تخمیر بیولوژیکی به فرآیند استفاده از ارگانیسم ها (معمولاً میکروارگانیسم ها یا سلول ها) برای تبدیل مواد خام به محصولات انسانی از طریق مسیرهای متابولیکی خاص در شرایط مناسب اطلاق می شود.این متابولیت های مفید، محصولات بیان پروتئین و سایر محصولات به طور گسترده در صنایع داروسازی، صنایع غذایی، صنایع انرژی، صنایع شیمیایی، کشاورزی و سایر زمینه ها استفاده می شوند و از زندگی روزمره مردم جدا نیستند.در مهندسی تخمیر بیولوژیکی، چگونگی تقویت موثر شرایط تحقیقات آزمایشگاهی و اعمال مستقیم آنها در تولید، همیشه مشکلی بوده است که کاربرد تخمیر بیولوژیکی را با مشکل مواجه می‌کند.با توجه به عوامل مؤثر بسیاری در واکنش های بیولوژیکی، واکنش داخل مخزن تخمیر یک واکنش بسته است.چگونگی کنترل موثر پارامترها به طوری که فرآیند تقویت تأثیری بر فرآیند تخمیر بیولوژیکی نداشته باشد، همواره مورد توجه تحقیقات در صنعت تخمیر بیولوژیکی بوده است.در طی فرآیند تقویت واکنش تخمیر بیولوژیکی، وضعیت جریان در داخل مخزن با افزایش حجم به طور قابل توجهی تغییر می کند.تغییرات میدان جریان همچنین می تواند منجر به تغییر در یک سری از پارامترها مانند دما و اکسیژن محلول شود و در نتیجه کل سیستم واکنش را تغییر دهد.این مقاله به طور خلاصه عوامل مؤثر و پارامترهای کنترلی مربوط به تقویت فرآیند تخمیر بیولوژیکی را سازماندهی و معرفی می‌کند و مرجعی برای انتخاب پارامتر در فرآیند تقویت تخمیر بیولوژیکی واقعی ارائه می‌کند.
عوامل موثر بر تقویت فرآیند تخمیر بیولوژیکی
1.1 انتقال جرم و اختلاط
فرآیند انتقال جرم فرآیند انتقال مواد است و فعالیت‌های انتقال جرم در فرآیند تخمیر بیولوژیکی همزمان با واکنش‌های بیولوژیکی اتفاق می‌افتد.فرآیندهای اصلی انتقال جرم به دو دسته جذب گاز-مایع و انتقال جرم مایع تقسیم می شوند.انتقال مواد در فاز مایع عمدتاً به دلیل انتشار گردابی است که توسط پدل های همزن مخزن تخمیر بیولوژیکی ایجاد می شود.در فرهنگ تخمیر بیولوژیکی رایج، فرآیند انتقال جرم بسیار مهم است.انتقال جرم خوب می تواند اکسیژن، مواد مغذی و متابولیت های لازم را برای کشت و توسعه میکروبی و سلولی تضمین کند.ضریب اکسیژن محلول حجمی مهمترین عامل مؤثر بر انتقال جرم است، اما به دلیل میدان جریان پیچیده در داخل مخزن تخمیر بیولوژیکی، عوامل مؤثر زیادی وجود دارد که تجزیه و تحلیل ضریب اکسیژن محلول حجمی را دشوار می کند.
یکی دیگر از پارامترهای کلیدی که مستقیماً بر تقویت فرآیند مخزن تخمیر بیولوژیکی تأثیر می گذارد، فرآیند اختلاط است.مخلوط کردن واکنش تخمیر بیولوژیکی متداول شامل اختلاط مایع-مایع، اختلاط جامد-مایع، اختلاط گاز-مایع و اختلاط سه فاز جامد گاز-مایع است.به دلیل افزایش حجم مخزن تخمیر و افزایش محصولات تخمیر و مواد اولیه، اختلاط داخل مخزن ناهموار است.به عنوان مثال، اختلاط مواد در بالای مخزن تخمیر در مقایسه با پایین نسبتا دشوار است.افزایش علمی اختلاط مواد مختلف در مخزن تخمیر می تواند کارایی تخمیر بیولوژیکی را بهبود بخشد.
1.2 برش
دیدگاه سنتی این است که افزایش سرعت هم زدن مخزن تخمیر بیولوژیکی می تواند انتقال جرم و اختلاط را در طول فرآیند تخمیر افزایش دهد.با این حال، با تحقیقات عمیق، مشخص شده است که بسیاری از شکست های تخمیر بیولوژیکی ناشی از نیروی برشی بیش از حد بر روی ماده هدف تخمیر بیولوژیکی است که منجر به آسیب میکروبی و سلولی می شود.به عنوان مثال، در یک سیستم تخمیر میکروبی، نیروی برشی بیش از حد می تواند به رشد بدن باکتری آسیب برساند.نیروی برشی کم برای شکستن حباب مساعد نیست و بر راندمان انتشار هوا تأثیر می گذارد.چگونگی افزایش علمی اختلاط مواد مختلف در مخزن تخمیر و کنترل تنش برشی در محدوده قابل قبول برای میکروارگانیسم ها و سلول ها عامل مهمی در فرآیند تقویت تخمیر است.
1.3 انتقال حرارت
دما نیز عامل مهمی در فرآیند تخمیر بیولوژیکی است.کنترل دمای مخازن تخمیر بیولوژیکی عمدتاً از طریق لایه ژاکت حاصل می شود.با این حال، با افزایش حجم داخل مخزن تخمیر بیولوژیکی بزرگ، سطح در واحد گرمایش کاهش می یابد.بنابراین، راندمان انتقال حرارت مستقیماً بر راندمان تولید مواد هدف تخمیر بیولوژیکی تأثیر می گذارد.
1.4 سایر عوامل
عوامل دیگری در فرآیند تقویت مخازن تخمیر بیولوژیکی وجود دارد که می تواند بر فرآیند تخمیر تأثیر بگذارد، مانند پارامترهای پر شدن هوا، سرعت تغذیه و تنظیم ورودی نمونه که همگی می توانند بر روند تخمیر تأثیر بگذارند.با توجه به محدودیت های فرآیند، مخازن تخمیر بیولوژیکی نوع تولید نمی توانند غلظت سوبستراها، محصولات و متابولیت های مختلف را در زمان واقعی مانند فرآیند تخمیر بیولوژیکی در آزمایشگاه تشخیص دهند.بنابراین، طراحی علمی سرعت و کمیت تغذیه و مصرف بسیار مهم است.در عین حال، لازم است سرعت ظاهری گاز برای پر کردن مواد و هواسازی به طور جامع در نظر گرفته شود تا از پدیده "سیلاب شدن مایع" جلوگیری شود.
2 پارامترهای کنترل کلیدی روش های فرآیند تخمیر بیولوژیکی
2.1 مخلوط کردن
حالت اختلاط رایج مخازن تخمیر بیولوژیکی هم زده، چرخش پد همزن است تا اختلاط کل مایع تخمیر را هدایت کند.کنترل پارامترهای هم زدن مخزن تخمیر عمدتاً از طریق کنترل سرعت حاصل می شود.کنترل سرعت نه تنها باید افزایش سرعت و بهبود راندمان اختلاط را در نظر بگیرد، بلکه باید سرعت را در یک محدوده معقول کنترل کند.سرعت بیش از حد می تواند منجر به افزایش تولید گرما، افزایش نیروی برشی روی سلول ها و شکست تخمیر شود.علاوه بر این، تحقیقات نشان داده است که الگوی جریان سیستم حجم تخمیر، انتخاب پره های همزن و قطر همگی می توانند بر کارایی تخمیر بیولوژیکی تأثیر بگذارند.در فرآیند تخمیر بیولوژیکی در مقیاس بزرگ، علاوه بر سرعت چرخشی، انتخاب نوع پدال همزن و موقعیت مکانی نیز بسیار مهم است.انتخاب نوع پد همزن مناسب بر اساس خواص سیال مواد کشت ضروری است.در حال حاضر، معمولاً از ترکیبی از جریان محوری و جریان شعاعی استفاده می شود که جریان میکرو مایع و میدان های جریان ماکرو را برای بهبود درجه اختلاط مواد در کل سیستم تخمیر بیولوژیکی ترکیب می کند.پد اختلاط عموماً از یک نوع رواناب پایین و یک نوع جریان محوری بالایی استفاده می کند که می تواند به طور مؤثر اطمینان حاصل کند که مواد مغذی اضافه شده به بالا تحت تأثیر دوغاب جریان محوری به سرعت در پایین مخزن توزیع می شود و هوا وارد می شود. کف مخزن همچنین می تواند به موقع پراکنده شود و گردش کلی و جریان کل مخزن را تضمین کند و محیطی مناسب برای کل تخمیر میکروبی فراهم کند.
2.2 دما
مخزن تخمیر بیولوژیکی معمولاً در دمای 26 ~ 37 ℃ بسته به نوع باکتری در حال کشت است، در حالی که کشت باکتری های خاص ممکن است در 65 ℃ باشد.در طی فرآیند تقویت فرآیند تخمیر، میدان دمایی داخل کل مخزن تخمیر دستخوش تغییرات قابل توجهی خواهد شد.در مراحل کوچک و پایلوت به دلیل کوچک بودن مخزن، میدان دما نسبتاً یکنواخت است.در مخزن تخمیر نوع تولید، پروب های دمایی مخزن تخمیر معمولاً در قسمت پایین مخزن به طول 100 میلی متر توزیع می شود و قسمت خیساندن در مایع تخمیر 50-60 میلی متر است.روش های گرمایش و سرمایش مخازن تخمیر بیولوژیکی معمولاً از طریق یک لایه آب ژاکت انجام می شود، بنابراین راندمان انتقال حرارت مخزن تخمیر مستقیماً بر توزیع دما در کل مخزن تأثیر می گذارد.دمای لایه آب ژاکت و مقدار نمایشگر دمای کاوشگر دمای مخزن تخمیر نمی تواند واقعاً دمای مایع در مخزن تخمیر را منعکس کند.تنظیم علمی پروب های دما و تنظیم علمی دمای تخمیر بر اساس ضریب انتقال حرارت سیستم تخمیر می تواند به طور موثر دمای واکنش را تضمین کند.
2.3 سایر پارامترهای شیمیایی
کنترل پارامترهای شیمیایی در تخمیر بیولوژیکی مانند مقدار pH و اکسیژن محلول می تواند بر نتایج تخمیر تأثیر بگذارد.با در نظر گرفتن پارامترهای اکسیژن محلول به عنوان مثال، در فرآیندهای بیولوژیکی هوازی، اکسیژن یک ماده مغذی مهم برای رشد میکروبی است.با این حال، به دلیل حلالیت پایین، اکسیژن به یک بستر کلیدی برای فرآیندهای بیوشیمیایی تبدیل می شود.بنابراین، حفظ عرضه کافی اکسیژن از فاز گاز به فاز مایع بسیار مهم است.در تئوری، افزایش تهویه و افزایش ستون محیط کشت می تواند به طور موثری زمان حباب ها را در محیط کشت طولانی کرده و راندمان تبادل گاز-مایع را بهبود بخشد.با این حال، این پارامترها نیز توسط هزینه مخزن تخمیر محدود می شوند و درجه و اندازه پراکندگی حباب نیز می تواند بر کارایی انتشار اکسیژن تأثیر بگذارد.بنابراین لازم است عوامل مختلف به طور جامع در نظر گرفته شود و مناسب ترین روش تقویت طراحی فرآیند ارائه شود.
3. روش افزایش مقیاس برای فرآیند تخمیر بیولوژیکی
3.1 روش تقویت تجربی
فرآیند افزایش مقیاس فرآیندهای تخمیر بیولوژیکی سنتی بیشتر بر اساس روش‌های تجربی سنتی است.در فرآیند تخمیر بیولوژیکی، مجموعه ای از پارامترها مانند سرعت، ترتیب، سرعت تهویه هوا، سرعت جریان خوراک و سایر پارامترهای شیمیایی پاروهای همزن می توانند بر عملکرد تخمیر تأثیر بگذارند.کاربران فرآیندهای تخمیر مشابه را بر اساس تنظیمات قبلی یا سایر تنظیمات فرآیند تخمیر انتخاب می‌کنند و پارامترهای تقویت فرآیند تخمیر مربوطه را انتخاب می‌کنند.روش دیگر، بر اساس تجربه سنتی، دینامیک سیال در مخزن تخمیر قابل پیش‌بینی است و پارامترهای مختلف داخل مخزن را می‌توان از نظر هندسی بزرگ کرد و در عین حال موقعیت نسبی خود را حفظ کرد تا حجم تخمیر افزایش یابد.روش‌های تقویت تجربی عمدتاً بر پارامترهای کلیدی در سیستم تخمیر تمرکز می‌کنند، مانند ضریب انتقال جرم حجمی، توان مصرفی حجم واحد، زمان اختلاط و غیره. این روش معمولاً فقط برای تقویت ساده مناسب است و نمی‌تواند به طور موثر دینامیک سیال و ویژگی‌های سینماتیکی را پیش‌بینی کند. مخازن تخمیر
3.2 روش تقویت بر اساس دینامیک سیالات محاسباتی
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به شبیه سازی و محاسبه قوانین حرکت سیال در کامپیوتر بر اساس معادلات میکروسکوپی مانند انتقال جرم، انتقال تکانه و انتقال انرژی در مکانیک سیالات اشاره دارد.در مقایسه با طرح‌های فرآیند تخمیر بیولوژیکی تجربی، استفاده از فناوری شبیه‌سازی CFD دارای ویژگی‌های کم هزینه و استقلال اندازه است و به طور گسترده در زمینه مهندسی سیالات استفاده می‌شود.شبیه‌سازی CFD عمدتاً میدان جریان، قدرت همزن و نگهداری گاز در داخل مخزن تخمیر بیولوژیکی را شبیه‌سازی می‌کند.در همان زمان، یک مدل انتقال جرم اکسیژن محلول در مدل جریان دو فازی گاز-مایع مخزن تخمیر بیولوژیکی جفت می‌شود که می‌تواند فرآیند انتقال جرم اکسیژن محلول و فرآیند واکنش بیوشیمیایی را در طول همان فرآیند تخمیر شبیه‌سازی کند.
با توسعه فناوری محاسبات شبیه سازی، CFD به طور فزاینده ای در شبیه سازی فرآیندهای تقویت تخمیر بیولوژیکی استفاده می شود.با این حال، به دلیل پیچیدگی جریان دو فازی گاز-مایع، تحقیقات بیشتر در مورد پارامترهایی مانند نگه داشتن گاز و حباب ها در فرآیند پیش بینی هنوز مورد نیاز است.
4. نتیجه گیری
فرآیند تخمیر بیولوژیکی یک فرآیند پیچیده و چند عاملی است.اگرچه بیورآکتورهای سنتی مخزن همزن از نظر ساختار نسبتاً ساده هستند، فرآیند واقعی سیال داخل مخزن تخمیر در فرآیند واکنش واقعی بسیار پیچیده است.به ویژه در فرآیند تقویت تخمیر بیولوژیکی، عوامل متعددی باید به طور جامع برای تقویت روش شناختی در نظر گرفته شوند.فرآیند تقویت تجربی سنتی تنها می تواند تقویت ساده را انجام دهد و نمی تواند داده های واقعی سیستم های مختلف را در مخزن تخمیر شبیه سازی کند.علاوه بر اطمینان از سازگاری محیط رشد محصولات تخمیر با آزمایشگاه، باید به حفظ انرژی نیز توجه شود.بر اساس دینامیک سیالات محاسباتی، تجزیه و تحلیل علمی و روش‌های شبیه‌سازی می‌توانند با دقت بیشتری فرآیند تقویت تخمیر بیولوژیکی را پیش‌بینی و شبیه‌سازی کنند و مبنای و مرجع مؤثری برای انتخاب فرآیندهای تقویت تخمیر بیولوژیکی فراهم کنند.
Shanghai Beyond Machinery بر طراحی و ساخت خطوط پردازش بیودارویی تمرکز دارد.مشتریان ما در سرتاسر جهان هستند و در بازارهای مختلف به موفقیت های خاص خود دست یافته اند.برای دریافت آخرین راه حل ها و قیمت های طراحی خط تولید هم اکنون با ما تماس بگیرید.