Latviešu

Izpētiet komerciālo fermentācijas procesu mērogošanas pamatprincipus un labāko praksi, no laboratorijas līdz rūpnieciskai ražošanai. Uzziniet par bioreaktoru projektēšanu, optimizāciju un problēmu risināšanu.

Mērogošana: visaptverošs ceļvedis komerciālajā fermentācijā

Fermentācija ir stūrakmens daudzās nozarēs, sākot ar pārtiku un dzērieniem un beidzot ar farmāciju un biodegvielu. Lai gan veiksmīga fermentācija laboratorijas mērogā ir nozīmīgs sasniegums, šo panākumu pārnešana uz komerciālu ražošanu prasa rūpīgu plānošanu, izpildi un optimizāciju. Šis ceļvedis sniedz visaptverošu pārskatu par galvenajiem apsvērumiem un labāko praksi komerciālo fermentācijas procesu mērogošanai.

Kāpēc fermentācijas mērogošana ir sarežģīta?

Fermentācijas procesa mērogošana nav vienkārša tilpuma palielināšana. Vairāki faktori, kurus ir viegli kontrolēt nelielā mērogā, kļūst ievērojami sarežģītāki, procesam augot. Tie ietver:

Fermentācijas mērogošanas posmi

Process parasti ietver vairākus posmus, katram no kuriem ir savi mērķi un izaicinājumi:

1. Sējas kultūras attīstība

Sējas kultūra kalpo par inokulātu ražošanas fermentatoram. Ir ļoti svarīgi izveidot sējas kultūru, kas ir veselīga, aktīvi augoša un brīva no piesārņojuma. Tas parasti ietver vairākus augšanas posmus, sākot ar kriokonservētu pamatkultūru un turpinot caur kratīšanas kolbām, maziem bioreaktoriem un beidzot ar sējas fermentatoru. Sējas kultūrai jābūt fizioloģiski līdzīgai šūnām, kas vēlamas ražošanas fermentatorā.

Piemērs: Farmācijas uzņēmums, kas izstrādā jaunu antibiotiku, varētu sākt ar sasaldētu ražotājmikroorganisma krājumu. Šis krājums tiek atdzīvināts kratīšanas kolbā, pēc tam pārnests uz nelielu (piemēram, 2L) bioreaktoru. Biomasa no šī bioreaktora pēc tam inokulē lielāku (piemēram, 50L) sējas fermentatoru, kas nodrošina inokulātu ražošanas fermentatoram.

2. Izmēģinājuma mēroga fermentācija

Izmēģinājuma mēroga fermentācija aizpilda plaisu starp laboratoriju un rūpniecisko ražošanu. Tā ļauj testēt un optimizēt fermentācijas procesu apstākļos, kas vairāk atgādina pilna mēroga ražošanas vidi. Izmēģinājuma mēroga pētījumi palīdz identificēt potenciālās mērogošanas problēmas un precizēt darbības parametrus. Šajos eksperimentos parasti izmanto bioreaktorus no 50L līdz 500L.

Piemērs: Biodegvielas uzņēmums varētu izmantot 100L bioreaktoru, lai novērtētu jauna ģenētiski modificēta rauga celma veiktspēju etanola ražošanai. Viņi optimizētu tādus parametrus kā temperatūra, pH un barības vielu padeves ātrums, lai maksimizētu etanola iznākumu un produktivitāti.

3. Ražošanas mēroga fermentācija

Pēdējais posms ir ražošanas mēroga fermentācija, kurā produkts tiek ražots lielos daudzumos komerciālai pārdošanai. Ražošanas mēroga bioreaktori var būt no vairākiem tūkstošiem litru līdz simtiem tūkstošu litru. Konsekventas veiktspējas un produktu kvalitātes uzturēšana šajā mērogā prasa rūpīgu uzmanību detaļām un robustas procesa kontroles sistēmas.

Piemērs: Alus darītava varētu izmantot 10 000L fermentatoru, lai ražotu alu komerciālā mērogā. Viņi rūpīgi uzraudzītu temperatūru, pH un izšķīdušā skābekļa līmeni, lai nodrošinātu nemainīgu garšu un kvalitāti.

Galvenie apsvērumi fermentācijas mērogošanai

1. Bioreaktora dizains

Bioreaktors ir fermentācijas procesa sirds. Pareiza bioreaktora dizaina izvēle ir izšķiroša veiksmīgai mērogošanai. Galvenie apsvērumi ietver:

2. Procesa optimizācija

Procesa optimizācija ietver galveno procesa parametru identificēšanu un optimizēšanu, kas ietekmē šūnu augšanu, produkta veidošanos un produkta kvalitāti. Tas parasti ietver eksperimentālu pētījumu un matemātiskās modelēšanas kombināciju.

3. Uzraudzība un kontrole

Efektīva kritisko procesa parametru uzraudzība un kontrole ir būtiska konsekventai veiktspējai un produkta kvalitātei. Tam nepieciešams izmantot atbilstošus sensorus, kontroles sistēmas un datu analīzes metodes.

4. Sterilitātes nodrošināšana

Sterilitātes uzturēšana fermentācijas procesos ir vissvarīgākā. Kontaminācija var izraisīt produkta bojāšanos, samazinātu iznākumu un pat pilnīgu procesa neveiksmi. Ir būtiski ieviest stingras sterilizācijas procedūras un aseptiskas metodes.

5. Putu kontrole

Putu veidošanās ir izplatīta problēma fermentācijas procesos, īpaši tajos, kuros iesaistīti proteīni vai virsmaktīvās vielas. Pārmērīgas putas var izraisīt samazinātu skābekļa pārnesi, kontamināciju un produkta zudumu. Putas var kontrolēt, pievienojot pretputu līdzekļus vai izmantojot mehāniskos putu lauzējus.

Veiksmīgas mērogošanas stratēģijas

1. QbD (Kvalitāte pēc dizaina) pieeja

QbD ir sistemātiska pieeja izstrādei, kas sākas ar iepriekš definētiem mērķiem un uzsver produkta un procesa izpratni un procesa kontroli. QbD principu piemērošana fermentācijas mērogošanai palīdz nodrošināt nemainīgu produkta kvalitāti un veiktspēju.

Galvenie QbD elementi ir:

2. Skaitļošanas šķidrumu dinamika (CFD)

CFD ir spēcīgs rīks šķidruma plūsmas, siltuma pārneses un masas pārneses simulācijai bioreaktoros. CFD simulācijas var izmantot, lai optimizētu bioreaktora dizainu, maisīšanas sistēmas un gāzes ievades sistēmas. Tās var arī palīdzēt identificēt potenciālās problēmas, piemēram, mirušās zonas un bīdes sprieguma karstvietas. CFD var samazināt dārgo un laikietilpīgo izmēģinājuma mēroga eksperimentu skaitu, kas nepieciešams mērogošanai.

3. Samazināta mēroga modeļi

Samazināta mēroga modeļi ir maza mēroga bioreaktori, kas ir izstrādāti, lai atdarinātu apstākļus liela mēroga ražošanas bioreaktorā. Samazināta mēroga modeļus var izmantot, lai pētītu dažādu procesa parametru ietekmi uz šūnu augšanu, produkta veidošanos un produkta kvalitāti. Tos var arī izmantot, lai risinātu problēmas, kas rodas mērogošanas laikā. Labi raksturoti samazināta mēroga modeļi var sniegt vērtīgas atziņas un paātrināt izstrādes procesu.

4. Procesa modelēšana un simulācija

Procesa modelēšanu un simulāciju var izmantot, lai prognozētu fermentācijas procesa uzvedību dažādos mērogos un dažādos darbības apstākļos. Matemātiskos modeļus var izstrādāt, pamatojoties uz masas pārneses, siltuma pārneses un reakcijas kinētikas pamatprincipiem. Šos modeļus var izmantot, lai optimizētu procesa parametrus, izstrādātu kontroles stratēģijas un risinātu problēmas. Procesa modelēšanai un simulācijai var izmantot tādus rīkus kā MATLAB, gPROMS un Aspen Plus.

Lejupējās apstrādes apsvērumi

Mērogošanas apsvērumi sniedzas tālāk par pašu fermentācijas procesu. Arī lejupējā apstrāde, kas ietver produkta atdalīšanu un attīrīšanu no fermentācijas buljona, ir jāpārskata mērogā. Lejupējās apstrādes metožu izvēle ir atkarīga no produkta veida, tā koncentrācijas un vēlamās tīrības. Izplatītas lejupējās apstrādes metodes ietver:

Pasaules piemēri veiksmīgai fermentācijas mērogošanai

Vairākas nozares visā pasaulē lielā mērā paļaujas uz veiksmīgu fermentācijas mērogošanu. Šeit ir daži piemēri:

Biežāko mērogošanas problēmu risināšana

Neskatoties uz rūpīgu plānošanu un izpildi, mērogošanas laikā joprojām var rasties problēmas. Šeit ir dažas izplatītas problēmas un iespējamie risinājumi:

Nākotnes tendences fermentācijas mērogošanā

Fermentācijas joma nepārtraukti attīstās. Dažas no galvenajām tendencēm, kas veido fermentācijas mērogošanas nākotni, ir:

Noslēgums

Komerciālo fermentācijas procesu mērogošana ir sarežģīts, bet būtisks solis bioproduktu laišanai tirgū. Rūpīgi apsverot šajā ceļvedī aplūkotos galvenos faktorus, tostarp bioreaktora dizainu, procesa optimizāciju, uzraudzību un kontroli, sterilitātes nodrošināšanu un putu kontroli, uzņēmumi var veiksmīgi mērogot savus fermentācijas procesus un sasniegt nemainīgu produkta kvalitāti un veiktspēju. Jaunu tehnoloģiju un metodoloģiju, piemēram, QbD, CFD, samazināta mēroga modeļu un uzlabotas procesa kontroles, pieņemšana vēl vairāk uzlabos komerciālo fermentācijas operāciju efektivitāti un robustumu visā pasaulē.