Biyolojik fermantasyon, uygun koşullar altında belirli metabolik yollar aracılığıyla ham maddeleri insan ürünlerine dönüştürmek için organizmaların (genellikle mikroorganizmalar veya hücreler) kullanılması sürecini ifade eder.Bu yararlı metabolitler, protein ekspresyon ürünleri ve diğer ürünler, ilaç endüstrisinde, gıda endüstrisinde, enerji endüstrisinde, kimya endüstrisinde, tarımda ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır ve insanların günlük yaşamlarından ayrılamazlar.Biyolojik fermantasyon mühendisliğinde, laboratuvar araştırma koşullarının etkili bir şekilde nasıl güçlendirileceği ve bunların doğrudan üretime nasıl uygulanacağı, biyolojik fermantasyonun uygulanmasını her zaman zorlaştıran bir sorun olmuştur.Biyolojik reaksiyonları etkileyen birçok faktör nedeniyle fermantasyon tankı içindeki reaksiyon kapalı bir reaksiyondur.Amplifikasyon prosesinin biyolojik fermantasyon prosesi üzerinde bir etkisi olmayacak şekilde parametrelerin etkili bir şekilde nasıl kontrol edileceği, biyolojik fermantasyon endüstrisindeki araştırmaların her zaman odak noktası olmuştur.Biyolojik fermantasyon reaksiyonunun amplifikasyon işlemi sırasında tank içindeki akış durumu, hacmin artmasıyla önemli ölçüde değişir.Akış alanındaki değişiklikler aynı zamanda sıcaklık ve çözünmüş oksijen gibi bir dizi parametrede de değişikliğe yol açarak reaksiyon sisteminin tamamında değişikliklere yol açabilir.Makale, biyolojik fermantasyon prosesi amplifikasyonunun etkileyici faktörlerini ve karşılık gelen kontrol parametrelerini kısaca organize edip tanıtmakta ve gerçek biyolojik fermantasyon amplifikasyon prosesinde parametre seçimi için referans sağlamaktadır.
Biyolojik fermantasyon sürecinin amplifikasyonunu etkileyen faktörler
1.1 Kütle Transferi ve Karıştırma
Kütle transfer süreci materyal transfer sürecidir ve biyolojik fermantasyon sürecindeki kütle transfer aktiviteleri biyolojik reaksiyonlarla eş zamanlı olarak gerçekleşir.Ana kütle transfer işlemleri gaz-sıvı emilimi ve sıvı kütle transferi olarak ikiye ayrılır.Maddelerin sıvı fazda transferi temel olarak biyolojik fermantasyon tankının karıştırma kanatları tarafından tahrik edilen girdap difüzyonundan kaynaklanmaktadır.Yaygın olarak kullanılan biyolojik fermantasyon kültüründe kütle transfer süreci çok önemlidir.İyi kütle transferi, mikrobiyal kültür ve hücre kültürü ve gelişimi için gerekli oksijeni, besin maddelerini ve metabolitleri sağlayabilir.Hacimsel çözünmüş oksijen katsayısı kütle transferini etkileyen en önemli faktördür ancak biyolojik fermantasyon tankı içindeki karmaşık akış alanı nedeniyle hacimsel çözünmüş oksijen katsayısının analiz edilmesini zorlaştıran birçok etkileyici faktör vardır.
Biyolojik fermantasyon tankı prosesinin amplifikasyonunu doğrudan etkileyen bir diğer önemli parametre ise karıştırma prosesidir.Yaygın biyolojik fermantasyon reaksiyonu karışımı, sıvı-sıvı karıştırmayı, katı-sıvı karıştırmayı, gaz-sıvı karıştırmayı ve gaz-sıvı katı üç fazlı karıştırmayı içerir.Fermantasyon tankının hacminin artması ve fermantasyon ürünleri ile hammaddelerin artması nedeniyle tank içindeki karışım dengesiz olur.Örneğin fermantasyon tankının üst kısmındaki maddelerin karıştırılması alt kısmına göre nispeten zordur.Fermantasyon tankında çeşitli maddelerin karıştırılmasının bilimsel olarak arttırılması, biyolojik fermantasyonun verimliliğini artırabilir.
1.2 Kesme
Geleneksel görüş, biyolojik fermantasyon tankının karıştırma hızının arttırılmasının, fermantasyon işlemi sırasında kütle aktarımını ve karışmayı artırabileceği yönündedir.Ancak derinlemesine araştırmalarla birçok biyolojik fermantasyon başarısızlığının, biyolojik fermantasyonun hedef malzemesi üzerindeki aşırı kesme kuvvetinden kaynaklandığı, bunun da mikrobiyal ve hücre hasarına yol açtığı bulunmuştur.Örneğin mikrobiyal fermantasyon sisteminde aşırı kesme kuvveti, bakteri gövdesinin büyümesine zarar verebilir;Düşük kesme kuvveti kabarcıkların kırılmasına yardımcı olmaz ve hava yayılımının verimliliğini etkiler.Fermantasyon tankındaki çeşitli maddelerin karışımının bilimsel olarak nasıl artırılacağı ve kayma geriliminin mikroorganizmalar ve hücreler için kabul edilebilir bir aralıkta nasıl kontrol edileceği, fermantasyon amplifikasyon sürecinde önemli bir faktördür.
1.3 Isı transferi
Sıcaklık aynı zamanda biyolojik fermantasyon sürecinde de önemli bir faktördür.Biyolojik fermantasyon tanklarının sıcaklık kontrolü esas olarak ceket katmanı aracılığıyla sağlanır.Ancak büyük biyolojik fermantasyon tankının içindeki hacim arttıkça birim ısıtma başına yüzey alanı azalır.Bu nedenle ısı transferinin verimliliği biyolojik fermantasyon hedef maddelerinin üretim verimliliğini doğrudan etkileyecektir.
1.4 Diğer faktörler
Biyolojik fermantasyon tanklarının amplifikasyon sürecinde fermantasyon sürecini etkileyebilecek hava ikmal parametreleri, besleme hızı ve numune giriş ayarı gibi fermantasyon sürecini etkileyebilecek başka faktörler de vardır.Proses sınırlamaları nedeniyle, üretim tipi biyolojik fermantasyon tankları, laboratuvardaki biyolojik fermantasyon prosesi gibi çeşitli substratların, ürünlerin ve metabolitlerin konsantrasyonunu gerçek zamanlı olarak tespit edemez.Bu nedenle beslenme ve alım hızının ve miktarının bilimsel olarak tasarlanması çok önemlidir.Aynı zamanda, "sıvı taşması" olgusunu önlemek için malzeme ikmali ve hava ikmali için görünen gaz hızının kapsamlı bir şekilde dikkate alınması gerekir.
2 Biyolojik fermantasyon proses yöntemlerinin temel kontrol parametreleri
2.1 Karıştırma
Karıştırmalı biyolojik fermantasyon tanklarının yaygın olarak kullanılan karıştırma modu, tüm fermantasyon sıvısının karıştırılmasını sağlamak için karıştırma küreğinin dönmesidir.Fermantasyon tankı karıştırma parametrelerinin kontrolü esas olarak hız kontrolü ile sağlanır.Hız kontrolü yalnızca hızın artırılmasını ve karıştırma verimliliğinin arttırılmasını dikkate almamalı, aynı zamanda hızı makul bir aralıkta kontrol etmelidir.Aşırı hız, ısı üretiminin artmasına, hücreler üzerindeki kesme kuvvetinin artmasına ve fermantasyonun başarısız olmasına neden olabilir.Ek olarak araştırmalar, fermantasyon hacim sisteminin akış düzeninin, karıştırma kanatlarının seçiminin ve çapın biyolojik fermantasyonun verimliliğini etkileyebileceğini buldu.Büyük ölçekli biyolojik fermantasyon sürecinde dönme hızının yanı sıra karıştırma küreği tipinin ve mekansal konumun seçimi de çok önemlidir.Kültür materyalinin akışkan özelliklerine göre uygun karıştırma küreği tipinin seçilmesi gerekmektedir.Şu anda, tüm biyolojik fermantasyon sisteminde malzeme karışma derecesini iyileştirmek için mikro sıvı akışı ve makro akış alanlarını birleştiren eksenel akış ve radyal akış kanatçıklarının bir kombinasyonu yaygın olarak kullanılmaktadır.Karıştırma küreği genel olarak bir alt akış tipini ve bir üst eksenel akış tipini benimser; bu, üste eklenen besin maddelerinin eksenel akış bulamacının etkisi altında tankın tabanına hızlı bir şekilde dağıtılmasını ve havanın tanka verilmesini etkili bir şekilde sağlayabilir. Tankın tabanı da zamanında dağıtılabilir, böylece tüm tankın genel sirkülasyonu ve akışı sağlanır ve tüm mikrobiyal fermantasyon için uygun bir ortam sağlanır.
2.2 Sıcaklık
Biyolojik fermantasyon tankı, yetiştirilen bakteri türüne bağlı olarak genellikle 26 ~ 37 ° C'dedir, özel bakterilerin yetiştirilmesi ise 65 ° C'de olabilir.Fermantasyon işleminin amplifikasyon işlemi sırasında, tüm fermantasyon tankının içindeki sıcaklık alanı önemli değişikliklere uğrayacaktır.Küçük ölçekli ve pilot aşamalarda tankın küçük boyutundan dolayı sıcaklık alanı nispeten tekdüzedir.Üretim tipi fermantasyon tankında, fermantasyon tankının sıcaklık probları genellikle tankın alt kısmında 100 mm uzunluğunda dağıtılır ve fermantasyon sıvısındaki ıslatma kısmı 50-60 mm'dir.Biyolojik fermantasyon tanklarının ısıtma ve soğutma yöntemleri genellikle ceket suyu tabakası üzerinden gerçekleştirilir, dolayısıyla fermantasyon tankının ısı transfer verimliliği, tüm tank içindeki sıcaklık dağılımını doğrudan etkiler.Ceket suyu katmanının sıcaklığı ve fermantasyon tankı sıcaklık sensörünün sıcaklık görüntüleme değeri, fermantasyon tankındaki sıvının sıcaklığını tam olarak yansıtamaz.Sıcaklık problarının bilimsel olarak düzenlenmesi ve fermantasyon sisteminin ısı transfer katsayısına dayalı olarak fermantasyon sıcaklığının bilimsel olarak ayarlanması, reaksiyon sıcaklığını etkili bir şekilde sağlayabilir.
2.3 Diğer kimyasal parametreler
Biyolojik fermantasyonda pH değeri ve çözünmüş oksijen gibi kimyasal parametrelerin kontrolü, fermantasyon sonuçları üzerinde etkili olabilir.Çözünmüş oksijen parametrelerini örnek olarak alırsak, aerobik biyolojik süreçlerde oksijen, mikrobiyal büyüme için önemli bir besindir.Bununla birlikte, dipteki çözünürlüğü nedeniyle oksijen, biyokimyasal süreçler için temel bir substrat haline gelir.Bu nedenle gaz fazından sıvı faza yeterli miktarda oksijen sağlanması çok önemlidir.Teorik olarak, havalandırmanın arttırılması ve kültür ortamı sütununun arttırılması, kültür ortamındaki kabarcıkların süresini etkili bir şekilde uzatabilir ve gaz-sıvı değişim verimliliğini artırabilir.Bununla birlikte, bu parametreler aynı zamanda fermantasyon tankının maliyeti ile de sınırlıdır ve kabarcık dağılımının derecesi ve boyutu aynı zamanda oksijen yayılımının verimliliğini de etkileyebilir.Bu nedenle, çeşitli faktörlerin kapsamlı bir şekilde dikkate alınması ve en uygun süreç tasarımı güçlendirme yönteminin sağlanması gerekmektedir.
3. Biyolojik fermantasyon prosesi için ölçek büyütme yöntemi
3.1 Ampirik amplifikasyon yöntemi
Geleneksel biyolojik fermantasyon işlemlerinin ölçek büyütme süreci çoğunlukla geleneksel ampirik yöntemlere dayanmaktadır.Biyolojik fermantasyon sürecinde, karıştırma kanatlarının hızı, düzeni, hava havalandırma hızı, besleme akış hızı ve diğer kimyasal parametreler gibi bir dizi parametre, fermantasyon verimini etkileyebilir.Kullanıcılar, önceki veya diğer fermantasyon işlemi ayarlarına dayalı olarak benzer fermantasyon süreçlerini seçecek ve karşılık gelen fermantasyon süreci amplifikasyon parametrelerini seçecektir;Alternatif olarak, geleneksel deneyime dayanarak, fermantasyon tankındaki akışkan dinamiği tahmin edilebilir ve tank içindeki çeşitli parametreler, fermantasyon hacmini genişletmek için göreceli konumları korunurken geometrik olarak genişletilebilir.Ampirik amplifikasyon yöntemleri temel olarak fermantasyon sistemi içindeki hacimsel kütle transfer katsayısı, birim hacim güç tüketimi, karıştırma süresi vb. gibi temel parametrelere odaklanır. Bu yöntem genellikle yalnızca basit amplifikasyon için uygundur ve fermantasyon sistemindeki akışkan dinamiği ve kinematik özellikleri etkili bir şekilde tahmin edemez. fermantasyon tankları.
3.2 Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğine Dayalı Amplifikasyon Yöntemi
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD), akışkanlar mekaniğinde kütle transferi, momentum transferi ve enerji transferi gibi mikroskobik denklemlere dayalı olarak akışkan hareketi yasalarının bir bilgisayarda simülasyonunu ve hesaplanmasını ifade eder.Deneysel biyolojik fermantasyon süreci şemalarıyla karşılaştırıldığında, CFD simülasyon teknolojisinin kullanılması, düşük maliyet ve boyuttan bağımsız olma özelliklerine sahiptir ve akışkan mühendisliği alanında yaygın olarak kullanılmaktadır.CFD simülasyonu esas olarak biyolojik fermantasyon tankı içindeki akış alanını, karıştırma gücünü ve gaz tutulmasını simüle eder.Aynı zamanda, biyolojik fermantasyon tankının gaz-sıvı iki fazlı akış modeline, aynı fermantasyon işlemi sırasında çözünmüş oksijen kütle transfer sürecini ve biyokimyasal reaksiyon sürecini simüle edebilen bir çözünmüş oksijen kütle transfer modeli bağlanır.
Simülasyon hesaplama teknolojisinin gelişmesiyle birlikte CFD, biyolojik fermantasyon amplifikasyon işlemlerinin simülasyonunda giderek daha fazla uygulanmaktadır.Bununla birlikte, gaz-sıvı iki fazlı akışının karmaşıklığı nedeniyle, tahmin sürecinde gaz tutulması ve kabarcıklar gibi parametreler üzerinde daha fazla araştırmaya hâlâ ihtiyaç vardır.
4. Sonuç
Biyolojik fermantasyon süreci karmaşık ve çok faktörlü bir süreçtir.Geleneksel karıştırmalı tank biyoreaktörleri yapı olarak nispeten basit olmasına rağmen, fermantasyon tankı içindeki sıvının gerçek süreci, gerçek reaksiyon sürecinde çok karmaşıktır.Özellikle biyolojik fermantasyonun amplifikasyon sürecinde, metodolojik amplifikasyon için birden fazla faktörün kapsamlı bir şekilde dikkate alınması gerekir.Geleneksel deneyimsel amplifikasyon süreci yalnızca basit amplifikasyonu gerçekleştirebilir ve fermantasyon tankındaki çeşitli sistemlerin gerçek verilerini tam olarak simüle edemez.Fermantasyon ürünlerinin yetişme ortamının laboratuvar ortamına uygun olmasının yanı sıra enerji tasarrufuna da dikkat edilmelidir.Hesaplamalı akışkan dinamiğine dayalı olarak, daha bilimsel analiz ve simülasyon yöntemleri, biyolojik fermantasyon amplifikasyon sürecini daha doğru bir şekilde tahmin edebilir ve simüle edebilir, biyolojik fermantasyon amplifikasyon proseslerinin seçimi için etkili bir temel ve referans sağlayabilir.
Shanghai Beyond Machinery, biyofarmasötik işleme hatlarının tasarımı ve üretimine odaklanmaktadır.Müşterilerimiz dünyanın her yerinde bulunmaktadır ve farklı pazarlarda kendi başarılarını elde etmişlerdir.En yeni üretim hattı tasarım çözümlerini ve fiyatlarını almak için şimdi bizimle iletişime geçin.