ถังหมักชีวภาพ: การประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายและหลักการที่สำคัญ

หลักการทำงานของถังหมักชีวภาพ

ถังหมักชีวภาพใช้หัวฉีดอากาศเพื่อทำให้อากาศความเร็วสูงเป็นละออง อากาศจะกระจายในฟอง บนด้านที่มีการเติมอากาศ ความหนาแน่นเฉลี่ยของของเหลวจะลดลง และบนด้านที่ไม่มีการเติมอากาศ ความหนาแน่นของของเหลวจะลดลง ทำให้เกิดความแตกต่างในความหนาแน่นกับของเหลวบนด้านที่มีการเติมอากาศ และเกิดการหมุนเวียนของของเหลวในถังหมัก

มีหลายรูปแบบของถังหมักชีวภาพ แต่ที่พบมากกว่าคือแบบท่อหมุนเวียนภายใน แบบท่อหมุนเวียนภายนอก แบบกระบอกแรงดึง และแบบแผ่นกั้นแนวตั้ง ด้านนอกของถังถูกออกแบบด้วยท่อหมุนเวียนภายนอก และด้านในของถังถูกออกแบบด้วยท่อหมุนเวียนภายในสองท่อ

ในถังหมักชีวภาพ ระดับของเหลวในถังอยู่ต่ำกว่าทางออกของท่อหมุนเวียนและสูงกว่าทางออกของท่อหมุนเวียน ข้อดีของถังหมักชีวภาพคือการใช้พลังงานต่ำ ผลกระทบของการทอดและการตัดปลาในของเหลวมีขนาดเล็ก และโครงสร้างเรียบง่าย ที่การใช้พลังงานเท่ากัน ความสามารถในการส่งผ่านออกซิเจนของมันสูงกว่าถังหมักแบบดั้งเดิมมาก

ข้อดีหลักของถังหมักชีวภาพ

1. โครงสร้างของถังหมักชีวภาพเรียบง่าย หลักการพื้นฐานไม่ซับซ้อน และการใช้พลังงานสูงกว่าถังปฏิกรณ์แบบพาย

2. การผลิตขึ้นอยู่กับการหมุนเวียนของก๊าซที่มีทิศทาง อุปกรณ์เครื่องกลแบบไม่ใช้ปั๊มแรงเหวี่ยง รูปแบบการไหลถูกกำหนด การหมุนเวียนของของเหลวแข็งแรง ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวภายใน ความเค้นเฉือนมีขนาดเล็ก และการกระจายพลังงานมีความสม่ำเสมอมาก เมื่อเปรียบเทียบกับถังหมักแบบดั้งเดิมสำหรับสิ่งมีชีวิต นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับวัสดุที่ไวต่อการเฉือน

3. ช่วงการไหลของก๊าซและของเหลวของถังหมักกว้าง

4. ประสิทธิภาพการจ่ายก๊าซของถังหมักชีวภาพสูง อากาศในท่อขึ้นสามารถมากกว่าอากาศในเครื่องปฏิกรณ์ฟอง ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อปฏิกิริยาแอโรบิก

5. การทำให้เป็นของเหลวอาจเป็นอนุภาคของแข็ง หรืออนุภาคหนักอาจถูกระงับอย่างสมบูรณ์

วิธีการฆ่าเชื้อของถังหมักชีวภาพ

ก่อนการฆ่าเชื้อถังหมักชีวภาพ โดยทั่วไปแล้วตัวกรองอากาศที่เชื่อมต่อกับถังหมักชีวภาพควรถูกฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำและเป่าให้แห้งด้วยอากาศ เมื่อฆ่าเชื้อถัง ให้ระบายและล้างสิ่งสกปรกในท่อป้อน จากนั้นสูบสื่อเพาะเลี้ยงที่เตรียมไว้เข้าสู่ถังหมัก และเริ่มเครื่องกวนเพื่อฆ่าเชื้อ

สำหรับการฆ่าเชื้อถังหมักชีวภาพ ให้เปิดวาล์วไอเสียแต่ละตัวก่อน นำไอน้ำเข้าสู่แจ็คเก็ตหรือขดลวดเพื่ออุ่นล่วงหน้า และรอจนกว่าอุณหภูมิของถังจะเพิ่มขึ้นถึง 80~90 แล้วค่อยๆ ปิดวาล์วไอเสีย จากนั้น นำไอน้ำเข้าสู่ถังหมักโดยตรงจากช่องอากาศเข้า ช่องระบาย และช่องเก็บตัวอย่าง เพื่อให้อุณหภูมิของถังเพิ่มขึ้นถึง 118~120 และความดันของถังหมักจะคงอยู่ที่ 0.09~0.1Mpa (ความดันเกจ) และคงไว้ประมาณ 30 นาที

การฆ่าเชื้อถังหมักที่ว่างเปล่าคือการฆ่าเชื้อร่างกายของถังหมัก ในระหว่างการฆ่าเชื้อด้วยอากาศ ความดันของถังจะถูกคงไว้ที่ 0.15~0.2Mpa อุณหภูมิของถังอยู่ที่ 125~130 และคงไว้ 30~45 นาที ความดันไอน้ำรวมต้องไม่ต่ำกว่า 0.3~0.35Mpa และความดันไอน้ำต้องไม่ต่ำกว่า 0.25~0.3MPa

การฆ่าเชื้อในสถานที่หมายถึงการฆ่าเชื้อโดยไม่เปลี่ยนโครงสร้างของถังในกระบวนการผลิต และโดยทั่วไปจะใช้การฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำออนไลน์ การฆ่าเชื้อนอกสถานที่สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการนำถังหมักออกไปฆ่าเชื้อ และถังหมักขนาดเล็กสามารถย้ายไปยังกล่องฆ่าเชื้อเพื่อฆ่าเชื้อ

การควบคุมพารามิเตอร์ที่สำคัญ

ค่า pH

ในกระบวนการหมัก การสืบพันธุ์ การเจริญเติบโต และการผลิตผลพลอยได้ของเซลล์จุลินทรีย์ได้รับผลกระทบจากค่า pH ดังนั้นค่าความเป็นกรด-ด่างในน้ำหมักจึงเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่สำคัญในกระบวนการหมัก เพื่อให้จุลินทรีย์สามารถสืบพันธุ์และเจริญเติบโตในช่วงค่า pH ที่เหมาะสมและในที่สุดสังเคราะห์เมตาบอไลต์เป้าหมาย ค่าความเป็นกรด-ด่างในกระบวนการหมักต้องถูกควบคุมอย่างเข้มงวด

ออกซิเจนละลาย (DO)

ออกซิเจนละลายเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์สำคัญในระบบหมักแบบแอโรบิกในการหมักจุลินทรีย์และเซลล์ ซึ่งสามารถส่งผลโดยตรงต่อความเสถียรและต้นทุนการผลิตของการหมัก ออกซิเจนไม่ละลายในน้ำได้ง่าย และน้ำหมักและเมตาบอไลต์ของจุลินทรีย์ในเครื่องหมักในห้องปฏิบัติการจะลดความสามารถในการละลายของออกซิเจนในกระบวนการหมัก ดังนั้นการควบคุมออกซิเจนละลายไม่เพียงแต่เพื่อเพิ่มเมตาบอไลต์ที่เป็นประโยชน์ในการหมัก แต่ยังเป็นวิธีที่ดีในการลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพในการทดลอง

อุณหภูมิ

อีกเหตุผลหนึ่งที่ทำให้เครื่องหมักแก้วในห้องปฏิบัติการเป็นที่นิยมในหมู่ผู้ใช้การหมักในห้องปฏิบัติการคือวัสดุแก้วมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความร้อนที่ดี ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่วัสดุโลหะไม่สามารถเทียบได้

อุณหภูมิของถังหมักจะส่งผลต่อหลายส่วนของกระบวนการหมัก เช่น ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ เปลี่ยนทิศทางการสังเคราะห์ของเมตาบอไลต์ของแบคทีเรีย ส่งผลต่อการเผาผลาญของจุลินทรีย์ เป็นต้น

อุณหภูมิที่สูงเกินไปจะเร่งการเผาผลาญของสายพันธุ์และการแก่ของแบคทีเรีย และอาจฆ่าสายพันธุ์ได้โดยตรง อุณหภูมิที่ต่ำเกินไปจะทำให้การเผาผลาญของแบคทีเรียช้าลง และอัตราการสังเคราะห์ของผลิตภัณฑ์จะลดลง ส่งผลต่อการผลิต

สายพันธุ์บางชนิดจะเปลี่ยนเส้นทางการเผาผลาญที่อุณหภูมิต่างกัน และผลิตภัณฑ์ที่สอดคล้องกันก็จะแตกต่างกัน อุณหภูมิการหมักที่เหมาะสมของถังหมักไม่เพียงแต่เป็นประโยชน์ต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย แต่ยังช่วยในการสังเคราะห์เมตาบอไลต์

อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิการเป็นพิษของจุลินทรีย์ชนิดเดียวกันจะแตกต่างกัน และสภาวะการเพาะเลี้ยงต้องการสภาวะที่แตกต่างกัน ดังนั้นการรักษาอุณหภูมิที่ปกติและเสถียรของถังหมักในห้องปฏิบัติการจึงเป็นส่วนสำคัญของการหมัก

การกวน

การประยุกต์ใช้การกวนด้วยแม่เหล็ก: เหมาะสำหรับสถาบันวิจัยทางวิทยาศาสตร์และห้องปฏิบัติการจุลชีววิทยาและการผลิตขององค์กร เป็นอุปกรณ์ที่เหมาะสำหรับการทดสอบการหมักที่แม่นยำและการผลิต นอกจากนี้ยังเหมาะสำหรับการคัดกรองสูตรสื่อการหมักจุลินทรีย์และการหมักจุลินทรีย์ระยะยาว

การประยุกต์ใช้ถังหมักแบบกวนกลอัตโนมัติเต็มรูปแบบ: เหมาะสำหรับ

การประยุกต์ใช้ถังหมักแบบกวนกล: เหมาะสำหรับการหมักจุลินทรีย์ต่างๆ อุปกรณ์มีลักษณะของความเสถียรที่ดีและการใช้งานที่ง่าย ผู้ใช้สามารถเลือกโครงสร้างและรูปร่างที่เหมาะสมตามกระบวนการหมัก ถังหมักหลายถังประกอบด้วยถังเมล็ดพันธุ์และถังหมัก

โครงสร้างพื้นฐานของถังหมักแบบกวนคือการติดตั้งเพลากวนที่ลึกลงไปในถังที่ด้านบนหรือด้านล่างของตัวถัง จะมีการติดตั้งใบกวนสองถึงสี่ใบที่เพลา การกวนเพื่อผสมวัสดุในถังให้ดีขึ้น ซึ่งเอื้อต่อการสัมผัสระหว่างของแข็งและสารอาหาร และเพียงพอที่จะอำนวยความสะดวกในการดูดซึมสารอาหารและการกระจายตัวของเมตาบอไลต์

นอกจากนี้ การกวนยังสามารถกระจายอากาศที่เข้าสู่ถังได้อย่างสม่ำเสมอ เพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างแก๊สและของเหลวในถังหมักในห้องปฏิบัติการ และเอื้อต่อการผสมออกซิเจนและของเหลวหมัก

การกำจัดฟอง

ระหว่างการหมัก เนื่องจากมีโปรตีนจำนวนมากในของเหลวหมัก ฟองจะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะต่างๆ เช่น การระบายอากาศและการกวน นี่เป็นปรากฏการณ์ทั่วไป อย่างไรก็ตาม หากฟองเพิ่มขึ้นจนกระจายไปทั่วถัง ของเหลวหมักจะออกจากถังหมัก ทำให้เพิ่มโอกาสในการปนเปื้อน

ระบบกำจัดฟองในถังหมักในห้องปฏิบัติการเป็นส่วนสำคัญที่ช่วยให้การหมักเป็นไปตามปกติ และเป็นส่วนที่จำเป็นอย่างมาก ในขั้นแรก จำเป็นต้องมั่นใจว่าปริมาณของเหลวในถังไม่เกินสามในสี่ของพื้นที่ภายในถังหมัก ในด้านหนึ่ง พื้นที่ที่เหลือจะให้พื้นที่สำหรับการเพิ่มขึ้นของหน้าเมื่อมีการระบายอากาศหมัก และในอีกด้านหนึ่ง ยังเป็นการให้เวลาสำรองสำหรับการกำจัดฟอง

ถังหมักในห้องปฏิบัติการมักใช้การกำจัดฟองเชิงกลและสารกำจัดฟองเพื่อกำจัดฟอง

การกำจัดฟองเชิงกลทำงานเฉพาะกับฟองขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นในช่วงเริ่มต้นของการหมัก และไม่มีผลต่อฟองที่ไหล ดังนั้นจึงมักใช้ร่วมกับสารกำจัดฟองเสริม สำหรับถังหมักกำจัดฟองอัตโนมัติ มักจะมีวงจรที่เกิดจากชุดอิเล็กโทรดกำจัดฟองและเสาคู่สายดินบนฝาถัง เมื่อฟองลอยขึ้นไปถึงตำแหน่งของอิเล็กโทรดกำจัดฟอง สัญญาณไฟฟ้าจะเกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรดกำจัดฟอง และจะมีการออกสัญญาณเตือนล่วงหน้า ระบบสัญญาณจะแสดงว่าฟองในถังเพิ่มขึ้นและจำเป็นต้องเติมสารกำจัดฟอง

ปริมาตรการฉีดเชื้อ

ปริมาณการฉีดเชื้อที่เหมาะสมสามารถช่วยให้แบคทีเรียในถังเจริญเติบโตและหมักผลิตภัณฑ์ได้อย่างรวดเร็ว และยังสามารถลดการเจริญเติบโตของสิ่งเจือปนได้ อย่างไรก็ตาม การฉีดเชื้อมากเกินไปหรือน้อยเกินไปจะส่งผลต่อการเจริญเติบโตตามปกติของผลิตภัณฑ์ เมื่อปริมาณการฉีดเชื้อมากเกินไป แบคทีเรียที่มากเกินไปจะทำให้ปริมาตรในถังหมักไม่เพียงพอ และการสังเคราะห์เมตาบอไลต์จำนวนมากจะถูกขัดขวาง

หากปริมาณการฉีดเชื้อน้อยเกินไป จะมีการเพาะเลี้ยงไม่เพียงพอในของเหลวหมัก เวลาการหมักจะล่าช้า และประสิทธิภาพการผลิตของถังหมักจะลดลงอย่างมาก ปริมาณการฉีดเชื้อที่ถูกต้อง

การกำหนดปริมาณการฉีดเชื้อคือการยืนยันปริมาตรของของเหลวที่ฉีดเชื้อและปริมาตรของของเหลวเพาะเลี้ยงที่ตามมาตามเปอร์เซ็นต์ที่กำหนด