Fermentacja biologiczna odnosi się do procesu wykorzystania organizmów (zwykle mikroorganizmów lub komórek) do przekształcania surowców w produkty ludzkie poprzez określone szlaki metaboliczne w odpowiednich warunkach.Te przydatne metabolity, produkty ekspresji białek i inne produkty są szeroko stosowane w przemyśle farmaceutycznym, przemyśle spożywczym, przemyśle energetycznym, przemyśle chemicznym, rolnictwie i innych dziedzinach i są nierozerwalnie związane z codziennym życiem ludzi.W inżynierii fermentacji biologicznej skuteczne wzmocnienie warunków badań laboratoryjnych i bezpośrednie zastosowanie ich do produkcji zawsze stanowiło problem, który utrudniał zastosowanie fermentacji biologicznej.Ze względu na wiele czynników wpływających na reakcje biologiczne, reakcja wewnątrz zbiornika fermentacyjnego jest reakcją zamkniętą.Sposób skutecznej kontroli parametrów, aby proces amplifikacji nie miał wpływu na proces fermentacji biologicznej, zawsze był przedmiotem badań w branży fermentacji biologicznej.Podczas procesu amplifikacji reakcji fermentacji biologicznej stan przepływu wewnątrz zbiornika zmienia się znacząco wraz ze wzrostem objętości.Zmiany w polu przepływu mogą również prowadzić do zmian w szeregu parametrów, takich jak temperatura i rozpuszczony tlen, co skutkuje zmianami w całym układzie reakcyjnym.W artykule w skrócie uporządkowano i przedstawiono czynniki wpływające oraz odpowiadające im parametry kontrolne amplifikacji procesu fermentacji biologicznej, zapewniając odniesienie do doboru parametrów w rzeczywistym procesie amplifikacji fermentacji biologicznej.
Czynniki wpływające na wzmocnienie procesu fermentacji biologicznej
1.1 Przenoszenie masy i mieszanie
Proces przenoszenia masy to proces przenoszenia materiału, a czynności przenoszenia masy w procesie fermentacji biologicznej zachodzą jednocześnie z reakcjami biologicznymi.Główne procesy przenoszenia masy dzielą się na absorpcję gazu i cieczy oraz przenoszenie masy w cieczy.Przenoszenie substancji w fazie ciekłej następuje głównie na skutek dyfuzji wirowej napędzanej przez łopatki mieszające zbiornika fermentacji biologicznej.W powszechnie stosowanej kulturze fermentacji biologicznej bardzo ważny jest proces przenoszenia masy.Dobry transfer masy może zapewnić niezbędny tlen, składniki odżywcze i metabolity do hodowli i rozwoju drobnoustrojów i komórek.Objętościowy współczynnik rozpuszczonego tlenu jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na przenikanie masy, ale ze względu na złożone pole przepływu wewnątrz biologicznego zbiornika fermentacyjnego istnieje wiele czynników wpływających, co utrudnia analizę objętościowego współczynnika rozpuszczonego tlenu.
Kolejnym kluczowym parametrem, który bezpośrednio wpływa na wzmocnienie procesu w zbiorniku fermentacji biologicznej, jest proces mieszania.Typowe mieszanie reakcji fermentacji biologicznej obejmuje mieszanie ciecz-ciecz, mieszanie ciało stałe-ciecz, mieszanie gaz-ciecz i trójfazowe mieszanie gazu-cieczy.Ze względu na wzrost objętości zbiornika fermentacyjnego oraz zwiększenie ilości produktów fermentacji i surowców, mieszanie wewnątrz zbiornika jest nierówne.Na przykład mieszanie substancji na górze zbiornika fermentacyjnego jest stosunkowo trudne w porównaniu z dnem.Naukowe zwiększenie mieszania różnych substancji w zbiorniku fermentacyjnym może poprawić wydajność fermentacji biologicznej.
1.2 Cięcie
Tradycyjny pogląd jest taki, że zwiększenie szybkości mieszania w biologicznym zbiorniku fermentacyjnym może poprawić przenoszenie masy i mieszanie podczas procesu fermentacji.Jednakże po dogłębnych badaniach stwierdzono, że wiele niepowodzeń w fermentacji biologicznej jest spowodowanych nadmierną siłą ścinającą działającą na docelowy materiał fermentacji biologicznej, co prowadzi do uszkodzeń drobnoustrojów i komórek.Na przykład w systemie fermentacji mikrobiologicznej nadmierna siła ścinająca może zaszkodzić wzrostowi drobnoustrojów;Niska siła ścinająca nie sprzyja pękaniu pęcherzyków i wpływa na efektywność propagacji powietrza.Jak naukowo zwiększyć mieszanie różnych substancji w zbiorniku fermentacyjnym i kontrolować naprężenia ścinające w akceptowalnym zakresie dla mikroorganizmów i komórek, jest ważnym czynnikiem w procesie wzmacniania fermentacji.
1.3 Przenikanie ciepła
Temperatura jest również ważnym czynnikiem w procesie fermentacji biologicznej.Kontrolę temperatury w zbiornikach fermentacji biologicznej osiąga się głównie poprzez warstwę płaszcza.Jednakże wraz ze wzrostem objętości wewnątrz dużego zbiornika do fermentacji biologicznej zmniejsza się powierzchnia na jednostkę ogrzewania.Dlatego też efektywność wymiany ciepła będzie miała bezpośredni wpływ na efektywność produkcji substancji docelowych fermentacji biologicznej.
1.4 Inne czynniki
Istnieją inne czynniki w procesie amplifikacji w biologicznych zbiornikach fermentacyjnych, które mogą wpływać na proces fermentacji, takie jak parametry uzupełniania powietrza, prędkość podawania i ustawienie wlotu próbki, które mogą mieć wpływ na proces fermentacji.Ze względu na ograniczenia procesu biologiczne zbiorniki fermentacyjne typu produkcyjnego nie są w stanie wykryć stężenia różnych substratów, produktów i metabolitów w czasie rzeczywistym, tak jak proces fermentacji biologicznej w laboratorium.Dlatego niezwykle ważne jest naukowe zaprojektowanie szybkości i ilości karmienia i spożycia.Jednocześnie konieczne jest kompleksowe uwzględnienie pozornej prędkości gazu przy uzupełnianiu materiału i uzupełnianiu powietrza, aby uniknąć zjawiska „zalewania cieczą”.
2 Kluczowe parametry kontrolne metod procesów fermentacji biologicznej
2.1 Mieszanie
Powszechnie stosowanym trybem mieszania w zbiornikach do fermentacji biologicznej z mieszaniem jest obrót łopatki mieszającej w celu wymieszania całej cieczy fermentacyjnej.Kontrolę parametrów mieszania w zbiorniku fermentacyjnym osiąga się głównie poprzez kontrolę prędkości.Kontrola prędkości powinna uwzględniać nie tylko zwiększanie prędkości i poprawę wydajności mieszania, ale także kontrolowanie prędkości w rozsądnym zakresie.Nadmierna prędkość może prowadzić do zwiększonego wytwarzania ciepła, zwiększonej siły ścinającej działającej na komórki i niepowodzenia fermentacji.Ponadto badania wykazały, że wzór przepływu w systemie objętości fermentacji, dobór łopatek mieszających i średnica mogą wpływać na wydajność fermentacji biologicznej.W procesie fermentacji biologicznej na dużą skalę, oprócz prędkości obrotowej, bardzo ważny jest także dobór rodzaju łopatki mieszającej i położenia przestrzennego.Konieczne jest wybranie odpowiedniego typu łopatki mieszającej w oparciu o płynne właściwości materiału hodowlanego.Obecnie powszechnie stosuje się kombinację łopatek przepływu osiowego i promieniowego, która łączy pola mikroprzepływu cieczy i makroprzepływu w celu poprawy stopnia wymieszania materiału w całym systemie fermentacji biologicznej.Łopatka mieszająca zazwyczaj przyjmuje typ spływu dolnego i typ przepływu osiowego górnego, co może skutecznie zapewnić, że składniki odżywcze dodane na górze zostaną szybko rozprowadzone na dnie zbiornika pod działaniem szlamu przepływającego osiowo, a powietrze wprowadzone do mieszalnika dno zbiornika można również rozproszyć w odpowiednim czasie, zapewniając ogólną cyrkulację i przepływ całego zbiornika, zapewniając odpowiednie środowisko dla całej fermentacji mikrobiologicznej.
2.2 Temperatura
Biologiczny zbiornik fermentacyjny ma zazwyczaj temperaturę 26 ~ 37 ℃ w zależności od rodzaju hodowanych bakterii, podczas gdy hodowla specjalnych bakterii może mieć temperaturę 65 ℃.Podczas procesu wzmacniania procesu fermentacji pole temperaturowe wewnątrz całego zbiornika fermentacyjnego ulegnie znaczącym zmianom.Na etapie małej skali i pilotażu, ze względu na mały rozmiar zbiornika, pole temperatur jest stosunkowo jednolite.W zbiorniku fermentacyjnym typu produkcyjnego sondy temperatury zbiornika fermentacyjnego są zwykle rozmieszczone w dolnej części zbiornika o długości 100 mm, a część zanurzająca w cieczy fermentacyjnej wynosi 50-60 mm.Metody ogrzewania i chłodzenia biologicznych zbiorników fermentacyjnych są zwykle przeprowadzane przez warstwę wody w płaszczu, więc wydajność wymiany ciepła w zbiorniku fermentacyjnym wpływa bezpośrednio na rozkład temperatury w całym zbiorniku.Temperatura warstwy wody w płaszczu i wartość wyświetlana temperatury przez czujnik temperatury w zbiorniku fermentacyjnym nie mogą w rzeczywistości odzwierciedlać temperatury cieczy w zbiorniku fermentacyjnym.Naukowe rozmieszczenie sond temperaturowych i naukowe ustawienie temperatury fermentacji w oparciu o współczynnik przenikania ciepła układu fermentacyjnego może skutecznie zapewnić temperaturę reakcji.
2.3 Inne parametry chemiczne
Kontrola parametrów chemicznych w fermentacji biologicznej, takich jak wartość pH i rozpuszczony tlen, może mieć wpływ na wyniki fermentacji.Biorąc na przykład parametry rozpuszczonego tlenu, w tlenowych procesach biologicznych tlen jest ważnym składnikiem odżywczym dla wzrostu drobnoustrojów.Jednak ze względu na rozpuszczalność w dnie tlen staje się kluczowym substratem procesów biochemicznych.Dlatego kluczowe znaczenie ma utrzymanie odpowiedniego dopływu tlenu z fazy gazowej do fazy ciekłej.Teoretycznie zwiększenie wentylacji i zwiększenie kolumny pożywki hodowlanej może skutecznie wydłużyć czas występowania pęcherzyków w pożywce hodowlanej i poprawić efektywność wymiany gaz-ciecz.Jednak parametry te są również ograniczone kosztem zbiornika fermentacyjnego, a stopień i wielkość dyspersji pęcherzyków może również wpływać na efektywność propagacji tlenu.Dlatego konieczne jest kompleksowe uwzględnienie różnych czynników i zapewnienie najbardziej odpowiedniej metody wzmacniania projektu procesu.
3. Metoda zwiększania skali procesu fermentacji biologicznej
3.1 Empiryczna metoda amplifikacji
Proces zwiększania skali tradycyjnych procesów fermentacji biologicznej opiera się głównie na tradycyjnych metodach empirycznych.W procesie fermentacji biologicznej szereg parametrów, takich jak prędkość, rozmieszczenie, szybkość wentylacji powietrza, natężenie przepływu surowca i inne parametry chemiczne łopatek mieszających może wpływać na wydajność fermentacji.Użytkownicy wybiorą podobne procesy fermentacji w oparciu o poprzednie lub inne ustawienia procesu fermentacji i wybiorą odpowiednie parametry wzmocnienia procesu fermentacji;Alternatywnie, w oparciu o tradycyjne doświadczenie, można przewidzieć dynamikę płynów w zbiorniku fermentacyjnym, a różne parametry wewnątrz zbiornika można geometrycznie powiększyć, zachowując ich względne położenie, aby zwiększyć objętość fermentacji.Empiryczne metody amplifikacji skupiają się głównie na kluczowych parametrach w systemie fermentacji, takich jak objętościowy współczynnik przenoszenia masy, jednostkowe zużycie energii, czas mieszania itp. Metoda ta jest zwykle odpowiednia tylko do prostej amplifikacji i nie może skutecznie przewidzieć dynamiki płynu i właściwości kinematycznych w zbiorniki fermentacyjne.
3.2 Metoda amplifikacji oparta na obliczeniowej dynamice płynów
Obliczeniowa dynamika płynów (CFD) odnosi się do symulacji i obliczania praw ruchu płynu w komputerze w oparciu o równania mikroskopowe, takie jak przenoszenie masy, przenoszenie pędu i przenoszenie energii w mechanice płynów.W porównaniu z doświadczalnymi schematami procesów fermentacji biologicznej, wykorzystanie technologii symulacji CFD charakteryzuje się niskim kosztem i niezależnością od wielkości i jest szeroko stosowane w dziedzinie inżynierii płynów.Symulacja CFD symuluje głównie pole przepływu, moc mieszania i zatrzymywanie gazu w zbiorniku fermentacji biologicznej.Jednocześnie model przenoszenia masy rozpuszczonego tlenu jest połączony z modelem dwufazowego przepływu gaz-ciecz w biologicznym zbiorniku fermentacyjnym, który może symulować proces przenoszenia masy rozpuszczonego tlenu i proces reakcji biochemicznej podczas tego samego procesu fermentacji.
Wraz z rozwojem technologii obliczeń symulacyjnych, CFD jest coraz częściej stosowane w symulacji procesów amplifikacji fermentacji biologicznej.Jednakże ze względu na złożoność dwufazowego przepływu gazu i cieczy nadal potrzebne są dalsze badania parametrów takich jak zatrzymywanie gazu i pęcherzyki w procesie predykcji.
4. Wniosek
Proces fermentacji biologicznej jest procesem złożonym i wieloczynnikowym.Chociaż tradycyjne bioreaktory zbiornikowe z mieszaniem mają stosunkowo prostą konstrukcję, rzeczywisty proces płynu wewnątrz zbiornika fermentacyjnego jest bardzo złożony w rzeczywistym procesie reakcji.Szczególnie w procesie amplifikacji fermentacji biologicznej należy kompleksowo rozważyć wiele czynników w celu amplifikacji metodologicznej.Tradycyjny proces amplifikacji empirycznej może przeprowadzić jedynie prostą amplifikację i nie może w rzeczywistości symulować rzeczywistych danych z różnych systemów w zbiorniku fermentacyjnym.Oprócz zapewnienia, że środowisko wzrostu produktów fermentacji jest zgodne z laboratorium, należy również zwrócić uwagę na oszczędność energii.W oparciu o obliczeniową dynamikę płynów, bardziej naukowe metody analizy i symulacji mogą dokładniej przewidywać i symulować proces biologicznej amplifikacji fermentacji, zapewniając skuteczną podstawę i odniesienie dla wyboru biologicznych procesów amplifikacji fermentacji.
Shanghai Beyond Machinery koncentruje się na projektowaniu i produkcji linii do przetwarzania biofarmaceutycznego.Nasi klienci są zlokalizowani na całym świecie i osiągnęli sukces na różnych rynkach.Skontaktuj się z nami już teraz, aby uzyskać najnowsze rozwiązania i ceny w zakresie projektowania linii produkcyjnych.