การหมักทางชีวภาพหมายถึงกระบวนการใช้สิ่งมีชีวิต (โดยปกติคือจุลินทรีย์หรือเซลล์) เพื่อแปลงวัตถุดิบให้เป็นผลิตภัณฑ์ของมนุษย์ผ่านวิถีทางเมแทบอลิซึมเฉพาะภายใต้สภาวะที่เหมาะสมสารเมตาบอไลต์ที่มีประโยชน์ ผลิตภัณฑ์แสดงโปรตีน และผลิตภัณฑ์อื่นๆ เหล่านี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยา อุตสาหกรรมอาหาร อุตสาหกรรมพลังงาน อุตสาหกรรมเคมี การเกษตร และสาขาอื่นๆ และแยกออกจากชีวิตประจำวันของผู้คนไม่ได้ในวิศวกรรมการหมักทางชีวภาพ วิธีการขยายเงื่อนไขการวิจัยในห้องปฏิบัติการอย่างมีประสิทธิภาพและนำไปใช้กับการผลิตโดยตรงถือเป็นปัญหาที่เป็นปัญหาในการประยุกต์การหมักทางชีวภาพมาโดยตลอดเนื่องจากปัจจัยที่มีอิทธิพลหลายประการของปฏิกิริยาทางชีวภาพ ปฏิกิริยาภายในถังหมักจึงเป็นปฏิกิริยาปิดวิธีควบคุมพารามิเตอร์อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อให้กระบวนการขยายสัญญาณไม่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการหมักทางชีวภาพถือเป็นจุดสนใจของการวิจัยในอุตสาหกรรมการหมักทางชีวภาพมาโดยตลอดในระหว่างกระบวนการขยายปฏิกิริยาการหมักทางชีวภาพ สถานะการไหลภายในถังจะเปลี่ยนไปอย่างมากตามปริมาตรที่เพิ่มขึ้นการเปลี่ยนแปลงในสนามการไหลยังสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงชุดพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น อุณหภูมิและออกซิเจนละลายน้ำ ซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในระบบปฏิกิริยาทั้งหมดบทความนี้จะเรียบเรียงและแนะนำปัจจัยที่มีอิทธิพลและพารามิเตอร์ควบคุมที่สอดคล้องกันของการขยายกระบวนการหมักทางชีวภาพ โดยให้การอ้างอิงสำหรับการเลือกพารามิเตอร์ในกระบวนการขยายการหมักทางชีวภาพที่เกิดขึ้นจริง
ปัจจัยที่มีผลต่อการขยายกระบวนการหมักทางชีวภาพ
1.1 การถ่ายเทและการผสมมวล
กระบวนการถ่ายโอนมวลเป็นกระบวนการถ่ายโอนวัสดุ และกิจกรรมการถ่ายโอนมวลในกระบวนการหมักทางชีวภาพเกิดขึ้นพร้อมกันกับปฏิกิริยาทางชีวภาพกระบวนการถ่ายโอนมวลหลักแบ่งออกเป็นการดูดซับก๊าซ-ของเหลวและการถ่ายโอนมวลของเหลวการถ่ายโอนสารในสถานะของเหลวมีสาเหตุหลักมาจากการแพร่กระจายของน้ำวนที่ขับเคลื่อนโดยใบพัดกวนของถังหมักทางชีวภาพในวัฒนธรรมการหมักทางชีวภาพที่ใช้กันทั่วไป กระบวนการถ่ายเทมวลมีความสำคัญมากการถ่ายโอนมวลที่ดีช่วยให้มั่นใจได้ถึงออกซิเจน สารอาหาร และสารเมตาบอไลท์ที่จำเป็นสำหรับการเพาะเลี้ยงและการพัฒนาของจุลินทรีย์และเซลล์ค่าสัมประสิทธิ์ออกซิเจนละลายในปริมาตรเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อการถ่ายโอนมวล แต่เนื่องจากสนามการไหลที่ซับซ้อนภายในถังหมักทางชีวภาพ จึงมีปัจจัยที่มีอิทธิพลหลายประการ ทำให้ยากต่อการวิเคราะห์ค่าสัมประสิทธิ์ออกซิเจนละลายในปริมาตร
พารามิเตอร์สำคัญอีกประการหนึ่งที่ส่งผลโดยตรงต่อการขยายกระบวนการถังหมักทางชีวภาพคือกระบวนการผสมการผสมปฏิกิริยาการหมักทางชีวภาพทั่วไปประกอบด้วยการผสมของเหลว-ของเหลว การผสมของแข็ง-ของเหลว การผสมก๊าซ-ของเหลว และการผสมสามเฟสที่เป็นของแข็งของก๊าซ-ของเหลวเนื่องจากปริมาตรของถังหมักเพิ่มขึ้นและการเพิ่มขึ้นของผลิตภัณฑ์การหมักและวัตถุดิบ การผสมภายในถังจึงไม่สม่ำเสมอเช่น การผสมสารที่ด้านบนของถังหมักจะค่อนข้างยากเมื่อเทียบกับด้านล่างการเพิ่มการผสมสารต่างๆ ในถังหมักทางวิทยาศาสตร์สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของการหมักทางชีวภาพได้
1.2 การตัด
มุมมองดั้งเดิมคือการเพิ่มอัตราการกวนของถังหมักทางชีวภาพสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทและการผสมมวลในระหว่างกระบวนการหมักอย่างไรก็ตาม จากการวิจัยเชิงลึก พบว่าความล้มเหลวในการหมักทางชีวภาพจำนวนมากมีสาเหตุมาจากแรงเฉือนที่มากเกินไปบนวัสดุเป้าหมายของการหมักทางชีวภาพ ซึ่งนำไปสู่ความเสียหายของจุลินทรีย์และเซลล์ตัวอย่างเช่น ในระบบหมักจุลินทรีย์ แรงเฉือนที่มากเกินไปอาจเป็นอันตรายต่อการเจริญเติบโตของร่างกายแบคทีเรียแรงเฉือนต่ำไม่เอื้อต่อการแตกฟองและส่งผลต่อประสิทธิภาพการแพร่กระจายของอากาศวิธีการเพิ่มการผสมสารต่างๆ ในถังหมักด้วยวิธีการทางวิทยาศาสตร์ และการควบคุมแรงเฉือนให้อยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ของจุลินทรีย์และเซลล์ ถือเป็นปัจจัยสำคัญในกระบวนการขยายการหมัก
1.3 การถ่ายเทความร้อน
อุณหภูมิยังเป็นปัจจัยสำคัญในกระบวนการหมักทางชีวภาพอีกด้วยการควบคุมอุณหภูมิของถังหมักทางชีวภาพส่วนใหญ่ทำได้ผ่านชั้นแจ็คเก็ตอย่างไรก็ตาม เมื่อปริมาตรภายในถังหมักชีวภาพขนาดใหญ่เพิ่มขึ้น พื้นที่ผิวต่อหน่วยความร้อนจะลดลงดังนั้นประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนจะส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการผลิตของสารเป้าหมายการหมักทางชีวภาพ
1.4 ปัจจัยอื่นๆ
มีปัจจัยอื่นๆ ในกระบวนการขยายของถังหมักทางชีวภาพที่อาจส่งผลต่อกระบวนการหมัก เช่น พารามิเตอร์ของการเติมอากาศ ความเร็วในการป้อน และการตั้งค่าทางเข้าของตัวอย่าง ซึ่งล้วนส่งผลต่อกระบวนการหมักเนื่องจากข้อจำกัดของกระบวนการ ถังหมักทางชีวภาพประเภทการผลิตจึงไม่สามารถตรวจจับความเข้มข้นของซับสเตรต ผลิตภัณฑ์ และสารเมตาบอไลต์ต่างๆ ได้แบบเรียลไทม์ เช่นเดียวกับกระบวนการหมักทางชีวภาพในห้องปฏิบัติการดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องออกแบบความเร็วและปริมาณของการป้อนและการบริโภคทางวิทยาศาสตร์ในเวลาเดียวกัน จำเป็นต้องพิจารณาความเร็วของก๊าซที่ชัดเจนสำหรับการเติมวัสดุและการเติมอากาศอย่างครอบคลุม เพื่อหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์ "น้ำท่วมของเหลว"
2 พารามิเตอร์ควบคุมหลักของวิธีกระบวนการหมักทางชีวภาพ
2.1 การผสม
โหมดการผสมที่ใช้กันทั่วไปของถังหมักทางชีวภาพแบบกวนคือการหมุนของใบพัดกวนเพื่อขับเคลื่อนการผสมของเหลวหมักทั้งหมดการควบคุมพารามิเตอร์การกวนถังหมักทำได้โดยการควบคุมความเร็วเป็นหลักการควบคุมความเร็วไม่เพียงแต่ควรพิจารณาเพิ่มความเร็วและปรับปรุงประสิทธิภาพการผสมเท่านั้น แต่ยังต้องควบคุมความเร็วภายในช่วงที่เหมาะสมด้วยความเร็วที่มากเกินไปอาจนำไปสู่การสร้างความร้อนที่เพิ่มขึ้น แรงเฉือนต่อเซลล์ที่เพิ่มขึ้น และความล้มเหลวในการหมักนอกจากนี้ การวิจัยยังพบว่ารูปแบบการไหลของระบบปริมาตรการหมัก การเลือกไม้พายกวน และเส้นผ่านศูนย์กลาง ล้วนส่งผลต่อประสิทธิภาพของการหมักทางชีวภาพในกระบวนการหมักทางชีวภาพขนาดใหญ่ นอกเหนือจากความเร็วในการหมุนแล้ว การเลือกประเภทใบพัดกวนและตำแหน่งเชิงพื้นที่ก็มีความสำคัญเช่นกันจำเป็นต้องเลือกประเภทใบพัดกวนที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากคุณสมบัติของของเหลวของวัสดุเพาะเลี้ยงปัจจุบันมีการใช้การผสมผสานระหว่างการไหลตามแนวแกนและการไหลในแนวรัศมี ซึ่งรวมการไหลของของเหลวขนาดเล็กและฟิลด์การไหลแบบมหภาคเพื่อปรับปรุงระดับของการผสมวัสดุในระบบหมักทางชีวภาพทั้งหมดโดยทั่วไปใบพัดผสมจะใช้ประเภทการไหลบ่าด้านล่างและประเภทการไหลตามแนวแกนด้านบน ซึ่งสามารถรับประกันได้อย่างมีประสิทธิภาพว่าสารอาหารที่เพิ่มไว้ด้านบนจะถูกกระจายอย่างรวดเร็วไปยังด้านล่างของถังภายใต้การกระทำของสารละลายไหลตามแนวแกน และอากาศที่เข้าสู่ ด้านล่างของถังสามารถกระจายตัวได้ทันท่วงที ทำให้มั่นใจได้ถึงการไหลเวียนและการไหลโดยรวมของถังทั้งหมด ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมสำหรับการหมักจุลินทรีย์ทั้งหมด
2.2 อุณหภูมิ
โดยทั่วไปถังหมักชีวภาพจะอยู่ที่ 26~37 ℃ ขึ้นอยู่กับชนิดของแบคทีเรียที่กำลังเพาะเลี้ยง ในขณะที่การเพาะเลี้ยงแบคทีเรียชนิดพิเศษอาจอยู่ที่ 65 ℃ในระหว่างกระบวนการขยายของกระบวนการหมัก สนามอุณหภูมิภายในถังหมักทั้งหมดจะมีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในขั้นตอนขนาดเล็กและขั้นนำร่อง เนื่องจากถังมีขนาดเล็ก สนามอุณหภูมิจึงค่อนข้างสม่ำเสมอในถังหมักประเภทการผลิต หัววัดอุณหภูมิของถังหมักมักจะกระจายอยู่ที่ส่วนล่างของถัง โดยมีความยาว 100 มม. และส่วนที่แช่ในของเหลวหมักคือ 50-60 มม.วิธีการทำความร้อนและความเย็นของถังหมักทางชีวภาพมักจะดำเนินการผ่านชั้นน้ำแบบแจ็คเก็ต ดังนั้นประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของถังหมักจึงส่งผลโดยตรงต่อการกระจายอุณหภูมิภายในถังทั้งหมดอุณหภูมิของชั้นน้ำในแจ็คเก็ตและค่าที่แสดงอุณหภูมิของหัววัดอุณหภูมิถังหมักไม่สามารถสะท้อนอุณหภูมิของของเหลวในถังหมักได้อย่างแท้จริงการจัดเรียงหัววัดอุณหภูมิทางวิทยาศาสตร์และการตั้งค่าอุณหภูมิการหมักทางวิทยาศาสตร์ตามค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของระบบหมักสามารถรับประกันอุณหภูมิของปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพ
2.3 พารามิเตอร์ทางเคมีอื่น ๆ
การควบคุมพารามิเตอร์ทางเคมีในการหมักทางชีวภาพ เช่น ค่า pH และออกซิเจนที่ละลายน้ำ อาจส่งผลต่อผลลัพธ์ของการหมักได้ยกตัวอย่างพารามิเตอร์ออกซิเจนละลายน้ำในกระบวนการทางชีวภาพแบบแอโรบิก ออกซิเจนเป็นสารอาหารที่สำคัญสำหรับการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความสามารถในการละลายได้ต่ำสุด ออกซิเจนจึงกลายเป็นสารตั้งต้นที่สำคัญสำหรับกระบวนการทางชีวเคมีดังนั้นการรักษาปริมาณออกซิเจนที่เพียงพอตั้งแต่สถานะก๊าซไปจนถึงสถานะของเหลวจึงเป็นสิ่งสำคัญตามทฤษฎีแล้ว การเพิ่มการระบายอากาศและการเพิ่มคอลัมน์อาหารเลี้ยงเชื้อสามารถยืดเวลาของฟองอากาศในอาหารเลี้ยงเชื้อได้อย่างมีประสิทธิภาพ และปรับปรุงประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนก๊าซและของเหลวอย่างไรก็ตาม พารามิเตอร์เหล่านี้ยังถูกจำกัดด้วยต้นทุนของถังหมัก และระดับและขนาดของการกระจายตัวของฟองก็สามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพของการแพร่กระจายของออกซิเจนได้เช่นกันดังนั้นจึงจำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ อย่างครอบคลุม และจัดให้มีวิธีการขยายการออกแบบกระบวนการที่เหมาะสมที่สุด
3. วิธีการขยายขนาดสำหรับกระบวนการหมักทางชีวภาพ
3.1 วิธีการขยายเชิงประจักษ์
กระบวนการขยายขนาดของกระบวนการหมักทางชีวภาพแบบดั้งเดิมนั้นส่วนใหญ่ใช้วิธีเชิงประจักษ์แบบดั้งเดิมในกระบวนการหมักทางชีวภาพ ชุดของพารามิเตอร์ เช่น ความเร็ว การจัดเรียง อัตราการระบายอากาศ อัตราการไหลของฟีด และพารามิเตอร์ทางเคมีอื่น ๆ ของใบพัดกวนอาจส่งผลต่อผลผลิตของการหมักผู้ใช้จะเลือกกระบวนการหมักที่คล้ายกันโดยอิงจากการตั้งค่ากระบวนการหมักก่อนหน้าหรืออื่นๆ และเลือกพารามิเตอร์การขยายกระบวนการหมักที่สอดคล้องกันอีกทางหนึ่ง จากประสบการณ์แบบดั้งเดิม สามารถคาดการณ์พลศาสตร์ของไหลในถังหมักได้ และพารามิเตอร์ต่างๆ ภายในถังสามารถขยายได้ทางเรขาคณิต ในขณะที่ยังคงรักษาตำแหน่งสัมพัทธ์ไว้เพื่อขยายปริมาตรการหมักวิธีการขยายเชิงประจักษ์ส่วนใหญ่จะเน้นที่พารามิเตอร์หลักภายในระบบหมัก เช่น สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนมวลปริมาตร ปริมาณการใช้พลังงานต่อหน่วย เวลาในการผสม ฯลฯ โดยทั่วไปวิธีนี้เหมาะสำหรับการขยายขนาดอย่างง่ายเท่านั้น และไม่สามารถทำนายไดนามิกของของไหลและคุณลักษณะทางจลน์ศาสตร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ถังหมัก
3.2 วิธีการขยายตามพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ
พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) หมายถึงการจำลองและการคำนวณกฎการเคลื่อนที่ของของไหลในคอมพิวเตอร์โดยอิงจากสมการระดับจุลภาค เช่น การถ่ายโอนมวล การถ่ายโอนโมเมนตัม และการถ่ายโอนพลังงานในกลศาสตร์ของไหลเมื่อเปรียบเทียบกับแผนกระบวนการหมักทางชีวภาพเชิงประสบการณ์ การใช้เทคโนโลยีการจำลอง CFD มีลักษณะของต้นทุนและความเป็นอิสระของขนาดที่ต่ำ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิศวกรรมของไหลการจำลอง CFD ส่วนใหญ่จะจำลองสนามการไหล พลังการกวน และการกักเก็บก๊าซภายในถังหมักทางชีวภาพในเวลาเดียวกัน แบบจำลองการถ่ายโอนมวลออกซิเจนที่ละลายน้ำจะถูกรวมเข้ากับแบบจำลองการไหลสองเฟสของก๊าซ-ของเหลวของถังหมักทางชีวภาพ ซึ่งสามารถจำลองกระบวนการถ่ายโอนมวลออกซิเจนที่ละลายน้ำและกระบวนการปฏิกิริยาทางชีวเคมีในระหว่างกระบวนการหมักเดียวกัน
ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์จำลอง CFD ได้ถูกนำไปใช้มากขึ้นในการจำลองกระบวนการขยายการหมักทางชีวภาพอย่างไรก็ตาม เนื่องจากความซับซ้อนของการไหลแบบสองเฟสของก๊าซ-ของเหลว จึงจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับพารามิเตอร์ เช่น การกักเก็บก๊าซและฟองอากาศในกระบวนการทำนาย
4 บทสรุป
กระบวนการหมักทางชีวภาพเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและมีหลายปัจจัยแม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบถังกวนแบบดั้งเดิมจะมีโครงสร้างค่อนข้างง่าย แต่กระบวนการจริงของของไหลภายในถังหมักนั้นซับซ้อนมากในกระบวนการทำปฏิกิริยาจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการขยายของการหมักทางชีวภาพ จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยหลายประการอย่างครอบคลุมสำหรับการขยายวิธีการกระบวนการขยายสัญญาณจากประสบการณ์แบบดั้งเดิมสามารถทำได้เพียงการขยายสัญญาณแบบง่ายๆ เท่านั้น และไม่สามารถจำลองข้อมูลที่แท้จริงของระบบต่างๆ ในถังหมักได้อย่างแท้จริงนอกจากจะทำให้มั่นใจว่าสภาพแวดล้อมการเติบโตของผลิตภัณฑ์จากการหมักสอดคล้องกับห้องปฏิบัติการแล้ว ยังควรให้ความสำคัญกับการอนุรักษ์พลังงานด้วยจากพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ วิธีการวิเคราะห์และการจำลองทางวิทยาศาสตร์มากขึ้นสามารถทำนายและจำลองกระบวนการขยายการหมักทางชีวภาพได้แม่นยำมากขึ้น โดยให้พื้นฐานที่มีประสิทธิภาพและการอ้างอิงสำหรับการเลือกกระบวนการขยายการหมักทางชีวภาพ
Shanghai Beyond Machinery มุ่งเน้นไปที่การออกแบบและการผลิตสายการผลิตชีวเภสัชภัณฑ์ลูกค้าของเราตั้งอยู่ทั่วโลก และพวกเขาประสบความสำเร็จในตลาดต่างๆติดต่อเราตอนนี้เพื่อรับโซลูชันและราคาการออกแบบสายการผลิตล่าสุด