Fermentasi biologis mengacu pada proses penggunaan organisme (biasanya mikroorganisme atau sel) untuk mengubah bahan mentah menjadi produk manusia melalui jalur metabolisme tertentu dalam kondisi yang sesuai.Metabolit bermanfaat, produk ekspresi protein, dan produk lainnya ini banyak digunakan dalam industri farmasi, industri makanan, industri energi, industri kimia, pertanian, dan bidang lainnya, dan tidak dapat dipisahkan dari kehidupan sehari-hari masyarakat.Dalam rekayasa fermentasi biologis, cara memperkuat kondisi penelitian laboratorium secara efektif dan langsung menerapkannya pada produksi selalu menjadi masalah yang mengganggu penerapan fermentasi biologis.Karena banyaknya faktor yang mempengaruhi reaksi biologis, maka reaksi di dalam tangki fermentasi merupakan reaksi tertutup.Cara mengontrol parameter secara efektif agar proses amplifikasi tidak berdampak pada proses fermentasi biologis selalu menjadi fokus penelitian di industri fermentasi biologis.Selama proses amplifikasi reaksi fermentasi biologis, keadaan aliran di dalam tangki berubah secara signifikan seiring dengan bertambahnya volume.Perubahan medan aliran juga dapat menyebabkan perubahan serangkaian parameter seperti suhu dan oksigen terlarut, sehingga mengakibatkan perubahan pada keseluruhan sistem reaksi.Artikel ini secara singkat mengatur dan memperkenalkan faktor-faktor yang mempengaruhi dan parameter kontrol yang sesuai dari amplifikasi proses fermentasi biologis, memberikan referensi untuk pemilihan parameter dalam proses amplifikasi fermentasi biologis yang sebenarnya.
Faktor-faktor yang mempengaruhi amplifikasi proses fermentasi biologis
1.1 Perpindahan dan Pencampuran Massal
Proses perpindahan massa adalah proses perpindahan material, dan aktivitas perpindahan massa pada proses fermentasi biologis terjadi bersamaan dengan reaksi biologis.Proses perpindahan massa utama dibagi menjadi penyerapan gas-cair dan perpindahan massa cair.Perpindahan zat dalam fase cair terutama disebabkan oleh difusi pusaran air yang didorong oleh dayung pengaduk pada tangki fermentasi biologis.Dalam kultur fermentasi biologis yang umum digunakan, proses perpindahan massa sangatlah penting.Perpindahan massa yang baik dapat memastikan oksigen, nutrisi, dan metabolit yang diperlukan untuk kultur dan pengembangan mikroba dan sel.Koefisien oksigen terlarut volumetrik adalah faktor terpenting yang mempengaruhi perpindahan massa, namun karena medan aliran yang kompleks di dalam tangki fermentasi biologis, terdapat banyak faktor yang mempengaruhi, sehingga sulit untuk menganalisis koefisien oksigen terlarut volumetrik.
Parameter kunci lain yang secara langsung mempengaruhi amplifikasi proses tangki fermentasi biologis adalah proses pencampuran.Pencampuran reaksi fermentasi biologis yang umum meliputi pencampuran cair-cair, pencampuran padat-cair, pencampuran gas-cair, dan pencampuran tiga fase padat gas-cair.Karena peningkatan volume tangki fermentasi dan peningkatan produk fermentasi dan bahan baku, pencampuran di dalam tangki tidak merata.Misalnya pencampuran zat di bagian atas tangki fermentasi relatif lebih sulit dibandingkan di bagian bawah.Meningkatkan pencampuran berbagai zat dalam tangki fermentasi secara ilmiah dapat meningkatkan efisiensi fermentasi biologis.
1.2 Pemotongan
Pandangan tradisional adalah bahwa meningkatkan laju pengadukan tangki fermentasi biologis dapat meningkatkan perpindahan massa dan pencampuran selama proses fermentasi.Namun, melalui penelitian mendalam, ditemukan bahwa banyak kegagalan fermentasi biologis disebabkan oleh gaya geser yang berlebihan pada bahan target fermentasi biologis, sehingga menyebabkan kerusakan mikroba dan sel.Misalnya, dalam sistem fermentasi mikroba, gaya geser yang berlebihan dapat membahayakan pertumbuhan tubuh bakteri;Gaya geser yang rendah tidak kondusif terhadap pecahnya gelembung dan mempengaruhi efisiensi perambatan udara.Cara meningkatkan pencampuran berbagai zat dalam tangki fermentasi secara ilmiah dan mengontrol tegangan geser dalam kisaran yang dapat diterima oleh mikroorganisme dan sel merupakan faktor penting dalam proses amplifikasi fermentasi.
1.3 Perpindahan panas
Suhu juga merupakan faktor penting dalam proses fermentasi biologis.Kontrol suhu tangki fermentasi biologis terutama dicapai melalui lapisan jaket.Namun, seiring bertambahnya volume di dalam tangki fermentasi biologis yang besar, luas permukaan per unit pemanasan berkurang.Oleh karena itu, efisiensi perpindahan panas akan secara langsung mempengaruhi efisiensi produksi zat target fermentasi biologis.
1.4 Faktor lainnya
Ada faktor lain dalam proses amplifikasi tangki fermentasi biologis yang dapat mempengaruhi proses fermentasi, seperti parameter pengisian udara, kecepatan pengumpanan, dan pengaturan saluran masuk sampel, yang semuanya dapat mempengaruhi proses fermentasi.Karena keterbatasan proses, tangki fermentasi biologis jenis produksi tidak dapat mendeteksi konsentrasi berbagai substrat, produk, dan metabolit secara real-time seperti proses fermentasi biologis di laboratorium.Oleh karena itu, sangat penting untuk merancang secara ilmiah kecepatan dan kuantitas pemberian makan dan asupan.Pada saat yang sama, perlu untuk mempertimbangkan secara komprehensif kecepatan gas yang terlihat untuk pengisian material dan pengisian udara untuk menghindari fenomena "banjir cair".
2 Parameter kontrol utama metode proses fermentasi biologis
2.1 Pencampuran
Mode pencampuran yang umum digunakan pada tangki fermentasi biologis berpengaduk adalah rotasi dayung pengaduk untuk menggerakkan pencampuran seluruh cairan fermentasi.Kontrol parameter pengadukan tangki fermentasi terutama dicapai melalui kontrol kecepatan.Pengendalian kecepatan tidak hanya mempertimbangkan peningkatan kecepatan dan peningkatan efisiensi pencampuran, tetapi juga mengontrol kecepatan dalam kisaran yang wajar.Kecepatan yang berlebihan dapat menyebabkan peningkatan pembentukan panas, peningkatan gaya geser pada sel, dan kegagalan fermentasi.Selain itu, penelitian menemukan bahwa pola aliran sistem volume fermentasi, pemilihan dayung pengaduk, dan diameter semuanya dapat mempengaruhi efisiensi fermentasi biologis.Dalam proses fermentasi biologis skala besar, selain kecepatan putaran, pemilihan jenis dayung pengaduk dan posisi spasial juga sangat penting.Penting untuk memilih jenis dayung pengaduk yang sesuai berdasarkan sifat fluida bahan kultur.Saat ini, kombinasi aliran aksial dan aliran radial biasa digunakan, yang menggabungkan aliran cairan mikro dan bidang aliran makro untuk meningkatkan tingkat pencampuran bahan di seluruh sistem fermentasi biologis.Dayung pencampur umumnya mengadopsi tipe limpasan bawah dan tipe aliran aksial atas, yang secara efektif dapat memastikan bahwa nutrisi yang ditambahkan ke atas dengan cepat didistribusikan ke bagian bawah tangki di bawah aksi bubur aliran aksial, dan udara dimasukkan ke dalam. bagian bawah tangki juga dapat dibubarkan pada waktu yang tepat, memastikan sirkulasi keseluruhan dan aliran seluruh tangki, menyediakan lingkungan yang cocok untuk seluruh fermentasi mikroba.
2.2 Suhu
Tangki fermentasi biologis umumnya bersuhu 26~37℃ tergantung pada jenis bakteri yang dibudidayakan, sedangkan budidaya bakteri khusus mungkin bersuhu 65℃.Selama proses amplifikasi proses fermentasi, bidang suhu di dalam seluruh tangki fermentasi akan mengalami perubahan yang signifikan.Pada tahap skala kecil dan uji coba, karena ukuran tangki yang kecil, bidang suhu relatif seragam.Pada tangki fermentasi jenis produksi, pemeriksaan suhu tangki fermentasi biasanya didistribusikan di bagian bawah tangki, dengan panjang 100mm, dan bagian perendaman dalam cairan fermentasi adalah 50-60mm.Metode pemanasan dan pendinginan tangki fermentasi biologis biasanya dilakukan melalui lapisan jaket air, sehingga efisiensi perpindahan panas tangki fermentasi secara langsung mempengaruhi distribusi suhu di dalam seluruh tangki.Suhu lapisan air jaket dan nilai tampilan suhu dari pemeriksaan suhu tangki fermentasi tidak dapat benar-benar mencerminkan suhu cairan dalam tangki fermentasi.Mengatur pemeriksaan suhu secara ilmiah dan mengatur suhu fermentasi secara ilmiah berdasarkan koefisien perpindahan panas dari sistem fermentasi dapat secara efektif memastikan suhu reaksi.
2.3 Parameter kimia lainnya
Pengendalian parameter kimia dalam fermentasi biologis, seperti nilai pH dan oksigen terlarut, dapat berdampak pada hasil fermentasi.Mengambil parameter oksigen terlarut sebagai contoh, dalam proses biologis aerobik, oksigen merupakan nutrisi penting untuk pertumbuhan mikroba.Namun, karena kelarutannya yang paling bawah, oksigen menjadi substrat utama untuk proses biokimia.Oleh karena itu, menjaga kecukupan pasokan oksigen dari fase gas ke fase cair sangatlah penting.Secara teori, meningkatkan ventilasi dan meningkatkan kolom media kultur dapat secara efektif memperpanjang waktu gelembung dalam media kultur dan meningkatkan efisiensi pertukaran gas-cair.Namun, parameter ini juga dibatasi oleh biaya tangki fermentasi, dan derajat serta ukuran dispersi gelembung juga dapat mempengaruhi efisiensi perambatan oksigen.Oleh karena itu, perlu mempertimbangkan berbagai faktor secara komprehensif dan menyediakan metode amplifikasi desain proses yang paling sesuai.
3. Meningkatkan metode proses fermentasi biologis
3.1 Metode amplifikasi empiris
Peningkatan proses fermentasi biologis tradisional sebagian besar didasarkan pada metode empiris tradisional.Dalam proses fermentasi biologis, serangkaian parameter seperti kecepatan, pengaturan, laju ventilasi udara, laju aliran umpan, dan parameter kimia lainnya dari dayung pengaduk dapat mempengaruhi hasil fermentasi.Pengguna akan memilih proses fermentasi serupa berdasarkan pengaturan proses fermentasi sebelumnya atau lainnya, dan memilih parameter amplifikasi proses fermentasi yang sesuai;Sebagai alternatif, berdasarkan pengalaman tradisional, dinamika fluida dalam tangki fermentasi dapat diprediksi, dan berbagai parameter di dalam tangki dapat diperbesar secara geometris sambil mempertahankan posisi relatifnya untuk memperluas volume fermentasi.Metode amplifikasi empiris terutama berfokus pada parameter utama dalam sistem fermentasi, seperti koefisien perpindahan massa volumetrik, konsumsi daya volume satuan, waktu pencampuran, dll. Metode ini biasanya hanya cocok untuk amplifikasi sederhana dan tidak dapat secara efektif memprediksi dinamika fluida dan karakteristik kinematik dalam tangki fermentasi.
3.2 Metode Amplifikasi Berdasarkan Komputasi Dinamika Fluida
Dinamika Fluida Komputasi (CFD) mengacu pada simulasi dan penghitungan hukum gerak fluida di komputer berdasarkan persamaan mikroskopis seperti perpindahan massa, perpindahan momentum, dan perpindahan energi dalam mekanika fluida.Dibandingkan dengan skema proses fermentasi biologis berdasarkan pengalaman, penggunaan teknologi simulasi CFD memiliki karakteristik biaya rendah dan kemandirian ukuran, dan banyak digunakan dalam bidang rekayasa fluida.Simulasi CFD terutama mensimulasikan medan aliran, daya pengadukan, dan penahan gas di dalam tangki fermentasi biologis.Pada saat yang sama, model perpindahan massa oksigen terlarut digabungkan dalam model aliran dua fase gas-cair dari tangki fermentasi biologis, yang dapat mensimulasikan proses perpindahan massa oksigen terlarut dan proses reaksi biokimia selama proses fermentasi yang sama.
Dengan berkembangnya teknologi komputasi simulasi, CFD semakin banyak diterapkan dalam simulasi proses amplifikasi fermentasi biologis.Namun karena rumitnya aliran dua fasa gas-cair, masih diperlukan penelitian lebih lanjut mengenai parameter seperti penahan gas dan gelembung dalam proses prediksi.
4. Kesimpulan
Proses fermentasi biologis merupakan proses yang kompleks dan multifaktorial.Meskipun bioreaktor tangki berpengaduk tradisional memiliki struktur yang relatif sederhana, proses sebenarnya dari cairan di dalam tangki fermentasi sangat kompleks dalam proses reaksi sebenarnya.Khususnya dalam proses amplifikasi fermentasi biologis, berbagai faktor perlu dipertimbangkan secara komprehensif untuk amplifikasi metodologis.Proses amplifikasi eksperiensial tradisional hanya dapat melakukan amplifikasi sederhana dan tidak dapat benar-benar mensimulasikan data nyata dari berbagai sistem di tangki fermentasi.Selain memastikan bahwa lingkungan pertumbuhan produk fermentasi konsisten dengan laboratorium, perhatian juga harus diberikan pada konservasi energi.Berdasarkan dinamika fluida komputasi, metode analisis dan simulasi yang lebih ilmiah dapat memprediksi dan mensimulasikan proses amplifikasi fermentasi biologis dengan lebih akurat, memberikan dasar dan referensi yang efektif untuk pemilihan proses amplifikasi fermentasi biologis.
Shanghai Beyond Machinery berfokus pada desain dan pembuatan jalur pemrosesan biofarmasi.Pelanggan kami berlokasi di seluruh dunia, dan mereka telah mencapai kesuksesan mereka sendiri di pasar yang berbeda.Hubungi kami sekarang untuk mendapatkan solusi dan harga desain lini produksi terbaru.