Ферментационный танк, также известный как ферментационный сосуд или биореактор, — это основное оборудование, используемое для культивирования микроорганизмов или клеток и осуществления биохимических превращений в процессе ферментации. Он широко применяется в пищевой промышленности (например, при производстве пива и йогурта), в биофармацевтике, химической промышленности и при производстве биотоплива. Конструкция ферментационного танка направлена на создание подходящей среды, в которой микроорганизмы могут расти, размножаться и проходить определённые метаболические процессы, тем самым производя необходимые продукты, такие как спирт, молочная кислота, антибиотики или биотопливо.

Основные компоненты ферментационного танка включают в себя:

1. Корпус резервуараобычно изготавливается из нержавеющей стали, обеспечивая стерильную внутреннюю среду и выдерживая определённые изменения давления и температуры.
2. Система перемешивания: С помощью мешалки микроорганизмы и питательные вещества в питательной среде полностью перемешиваются, что повышает эффективность массообмена и скорость биологической реакции.
3. Система вентиляции и отвода воздуха: обеспечивает микроорганизмы достаточным количеством кислорода и удаляет продукты обмена, такие как углекислый газ.
4.Система контроля температуры: Поддерживает постоянную температуру внутри резервуара, оптимизируя условия роста микроорганизмов.
5. Датчики и системы управления: Контролируют и регулируют ключевые параметры, такие как значение pH, растворённый кислород, температура и т. д. внутри резервуара, обеспечивая протекание процесса ферментации в соответствии с ожиданиями.
6. Патрубки для выпуска и отбора проб: облегчают регулярный отбор проб, контроль и сбор конечного продукта. Процесс ферментации может включать аэробную ферментацию (например, дрожжевое брожение) или анаэробную ферментацию (например, ферментацию некоторых молочнокислых бактерий), поэтому конфигурация ферментёра будет адаптироваться в соответствии с конкретными технологическими требованиями.

По мере развития технологий современные ферментёры всё больше ориентируются на автоматизацию и интеллектуализацию, что позволяет добиться более точного управления и более высокой производственной эффективности.

Ключевые аспекты технологии ферментёров в основном сосредоточены на следующих моментах, чтобы обеспечить эффективный, безопасный и контролируемый биологический процесс ферментации:

1. Материалы и конструкция: Выбирают коррозионностойкие и легко очищаемые материалы, такие как нержавеющая сталь 304 или 316L, а также рациональную конструкцию резервуара для обеспечения стерильной работы и удобства обслуживания. Корпус резервуара должен выдерживать определённое внутреннее давление и температуру, а также обладать хорошими теплоизоляционными свойствами.
2. Технология перемешивания и смешивания: Применение эффективной системы смешивания, например приводимого электродвигателем устройства с лопастями различной формы, позволяет повысить однородность среды и эффективность массообмена. Частотное регулирование скорости позволяет гибко управлять скоростью перемешивания в соответствии с потребностями разных стадий ферментации.
3. Подача и управление газом: Эффективные системы вентиляции, такие как микропористая аэрация или струйная вентиляция, обеспечивают микроорганизмы достаточным количеством кислорода. Одновременно предусматриваются системы удаления или рекуперации CO2 для поддержания газового баланса и снижения рисков загрязнения.
4. Контроль температуры и pH: Высокоточная система контроля температуры, например электрическая рубашка нагрева или охлаждающая змеевиковая система, в сочетании с автоматическим регулирующим клапаном обеспечивает стабильную температуру внутри резервуара. Используются pH-электроды и система автоматического внесения кислотно-щелочных растворов для поддержания оптимальной pH-среды.
5. Контроль давления и безопасность: Оснащённый датчиками давления и предохранительными клапанами, он позволяет поддерживать требуемое состояние избыточного или пониженного давления для ферментации и быстро сбрасывать давление при возникновении отклонений, обеспечивая безопасность.
6. Онлайн-мониторинг и автоматическое управление: Интеграция нескольких датчиков (таких как растворённый кислород, CO2, температура, pH) и системы автоматического управления позволяет осуществлять мониторинг в реальном времени и автоматическую корректировку процесса ферментации, повышая точность и эффективность управления процессом.
7. Стерильная работа и CIP/SIP: Применение концепции стерильного проектирования обеспечивает стерильность процессов загрузки, отбора проб, выгрузки и других операций. Поддерживается мойка на месте (CIP, Clean in Place) и стерилизация на месте (SIP, Sterilization-in-Place), что упрощает процесс эксплуатации и повышает производственную эффективность.
8. Гибкость и масштабируемость: Модульная конструкция позволяет гибко комбинировать ферментёры в соответствии с производственными потребностями, легко расширять или настраивать их и обеспечивать требования производства разных масштабов.
9. Управление и анализ данных: Интеграция информационных систем управления позволяет фиксировать и анализировать данные процесса ферментации, служит основой для оптимизации условий ферментации и повышения качества продукции, а также обеспечивает достижение целей управления умной фабрики. Эти технические аспекты в совокупности формируют основу современной технологии ферментации, стимулируя развитие и инновации в отрасли биопроизводства.

Применение ферментёров охватывает множество отраслей, а их основная функция заключается в создании контролируемой среды для роста и метаболизма микроорганизмов, что позволяет получать различные полезные продукты метаболизма.

Ниже приведены основные области применения:

Пищевая промышленность и производство напитков: • Пивоварение: производство пива, вина, байцзю и других алкогольных напитков, в которых спирт образуется в результате ферментации сахара дрожжами. • Молочные продукты, такие как йогурт и сыр, используют молочнокислые бактерии для ферментации лактозы с образованием молочной кислоты, изменения вкуса продукта и продления срока его хранения. Хлеб и выпечка: процесс брожения теста также использует дрожжи для образования углекислого газа, что приводит к увеличению объёма теста. Биофармацевтическая промышленность: • Производство антибиотиков, таких как пенициллин, эритромицин и др., осуществляется посредством ферментации определённых микроорганизмов. Производство вакцин: некоторые вакцины связаны с культивированием микроорганизмов или клеток, и ферментёры являются одним из ключевых видов оборудования.

Производство биотехнологических лекарств, таких как рекомбинантные белки — инсулин, гормон роста и др., требует строгой асептической среды и точного контроля ферментации. Химическая промышленность и производство биотоплива: • Биоэтанол: как вид возобновляемой энергии, производится путём ферментации кукурузы, сахарного тростника или целлюлозной биомассы. Биодизель: производится посредством микробной ферментации и преобразования маслосодержащих веществ. Производство органических кислот, таких как лимонная кислота, уксусная кислота и др., широко используется в пищевой, фармацевтической и химической промышленности.

Сельское хозяйство и охрана окружающей среды: • Биологические удобрения: использование микроорганизмов для ферментации органических отходов с целью получения органических удобрений и повышения плодородия почвы. Очистка сточных вод: промышленные сточные воды обрабатываются посредством анаэробной или аэробной ферментации специфических микроорганизмов для удаления вредных веществ. Отрасль товаров для здоровья и косметики: • Пробиотические продукты, такие как пробиотические напитки и капсулы, производятся путём ферментации определённых штаммов бактерий. Функциональные ингредиенты, такие как гиалуроновая кислота и коллаген, используются в средствах по уходу за кожей и продуктах для здоровья и могут быть получены путём микробной ферментации.

Применение ферментёров не только способствует технологическим инновациям в традиционных отраслях, но и обеспечивает мощную техническую поддержку для формирующейся биоэкономики, являясь важным мостом между биологическими исследованиями и промышленным производством.

Технические параметры

Монтаж и пусконаладка ферментационных танков — это сложный и высокоспециализированный процесс, охватывающий множество технических аспектов, таких как механика, электрика и автоматическое управление.

Ниже приведены основные этапы и меры предосторожности при установке и наладке ферментационного танка: Подготовка перед установкой

1. Оценка площадки: Подтвердите, соответствуют ли несущая способность грунта, размеры пространства, водо- и электроснабжение, условия вентиляции и т. д. в месте установки предъявляемым требованиям.

2. Инфраструктура: Спроектируйте бетонный фундамент исходя из веса и габаритов танка и убедитесь, что он полностью затвердел перед началом монтажа.

3. Изучение технической документации: Внимательно ознакомьтесь с руководством по эксплуатации оборудования, инструкцией по монтажу и чертежами, чтобы понять конструкцию оборудования, требования к установке и правила техники безопасности.

Процесс монтажа

1. Подъём на место: Используйте профессиональное грузоподъемное оборудование, чтобы аккуратно поднять ферментационный танк и установить его в заданное положение, обеспечив устойчивость размещения.

2. Подключение трубопроводов и аксессуаров: включая подающие, разгрузочные и выхлопные трубы, линии CIP-мойки и SIP-стерилизации, кабели датчиков и т. д. Все соединения должны быть герметичны для предотвращения утечек.

3. Монтаж электрической системы и системы автоматического управления: Установите электрические компоненты, такие как двигатели, контроллеры, датчики и т. д., проложите кабели и цепи управления, обеспечив безопасность и надежность электросети.

4.Установка защитных устройств: Установите манометры, предохранительные клапаны, устройства аварийного сброса давления и т. д. для обеспечения безопасности производства.

Этап пусконаладки

1. Гидравлические испытания: Проведите испытания танка и соединительных трубопроводов под давлением воды для проверки на наличие утечек и подтверждения герметичности емкости.

2. Испытания на холостом ходу: Запустите систему перемешивания, систему контроля температуры, систему вентиляции и т. д., проведите тест с циркуляцией стерильной воды и проконтролируйте рабочее состояние каждой системы.

3. Калибровка и настройка: Откалибруйте датчики температуры, pH, растворенного кислорода и другие приборы для обеспечения точности измерений.

4. Имитационный тест ферментации: Проведите имитационный тест ферментации в стерильных условиях, проверьте стабильность и точность управления всей системы, а также отрегулируйте и оптимизируйте различные параметры.

5. Очистка и дезинфекция: После завершения отладки будет проведена комплексная безразборная мойка (CIP) и стерилизация (SIP), а также подготовка к официальному производству.

Внимание

Безопасность прежде всего: На протяжении всего процесса монтажа и отладки необходимо строго соблюдать правила техники безопасности и использовать необходимые средства индивидуальной защиты.Профессиональная эксплуатация: Монтаж и отладка должны выполняться опытными техническими специалистами во избежание неправильной эксплуатации и повреждения оборудования.Регистрация и документация: Детальное документирование каждого этапа работы и результатов испытаний обеспечивает основу для последующего технического обслуживания и поиска неисправностей.Экологический контроль: Обеспечьте чистоту среды монтажа и отладки, особенно в стерильных условиях, чтобы избежать рисков загрязнения. Правильный монтаж и отладка ферментационного танка имеют решающее значение для обеспечения эффективности производства и качества продукции, поэтому каждый шаг должен выполняться тщательно.