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        從微觀到宏觀:發(fā)酵罐規(guī)模放大的藝術與科學 時間:2024.06.03
        從實驗室的試管和搖瓶,到工業(yè)生產中的龐大容器,每一步都是對生物過程理解的深化與應用的拓展,這不僅是量的飛躍,更是質的升華。實驗室階段的探索和實驗,其最終目的在于為實際生產提供堅實的基礎。那些在顯微鏡下才能窺見的微生物如何在巨大的發(fā)酵罐中繁衍生息,又是如何在工業(yè)規(guī)模上展現出驚人的生產力的呢?這是一個值得探索的話題。

        而科技的進步,讓發(fā)酵技術對制藥、食品等行業(yè)愈發(fā)重要。發(fā)酵罐從單罐演變成多聯,罐體體積也在逐步增大,滿足了可大規(guī)模且高效連續(xù)地發(fā)酵生產。
         

        一、發(fā)酵罐規(guī)模放大:跨越理論與實踐的橋梁

        當實驗室的成果需要在工業(yè)規(guī)模上重現時,所面臨的挑戰(zhàn)是巨大的。實驗解決反應中的問題要比放大時再去解決的壓力要小得多。實驗是代表工藝是否成功,但把它投入生產后,需要考慮的就是精細化問題,否則,一個小失誤會在放大過程造成不可估量的成本損失。從微生物的培養(yǎng)條件到發(fā)酵罐的設計,每一個環(huán)節(jié)都需要精心調整。
        HOLVES HF-AS系列不銹鋼發(fā)酵罐
        發(fā)酵工程的目的和任務是實現生物技術成果走向規(guī)?;a。具體地,就是力求在發(fā)酵過程中,保證所有規(guī)模都有最佳的外部條件,以獲得最大生產能力。而在放大過程中,物理條件會隨規(guī)模擴大而發(fā)生明顯變化,必須進行科學設計,才能使放大后的設備滿足工藝放大要求。

        1. 發(fā)酵罐的溫度控制
        實驗室發(fā)酵罐一般會使用冷水對罐體進行降溫,但在工業(yè)生產必須考慮成本的需求,一方面,使用冷卻水需考慮到換熱面積、制造排布難度清洗滅菌隱患等問題;另一方面,過于依賴冷水,必然會造成生產成本的上升。所以在工業(yè)生產中我們需要綜合考慮,選擇合適的發(fā)酵罐換熱冷卻形式。
         罐體換熱冷卻示意圖
        2. 發(fā)酵罐中的料液混合
        攪拌器的設計必須保證在不同規(guī)模的發(fā)酵罐中都能實現高效的混合和傳質。工業(yè)規(guī)模的混合可能出現不均勻的問題,從而導致局部濃度過高和放熱過快,增加副產物。在大規(guī)模發(fā)酵中,確保微生物與營養(yǎng)液的均勻混合是成功的關鍵。所以我們可以利用合適功率的攪拌動力、槳葉等提高罐體性能
         
        3. 發(fā)酵中的清洗滅菌
        規(guī)模放大后,保持無菌環(huán)境的難度也隨之增加。實驗室罐體清洗一般可用大量水沖洗,或者人工拆洗,以及不計成本的蒸汽空消。但在大型工業(yè)化發(fā)酵中我們不得不考慮到成本及操作問題。
        對于反應液要進行合理的處理,防止破壞自然環(huán)境,反應中所使用的溶劑回收處理后看能否二次利用,若不影響反應再建立其相應的質量標準。
         

        二、工業(yè)生產中發(fā)酵罐的精確管理

        規(guī)模放大并非簡單的線性擴展,它涉及到生物過程、罐體的傳質性能和經濟考量的復雜交織。在實驗室中,我們或許能夠精確控制每一個變量,但在工業(yè)規(guī)模上,這些變量的控制變得異常復雜。工業(yè)生產中的發(fā)酵罐管理是對精確性和效率的雙重追求。我們可以做到以下幾點:
         
        • 實時監(jiān)控:利用先進的傳感器和數據采集系統(tǒng),實時監(jiān)控發(fā)酵罐內的溫度、pH、DO等關鍵參數變化。
        HOLVES-對于罐體各參數的實時監(jiān)控畫面
        • 數據分析:通過數據分析,可以發(fā)現生產過程中的潛在問題,并及時進行調整,以優(yōu)化生產效率。
        • 風險管理:建立一套完善的風險評估和應對機制,確保在遇到不可預見的情況時,能夠迅速采取行動,減少損失。
         
        合成生物學的飛速發(fā)展,為發(fā)酵罐的規(guī)模放大和工業(yè)生產管理帶來新的變革。通過合成生物學,我們可以設計出更高效的微生物菌種,優(yōu)化發(fā)酵過程,甚至開發(fā)出全新的生物產品。在這個充滿挑戰(zhàn)與機遇的時代,讓我們一起探索發(fā)酵罐的無限可能,共同推動生物技術的進步。
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