La fermentación biológica refiere al proceso de usar organismos (generalmente los microorganismos o las células) para convertir las materias primas en productos humanos con caminos metabólicos específicos bajo condiciones convenientes. Estos metabilitos útiles, los productos de la expresión de la proteína, y otros productos son ampliamente utilizados en la industria farmacéutica, la industria alimentaria, la industria energética, la industria química, la agricultura, y otros campos, y son inseparables de Diario del Pueblo viven. En la ingeniería biológica de la fermentación, cómo amplificar con eficacia las condiciones de la investigación del laboratorio y aplicarlas directamente a la producción ha sido siempre un problema que preocupa el uso de la fermentación biológica. Debido a los muchos factores de influencia de reacciones biológicas, la reacción dentro del depósito de fermentación es una reacción cerrada. Cómo con eficacia los parámetros de control de modo que el proceso de la amplificación no tenga un impacto en el proceso de fermentación biológico han sido siempre un foco de la investigación en la industria biológica de la fermentación. Durante el proceso de la amplificación de la reacción biológica de la fermentación, el estado del flujo dentro de los cambios del tanque perceptiblemente con el aumento de volumen. Los cambios en el campo de flujo pueden también llevar a los cambios en una serie de parámetros tales como temperatura y oxígeno disuelto, dando por resultado cambios en el sistema de reacción entero. El artículo organiza e introduce brevemente los factores y los parámetros de control de influencia de correspondencia de la amplificación biológica del proceso de fermentación, proporcionando la referencia para la selección del parámetro en proceso biológico real de la amplificación de la fermentación.
Factores que afectan a la amplificación del proceso de fermentación biológico
1,1 transferencia total y mezcla
El proceso de la transferencia total es el proceso de la transferencia material, y las actividades de transferencia total en proceso de fermentación biológico ocurren simultáneamente con reacciones biológicas. Los procesos principales de la transferencia total se dividen en la absorción gaseosa líquida y la transferencia total líquida. La transferencia de sustancias en la fase líquida es principalmente debido a la difusión del remolino conducida por las paletas de revolvimiento del depósito de fermentación biológico. En cultura biológica de uso general de la fermentación, el proceso de la transferencia total es muy importante. La buena transferencia total puede asegurar el oxígeno, los alimentos, y los metabilitos necesarios para el cultivo celular microbiano y el desarrollo y. El coeficiente disuelto volumétrico del oxígeno es el factor más importante que afecta a transferencia total, pero debido al campo de flujo complejo dentro del depósito de fermentación biológico, hay muchos factores de influencia, haciéndolo difícil analizar el coeficiente disuelto volumétrico del oxígeno.
Otro parámetro dominante que afecta directamente a la amplificación del proceso biológico del depósito de fermentación es el proceso de mezcla. La mezcla biológica común de la reacción de la fermentación incluye la mezcla de dos líquidos, el sólido-líquido que se mezcla, la mezcla gaseosa líquida, y la mezcla trifásica sólida gaseosa líquida. Debido al aumento en el volumen del depósito de fermentación y al aumento en productos de la fermentación y materias primas, la mezcla dentro del tanque es desigual. Por ejemplo, la mezcla de sustancias en la cima del depósito de fermentación es relativamente difícil comparada a la parte inferior. Científico el aumento de la mezcla de diversas sustancias en el depósito de fermentación puede mejorar la eficacia de la fermentación biológica.
1,2 corte
La opinión tradicional es que el aumento del índice de revolvimiento del depósito de fermentación biológico puede aumentar transferencia total y la mezcla durante el proceso de fermentación. Sin embargo, con la investigación profundizada, se ha encontrado que muchos fracasos biológicos de la fermentación son causados por la fuerza de esquileo excesiva en el material de blanco de la fermentación biológica, llevando al daño microbiano y de célula. Por ejemplo, en un sistema microbiano de la fermentación, la fuerza de esquileo excesiva puede causar daño al crecimiento del cuerpo bacteriano; La fuerza de esquileo baja no es conducente burbujear fractura y no afecta a la eficacia de la propagación del aire. Cómo aumentar científico la mezcla de diversas sustancias en el depósito de fermentación y de la tensión de esquileo del control dentro de una gama aceptable para los microorganismos y las células es un factor importante en el proceso de la amplificación de la fermentación.
1,3 transferencia de calor
La temperatura es también un factor importante en el proceso de fermentación biológico. El control de la temperatura de los depósitos de fermentación biológicos se alcanza principalmente con la capa de la chaqueta. Sin embargo, como el volumen dentro de los aumentos biológicos grandes del depósito de fermentación, la superficie por la unidad de disminuciones de calefacción. Por lo tanto, la eficacia de la transferencia de calor afectará directamente a la eficacia de la producción de las sustancias biológicas de la blanco de la fermentación.
1,4 otros factores
Hay otros factores en el proceso de la amplificación de los depósitos de fermentación biológicos que pueden afectar al proceso de fermentación, tal como los parámetros del relleno del aire, velocidad de alimentación, y del ajuste de la entrada de la muestra, que puede afectar todo al proceso de fermentación. La deuda para procesar las limitaciones, tipo depósitos de la producción de fermentación biológicos no puede detectar la concentración de diversos substratos, productos, y metabilitos en tiempo real como el proceso de fermentación biológico en el laboratorio. Por lo tanto, es crucial diseñar científico la velocidad y la cantidad de alimentación y de toma. Al mismo tiempo, es necesario considerar completo la velocidad evidente del gas para que el relleno material y el relleno del aire eviten el fenómeno de la “inundación líquida”.
2 parámetros de Control de Llaves de los métodos biológicos del proceso de fermentación
2,1 mezcla
El modo de mezcla de uso general de depósitos de fermentación biológicos revueltos es la rotación de la paleta de revolvimiento para conducir la mezcla del líquido entero de la fermentación. El control del depósito de fermentación que revuelve parámetros se alcanza principalmente con control de velocidad. El control de velocidad debe no sólo considerar aumentar la velocidad y mejorar eficacia de mezcla, pero también controla la velocidad dentro de una gama razonable. La velocidad excesiva puede llevar a la generación de calor creciente, a la fuerza de esquileo creciente en las células, y al fracaso de la fermentación. Además, la investigación ha encontrado que el modelo de flujo del sistema del volumen de la fermentación, la selección de revolver las paletas, y el diámetro pueden afectar todo a la eficacia de la fermentación biológica. En curso de fermentación biológica en grande, además de la velocidad rotatoria, la selección de revolver el tipo de la paleta y la posición espacial es también muy importante. Es necesario elegir el tipo de revolvimiento apropiado de la paleta basado en las propiedades flúidas del material de la cultura. Actualmente, una combinación de flujo axial y de paletas del flujo radial es de uso general, que combina flujo líquido micro y campos de flujo macros para mejorar el grado de material que se mezcla en el sistema biológico entero de la fermentación. La paleta de mezcla adopta generalmente un tipo inferior de la salida y un tipo superior del flujo axial, que puede asegurarse con eficacia de que los alimentos añadieran al top estén distribuidos rápidamente a la parte inferior del tanque bajo acción de la mezcla del flujo axial, y el aire introducido a la parte inferior del tanque se puede también dispersar a tiempo, asegurando la circulación y el flujo totales del tanque entero, proporcionando un ambiente conveniente para la fermentación microbiana entera.
2,2 temperatura
El depósito de fermentación biológico está generalmente en el ℃ 26~37 dependiendo del tipo de bacterias que son cultivadas, mientras que el cultivo de bacterias especiales puede estar en el ℃ 65. Durante el proceso de la amplificación del proceso de fermentación, el campo de la temperatura dentro del depósito de fermentación entero experimentará cambios significativos. En las etapas a escala reducida y experimentales, debido al tamaño pequeño del tanque, el campo de la temperatura es relativamente uniforme. En el tipo depósito de la producción de fermentación, las puntas de prueba de la temperatura del depósito de fermentación se distribuyen generalmente en la parte más inferior del tanque, con una longitud de 100m m, y la parte de impregnación en el líquido de la fermentación es 50-60m m. Las cámaras de la calefacción y de enfriamiento de los depósitos de fermentación biológicos se realizan generalmente con una capa del agua de la chaqueta, así que la eficacia de la transferencia de calor del depósito de fermentación afecta directamente a la distribución de la temperatura dentro del tanque entero. La temperatura de la capa del agua de la chaqueta y el valor de la exhibición de la temperatura de la punta de prueba de la temperatura del depósito de fermentación no pueden reflejar verdad la temperatura del líquido en el depósito de fermentación. Científico el arreglo de puntas de prueba de la temperatura y científico la determinación de temperatura de la fermentación basada en el coeficiente de transferencia de calor del sistema de la fermentación pueden asegurar con eficacia la temperatura de la reacción.
2,3 otros parámetros químicos
El control de parámetros químicos en la fermentación biológica, tal como valor de pH y oxígeno disuelto, puede tener un impacto en los resultados de la fermentación. Tomar a parámetros disueltos del oxígeno como un ejemplo, en procesos biológicos aerobios, el oxígeno es un alimento importante para el crecimiento microbiano. Sin embargo, debido a su solubilidad inferior, oxígeno llega a ser un substrato dominante para los procesos bioquímicos. Por lo tanto, mantener una fuente adecuada de oxígeno a partir de la fase de gas a la fase líquida es crucial. En teoría, la ventilación cada vez mayor y el aumento de la columna del medio de cultivo pueden prolongar con eficacia la época de burbujas en el medio de cultivo y mejorar la eficacia gaseosa líquida del intercambio. Sin embargo, estos parámetros también son limitados por el coste del depósito de fermentación, y el grado y el tamaño de la dispersión de la burbuja pueden también afectar a la eficacia de la propagación del oxígeno. Por lo tanto, es necesario considerar completo diversos factores y proporcionar el método más conveniente de la amplificación del diseño de proceso.
3. Escalamiento encima del método para el proceso de fermentación biológico
3,1 método empírico de la amplificación
El escalamiento encima del proceso de los procesos de fermentación biológicos tradicionales se basa sobre todo en métodos empíricos tradicionales. En el proceso de fermentación biológico, una serie de parámetros tales como la velocidad, el arreglo, el índice de ventilación del aire, el flujo de la alimentación, y otros parámetros químicos de las paletas de revolvimiento pueden afectar a la producción de la fermentación. Los usuarios elegirán los procesos de fermentación similares basados en ajustes anteriores u otros del proceso de fermentación, y los parámetros correspondientes selectos de la amplificación del proceso de fermentación; Alternativamente, sobre la base de experiencia tradicional, la dinámica de fluidos en el depósito de fermentación puede ser predicha, y los diversos parámetros dentro del tanque pueden ser agrandados geométrico mientras que mantienen sus posiciones relativas para ampliar el volumen de la fermentación. Los métodos empíricos de la amplificación se centran principalmente en los parámetros dominantes dentro del sistema de la fermentación, tal como coeficiente de transferencia total, tiempo del consumo, de la mezcla de energía del volumen de unidad, etc. volumétricos. Este método es generalmente solamente conveniente para la amplificación simple y no puede predecir con eficacia la dinámica de fluidos y las características cinemáticas en depósitos de fermentación.
3,2 método de la amplificación basado en la dinámica de fluidos de cómputo
La dinámica de fluidos de cómputo (CFD) refiere a la simulación y al cálculo de las leyes flúidas del movimiento en un computarizado en ecuaciones microscópicas tales como transferencia total, transferencia de ímpetu, y transferencia de energía en los mecánicos flúidos. Comparado con esquemas biológicos experimentales del proceso de fermentación, usando tecnología de la simulación del CFD tiene las características de la independencia del bajo costo y del tamaño, y es ampliamente utilizado en el campo de la ingeniería flúida. La simulación del CFD simula principalmente el campo de flujo, revolviendo poder, y la interrupción del gas dentro del depósito de fermentación biológico. Al mismo tiempo, un modelo de transferencia total disuelto del oxígeno se junta en el modelo de flujo bifásico gaseoso líquido del depósito de fermentación biológico, que puede simular el proceso disuelto de la transferencia total del oxígeno y el proceso bioquímico de la reacción durante el mismo proceso de fermentación.
Con el desarrollo de la tecnología de ordenadores de la simulación, el CFD se aplica cada vez más en la simulación de los procesos biológicos de la amplificación de la fermentación. Sin embargo, debido a la complejidad del flujo bifásico gaseoso líquido, a la investigación adicional sobre parámetros tales como interrupción del gas y a burbujas en el proceso de la predicción todavía se necesita.
Conclusión 4
El proceso de la fermentación biológica es un proceso complejo y multifactorial. Aunque los biorreactores revueltos tradicionales del tanque sean relativamente simples en estructura, el proceso real del líquido dentro del depósito de fermentación es muy complejo en el proceso real de la reacción. Especialmente en el proceso de la amplificación de la fermentación biológica, los factores múltiples necesitan ser considerados completo para la amplificación metodológica. El proceso experimental tradicional de la amplificación puede realizar solamente la amplificación simple y no puede simular verdad los datos reales de diversos sistemas en el depósito de fermentación. Además de asegurarse de que el ambiente del crecimiento de los productos de la fermentación sea constante con el laboratorio, la atención se debe también prestar al ahorro de energía. De acuerdo con la dinámica de fluidos de cómputo, métodos más científicos del análisis y de la simulación pueden predecir y simular más exactamente el proceso biológico de la amplificación de la fermentación, proporcionando base y la referencia eficaces para la selección de procesos biológicos de la amplificación de la fermentación.
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