Özelleştirilmiş Fermantörler Nedir? Özellikler, Seçenekler ve Uygulamalar

Temel soruyu yanıtlıyoruz: Özelleştirilmiş bir fermentör nedir ve hangi seçenekler gerçekten önemlidir?Özelleştirilmiş bir fermentör, genel amaçlı bir tasarımdan uyarlanmak yerine belirli bir göreve uyacak şekilde geometrisi, karıştırması, ısı transferi, sızdırmazlığı ve temizleme sistemleri belirlenmiş bir fermantasyon kabıdır. Görev dört aileye ayrılır: 0,5-1,5 vvm'de 50-200 sa-1 yüksek kLa gerektiren aerobik daldırma kültürü, 30-38°C'de etanol veya biyogaz üreten anaerobik kültür, sparge etmeden, 5.000 cP'nin üzerinde çapa veya helisel çarklar gerektiren viskoz veya katı yüklü işlemler ve nemli partikül alt tabaka üzerinde katı hal fermantasyonu. Çalışma hacimleri 100 L ila 500.000 L arasında değişir, sıcaklık 8 ila 60°C arasında kontrol edilir ve tasarım basıncı tam vakumdan 1,0 MPa'ya kadardır.

Beş seçenek grubu, bir fermantasyon kabındaki özelleştirmelerin çoğunu oluşturur ve her birinin verim, temizleme süresi veya çalışma süresi üzerinde ölçülebilir bir etkisi vardır:

• Karıştırma ve Sızdırmazlık:Tahrik seçimi ilk adımdır. API 682 Plan 53'e göre steril bariyer sıvısı üzerinde çalışan çift mekanik salmastralı üstten girişli tahrik, 1,0 MPa'ya kadar basınçlarda steril hizmet için uygundur ve kabı açmadan servis edilebilir. Alttan girişli manyetik tahrik, salmastrayı tamamen ortadan kaldırır, en yaygın sızıntı yolunu ve bariyer sıvısı sistemini ortadan kaldırır, ancak daha düşük bir basınç sınırı ve daha karmaşık rulman bakımı maliyetiyle. Kesmeye duyarlı kültürler için, 1,5 m/s'nin altında bir uç hızına sahip eksenel hidrofoy belirtin; gaz dağılımı için, 0,5-3,0 kW/m3 sağlamak üzere boyutlandırılmış daha düşük bir Rushton türbini.
• Isı Transferi Yapılandırması:Fermantasyon ısı yükü anaerobik hizmette 2-5 kW/m3'te mütevazıdır ancak yoğun aerobik kültürde 15-40 kW/m3'e ulaşır. Bir dimple ceket 800-1.200 W/m2·K U değeri verir ve bira ve gıda kapları için varsayılan olarak kabul edilir çünkü ucuz, temizlenebilir ve düşük basınçta yapısal olarak verimlidir. Yarım boru bobini 600-900 W/m2·K verir ve daha yüksek tasarım basınçlarında tercih edilir çünkü kabuk daha az yük taşır. Ceketin tek başına yetersiz kaldığı durumlarda, plakalı ısı değiştiricili harici bir sirkülasyon döngüsü hem soğutma alanı hem de karıştırma ekler, bu da 100.000 L'nin üzerindeki büyük kaplarda standarttır.
• Temizleme ve Sterilizasyon:Temizleme kapsamı varsayılan değil, tasarlanmıştır. Statik bir sprey topu, 0,2-0,3 MPa'da 1,5-3,0 L/m·s temizleme solüsyonu sağlar ve basit kaplar için uygundur, oysa ağır kirlilik, iç bobinler veya büyük çaplı kaplar için döner jet kafası gereklidir, çünkü çarpan jet, sprey topunun yalnızca ıslattığı filmi mekanik olarak giderir. CIP dönüşü, kabın altını doldurmaktan kaçınacak şekilde boyutlandırılmalıdır ve sıcak kostik sonrası soğuk durulama yapıldığında vakum çökmesini önlemek için temizleme sırasında tank havalandırılmalıdır.
• Alet ve Kontrol:Temel bir endüstriyel fermentör sıcaklık, basınç ve seviyeyi ölçer. İyi belirlenmiş bir tane, buharla sterilize edilebilir problarla pH ve çözünmüş oksijen, OUR ve CTR'yi hesaplamak için gaz çıkış oksijen ve karbondioksit analizi, doğru kütle bazlı besleme için bir yük hücresi veya diferansiyel basınç vericisi ve köpük önleyici dozlamayı kontrol eden bir köpük probu ekler. Gaz çıkış CO2 veya pH yükselmesi gibi ölçülen bir değişkene karşı besleme profilini otomatikleştirmek, herhangi bir mekanik yükseltmeden daha tutarlı bir şekilde parti-parti tutarlılığı artırır.
• Tehlikeli Alan ve İçerme:Etanol ve solvent içeren fermantasyonlar, kabın ve tüm elektrikli ekipmanların ATEX veya IECEx sınıflandırmasını gerektiren yanıcı bir atmosfer oluşturur. Tipik bir etanol tesisi, kabın içinde Bölge 1 veya Bölge 2 ve çevresinde Bölge 2 olarak sınıflandırılır, bu da motor sertifikası, tüm iletken parçaların topraklanması ve bağlanması, havalandırmalarda alev tutucular ve oksijeni sınırlayıcı oksijen konsantrasyonunun altında tutmak için nitrojenle inert gaz örtüleme anlamına gelir. Bunun tasarım aşamasında belirtilmesi, bir güvenlik denetiminden sonra sonradan takılmasından çok daha az maliyetlidir.

Farklı ürünler farklı tasarım öncelikleri gerektirir. Dört uygulama ailesi, özelleştirmenin ürünü nasıl takip ettiğini göstermektedir:

• Bira ve İçecek:Silindirik konik kaplar hakimdir, güvenilir maya hasadı için 60-70 derece koni açısı, 3:1 ila 5:1 en boy oranı ve fermantasyon ve soğuk koşullandırmanın bağımsız kontrolü için koni ve silindirde çoklu soğutma bölgeleri. Sıcaklık kontrolü sıkıdır, tipik olarak 8-20°C'de ±0,2°C, -4 ila -2°C'de glikol ile. Ra 0,8 µm veya daha iyi yüzey kalitesi, tamamen boşaltılabilir alt kısım ve hem fermantasyon aşırı basıncı hem de soğuk çökme sırasında oluşan vakum için boyutlandırılmış bir basınç-vakum tahliye cihazı esastır.
• Endüstriyel Enzimler ve Organik Asitler:Bunlar, oksijen transferi ve ısı gidermenin verimliliği sınırladığı aerobik, yüksek hücre yoğunluklu işlemlerdir. Kaplar, oksijen zenginleştirme, katabolit baskılamayı bastırmak için beslemeli-kesikli besleme ve %0,01-0,05 dozlama için boyutlandırılmış bir köpük önleyici sistem ile 100-200 sa-1 kLa'da çalışır. Miktarlar 100-200 g/L'ye ulaşır ve çalıştırma sırasında broth viskozitesi arttığı için, çark, başlangıç yerine parti sonu koşulu için boyutlandırılmalı ve motor, viskozite arttıkça %20-30'luk bir güç artışını karşılamalıdır.
• Anaerobik Etanol ve Biyogaz:Sparge yok ve steril çalışma yok, bu nedenle maliyet hakimdir. Kaplar daha büyüktür, 100.000-500.000 L, sadece katıları askıda tutmak ve tabakalaşmayı önlemek için yeterli yavaş karıştırma, 30-38°C'yi ±1°C içinde tutmak için harici soğutma ve zirve gaz oluşumu için boyutlandırılmış CO2 işleme. ATEX sınıflandırması, köpük kontrolü ve organik asitler için korozyon payı, yüzey kalitesinden daha önemlidir. Steril olmayan görev, 304L yapı ve değirmen yüzeyi kaplamasına izin verir, bu da hijyenik bir 316L kaba göre sermaye maliyetini %25-40 oranında azaltır.
• Gıda, Süt Ürünleri ve Probiyotik Kültürler:Hijyenik tasarım zorunludur ve temizlenebilirlik spesifikasyonu belirler: eğimli ve tamamen boşaltılabilir alt kısım, L/D'nin 2'sinin üzerinde ölü bacak yok, diyafram valfleri, orbital kaynaklar ve Ra 0,4-0,8 µm'de elektro cilalı 316L. İşlemler mezofilik kültürler için 30-45°C'de ve termofilik yoğurt kültürleri için 42-45°C'de, hücre canlılığını korumak için 1,5 m/s uç hızının altında nazik karıştırma ve protein ve yağ kalıntılarını belirli bir zaman ve sıcaklık zarfı içinde gidermek için doğrulanmış CIP döngüleri ile çalışır.

S: Özelleştirilmiş bir fermentör için ne kadar çalışma hacmi belirtmeliyim?

C: Toplam hacim değil, çalışma hacmi belirtin ve gerekli daraltmayı belirtin. Çalışma hacmi işlemin kullandığıdır; toplam hacim, köpük, gaz ayrışması ve termal genleşme için %20-30'luk bir üst boşluk artı çalışma hacmidir. Daraltma önemlidir çünkü tohum fermentörü olarak da hizmet etmesi gereken veya küçük deneme kampanyaları çalıştırması gereken bir kap, nominal seviyenin %30-40'ında etkili kalan bir çark ve hız kontrol sürücüsü gerektirir. Teklif aşamasında her iki sayıyı da netleştirmek, tam seviyede iyi ve yarı seviyede kötü performans gösteren bir kapın yaygın sorununu önler.

S: Mekanik salmastra ve manyetik tahrik arasında nasıl karar veririm?

C: Kabın 0,35 MPa'nın üzerinde çalıştığı, gerçek yerinde sterilizasyon güvencesi gerektirdiği veya yerinde salmastra servis edilebilirliğinin değerli olduğu sürekli kampanyalar yürüttüğü durumlarda steril bariyer sıvılı çift mekanik salmastra seçin. Sterilite güvencesi ve sızıntı eliminasyonunun en önemli endişe olduğu, ürünün bir kontaminasyon olayının feci olduğu kadar değerli olduğu veya kabın yaklaşık 0,6 MPa'nın altındaki orta basınçlarda çalıştığı durumlarda manyetik tahrik seçin. Manyetik tahrikler başlangıçta %20-40 daha pahalıdır ve belirli bir aralıkta rulman değişimi gerektirir, ancak salmastra suyu veya bariyer sıvısı sistemini, izlenmesini ve kontaminasyon riskini tamamen ortadan kaldırır.

S: Köpük sorunlarına ne neden olur ve kap bunları nasıl ele almalıdır?

C: Köpük, sparge edilen gazın broth içindeki proteinler, yüzey aktif maddeler veya polisakkaritler tarafından stabilize edilmesiyle oluşur ve 1,0 vvm'nin üzerindeki yüksek havalandırma oranlarında ve 50 g/L'nin üzerindeki yüksek hücre yoğunluklarında şiddetli hale gelir. Sonuçları, kayıp çalışma hacmi, tıkanmış egzoz filtreleri ve havalandırma hattı aracılığıyla kontaminasyon riskidir. Kabın, otomatik köpük önleyici dozlamaya bağlı iletken bir köpük probu, %25-30 yeterli üst boşluk, 0,2 µm hidrofobik filtreli aşırı boyutlu bir egzoz hattı ve isteğe bağlı olarak çark milinde mekanik bir köpük kırıcı ile belirtilmesi gerekir. Biraz daha büyük bir kap belirtmek, kalıcı olarak azaltılmış bir çalışma hacmiyle yaşamaktan genellikle daha ucuzdur.

S: Özelleştirilmiş bir fermentörde temizlik nasıl doğrulanır?

C: Doğrulama, bir riboflavin kapsama testi ile başlar: iç yüzeylere floresan bir çözelti püskürtülür, kurutulur, ardından standart CIP döngüsüne tabi tutulur ve gölgeli alanları gösteren artık floresan için ultraviyole ışık altında incelenir. Kapsama onaylandıktan sonra, üç ardışık döngü çalıştırılarak ve son durulama suyunun iletkenlik, 500 ppb'nin altındaki toplam organik karbon ve protein veya karbonhidrat deneyi gibi belirli bir yöntemle hedef kalıntının yokluğu test edilerek temizleme etkinliği doğrulanır. Baffle arkası, çark altı ve havalandırma nozulu gibi belirlenmiş en kötü durum konumlarının swab testi, kanıt paketini tamamlar.