Технология брожения давно вышла за рамки традиционного производства вина и уксуса, превратившись в ключевую опору современной биотехнологии. В современной биопромышленности операция разделения твердой и жидкой фаз из культуральной жидкости (бродильной среды) — это процесс точного удаления взвешенных твердых частиц и примесей (таких как биомасса, клетки, клеточный дебрис, белки и их агрегаты) с помощью физических методов, таких как фильтрация и центрифугирование. Фильтрация, как основная операция, напрямую определяет качество продукта на последующих стадиях своим КПД и точностью.
Факторы, влияющие на фильтрацию в процессах брожения
▶ Принцип работы
В широком смысле, процесс биотехнологического производства состоит из трех стадий: upstream (подготовительная), собственно брожение (основная) и downstream (разделение и очистка) [1]. Именно downstream — процесс выделения и очистки целевого продукта из культуральной жидкости — часто определяет качество и себестоимость конечного продукта. Стадия downstream в основном включает четыре этапа:
-
Разделение твердой и жидкой фаз (центрифугирование, фильтрация, осаждение и т.д.);
-
Разрушение клеток (ультразвук, высокое давление/сдвиг, ферментативный лизис и т.д.);
-
Очистка белка (осаждение, хроматография, ультрафильтрация и т.д.);
-
Оформление конечного продукта (вакуумная сушка, лиофилизация и т.д.).
В зависимости от того, находится ли целевой продукт внутри клеток или вне их, основные цели разделения твердой и жидкой фаз культуральной жидкости обычно две:
-
Сбор фракции: Получение клеток (мицелия), содержащих целевой продукт, или осветленной культуральной жидкости;
-
Удаление примесей: Удаление твердых примесей из культуральной жидкости для последующей очистки.
В технологии фильтрации форма, размер и плотность твердых частиц определяют эффективность улавливания, скорость осаждения и прозрачность фильтрата. Однако в биотехнологическом брожении скорость фильтрации, помимо размера клеток, также ограничивается такими условиями, как состав питательной среды, пеногасители, длительность ферментации и предварительная обработка. Наиболее значительное влияние оказывают характеристики штамма и вязкость культуральной жидкости [2].
▶ Гидродинамический анализ
С гидродинамической точки зрения, согласно классическому дифференциальному уравнению фильтрации (уравнению Рут) [3]:
где:
-
V— объем фильтрата, м³;
-
τ— время фильтрации, с;
-
dV/dτ— скорость фильтрации, м³/с;
-
F— площадь фильтрации, м²;
-
Δp— перепад давления при фильтрации, Па;
-
r0— удельное сопротивление осадка, 1/м²;
-
x0— объем осадка на единицу объема фильтрата, м³/м³;
-
μ— вязкость фильтрата, Па·с;
-
R— сопротивление фильтровальной ткани, 1/м.
Поскольку между объемом осадка и объемом фильтрата существует следующее соотношение:
x0 * V = Ve = F * l(где Ve— объем осадка, м³; l— толщина слоя осадка, м),
можно вывести более наглядную формулу для скорости фильтрации:
Эта формула ясно показывает влияние различных параметров на скорость фильтрации:
-
Скорость фильтрации прямо пропорциональна площади фильтрации (F) и перепаду давления (Δp);
-
Скорость фильтрации обратно пропорциональна вязкости фильтрата (μ);
-
Чем больше удельное сопротивление осадка (r0) и толщина слоя осадка (l), тем ниже скорость фильтрации.
Однако из-за специфики биологического сырья реальные условия в промышленном производстве гораздо сложнее этой идеальной модели.
Сложность и проблемы фильтрации и разделения культуральной жидкости
Биологические культуральные жидкости часто представляют собой системы с высокой вязкостью и высоким содержанием твердых веществ. Простое физическое разделение часто сталкивается с такими проблемами, как низкая эффективность, низкий выход и большая потеря активности.
▶ Чрезвычайная сложность материальной системы
-
Характеристики твердых веществ: Нерегулярные частицы, такие как клетки, обладают высокой сжимаемостью. При сжатии пористость уменьшается, что приводит к резкому падению потока.
-
Характеристики жидкой фазы: Сложный состав фильтрата, колебания вязкости, pH и других параметров напрямую влияют на производительность фильтрации.
-
Поверхностные взаимодействия: Заряженные биомакромолекулы склонны к неспецифической адсорбции, что приводит к потере продукта и загрязнению фильтрующего материала.
▶ Жесткие требования к сохранению стабильности и активности продукта
-
Чувствительность к сдвигу: Ферменты, антитела и т.д. чувствительны к сдвиговым нагрузкам. Высокие напряжения сдвига могут привести к их денатурации и потере активности.
-
Чувствительность к температуре и pH: Узкое рабочее окно ограничивает применение обычных методов, таких как повышение температуры для снижения вязкости или очистка сильными кислотами/щелочами.
▶ Обязательные требования к стерильности и гигиеническому исполнению
-
Контроль эндотоксинов: Поверхности оборудования должны быть гладкими, без труднодоступных мест, устойчивы к мойке и стерилизации для контроля уровня эндотоксинов.
-
Предотвращение перекрестного загрязнения: Оборудование должно допускать возможность тщательной очистки и дезинфекции для исключения остаточного загрязнения между партиями.
Решение от Shinkai: Высокопроизводительная технология фильтрации для биотехнологического брожения
Shinkai подходит к решению проблемы с двух сторон: «модернизация конструкции оборудования» и «оптимизация технологических параметров». Мы усиливаем мощность обработки за счет увеличения площади фильтрации, внедрения динамической/статической тангенциальной (кроссфлоу) фильтрации и автоматического управления. Кроме того, с помощью точного подбора и технологического проектирования мы решаем проблемы высокой вязкости, склонности к засорению и сохранения активности.
▶ Точный подбор и модернизация оборудования
Shinkai отдает предпочтение высокопроизводительным спеченным металлическим фильтрующим материалам вместо традиционных полимерных.
-
Преодоление засорения и адсорбции: Использование жесткой поверхности металла и точных пор предотвращает внедрение осадка, уменьшает неспецифическую адсорбцию и повышает выход продукта.
-
Конструкция, выдерживающая высокотемпературную стерилизацию: Выбор термостойких материалов позволяет проводить многократную паровую стерилизацию, преодолевая температурные ограничения традиционных фильтрующих материалов.
▶ Оптимизация процесса и операционная стратегия
-
Конструкция с низкими сдвиговыми нагрузками: Оптимизация трубопроводов и насосных узлов для снижения сдвиговых нагрузок при транспортировке и защиты биологической активности.
-
Режим динамической фильтрации: Поддержка тангенциальной (кроссфлоу) фильтрации и обратной промывки. Использование тангенциального потока замедляет увеличение толщины осадка, продлевает рабочий цикл и позволяет проводить регенерацию фильтроэлементов на месте (online).
▶ Ключевые эксплуатационные показатели Shinkai
-
Превосходная тонкость очистки: Широкий диапазон выбора от 0.1 до 100 мкм, обеспечивающий 100% улавливание твердых частиц и нулевой проскок.
-
Термостойкость: Устойчивость к экстремальным температурам (до 900°C), удовлетворяет требованиям высокотемпературной стерилизации и экстремальных условий.
-
Высокая прочность и стойкость к давлению: Выдерживает прямое давление до 50 бар, подходит для условий с высоким перепадом давления.
-
Высокая коррозионная стойкость: Устойчивость к растворителям, кислотам и щелочам, совместимость с различными моющими средствами и растворами.
-
Сверхдлительный срок службы: Эффективная регенерация обратной промывкой, срок службы фильтроэлементов до 10 лет, снижение долгосрочных эксплуатационных затрат.
-
Соответствие нормативным требованиям: Строгое соответствие стандартам GMP, идеальный выбор для разделения твердой и жидкой фаз в биотехнологической и бродильной промышленности.
Nanjing Shinkai стремится предоставлять точные и надежные ключевые компоненты для бродильной промышленности с помощью высококачественных технологий биофильтрации, помогая вашим промышленным системам работать безопаснее и эффективнее. Если ваше предприятие сталкивается с проблемами фильтрации в биотехнологических процессах брожения, свяжитесь с нами в любое время, чтобы совместно найти оптимальное решение.
www.shinkaifilter.com
Email: sales01@shinkaifilter.com
