Bình lên men tùy chỉnh là gì? Thông số kỹ thuật, Tùy chọn & Ứng dụng

Trả lời câu hỏi cốt lõi:Máy lên men tùy chỉnh là gì và những tùy chọn nào thực sự quan trọng? Máy lên men tùy chỉnh là một bình lên men có hình dạng, hệ thống khuấy, truyền nhiệt, làm kín và làm sạch được chỉ định để phù hợp với một nhiệm vụ cụ thể thay vì được điều chỉnh từ thiết kế đa năng. Nhiệm vụ được chia thành bốn nhóm: nuôi cấy chìm hiếu khí yêu cầu kLa cao từ 50-200 h-1 ở 0,5-1,5 vvm, nuôi cấy kỵ khí sản xuất ethanol hoặc khí sinh học ở 30-38°C không sục khí, các quy trình nhớt hoặc chứa đầy chất rắn cần cánh khuấy neo hoặc xoắn ốc trên 5.000 cP, và lên men trạng thái rắn trên chất nền dạng hạt ẩm. Thể tích làm việc trải dài từ 100 L đến 500.000 L, với nhiệt độ được kiểm soát từ 8 đến 60°C và áp suất thiết kế từ chân không hoàn toàn đến 1,0 MPa.

Năm nhóm tùy chọn chiếm phần lớn việc tùy chỉnh trên bình lên men, và mỗi nhóm đều có ảnh hưởng có thể đo lường được đến năng suất, thời gian làm sạch hoặc thời gian hoạt động:

• Khuấy và làm kín: Lựa chọn ổ đĩa là nhánh đầu tiên. Ổ đĩa gắn trên với phớt cơ khí kép chạy trên chất lỏng rào cản vô trùng theo API 682 Kế hoạch 53 phù hợp với dịch vụ vô trùng ở áp suất lên đến 1,0 MPa và có thể bảo trì mà không cần mở bình. Ổ đĩa từ gắn dưới loại bỏ hoàn toàn phớt, loại bỏ đường rò phổ biến nhất và hệ thống chất lỏng rào cản, với chi phí giới hạn áp suất thấp hơn và bảo trì ổ trục phức tạp hơn. Đối với các nền văn hóa nhạy cảm với lực cắt, hãy chỉ định cánh quạt thủy lực hướng trục với tốc độ đầu cánh dưới 1,5 m/s; đối với phân tán khí, sử dụng tuabin Rushton nhỏ hơn được định cỡ để cung cấp 0,5-3,0 kW/m3.
• Cấu hình truyền nhiệt: Tải nhiệt lên men khiêm tốn trong dịch vụ kỵ khí ở mức 2-5 kW/m3 nhưng đạt 15-40 kW/m3 trong nuôi cấy hiếu khí dày đặc. Áo khoác lõm cho U từ 800-1.200 W/m2·K và là mặc định cho các bình bia và thực phẩm vì nó rẻ, dễ làm sạch và hiệu quả về cấu trúc ở áp suất thấp. Cuộn ống bán phần cho 600-900 W/m2·K và được ưa chuộng ở áp suất thiết kế cao hơn vì vỏ chịu ít tải hơn. Khi chỉ áo khoác không đủ, vòng tuần hoàn bên ngoài với bộ trao đổi nhiệt dạng tấm sẽ bổ sung cả diện tích làm mát và trộn, đây là tiêu chuẩn trên các bình lớn trên 100.000 L.
• Làm sạch và khử trùng: Độ bao phủ làm sạch được thiết kế, không được giả định. Đầu phun tia tĩnh cung cấp 1,5-3,0 L/m·s dung dịch làm sạch ở 0,2-0,3 MPa và phù hợp với các bình đơn giản, trong khi đầu phun tia quay được yêu cầu đối với các bình bị bẩn nặng, cuộn dây bên trong hoặc đường kính lớn, vì tia va đập cơ học loại bỏ màng mà đầu phun tia chỉ làm ướt. Lượng trả lại CIP phải được định cỡ để tránh làm ngập đáy bình, và bình phải được thông gió trong quá trình làm sạch để ngăn ngừa sự sụp đổ chân không khi xút nóng được theo sau bởi nước rửa lạnh.
• Thiết bị đo đạc và điều khiển: Một máy lên men công nghiệp cơ bản đo nhiệt độ, áp suất và mức. Một máy được chỉ định tốt sẽ bổ sung pH và oxy hòa tan bằng các đầu dò có thể khử trùng bằng hơi nước, phân tích oxy và carbon dioxide khí thải để tính toán OUR và CTR, một cảm biến tải hoặc bộ truyền áp suất vi sai để cho ăn chính xác dựa trên khối lượng, và một đầu dò bọt điều khiển liều lượng chất chống tạo bọt. Tự động hóa hồ sơ cấp liệu dựa trên một biến đo được như CO2 khí thải hoặc tăng pH liên tục cải thiện tính nhất quán giữa các mẻ hơn bất kỳ nâng cấp cơ học nào.
• Khu vực nguy hiểm và kiểm soát: Lên men ethanol và dung môi tạo ra bầu khí quyển dễ cháy, yêu cầu phân loại ATEX hoặc IECEx của bình và tất cả thiết bị điện. Một cơ sở ethanol điển hình được phân loại là Khu vực 1 hoặc Khu vực 2 bên trong không gian đầu bình và Khu vực 2 xung quanh nó, điều này thúc đẩy chứng nhận động cơ, nối đất và liên kết tất cả các bộ phận dẫn điện, bộ chống cháy trên lỗ thông hơi và lớp khí trơ bằng nitơ để giữ oxy dưới nồng độ oxy giới hạn. Chỉ định điều này ở giai đoạn thiết kế có chi phí thấp hơn nhiều so với việc trang bị thêm sau khi kiểm tra an toàn.

Các sản phẩm khác nhau đặt ra các ưu tiên thiết kế khác nhau. Bốn nhóm ứng dụng minh họa cách tùy chỉnh theo sản phẩm:

• Sản xuất bia và đồ uống: Bình hình trụ nón chiếm ưu thế, với góc nón 60-70 độ để thu hoạch men đáng tin cậy, tỷ lệ khung hình từ 3:1 đến 5:1 và nhiều vùng làm mát trên nón và hình trụ để kiểm soát độc lập quá trình lên men và làm lạnh. Kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ, thường là ±0,2°C ở 8-20°C, với glycol ở -4 đến -2°C. Bề mặt hoàn thiện Ra 0,8 μm trở lên, đáy thoát nước hoàn toàn và thiết bị giảm áp suất chân không được định cỡ cho cả quá áp lên men và chân không tạo ra trong quá trình làm lạnh là điều cần thiết.
• Enzyme công nghiệp và axit hữu cơ: Đây là các quy trình hiếu khí, mật độ tế bào cao, nơi truyền oxy và loại bỏ nhiệt giới hạn năng suất. Các bình chạy ở kLa từ 100-200 h-1 với làm giàu oxy, cấp liệu theo mẻ để ngăn chặn sự ức chế dị hóa, và hệ thống chống tạo bọt được định cỡ cho liều lượng 0,01-0,05%. Vì nồng độ đạt 100-200 g/L và độ nhớt của dịch lên men tăng trong quá trình chạy, cánh khuấy phải được định cỡ cho điều kiện cuối mẻ thay vì ban đầu, và động cơ phải phù hợp với mức tăng công suất 20-30% khi độ nhớt tăng.
• Ethanol kỵ khí và khí sinh học: Không sục khí và không hoạt động vô trùng, vì vậy chi phí chiếm ưu thế. Các bình lớn hơn, 100.000-500.000 L, với khuấy chậm đủ để huyền phù chất rắn và ngăn ngừa phân tầng, làm mát bên ngoài để giữ 30-38°C trong phạm vi ±1°C, và xử lý CO2 được định cỡ cho lượng khí thoát ra đỉnh điểm. Phân loại ATEX, kiểm soát bọt và dung sai ăn mòn đối với axit hữu cơ quan trọng hơn độ hoàn thiện bề mặt. Nhiệm vụ không vô trùng cho phép cấu tạo 304L và hoàn thiện mill, giúp giảm chi phí vốn 25-40% so với bình 316L vệ sinh.
• Thực phẩm, sữa và nuôi cấy lợi khuẩn: Thiết kế vệ sinh là bắt buộc và khả năng làm sạch thúc đẩy việc chỉ định: đáy dốc và thoát nước hoàn toàn, không có điểm chết trên L/D là 2, van màng, mối hàn quỹ đạo và 316L được đánh bóng điện ở Ra 0,4-0,8 μm. Các quy trình chạy ở 30-45°C đối với nuôi cấy ưa nhiệt và 42-45°C đối với nuôi cấy sữa chua ưa nhiệt, với khuấy nhẹ dưới tốc độ đầu cánh 1,5 m/s để bảo vệ khả năng sống của tế bào, và các chu trình CIP được xác nhận để loại bỏ cặn protein và chất béo trong một khoảng thời gian và nhiệt độ xác định.

Hỏi: Tôi nên chỉ định thể tích làm việc bao nhiêu cho máy lên men tùy chỉnh?

Đáp: Chỉ định thể tích làm việc, không phải thể tích tổng, và nêu rõ tỷ lệ giảm yêu cầu. Thể tích làm việc là những gì quy trình sử dụng; thể tích tổng là thể tích làm việc cộng với không gian đầu 20-30% cho bọt, tách khí và giãn nở nhiệt. Tỷ lệ giảm quan trọng vì một bình phải phục vụ như một máy lên men hạt giống hoặc chạy các chiến dịch thử nghiệm nhỏ cần một máy khuấy và bộ sục khí vẫn hiệu quả ở mức 30-40% mức danh nghĩa, điều này thường có nghĩa là một cánh khuấy thứ hai thấp hơn trên trục và ổ đĩa tần số biến đổi. Làm rõ cả hai con số ở giai đoạn báo giá sẽ tránh được vấn đề phổ biến là một bình hoạt động tốt ở mức đầy và kém hiệu quả ở mức một nửa.

Hỏi: Làm thế nào để tôi quyết định giữa phớt cơ khí và ổ đĩa từ?

Đáp: Chọn phớt cơ khí kép với chất lỏng rào cản vô trùng khi bình hoạt động trên 0,35 MPa, yêu cầu đảm bảo vô trùng thực sự bằng hơi nước tại chỗ hoặc chạy các chiến dịch liên tục mà việc bảo trì phớt tại chỗ có giá trị. Chọn ổ đĩa từ khi đảm bảo vô trùng và loại bỏ rò rỉ là mối quan tâm hàng đầu, khi sản phẩm có giá trị đủ để một sự kiện nhiễm bẩn là thảm khốc, hoặc khi bình hoạt động ở áp suất vừa phải dưới khoảng 0,6 MPa. Ổ đĩa từ có chi phí ban đầu cao hơn 20-40% và yêu cầu thay thế ổ trục theo một khoảng thời gian xác định, nhưng chúng loại bỏ hoàn toàn hệ thống nước phớt hoặc chất lỏng rào cản, việc giám sát và rủi ro nhiễm bẩn của nó.

Hỏi: Nguyên nhân gây ra vấn đề bọt và bình nên xử lý chúng như thế nào?

Đáp: Bọt hình thành khi khí sục được ổn định bởi protein, chất hoạt động bề mặt hoặc polysaccharide trong dịch lên men, và nó trở nên nghiêm trọng ở tốc độ sục khí cao trên 1,0 vvm và mật độ tế bào cao trên 50 g/L. Hậu quả là mất thể tích làm việc, tắc bộ lọc khí thải và rủi ro nhiễm bẩn qua đường thông hơi. Bình nên được chỉ định với đầu dò bọt dẫn điện được kết nối với liều lượng chất chống tạo bọt tự động, không gian đầu đủ 25-30%, đường khí thải quá khổ với bộ lọc kỵ nước 0,2 μm, và tùy chọn bộ phá bọt cơ học trên trục máy khuấy. Chỉ định một bình lớn hơn một chút thường rẻ hơn là chấp nhận thể tích làm việc bị giảm vĩnh viễn.

Hỏi: Việc làm sạch được xác nhận trên máy lên men tùy chỉnh như thế nào?

Đáp: Việc xác nhận bắt đầu bằng bài kiểm tra độ bao phủ riboflavin: các bề mặt bên trong được phun dung dịch huỳnh quang, để khô, sau đó trải qua chu trình CIP tiêu chuẩn và được kiểm tra dưới ánh sáng cực tím để phát hiện huỳnh quang còn sót lại cho thấy các khu vực bị che khuất. Sau khi xác nhận độ bao phủ, hiệu quả làm sạch được xác nhận bằng cách chạy ba chu trình liên tiếp và kiểm tra nước rửa cuối cùng về độ dẫn điện, tổng cacbon hữu cơ dưới 500 ppb và sự vắng mặt của cặn mục tiêu bằng một phương pháp cụ thể như xét nghiệm protein hoặc carbohydrate. Kiểm tra bằng tăm bông tại các vị trí được xác định là trường hợp xấu nhất, bao gồm cả phía sau vách ngăn, dưới cánh khuấy và tại đầu nối thông hơi, hoàn thành gói bằng chứng.