Fermentacja
Gwałtowny wzrost wielkości produkcji poprzez efektywne namnażanie się bakterii w bioprocesach jest zwykle możliwy tylko poprzez aktywację istniejących, niewykorzystanych wcześniej zdolności – czyli ekstensyfikację produkcji.
Intensyfikacja procesów fermentacji tlenowej często kończy się niepowodzeniem, ponieważ mikroorganizmy nie mogą być odpowiednio zaopatrywane w rozpuszczony tlen. Wzrost produkcji wykraczający poza podstawowy poziom instalacji często można osiągnąć jedynie poprzez budowę nowych reaktorów, co wiąże się z długimi czasami planowania i wysokimi kosztami inwestycyjnymi.
Podawanie czystego tlenu do reaktorów oferuje wydajne i opłacalne rozwiązanie tego problemu.
Zalety podawania tlenu podczas fermentacji w bioreaktorze
Zwiększenie gęstości komórek
Najważniejszą zaletą dostarczania rozpuszczonego tlenu do procesu fermentacji tlenowej jest zwiększenie gęstości komórek bez występowania przejściowych warunków beztlenowych, a tym samym zahamowania procesu biologicznego.
Zwiększenie ciśnienia parcjalnego tlenu jest szczególnie skuteczne w fazie wzrostu wykładniczego, tzw. fazie logarytmicznej, w której namnażanie się bakterii osiąga maksimum.
Hodując komórki o bardzo wysokim zagęszczeniu w zwykłym fermentorze z mieszadłem, napotykamy problemy związane z zahamowaniem wzrostu z powodu zbyt wysokich początkowych stężeń substratu, zużyciem niezbędnych składników pożywki w trakcie hodowli, tworzeniem produktów ubocznych przemiany materii i ograniczonej zdolności dostarczania tlenu.
Zwiększone zapotrzebowanie na tlen rosnącej kultury o wysokiej gęstości komórek do produkcji proteaz detergentowych i innych produktów można zaspokoić w różny sposób: zwiększyć prędkość mieszania i szybkość napowietrzania, dostarczyć powietrze wzbogacone tlenem, podawać czysty tlenem i prowadząc hodowlę w niskich temperaturach i przy podwyższonym ciśnieniu.
Zmniejszenie mocy mieszania poprzez podawanie czystego tlenu
Ze względu na dobrą rozpuszczalność czystego tlenu, zdolność mieszania często może być dławiona, podczas gdy stężenie rozpuszczonego tlenu pozostaje takie samo. Z jednej strony może to prowadzić do zmniejszenia kosztów energii, a z drugiej strony do zmniejszenia naprężenia ścinającego (spowodowanego naprężeniem mechanicznym) dla mikroorganizmów. Ten ostatni zapewnia wzrost wydajności upraw wrażliwych. Bardzo wrażliwe kultury komórkowe korzystają ze specjalnych systemów wstrzykiwania gazu, które zmniejszają do minimum pobór energii.
Dzięki rozwiązaniu Air Liquide tlen może być wprowadzony do fazy wodnej całkowicie lub częściowo bez pęcherzyków powietrza.
Uniknięcie spieniania
W wielu przypadkach znaczna część objętości reaktora jest tracona z powodu masywnego tworzenia się piany. Powodem tego jest zwykle duża ilość powietrza potrzebna do wentylacji organizmów. Przy zastosowaniu czystego tlenu unikamy balastu azotowego, obecnego w powietrzu. Zmniejsza to znacznie objętość wprowadzanego gazu, dzięki czemu wysokość piany jest znacznie zmniejszona i można stworzyć dodatkową zdolność produkcyjną. Ze względów ekonomicznych przejście na czysty tlen zwykle nie jest całkowite, powietrze tylko częściowo zostaje zastąpione czystym tlenem. Dodatkowym, pozytywnym efektem ubocznym jest oszczędność na środkach przeciwpieniących, które były wcześniej wymagane w bioreaktorze.
Bezpieczeństwo instalacji i procesu zaopatrzenia bioreaktora w tlen
Projekt techniczny jest wykonywany przez specjalistów Air Liquide i rozpoczyna się na długo przed wymiarowaniem systemu wtrysku gazu dla Państwa instalacji. Nawet podczas wstępnych testów w skali laboratoryjnej inżynier projektu jest obecny, aby doradzić w kwestiach dotyczących instalacji i inżynierii procesowej.
Szczególną uwagę zwraca się na bezpieczeństwo instalacji: badania HAZOP (ang. Hazard and Operability Studies – Studium zagrożeń i zdolności operacyjnych) są przeprowadzane wspólnie z operatorem instalacji, w których wszystkie składniki instalacji, materiały wyjściowe i produkty są analizowane pod kątem ich reaktywności w połączeniu z czystym tlenem.
Oprócz bezpieczeństwa zakładu duże znaczenie ma również bezpieczeństwo procesu: w zależności od wymaganej sterylności procesu produkcyjnego, odpowiednio dostosowuje się wlot gazu do reaktora.
Ponadto Air Liquide oferuje towarzyszący procesowi monitoring gazu, który pomaga we wczesnej identyfikacji zmian w procesach produkcyjnych.
Przykładem tego jest akumulacja dwutlenku węgla w fazie ciekłej, co – w zależności od rodzaju organizmu – może prowadzić do zahamowania procesów biologicznych.
Dodatkowo brane są pod uwagę warunki termodynamiczne. W przypadku reakcji silnie egzotermicznych, wzrost wydajności produkcji spowoduje również wzrost mocy chłodniczej wymaganej do utrzymania procesu w optymalnej temperaturze.
Oferta ekspertów
Eksperci Air Liquide doradzą Państwu kompleksowo – od planowania projektu zaopatrzenia w gaz, przez w pełni automatyczną jednostkę sterująco-pomiarową, po specyficzne dla systemu urządzenia zraszające, systemy wlotowe i bezpieczeństwa.