A fermentação biológica refere o processo de usar organismos (geralmente micro-organismos ou pilhas) para converter matérias primas em produtos humanos com os caminhos metabólicos específicos sob circunstâncias apropriadas. Estes metabolitos úteis, os produtos da expressão da proteína, e outros produtos são amplamente utilizados na indústria farmacêutica, na indústria alimentar, na indústria energética, na indústria química, na agricultura, e nos outros campos, e são inseparáveis de People's Daily vivem. Na engenharia biológica da fermentação, como amplificar eficazmente as condições da pesquisa do laboratório e aplicá-las diretamente à produção foram sempre um problema que incomodasse a aplicação da fermentação biológica. Devido a muitos fatores de influência de reações biológicas, a reação dentro do tanque de fermentação é uma reação fechado. Como eficazmente os parâmetros de controle de modo que o processo da amplificação não tivesse um impacto no processo de fermentação biológico foram sempre um foco da pesquisa na indústria biológica da fermentação. Durante o processo da amplificação de reação biológica da fermentação, o estado do fluxo dentro das mudanças do tanque significativamente com o aumento do volume. As mudanças no campo de fluxo podem igualmente conduzir às mudanças em uma série de parâmetros tais como a temperatura e o oxigênio dissolvido, tendo por resultado mudanças no sistema de reação inteiro. O artigo momentaneamente organiza e introduz os fatores e os parâmetros de controle de influência da correspondência da amplificação biológica do processo de fermentação, fornecendo a referência para a seleção do parâmetro no processo biológico real da amplificação da fermentação.
Fatores que afetam a amplificação do processo de fermentação biológico
1,1 transferência maciça e mistura
O processo de transferência maciça é o processo de transferência material, e as atividades de transferência maciça no processo de fermentação biológico ocorrem simultaneamente com reações biológicas. Os processos principais de transferência maciça são divididos na absorção do gás-líquido e em transferência maciça líquida. Transferência das substâncias na fase líquida é principalmente devido à difusão do redemoinho conduzida pelas pás de agitação do tanque de fermentação biológico. Na cultura biológica de uso geral da fermentação, o processo de transferência maciça é muito importante. Boa transferência maciça pode assegurar o oxigênio, os nutrientes, e os metabolitos necessários para microbiano e cultura celular e desenvolvimento. O coeficiente dissolvido volumétrico do oxigênio é a maioria de fatora importante que afeta transferência maciça, mas devido ao campo de fluxo complexo dentro do tanque de fermentação biológico, há muitos fatores de influência, fazendo o difícil analisar o coeficiente dissolvido volumétrico do oxigênio.
Um outro parâmetro chave que afete diretamente a amplificação do processo biológico do tanque de fermentação é o processo de mistura. A mistura biológica comum da reação da fermentação inclui o líquido-líquido que misturam, o contínuo-líquido que misturam, o gás-líquido que mistura, e mistura trifásica contínua do gás-líquido. Devido ao aumento no volume do tanque de fermentação e ao aumento em produtos e em matérias primas da fermentação, a mistura dentro do tanque é desigual. Por exemplo, a mistura das substâncias na parte superior do tanque de fermentação é relativamente difícil comparada à parte inferior. Scientifically aumentar a mistura de várias substâncias no tanque de fermentação pode melhorar a eficiência da fermentação biológica.
1,2 corte
A vista tradicional é que aumentar a taxa de agitação do tanque de fermentação biológico pode aumentar transferência maciça e a mistura durante o processo de fermentação. Contudo, com pesquisa detalhada, encontrou-se que muitas falhas biológicas da fermentação estão causadas pela força de tesoura excessiva no material de alvo da fermentação biológica, conduzindo a dano microbiano e de pilha. Por exemplo, em um sistema microbiano da fermentação, a força de tesoura excessiva pode causar o dano ao crescimento do corpo bacteriano; A baixa força de tesoura não é conducente borbulhar ruptura e não afeta a eficiência da propagação do ar. Como aumentar scientifically a mistura de várias substâncias no tanque de fermentação e de esforço de tesoura do controle dentro de uma escala aceitável para micro-organismos e pilhas é um fatora importante no processo da amplificação da fermentação.
1,3 transferência térmica
A temperatura é igualmente um fatora importante no processo de fermentação biológico. O controle de temperatura dos tanques de fermentação biológicos é conseguido principalmente com a camada do revestimento. Contudo, como o volume dentro dos grandes aumentos biológicos do tanque de fermentação, a área de superfície pela unidade de diminuições de aquecimento. Consequentemente, a eficiência da transferência térmica afetará diretamente a eficiência da produção de substâncias biológicas do alvo da fermentação.
1,4 outros fatores
Há outros fatores no processo da amplificação de tanques de fermentação biológicos que podem afetar o processo de fermentação, tal como os parâmetros do reabastecimento do ar, velocidade de alimentação, e de ajuste da entrada da amostra, que pode toda afetar o processo de fermentação. A dívida para processar limitações, tipo tanques da produção de fermentação biológicos não pode detectar a concentração de vários carcaças, produtos, e metabolitos no tempo real como o processo de fermentação biológico no laboratório. Consequentemente, é crucial projetar scientifically a velocidade e a quantidade de alimentação e de entrada. Ao mesmo tempo, é necessário considerar detalhadamente a velocidade aparente do gás para que o reabastecimento material e o reabastecimento do ar evite o fenômeno “da inundação líquida”.
2 parâmetros de controle chaves de métodos biológicos do processo de fermentação
2,1 mistura
O modo de mistura de uso geral de tanques de fermentação biológicos agitados é a rotação da pá de agitação para conduzir a mistura do líquido inteiro da fermentação. O controle do tanque de fermentação que agita parâmetros é conseguido principalmente com o controle de velocidade. O controle de velocidade não deve somente considerar aumentar a velocidade e melhorar a eficiência de mistura, mas igualmente controla a velocidade dentro de uma escala razoável. A velocidade excessiva pode conduzir à geração de calor aumentada, à força de tesoura aumentada em pilhas, e à falha da fermentação. Além, a pesquisa encontrou que o teste padrão de fluxo do sistema do volume da fermentação, a seleção de agitar pás, e o diâmetro podem toda afetar a eficiência da fermentação biológica. Em processo da fermentação biológica em grande escala, além do que a velocidade rotatória, a seleção de agitar o tipo da pá e a posição espacial é igualmente muito importante. É necessário escolher o tipo de agitação apropriado da pá baseado nas propriedades fluidas do material da cultura. Atualmente, uma combinação de fluxo axial e de pás do fluxo radial é de uso geral, que combina o micro fluxo líquido e campos de fluxo macro para melhorar o grau de material que mistura no sistema biológico inteiro da fermentação. A pá de mistura adota geralmente um tipo inferior do runoff e um tipo superior do fluxo axial, que possa eficazmente se assegurar de que os nutrientes adicionem à parte superior estejam distribuídos rapidamente à parte inferior do tanque sob a ação da pasta do fluxo axial, e o ar introduzido à parte inferior do tanque pode igualmente ser dispersado em tempo oportuno, assegurando a circulação e o fluxo totais do tanque inteiro, fornecendo um ambiente apropriado para a fermentação microbiana inteira.
2,2 temperatura
O tanque de fermentação biológico está geralmente no ℃ 26~37 segundo o tipo de bactérias que estão sendo cultivadas, quando o cultivo das bactérias especiais puder estar no ℃ 65. Durante o processo da amplificação do processo de fermentação, o campo da temperatura dentro do tanque de fermentação inteiro submeter-se-á a mudanças significativas. Nas fases em escala reduzida e piloto, devido ao tamanho pequeno do tanque, o campo da temperatura é relativamente uniforme. No tipo tanque da produção de fermentação, as pontas de prova da temperatura do tanque de fermentação são distribuídas geralmente na parte mais inferior do tanque, com um comprimento de 100mm, e a parte embebendo no líquido da fermentação é 50-60mm. O aquecimento e os métodos refrigerando dos tanques de fermentação biológicos são realizados geralmente com uma camada da água do revestimento, assim que a eficiência da transferência térmica do tanque de fermentação afeta diretamente a distribuição da temperatura dentro do tanque inteiro. A temperatura da camada da água do revestimento e o valor da exposição da temperatura da ponta de prova da temperatura do tanque de fermentação não podem verdadeiramente refletir a temperatura do líquido no tanque de fermentação. Scientifically arranjar pontas de prova da temperatura e scientifically ajustar a temperatura da fermentação baseada no coeficiente de transferência térmica do sistema da fermentação podem eficazmente assegurar a temperatura da reação.
2,3 outros parâmetros químicos
O controle de parâmetros químicos na fermentação biológica, tal como o valor de pH e o oxigênio dissolvido, pode ter um impacto nos resultados da fermentação. Tomar a parâmetros dissolvidos do oxigênio como um exemplo, em processos biológicos aeróbios, o oxigênio é um nutriente importante para o crescimento microbiano. Contudo, devido a sua solubilidade inferior, oxigênio torna-se uma carcaça chave para processos bioquímicos. Consequentemente, manter uma fonte adequada do oxigênio da fase de gás à fase líquida é crucial. Na teoria, a ventilação crescente e o aumento da coluna do meio de cultura podem eficazmente prolongar a época das bolhas no meio de cultura e melhorar a eficiência da troca do gás-líquido. Contudo, estes parâmetros são limitados igualmente pelo custo do tanque de fermentação, e o grau e o tamanho da dispersão da bolha podem igualmente afetar a eficiência da propagação do oxigênio. Consequentemente, é necessário considerar vários fatores e fornecer detalhadamente o método o mais apropriado da amplificação do projeto de processo.
3. Escamação acima do método para o processo de fermentação biológico
3,1 método empírico da amplificação
A escamação acima do processo de processos de fermentação biológicos tradicionais é baseada na maior parte em métodos empíricos tradicionais. No processo de fermentação biológico, uma série de parâmetros tais como a velocidade, o arranjo, a taxa de ventilação do ar, o caudal de alimentação, e outros parâmetros químicos das pás de agitação podem afetar o rendimento da fermentação. Os usuários escolherão os processos de fermentação similares baseados em ajustes precedentes ou outros do processo de fermentação, e parâmetros correspondentes seletos da amplificação do processo de fermentação; Alternativamente, com base na experiência tradicional, a dinâmica de fluidos no tanque de fermentação pode ser prevista, e os vários parâmetros dentro do tanque podem geometricamente ser ampliados ao manter suas posições relativas para expandir o volume da fermentação. Os métodos empíricos da amplificação centram-se principalmente sobre os parâmetros chaves dentro do sistema da fermentação, tal como o coeficiente de transferência maciça volumétrico, o tempo do consumo, da mistura de potência do volume de unidade, etc. Este método é geralmente somente apropriado para a amplificação simples e não pode eficazmente prever a dinâmica de fluidos e as características kinematic nos tanques de fermentação.
3,2 método da amplificação baseado na dinâmica de fluidos computacional
A dinâmica de fluidos computacional (CFD) refere a simulação e o cálculo das leis fluidas do movimento em um por computador em equações microscópicas tais como transferência maciça, transferência de impulso, e transferência de energia nos mecânicos fluidos. Comparado com os esquemas biológicos experienciais do processo de fermentação, usar a tecnologia da simulação do CFD tem as características da independência do baixo custo e do tamanho, e é amplamente utilizada no campo da engenharia fluida. A simulação do CFD simula principalmente o campo de fluxo, agitando o poder, e a parada do gás dentro do tanque de fermentação biológico. Ao mesmo tempo, um modelo de transferência maciça dissolvido do oxigênio é acoplado no modelo de fluxo bifásico do gás-líquido do tanque de fermentação biológico, que pode simular o processo dissolvido de transferência maciça do oxigênio e o processo bioquímico da reação durante o mesmo processo de fermentação.
Com o desenvolvimento da tecnologia informática da simulação, o CFD é aplicado cada vez mais na simulação de processos biológicos da amplificação da fermentação. Contudo, devido à complexidade do fluxo bifásico do gás-líquido, a uma pesquisa mais adicional sobre parâmetros tais como a parada do gás e a umas bolhas no processo da previsão é precisado ainda.
Conclusão 4
O processo de fermentação biológica é um processo complexo e multifatorial. Embora os bioreactores agitados tradicionais do tanque sejam relativamente simples na estrutura, o processo real do líquido dentro do tanque de fermentação é muito complexo no processo real da reação. Especialmente no processo da amplificação de fermentação biológica, os fatores múltiplos precisam de ser considerados detalhadamente para a amplificação metodológica. O processo experiencial tradicional da amplificação pode somente executar a amplificação simples e não pode verdadeiramente simular os dados reais de vários sistemas no tanque de fermentação. Além do que assegurar-se de que o ambiente do crescimento de produtos da fermentação seja consistente com o laboratório, a atenção deve igualmente ser pagada à conservação de energia. Baseado na dinâmica de fluidos computacional, uns métodos mais científicos da análise e da simulação podem mais exatamente prever e simular o processo biológico da amplificação da fermentação, fornecendo a base e a referência eficazes para a seleção de processos biológicos da amplificação da fermentação.
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