účinnosťou fermentácie

Presnosť priamej regulácie teploty ovplyvňuje rýchlosť rastu mikroorganizmov a typ produkovaných metabolitov. Napríklad pri fermentácii antibiotikami môže zvýšenie teploty urýchliť počiatočnú akumuláciu biomasy, ale inhibovať tvorbu sekundárnych metabolitov. Pri procesoch, kde je fermentačným produktom teplotne citlivý proteín, ako sú napríklad rekombinantné proteínové expresné systémy, môžu odchýlky teploty viesť k nesprávnemu skladaniu proteínovej štruktúry alebo tvorbe inklúznych teliesok, čo výrazne znižuje výťažok produktu.

Okrem toho, počas rozširovania procesu sú rozdiely v stratégiách regulácie teploty tiež jedným z hlavných dôvodov, prečo je ťažké replikovať laboratórne údaje v priemyselných podmienkach.

V. Záver

Regulácia teploty je kľúčovým parametrom pri fermentácii v bioprocesoroch. Rôzne veľkosti fermentačných nádob vyžadujú cielené stratégie regulácie teploty. Fermentácia v malom rozsahu sa zameriava na rýchlu odozvu a stabilitu, stredná fermentácia vyžaduje rovnováhu medzi rýchlosťou odozvy a rovnomerným rozložením teploty, zatiaľ čo priemyselná fermentácia vyžaduje vysokú automatizáciu a systematické plánovanie. S rozvojom inteligentných výrobných a dátových analýzových technológií budú budúce systémy regulácie teploty inteligentnejšie a presnejšie a poskytnú silnú podporu pre efektívne a kontrolovateľné fermentačné procesy.

Na druhej strane, pri výbere bioreaktorový fermentor, je potrebné nájsť pravidelného výrobcu s dobrou povesťou a silou, aby sa zabezpečila kvalita produktu. Spoločnosť Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. bola založená v roku 2008 a zameriava sa na zariadenia na biologickú fermentáciu výskum a vývoj, výroba a predaj high-tech podnikov. Naša spoločnosť má platformu pre pilotnú fermentáciu, ktorá je integrovaná s inteligenciou a automatizáciou, a vybudovala vyspelý fermentačný systém, ktorý dokáže realizovať optimalizáciu procesu pilotnej fermentácie, zadať do vývoja všetky procesy od výroby pilotnej fermentácie až po separáciu a čistenie fermentačných produktov a zriadiť lekárske pracovisko a moderné laboratórium.

Naša spoločnosť má štandardizovaný výrobný závod s kompletnými sadami zariadení a nástrojov potrebných na inštaláciu, vrátane rôznych obrábacích strojov, automatických zváračiek argónovým oblúkom, automatických leštiacich strojov, automatických rezacích strojov a strojov na detekciu chýb a viac ako 60 sád výrobných a testovacích zariadení. Výrobný proces realizuje modernú štandardnú prevádzku, aby zákazníkom poskytoval profesionálnejšiu kvalitu a technickú podporu.