بحث حول المعلمات الرئيسية وطرق التحكم لتوسيع نطاق عمليات التخمير البيولوجي

يشير التخمر البيولوجي إلى عملية استخدام الكائنات الحية (عادةً كائنات دقيقة أو خلايا) لتحويل المواد الخام إلى منتجات بشرية من خلال مسارات استقلابية محددة في ظل ظروف مناسبة.تُستخدم هذه المستقلبات المفيدة ومنتجات التعبير البروتيني وغيرها من المنتجات على نطاق واسع في صناعة الأدوية وصناعة الأغذية وصناعة الطاقة والصناعات الكيماوية والزراعة وغيرها من المجالات، ولا يمكن فصلها عن حياة الناس اليومية.في هندسة التخمير البيولوجي، كانت كيفية تضخيم ظروف البحث المختبري بشكل فعال وتطبيقها مباشرة على الإنتاج دائمًا مشكلة تعوق تطبيق التخمير البيولوجي.ونظراً لتعدد العوامل المؤثرة في التفاعلات البيولوجية، فإن التفاعل داخل خزان التخمير يكون تفاعلاً مغلقاً.إن كيفية التحكم بشكل فعال في المعلمات بحيث لا يكون لعملية التضخيم تأثير على عملية التخمير البيولوجي كانت دائمًا محور البحث في صناعة التخمير البيولوجي.أثناء عملية تضخيم تفاعل التخمير البيولوجي، تتغير حالة التدفق داخل الخزان بشكل ملحوظ مع زيادة الحجم.يمكن أن تؤدي التغييرات في مجال التدفق أيضًا إلى تغييرات في سلسلة من العوامل مثل درجة الحرارة والأكسجين المذاب، مما يؤدي إلى تغييرات في نظام التفاعل بأكمله.تنظم المقالة وتقدم بإيجاز العوامل المؤثرة ومعلمات التحكم المقابلة لتضخيم عملية التخمير البيولوجي، مما يوفر مرجعًا لاختيار المعلمة في عملية تضخيم التخمير البيولوجي الفعلية.

العوامل المؤثرة على تضخيم عملية التخمير البيولوجي
1.1 النقل الشامل والخلط
عملية النقل الجماعي هي عملية نقل المواد، وتحدث أنشطة النقل الجماعي في عملية التخمير البيولوجي في وقت واحد مع التفاعلات البيولوجية.تنقسم عمليات نقل الكتلة الرئيسية إلى امتصاص الغاز السائل ونقل الكتلة السائلة.يرجع نقل المواد في الطور السائل بشكل أساسي إلى الانتشار الدوامي الذي تحركه مجاذيف التحريك في خزان التخمير البيولوجي.في ثقافة التخمير البيولوجي شائعة الاستخدام، تعتبر عملية النقل الجماعي مهمة جدًا.يمكن أن يضمن النقل الجيد للكتلة توفير الأكسجين والمواد المغذية والأيضات اللازمة لزراعة وتطور الميكروبات والخلايا.يعد معامل الأكسجين المذاب الحجمي من أهم العوامل التي تؤثر على نقل الكتلة، ولكن بسبب مجال التدفق المعقد داخل خزان التخمير البيولوجي، هناك العديد من العوامل المؤثرة، مما يجعل من الصعب تحليل معامل الأكسجين المذاب الحجمي.
هناك معلمة رئيسية أخرى تؤثر بشكل مباشر على تضخيم عملية خزان التخمير البيولوجي وهي عملية الخلط.يتضمن خلط تفاعل التخمير البيولوجي الشائع خلط السائل مع السائل، وخلط الصلب مع السائل، وخلط الغاز مع السائل، والخلط الصلب على ثلاث مراحل بين الغاز والسائل.بسبب زيادة حجم خزان التخمير وزيادة منتجات التخمير والمواد الخام فإن الخلط داخل الخزان يكون غير متساوي.على سبيل المثال، يعد خلط المواد في الجزء العلوي من خزان التخمير صعبًا نسبيًا مقارنة بالجزء السفلي.إن زيادة خلط المواد المختلفة في خزان التخمير بشكل علمي يمكن أن يحسن كفاءة التخمير البيولوجي.
1.2 القطع
وجهة النظر التقليدية هي أن زيادة معدل التحريك في خزان التخمير البيولوجي يمكن أن يعزز نقل الكتلة والخلط أثناء عملية التخمير.ومع ذلك، من خلال البحث المتعمق، وجد أن العديد من حالات فشل التخمير البيولوجي ناتجة عن قوة القص المفرطة على المادة المستهدفة للتخمر البيولوجي، مما يؤدي إلى تلف الميكروبات والخلايا.على سبيل المثال، في نظام التخمير الميكروبي، يمكن أن تسبب قوة القص المفرطة ضررًا لنمو الجسم البكتيري؛قوة القص المنخفضة لا تساعد على كسر الفقاعات وتؤثر على كفاءة انتشار الهواء.تعد كيفية زيادة خلط المواد المختلفة في خزان التخمير بشكل علمي والتحكم في إجهاد القص ضمن نطاق مقبول للكائنات الحية الدقيقة والخلايا عاملاً مهمًا في عملية تضخيم التخمير.
1.3 نقل الحرارة
تعتبر درجة الحرارة أيضًا عاملاً مهمًا في عملية التخمير البيولوجي.يتم التحكم في درجة حرارة خزانات التخمير البيولوجي بشكل أساسي من خلال طبقة الغلاف.ومع ذلك، مع زيادة الحجم داخل خزان التخمير البيولوجي الكبير، تقل مساحة السطح لكل وحدة تسخين.ولذلك، فإن كفاءة نقل الحرارة سوف تؤثر بشكل مباشر على كفاءة إنتاج المواد المستهدفة التخمير البيولوجي.
1.4 عوامل أخرى
هناك عوامل أخرى في عملية التضخيم لخزانات التخمير البيولوجي التي يمكن أن تؤثر على عملية التخمير، مثل معلمات تجديد الهواء، وسرعة التغذية، وإعداد مدخل العينة، والتي يمكن أن تؤثر جميعها على عملية التخمير.نظرًا لقيود العملية، لا تستطيع خزانات التخمير البيولوجي من نوع الإنتاج اكتشاف تركيز مختلف الركائز والمنتجات والأيضات في الوقت الفعلي مثل عملية التخمير البيولوجي في المختبر.ولذلك، فمن الأهمية بمكان أن يتم تصميم سرعة وكمية التغذية وتناولها بطريقة علمية.وفي الوقت نفسه، من الضروري النظر بشكل شامل في سرعة الغاز الواضحة لتجديد المواد وتجديد الهواء لتجنب ظاهرة "الفيضانات السائلة".

2 معلمات التحكم الرئيسية لطرق عملية التخمير البيولوجي
2.1 الخلط
إن وضع الخلط الشائع الاستخدام لخزانات التخمير البيولوجي المقلب هو تدوير مجداف التحريك لدفع خلط سائل التخمير بالكامل.يتم التحكم في معلمات التحريك في خزان التخمير بشكل أساسي من خلال التحكم في السرعة.لا ينبغي أن يأخذ التحكم في السرعة في الاعتبار زيادة السرعة وتحسين كفاءة الخلط فحسب، بل يجب أيضًا التحكم في السرعة ضمن نطاق معقول.يمكن أن تؤدي السرعة المفرطة إلى زيادة توليد الحرارة وزيادة قوة القص على الخلايا وفشل التخمير.بالإضافة إلى ذلك، وجدت الأبحاث أن نمط التدفق لنظام حجم التخمير، واختيار مجاذيف التحريك، والقطر يمكن أن يؤثر جميعها على كفاءة التخمير البيولوجي.في عملية التخمير البيولوجي على نطاق واسع، بالإضافة إلى سرعة الدوران، يعد اختيار نوع مجداف التحريك والموقع المكاني مهمًا جدًا أيضًا.من الضروري اختيار نوع مجداف التحريك المناسب بناءً على خصائص السوائل لمادة الاستنبات.حاليًا، يتم استخدام مزيج من التدفق المحوري ومجاديف التدفق الشعاعي بشكل شائع، والذي يجمع بين التدفق السائل الصغير ومجالات التدفق الكلي لتحسين درجة خلط المواد في نظام التخمير البيولوجي بأكمله.يعتمد مجداف الخلط عمومًا نوع الجريان السطحي السفلي ونوع التدفق المحوري العلوي، والذي يمكن أن يضمن بشكل فعال أن العناصر الغذائية المضافة إلى الأعلى يتم توزيعها بسرعة إلى قاع الخزان تحت تأثير ملاط ​​التدفق المحوري، ويتم إدخال الهواء إلى يمكن أيضًا تشتيت الجزء السفلي من الخزان في الوقت المناسب، مما يضمن الدورة الدموية والتدفق الشامل للخزان بأكمله، مما يوفر بيئة مناسبة للتخمر الميكروبي بالكامل.
2.2 درجة الحرارة
يكون خزان التخمير البيولوجي بشكل عام عند 26 إلى 37 درجة مئوية اعتمادًا على نوع البكتيريا التي تتم زراعتها، في حين أن زراعة البكتيريا الخاصة قد تكون عند 65 درجة مئوية.أثناء عملية تضخيم عملية التخمير، سيخضع مجال درجة الحرارة داخل خزان التخمير بأكمله لتغييرات كبيرة.في المراحل الصغيرة والتجريبية، نظرًا لصغر حجم الخزان، يكون مجال درجة الحرارة موحدًا نسبيًا.في خزان التخمير من نوع الإنتاج، عادةً ما يتم توزيع مجسات درجة الحرارة لخزان التخمير في الجزء السفلي من الخزان، بطول 100 مم، وجزء النقع في سائل التخمير هو 50-60 مم.عادةً ما يتم تنفيذ طرق التسخين والتبريد لخزانات التخمير البيولوجي من خلال طبقة مياه سترة، وبالتالي فإن كفاءة نقل الحرارة لخزان التخمير تؤثر بشكل مباشر على توزيع درجة الحرارة داخل الخزان بأكمله.لا يمكن لدرجة حرارة طبقة ماء الغلاف وقيمة عرض درجة الحرارة لمسبار درجة حرارة خزان التخمير أن تعكس درجة حرارة السائل في خزان التخمير حقًا.إن الترتيب العلمي لمسبار درجة الحرارة وتحديد درجة حرارة التخمير علميًا بناءً على معامل نقل الحرارة لنظام التخمير يمكن أن يضمن درجة حرارة التفاعل بشكل فعال.
2.3 البارامترات الكيميائية الأخرى
يمكن أن يكون للتحكم في المعلمات الكيميائية في التخمير البيولوجي، مثل قيمة الرقم الهيدروجيني والأكسجين المذاب، تأثير على نتائج التخمير.بأخذ معاملات الأكسجين المذاب كمثال، في العمليات البيولوجية الهوائية، يعد الأكسجين عنصرًا غذائيًا مهمًا لنمو الميكروبات.ومع ذلك، نظرًا لقابليته للذوبان في القاع، يصبح الأكسجين ركيزة أساسية للعمليات الكيميائية الحيوية.ولذلك، فإن الحفاظ على إمدادات كافية من الأكسجين من الطور الغازي إلى الطور السائل أمر بالغ الأهمية.من الناحية النظرية، زيادة التهوية وزيادة عمود وسط الاستزراع يمكن أن يطيل بشكل فعال وقت الفقاعات في وسط الاستزراع ويحسن كفاءة تبادل الغاز والسائل.ومع ذلك، فإن هذه المعلمات محدودة أيضًا بتكلفة خزان التخمير، كما يمكن أن تؤثر درجة وحجم تشتت الفقاعة أيضًا على كفاءة انتشار الأكسجين.لذلك، من الضروري النظر بشكل شامل في العوامل المختلفة وتوفير طريقة تضخيم تصميم العملية الأكثر ملاءمة.

3. توسيع نطاق عملية التخمير البيولوجي
3.1 طريقة التضخيم التجريبية
تعتمد عملية توسيع نطاق عمليات التخمير البيولوجي التقليدية في الغالب على الأساليب التجريبية التقليدية.في عملية التخمير البيولوجي، يمكن لسلسلة من المعلمات مثل السرعة والترتيب ومعدل تهوية الهواء ومعدل تدفق التغذية وغيرها من المعلمات الكيميائية لمجاديف التحريك أن تؤثر على ناتج التخمير.سيختار المستخدمون عمليات تخمير مماثلة بناءً على إعدادات عملية التخمير السابقة أو غيرها، ويحددون معلمات تضخيم عملية التخمير المقابلة؛وبدلاً من ذلك، استنادًا إلى الخبرة التقليدية، يمكن التنبؤ بديناميكيات السوائل في خزان التخمير، ويمكن توسيع المعلمات المختلفة داخل الخزان هندسيًا مع الحفاظ على مواقعها النسبية لتوسيع حجم التخمير.تركز طرق التضخيم التجريبية بشكل أساسي على المعلمات الرئيسية داخل نظام التخمير، مثل معامل نقل الكتلة الحجمي، واستهلاك طاقة وحدة الحجم، ووقت الخلط، وما إلى ذلك. عادة ما تكون هذه الطريقة مناسبة فقط للتضخيم البسيط ولا يمكنها التنبؤ بشكل فعال بديناميكيات الموائع والخصائص الحركية في خزانات التخمير.
3.2 طريقة التضخيم بناءً على ديناميكيات الموائع الحسابية
تشير ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) إلى محاكاة وحساب قوانين حركة الموائع في الكمبيوتر بناءً على معادلات مجهرية مثل نقل الكتلة ونقل الزخم ونقل الطاقة في ميكانيكا الموائع.بالمقارنة مع مخططات عملية التخمير البيولوجي التجريبية، فإن استخدام تقنية محاكاة CFD يتميز بخصائص التكلفة المنخفضة واستقلالية الحجم، ويستخدم على نطاق واسع في مجال هندسة الموائع.محاكاة CFD تحاكي بشكل أساسي مجال التدفق، وقوة التحريك، واحتجاز الغاز داخل خزان التخمير البيولوجي.في الوقت نفسه، يقترن نموذج نقل كتلة الأكسجين المذاب في نموذج التدفق ثنائي الطور للغاز والسائل لخزان التخمير البيولوجي، والذي يمكنه محاكاة عملية نقل كتلة الأكسجين المذاب وعملية التفاعل الكيميائي الحيوي أثناء نفس عملية التخمير.
مع تطور تكنولوجيا حوسبة المحاكاة، يتم تطبيق CFD بشكل متزايد في محاكاة عمليات تضخيم التخمير البيولوجي.ومع ذلك، نظرًا لتعقيد تدفق الغاز السائل على مرحلتين، لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من البحث حول معلمات مثل احتجاز الغاز والفقاعات في عملية التنبؤ.

4. الخلاصة
عملية التخمير البيولوجي هي عملية معقدة ومتعددة العوامل.على الرغم من أن المفاعلات الحيوية ذات الخزان المقلب التقليدي بسيطة نسبيًا في البنية، إلا أن العملية الفعلية للسائل داخل خزان التخمير معقدة للغاية في عملية التفاعل الفعلية.خاصة في عملية تضخيم التخمير البيولوجي، هناك عوامل متعددة تحتاج إلى النظر بشكل شامل للتضخيم المنهجي.يمكن لعملية التضخيم التجريبية التقليدية أن تؤدي فقط تضخيمًا بسيطًا ولا يمكنها محاكاة البيانات الحقيقية للأنظمة المختلفة في خزان التخمير.بالإضافة إلى التأكد من أن بيئة نمو منتجات التخمير متوافقة مع المختبر، ينبغي أيضًا الاهتمام بالحفاظ على الطاقة.استنادًا إلى ديناميكيات الموائع الحسابية، يمكن لمزيد من أساليب التحليل والمحاكاة العلمية التنبؤ بشكل أكثر دقة ومحاكاة عملية تضخيم التخمير البيولوجي، مما يوفر أساسًا ومرجعًا فعالين لاختيار عمليات تضخيم التخمير البيولوجي.

تركز شركة Shanghai Beyond Machinery على تصميم وتصنيع خطوط معالجة المستحضرات الصيدلانية الحيوية.يتواجد عملاؤنا في جميع أنحاء العالم، وقد حققوا نجاحهم الخاص في أسواق مختلفة.اتصل بنا الآن للحصول على أحدث حلول تصميم خطوط الإنتاج والأسعار.