La fermentation biologique se rapporte au processus d'employer des organismes (habituellement des micro-organismes ou des cellules) pour convertir les matières premières en produits humains par des voies métaboliques spécifiques dans des conditions appropriées. Ces métabolites utiles, produits d'expression de protéine, et d'autres produits sont très utilisés dans l'industrie pharmaceutique, l'industrie alimentaire, l'industrie énergétique, l'industrie chimique, l'agriculture, et d'autres domaines, et sont inséparables de People's Daily vit. Dans l'ingénierie biologique de fermentation, comment amplifier effectivement les conditions de recherches de laboratoire et s'appliquer directement les à la production a toujours été un problème qui préoccupe l'application de la fermentation biologique. En raison des nombreux facteurs de influence des réactions biologiques, la réaction à l'intérieur de la cuve de fermentation est une réaction fermée. Comment effectivement les paramètres de contrôle de sorte que le processus d'amplification n'ait pas un impact sur le processus de fermentation biologique a toujours été un centre de recherche dans l'industrie biologique de fermentation. Pendant le processus d'amplification de la réaction biologique de fermentation, l'état d'écoulement à l'intérieur des changements de réservoir de manière significative avec l'augmentation du volume. Les changements du champ d'écoulement peuvent également mener aux changements dans une série de paramètres tels que la température et l'oxygène dissous, ayant pour résultat des changements du système de réaction entier. L'article brièvement organise et présente les facteurs et les paramètres de contrôle de influence de correspondance de l'amplification de processus de fermentation biologique, fournissant la référence pour la sélection de paramètre dans le processus biologique réel d'amplification de fermentation.
Facteurs affectant l'amplification du processus de fermentation biologique
1,1 transfert et mélange de masse
Le procédé de transfert de masse est le processus du transfert matériel, et les activités de transfert de masse dans le processus de fermentation biologique se produisent simultanément avec des réactions biologiques. Les procédés principaux de transfert de masse sont divisés en absorption gazeuse liquide et transfert de masse liquide. Le transfert des substances pendant la phase liquide est principalement dû à la diffusion de remous conduite par les palettes de agitation de la cuve de fermentation biologique. Dans la culture biologique utilisée généralement de fermentation, le procédé de transfert de masse est très important. Le bon transfert de masse peut assurer l'oxygène, les éléments nutritifs, et les métabolites nécessaires pour microbien et culture cellulaire et développement. Le coefficient dissous volumétrique d'oxygène est le facteur le plus important affectant le transfert de masse, mais en raison du champ d'écoulement complexe à l'intérieur de la cuve de fermentation biologique, il y a beaucoup de facteurs de influence, la rendant difficile d'analyser le coefficient dissous volumétrique d'oxygène.
Un autre paramètre principal qui affecte directement l'amplification du processus biologique de cuve de fermentation est le procédé de mélange. Le mélange biologique commun de réaction de fermentation inclut le mélange liquide-liquide, le solide-liquide se mélangeant, le mélange gazeux liquide, et le mélange triphasé solide gazeux liquide. En raison de l'augmentation du volume de la cuve de fermentation et de l'augmentation en produits de fermentation et matières premières, le mélange à l'intérieur du réservoir est inégal. Par exemple, le mélange des substances en haut de la cuve de fermentation est relativement difficile comparé au fond. Scientifiquement l'augmentation du mélange de diverses substances dans la cuve de fermentation peut améliorer l'efficacité de la fermentation biologique.
1,2 coupe
La vue traditionnelle est que l'augmentation du taux de agitation de la cuve de fermentation biologique peut augmenter le transfert de masse et le mélange pendant le processus de fermentation. Cependant, avec la recherche en profondeur, on l'a constaté que beaucoup d'échecs biologiques de fermentation sont provoqués par la force de cisaillement excessive sur le matériel de cible de la fermentation biologique, menant aux dommages microbiens et de cellules. Par exemple, dans un système microbien de fermentation, la force de cisaillement excessive peut causer le mal à la croissance du corps bactérien ; La basse force de cisaillement n'est pas favorisant pour bouillonner rupture et n'affecte pas l'efficacité de la propagation d'air. Comment augmenter scientifiquement le mélange de diverses substances dans la cuve de fermentation et d'effort de cisaillement de contrôle dans une marge acceptable pour des micro-organismes et des cellules est un facteur important dans le processus d'amplification de fermentation.
1,3 transfert de chaleur
La température est également un facteur important dans le processus de fermentation biologique. Le contrôle de température des cuves de fermentation biologiques est principalement réalisé par la couche de veste. Cependant, comme volume à l'intérieur des grandes augmentations biologiques de cuve de fermentation, la superficie par unité des diminutions de chauffage. Par conséquent, l'efficacité du transfert de chaleur affectera directement l'efficacité de production des substances biologiques de cible de fermentation.
1,4 d'autres facteurs
Il y a d'autres facteurs dans le processus d'amplification des cuves de fermentation biologiques qui peuvent affecter le processus de fermentation, tel que les paramètres du remplissage d'air, vitesse d'alimentation, et de l'arrangement d'admission témoin, qui peut tout affecter le processus de fermentation. Le dû pour traiter des limitations, type cuves de fermentation de production biologiques ne peut pas détecter la concentration de divers substrats, produits, et métabolites en temps réel comme le processus de fermentation biologique dans le laboratoire. Par conséquent, il est crucial de concevoir scientifiquement la vitesse et la quantité d'alimentation et de prise. En même temps, il est nécessaire de considérer largement la vitesse apparente de gaz pour que le remplissage matériel et le remplissage d'air évite le phénomène « de l'inondation liquide ».
2 paramètres de contrôle principaux des méthodes biologiques de processus de fermentation
2,1 mélange
Le mode de mélange utilisé généralement des cuves de fermentation biologiques remuées est la rotation de la palette de agitation pour conduire le mélange du liquide entier de fermentation. Le contrôle de la cuve de fermentation remuant des paramètres est principalement réalisé par le contrôle de vitesse. Le contrôle de vitesse devrait non seulement envisager d'augmenter la vitesse et d'améliorer l'efficacité de mélange, mais commande également la vitesse dans une marge raisonnable. La vitesse excessive peut mener à la génération de chaleur accrue, à la force de cisaillement accrue sur des cellules, et à l'échec de fermentation. En outre, la recherche a constaté que la configuration d'écoulement du système de volume de fermentation, la sélection de remuer des palettes, et le diamètre peuvent tout affecter l'efficacité de la fermentation biologique. En cours de fermentation biologique à grande échelle, en plus de vitesse de rotation, la sélection de remuer le type de palette et la position spatiale est également très importante. Il est nécessaire de choisir le type de agitation approprié de palette basé sur les propriétés liquides du matériel de culture. Actuellement, une combinaison de l'écoulement axial et des palettes de flux radial est utilisée généralement, qui combine l'écoulement liquide micro et les macro champs d'écoulement pour améliorer le degré de matériel se mélangeant dans le système biologique entier de fermentation. La palette de mélange adopte généralement un type inférieur d'écoulement et un type supérieur d'écoulement axial, qui peut effectivement s'assurer que les éléments nutritifs se sont ajoutés au dessus sont rapidement distribués au fond du réservoir sous l'action de la boue d'écoulement axial, et l'air présenté au fond du réservoir peut également être dispersé en temps utile, assurant la circulation et l'écoulement globaux du réservoir entier, fournissant un environnement approprié pour la fermentation microbienne entière.
2,2 la température
La cuve de fermentation biologique est généralement au ℃ 26~37 selon le type de bactéries étant cultivées, alors que la culture des bactéries spéciales peut être au ℃ 65. Pendant le processus d'amplification du processus de fermentation, le champ de la température à l'intérieur de la cuve de fermentation entière subira des modifications importantes. Aux étapes à petite échelle et pilotes, dues à la petite taille du réservoir, le champ de la température est relativement uniforme. Dans le type cuve de fermentation de production, les sondes de la température de la cuve de fermentation sont habituellement distribuées dans la partie plus inférieure du réservoir, avec une longueur de 100mm, et la partie de trempage dans le liquide de fermentation est 50-60mm. Les méthodes de chauffage et de refroidissement des cuves de fermentation biologiques sont habituellement effectuées par une couche de l'eau de veste, ainsi l'efficacité de transfert de chaleur de la cuve de fermentation affecte directement la distribution de la température à l'intérieur du réservoir entier. La température de la couche de l'eau de veste et la valeur d'affichage de la température de la sonde de la température de cuve de fermentation ne peuvent pas vraiment refléter la température du liquide dans la cuve de fermentation. Scientifiquement l'arrangement des sondes de la température et scientifiquement l'établissement de la température de fermentation basée sur le coefficient de transmission de chaleur du système de fermentation peuvent effectivement assurer la température de réaction.
2,3 d'autres paramètres chimiques
Le contrôle des paramètres chimiques dans la fermentation biologique, telle que la valeur du pH et l'oxygène dissous, peut avoir un impact sur les résultats de fermentation. La prise des paramètres dissous d'oxygène comme exemple, dans des processus biologiques aérobies, de l'oxygène est un élément nutritif important pour la croissance microbienne. Cependant, dû à sa solubilité inférieure, l'oxygène devient un substrat principal pour des processus biochimiques. Par conséquent, le maintien d'un approvisionnement suffisant en oxygène de la phase gaseuse à la phase liquide est crucial. Dans la théorie, la ventilation croissante et l'augmentation de la colonne de milieu de culture peuvent effectivement prolonger la période des bulles dans le milieu de culture et améliorer l'efficacité gazeuse liquide d'échange. Cependant, ces paramètres sont également limités par le coût de la cuve de fermentation, et le degré et la taille de la dispersion de bulle peuvent également affecter l'efficacité de la propagation de l'oxygène. Par conséquent, il est nécessaire de considérer largement de divers facteurs et de fournir la méthode d'amplification la plus appropriée de conception de processus.
3. Mesurage vers le haut de la méthode pour le processus de fermentation biologique
3,1 méthode empirique d'amplification
La graduation vers le haut du processus des processus de fermentation biologiques traditionnels est en grande partie basée sur des méthodes empiriques traditionnelles. Dans le processus de fermentation biologique, une série de paramètres tels que la vitesse, la disposition, le taux de ventilation d'air, le débit d'alimentation, et d'autres paramètres chimiques des palettes de agitation peuvent affecter le rendement de fermentation. Les utilisateurs choisiront les processus de fermentation semblables basés sur arrangements précédents ou autres de processus de fermentation, et les paramètres correspondants choisis d'amplification de processus de fermentation ; Alternativement, basé sur une expérience traditionnelle, la dynamique des fluides dans la cuve de fermentation peut être prévue, et les divers paramètres à l'intérieur du réservoir peuvent être géométriquement agrandis tout en maintenant leurs positions relatives pour augmenter le volume de fermentation. Les méthodes empiriques d'amplification se concentrent principalement sur les paramètres principaux dans le système de fermentation, tel que le coefficient de transfert de masse, le temps de puissance, de mélange de volume unitaire, etc. volumétriques. Cette méthode est habituellement seulement appropriée à l'amplification simple et ne peut pas effectivement prévoir la dynamique des fluides et les caractéristiques cinématiques dans des cuves de fermentation.
3,2 méthode d'amplification basée sur la dynamique des fluides informatique
La dynamique des fluides informatique (CFD) se rapporte à la simulation et au calcul des lois liquides de mouvement dans un sur ordinateur sur des équations microscopiques telles que le transfert de masse, le transfert de moment, et le transfert d'énergie dans les caractéristiques aérodynamiques. Comparé aux plans biologiques empiriques de processus de fermentation, utilisant la technologie de simulation de CFD a les caractéristiques de l'indépendance de coût bas et de taille, et est très utilisé dans le domaine de l'ingénierie liquide. La simulation de CFD simule principalement le champ d'écoulement, remuant la puissance, et le braquage de gaz à l'intérieur de la cuve de fermentation biologique. En même temps, un modèle dissous de transfert de masse d'oxygène est couplé dans le modèle gazeux liquide d'écoulement en deux temps de la cuve de fermentation biologique, qui peut simuler le procédé dissous de transfert de masse d'oxygène et le processus biochimique de réaction pendant le même processus de fermentation.
Avec le développement de la technologie informatique de simulation, le CFD est de plus en plus appliqué dans la simulation des processus biologiques d'amplification de fermentation. Cependant, en raison de la complexité de l'écoulement en deux temps gazeux liquide, davantage de recherche sur des paramètres tels que le braquage de gaz et de bulles dans le processus de prévision est nécessaire toujours.
Conclusion 4
Le processus de la fermentation biologique est un processus complexe et multifactoriel. Bien que les bioréacteurs remués traditionnels de réservoir soient relativement simples en structure, le processus réel du fluide à l'intérieur de la cuve de fermentation est très complexe dans le processus réel de réaction. Particulièrement dans le processus d'amplification de la fermentation biologique, des facteurs multiples doivent être largement considérés pour l'amplification méthodologique. Le processus empirique traditionnel d'amplification peut seulement exécuter l'amplification simple et ne peut pas vraiment simuler les vraies données de divers systèmes dans la cuve de fermentation. En plus de s'assurer que l'environnement de croissance des produits de fermentation est compatible au laboratoire, l'attention devrait également être prêtée aux économies d'énergie. Basé sur la dynamique des fluides informatique, des méthodes plus scientifiques d'analyse et de simulation peuvent plus exactement prévoir et simuler le processus biologique d'amplification de fermentation, fournissant la base et la référence efficaces pour la sélection des processus biologiques d'amplification de fermentation.
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