Lên men sinh học đề cập đến quá trình sử dụng sinh vật (thường là vi sinh vật hoặc tế bào) để chuyển đổi nguyên liệu thô thành sản phẩm của con người thông qua các con đường trao đổi chất cụ thể trong điều kiện thích hợp.Những chất chuyển hóa hữu ích, sản phẩm biểu hiện protein và các sản phẩm khác này được sử dụng rộng rãi trong ngành dược phẩm, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp năng lượng, công nghiệp hóa chất, nông nghiệp và các lĩnh vực khác và không thể tách rời khỏi cuộc sống hàng ngày của con người.Trong kỹ thuật lên men sinh học, làm thế nào để khuếch đại hiệu quả các điều kiện nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và áp dụng trực tiếp vào sản xuất luôn là vấn đề gây khó khăn cho việc ứng dụng lên men sinh học.Do chịu nhiều yếu tố ảnh hưởng đến các phản ứng sinh học nên phản ứng trong bể lên men là phản ứng khép kín.Làm thế nào để kiểm soát hiệu quả các thông số để quá trình khuếch đại không ảnh hưởng đến quá trình lên men sinh học luôn là trọng tâm nghiên cứu trong ngành lên men sinh học.Trong quá trình khuếch đại phản ứng lên men sinh học, trạng thái dòng chảy bên trong bể thay đổi đáng kể khi thể tích tăng lên.Những thay đổi trong trường dòng chảy cũng có thể dẫn đến những thay đổi trong một loạt các thông số như nhiệt độ và oxy hòa tan, dẫn đến những thay đổi trong toàn bộ hệ thống phản ứng.Bài báo tổ chức và giới thiệu ngắn gọn các yếu tố ảnh hưởng và các thông số điều khiển tương ứng của quá trình khuếch đại quá trình lên men sinh học, cung cấp tài liệu tham khảo cho việc lựa chọn các thông số trong quá trình khuếch đại quá trình lên men sinh học thực tế.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự khuếch đại của quá trình lên men sinh học
1.1 Chuyển khối và trộn
Quá trình chuyển khối là quá trình chuyển vật chất, hoạt động chuyển khối trong quá trình lên men sinh học diễn ra đồng thời với các phản ứng sinh học.Các quá trình truyền khối chính được chia thành hấp thụ khí-lỏng và truyền khối chất lỏng.Sự vận chuyển các chất trong pha lỏng chủ yếu là do sự khuếch tán xoáy do các cánh khuấy của bể lên men sinh học gây ra.Trong nuôi cấy lên men sinh học thường được sử dụng, quá trình chuyển khối là rất quan trọng.Chuyển khối tốt có thể đảm bảo lượng oxy, chất dinh dưỡng và chất chuyển hóa cần thiết cho quá trình nuôi cấy và phát triển của vi sinh vật và tế bào.Hệ số oxy hòa tan thể tích là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình chuyển khối, tuy nhiên do trường dòng chảy phức tạp bên trong bể lên men sinh học nên có nhiều yếu tố ảnh hưởng nên việc phân tích hệ số oxy hòa tan thể tích gặp khó khăn.
Một thông số quan trọng khác ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khuếch đại của quá trình bể lên men sinh học là quá trình trộn.Trộn phản ứng lên men sinh học phổ biến bao gồm trộn chất lỏng-lỏng, trộn chất lỏng-rắn, trộn khí-lỏng và trộn ba pha rắn-lỏng.Do thể tích bể lên men tăng và lượng sản phẩm lên men, nguyên liệu thô tăng lên nên quá trình trộn bên trong bể lên men không đồng đều.Ví dụ, việc trộn các chất ở phía trên thùng lên men tương đối khó khăn so với phía dưới.Tăng cường trộn các chất khác nhau trong thùng lên men một cách khoa học có thể nâng cao hiệu quả của quá trình lên men sinh học.
1.2 Cắt
Quan điểm truyền thống là việc tăng tốc độ khuấy của bể lên men sinh học có thể tăng cường chuyển khối và trộn trong quá trình lên men.Tuy nhiên, với nghiên cứu chuyên sâu, người ta phát hiện ra rằng nhiều lỗi lên men sinh học là do lực cắt quá mạnh lên vật liệu mục tiêu của quá trình lên men sinh học, dẫn đến tổn thương vi khuẩn và tế bào.Ví dụ, trong hệ thống lên men vi sinh vật, lực cắt quá mức có thể gây hại cho sự phát triển của cơ thể vi khuẩn;Lực cắt thấp không có lợi cho việc vỡ bong bóng và ảnh hưởng đến hiệu quả truyền không khí.Làm thế nào để tăng cường một cách khoa học sự pha trộn của các chất khác nhau trong bể lên men và kiểm soát ứng suất cắt trong phạm vi chấp nhận được đối với vi sinh vật và tế bào là một yếu tố quan trọng trong quá trình khuếch đại lên men.
1.3 Truyền nhiệt
Nhiệt độ cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình lên men sinh học.Việc kiểm soát nhiệt độ của bể lên men sinh học chủ yếu đạt được thông qua lớp áo khoác.Tuy nhiên, khi thể tích bên trong bể lên men sinh học lớn tăng lên, diện tích bề mặt trên một đơn vị gia nhiệt sẽ giảm.Vì vậy, hiệu suất truyền nhiệt sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sản xuất các chất mục tiêu lên men sinh học.
1.4 Các yếu tố khác
Có những yếu tố khác trong quá trình khuếch đại của bể lên men sinh học có thể ảnh hưởng đến quá trình lên men, chẳng hạn như các thông số bổ sung không khí, tốc độ cho ăn và cài đặt đầu vào mẫu, tất cả đều có thể ảnh hưởng đến quá trình lên men.Do những hạn chế về quy trình, các bể lên men sinh học loại sản xuất không thể phát hiện nồng độ của các chất nền, sản phẩm và chất chuyển hóa khác nhau trong thời gian thực giống như quá trình lên men sinh học trong phòng thí nghiệm.Vì vậy, điều quan trọng là phải thiết kế một cách khoa học tốc độ và số lượng cho ăn và ăn vào.Đồng thời, cần xem xét toàn diện vận tốc khí biểu kiến để bổ sung nguyên liệu và bổ sung không khí để tránh hiện tượng “ngập chất lỏng”.
2 Các thông số kiểm soát chính của phương pháp lên men sinh học
2.1 Trộn
Chế độ trộn thường được sử dụng của các bể lên men sinh học khuấy là quay cánh khuấy để điều khiển sự pha trộn của toàn bộ chất lỏng lên men.Việc kiểm soát các thông số khuấy của bể lên men chủ yếu đạt được thông qua kiểm soát tốc độ.Kiểm soát tốc độ không chỉ nên xem xét việc tăng tốc độ và nâng cao hiệu quả trộn mà còn kiểm soát tốc độ trong phạm vi hợp lý.Tốc độ quá cao có thể dẫn đến tăng sinh nhiệt, tăng lực cắt lên tế bào và thất bại trong quá trình lên men.Ngoài ra, nghiên cứu đã phát hiện ra rằng mô hình dòng chảy của hệ thống thể tích lên men, việc lựa chọn cánh khuấy và đường kính đều có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình lên men sinh học.Trong quá trình lên men sinh học quy mô lớn, ngoài tốc độ quay, việc lựa chọn loại cánh khuấy và vị trí không gian cũng rất quan trọng.Cần lựa chọn loại cánh khuấy thích hợp dựa trên tính chất lỏng của vật liệu nuôi cấy.Hiện nay, sự kết hợp giữa dòng chảy hướng trục và dòng hướng tâm thường được sử dụng, kết hợp dòng chất lỏng vi mô và trường dòng chảy vĩ mô để cải thiện mức độ trộn nguyên liệu trong toàn bộ hệ thống lên men sinh học.Mái chèo trộn thường sử dụng loại dòng chảy đáy và loại dòng chảy dọc trục, có thể đảm bảo hiệu quả rằng các chất dinh dưỡng được thêm vào phía trên sẽ nhanh chóng được phân phối xuống đáy bể dưới tác động của bùn dòng chảy dọc trục và không khí được đưa vào đáy bể cũng có thể được phân tán kịp thời, đảm bảo sự lưu thông và dòng chảy tổng thể của toàn bộ bể, cung cấp môi trường thích hợp cho toàn bộ quá trình lên men vi sinh vật.
2.2 Nhiệt độ
Bể lên men sinh học thường ở nhiệt độ 26 ~ 37oC tùy thuộc vào loại vi khuẩn được nuôi cấy, trong khi việc nuôi cấy vi khuẩn đặc biệt có thể ở mức 65oC.Trong quá trình khuếch đại của quá trình lên men, trường nhiệt độ bên trong toàn bộ bể lên men sẽ có những thay đổi đáng kể.Ở giai đoạn quy mô nhỏ và thí điểm, do kích thước bể nhỏ nên trường nhiệt độ tương đối đồng đều.Trong bể lên men kiểu sản xuất, các đầu dò nhiệt độ của bể lên men thường được phân bố ở phần dưới của bể, có chiều dài 100mm, phần ngâm trong chất lỏng lên men là 50-60mm.Các phương pháp làm nóng và làm mát bể lên men sinh học thường được thực hiện thông qua lớp nước áo nên hiệu suất truyền nhiệt của bể lên men ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố nhiệt độ bên trong toàn bộ bể.Nhiệt độ của lớp nước áo khoác và giá trị hiển thị nhiệt độ của đầu dò nhiệt độ bể lên men không thể phản ánh thực sự nhiệt độ của chất lỏng trong bể lên men.Bố trí khoa học các đầu dò nhiệt độ và thiết lập nhiệt độ lên men một cách khoa học dựa trên hệ số truyền nhiệt của hệ thống lên men có thể đảm bảo nhiệt độ phản ứng một cách hiệu quả.
2.3 Các thông số hóa học khác
Việc kiểm soát các thông số hóa học trong quá trình lên men sinh học, chẳng hạn như giá trị pH và lượng oxy hòa tan, có thể ảnh hưởng đến kết quả lên men.Lấy thông số oxy hòa tan làm ví dụ, trong các quá trình sinh học hiếu khí, oxy là chất dinh dưỡng quan trọng cho sự phát triển của vi sinh vật.Tuy nhiên, do khả năng hòa tan ở đáy nên oxy trở thành chất nền quan trọng cho các quá trình sinh hóa.Vì vậy, việc duy trì cung cấp đủ oxy từ pha khí đến pha lỏng là rất quan trọng.Về lý thuyết, việc tăng cường thông gió và tăng cột môi trường nuôi cấy có thể kéo dài thời gian tạo bọt trong môi trường nuôi cấy một cách hiệu quả và cải thiện hiệu quả trao đổi khí-lỏng.Tuy nhiên, các thông số này cũng bị hạn chế bởi chi phí của bể lên men, mức độ và kích thước phân tán bong bóng cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả truyền oxy.Vì vậy, cần phải xem xét toàn diện các yếu tố khác nhau và đưa ra phương pháp khuếch đại thiết kế quy trình phù hợp nhất.
3. Phương pháp mở rộng quy trình lên men sinh học
3.1 Phương pháp khuếch đại thực nghiệm
Quá trình mở rộng quy mô của các quá trình lên men sinh học truyền thống chủ yếu dựa trên các phương pháp thực nghiệm truyền thống.Trong quá trình lên men sinh học, một loạt các thông số như tốc độ, sự sắp xếp, tốc độ thông gió, tốc độ dòng nguyên liệu và các thông số hóa học khác của cánh khuấy có thể ảnh hưởng đến năng suất lên men.Người dùng sẽ chọn các quy trình lên men tương tự dựa trên cài đặt quy trình lên men trước đó hoặc quy trình lên men khác và chọn các thông số khuếch đại quy trình lên men tương ứng;Ngoài ra, dựa trên kinh nghiệm truyền thống, có thể dự đoán được động lực học chất lỏng trong bể lên men và các thông số khác nhau bên trong bể có thể được mở rộng về mặt hình học trong khi vẫn duy trì vị trí tương đối của chúng để mở rộng khối lượng lên men.Các phương pháp khuếch đại theo kinh nghiệm chủ yếu tập trung vào các thông số chính trong hệ thống lên men, chẳng hạn như hệ số truyền khối thể tích, mức tiêu thụ điện năng theo thể tích đơn vị, thời gian trộn, v.v. Phương pháp này thường chỉ phù hợp với khuếch đại đơn giản và không thể dự đoán một cách hiệu quả động lực học chất lỏng và đặc tính động học trong bể lên men.
3.2 Phương pháp khuếch đại dựa trên động lực học chất lỏng tính toán
Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) đề cập đến việc mô phỏng và tính toán các định luật chuyển động của chất lỏng trong máy tính dựa trên các phương trình vi mô như truyền khối, truyền động lượng và truyền năng lượng trong cơ học chất lỏng.So với các sơ đồ quy trình lên men sinh học theo kinh nghiệm, sử dụng công nghệ mô phỏng CFD có đặc điểm là chi phí thấp và không phụ thuộc vào kích thước, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật chất lỏng.Mô phỏng CFD chủ yếu mô phỏng trường dòng chảy, công suất khuấy và khả năng giữ khí bên trong bể lên men sinh học.Đồng thời, mô hình chuyển khối lượng oxy hòa tan được kết hợp trong mô hình dòng chảy hai pha khí-lỏng của bể lên men sinh học, có thể mô phỏng quá trình chuyển khối lượng oxy hòa tan và quá trình phản ứng sinh hóa trong cùng một quá trình lên men.
Với sự phát triển của công nghệ tính toán mô phỏng, CFD ngày càng được ứng dụng nhiều trong việc mô phỏng các quá trình khuếch đại lên men sinh học.Tuy nhiên, do sự phức tạp của dòng khí-lỏng hai pha nên vẫn cần nghiên cứu sâu hơn về các thông số như khả năng giữ khí và bong bóng trong quá trình dự đoán.
4. Kết luận
Quá trình lên men sinh học là một quá trình phức tạp và đa yếu tố.Mặc dù các lò phản ứng sinh học bể khuấy truyền thống có cấu trúc tương đối đơn giản, nhưng quá trình thực tế của chất lỏng bên trong bể lên men lại rất phức tạp trong quá trình phản ứng thực tế.Đặc biệt trong quá trình khuếch đại lên men sinh học, nhiều yếu tố cần được xem xét toàn diện để khuếch đại về mặt phương pháp.Quá trình khuếch đại trải nghiệm truyền thống chỉ có thể thực hiện khuếch đại đơn giản và không thể mô phỏng thực sự dữ liệu thực của các hệ thống khác nhau trong bể lên men.Ngoài việc đảm bảo môi trường phát triển của các sản phẩm lên men phù hợp với phòng thí nghiệm, cũng cần chú ý đến việc bảo tồn năng lượng.Dựa trên động lực học chất lỏng tính toán, các phương pháp mô phỏng và phân tích khoa học hơn có thể dự đoán và mô phỏng chính xác hơn quá trình khuếch đại lên men sinh học, cung cấp cơ sở và tài liệu tham khảo hiệu quả cho việc lựa chọn các quy trình khuếch đại lên men sinh học.
Shanghai Beyond Machinery tập trung vào thiết kế và sản xuất dây chuyền chế biến dược phẩm sinh học.Khách hàng của chúng tôi có mặt trên khắp thế giới và họ đã đạt được thành công cho riêng mình ở các thị trường khác nhau.Hãy liên hệ ngay với chúng tôi để có được giải pháp thiết kế dây chuyền sản xuất và giá cả mới nhất.