जैविक किण्वन प्रक्रियाओं को बढ़ाने के लिए मुख्य मापदंडों और नियंत्रण विधियों पर अनुसंधान

जैविक किण्वन उपयुक्त परिस्थितियों में विशिष्ट चयापचय मार्गों के माध्यम से कच्चे माल को मानव उत्पादों में परिवर्तित करने के लिए जीवों (आमतौर पर सूक्ष्मजीवों या कोशिकाओं) का उपयोग करने की प्रक्रिया को संदर्भित करता है।ये उपयोगी मेटाबोलाइट्स, प्रोटीन अभिव्यक्ति उत्पाद और अन्य उत्पाद दवा उद्योग, खाद्य उद्योग, ऊर्जा उद्योग, रसायन उद्योग, कृषि और अन्य क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, और लोगों के दैनिक जीवन से अविभाज्य हैं।जैविक किण्वन इंजीनियरिंग में, प्रयोगशाला अनुसंधान स्थितियों को प्रभावी ढंग से कैसे बढ़ाया जाए और उन्हें सीधे उत्पादन में कैसे लागू किया जाए, यह हमेशा एक समस्या रही है जो जैविक किण्वन के अनुप्रयोग को परेशान करती है।जैविक प्रतिक्रियाओं के कई प्रभावशाली कारकों के कारण, किण्वन टैंक के अंदर की प्रतिक्रिया एक बंद प्रतिक्रिया है।मापदंडों को प्रभावी ढंग से कैसे नियंत्रित किया जाए ताकि प्रवर्धन प्रक्रिया का जैविक किण्वन प्रक्रिया पर प्रभाव न पड़े, यह हमेशा जैविक किण्वन उद्योग में अनुसंधान का केंद्र बिंदु रहा है।जैविक किण्वन प्रतिक्रिया की प्रवर्धन प्रक्रिया के दौरान, टैंक के अंदर प्रवाह की स्थिति मात्रा में वृद्धि के साथ महत्वपूर्ण रूप से बदलती है।प्रवाह क्षेत्र में परिवर्तन से तापमान और घुलित ऑक्सीजन जैसे कई मापदंडों में बदलाव हो सकता है, जिसके परिणामस्वरूप संपूर्ण प्रतिक्रिया प्रणाली में परिवर्तन हो सकता है।लेख संक्षेप में जैविक किण्वन प्रक्रिया प्रवर्धन के प्रभावशाली कारकों और संबंधित नियंत्रण मापदंडों को व्यवस्थित और प्रस्तुत करता है, वास्तविक जैविक किण्वन प्रवर्धन प्रक्रिया में पैरामीटर चयन के लिए संदर्भ प्रदान करता है।

जैविक किण्वन प्रक्रिया के प्रवर्धन को प्रभावित करने वाले कारक
1.1 बड़े पैमाने पर स्थानांतरण और मिश्रण
बड़े पैमाने पर स्थानांतरण प्रक्रिया सामग्री हस्तांतरण की प्रक्रिया है, और जैविक किण्वन प्रक्रिया में बड़े पैमाने पर स्थानांतरण गतिविधियां जैविक प्रतिक्रियाओं के साथ-साथ होती हैं।मुख्य द्रव्यमान स्थानांतरण प्रक्रियाओं को गैस-तरल अवशोषण और तरल द्रव्यमान स्थानांतरण में विभाजित किया गया है।तरल चरण में पदार्थों का स्थानांतरण मुख्य रूप से जैविक किण्वन टैंक के सरगर्मी पैडल द्वारा संचालित एड़ी प्रसार के कारण होता है।आमतौर पर उपयोग की जाने वाली जैविक किण्वन संस्कृति में, बड़े पैमाने पर स्थानांतरण प्रक्रिया बहुत महत्वपूर्ण है।अच्छा सामूहिक स्थानांतरण माइक्रोबियल और सेल संस्कृति और विकास के लिए आवश्यक ऑक्सीजन, पोषक तत्व और मेटाबोलाइट्स सुनिश्चित कर सकता है।वॉल्यूमेट्रिक घुलित ऑक्सीजन गुणांक बड़े पैमाने पर स्थानांतरण को प्रभावित करने वाला सबसे महत्वपूर्ण कारक है, लेकिन जैविक किण्वन टैंक के अंदर जटिल प्रवाह क्षेत्र के कारण, कई प्रभावशाली कारक हैं, जिससे वॉल्यूमेट्रिक घुलित ऑक्सीजन गुणांक का विश्लेषण करना मुश्किल हो जाता है।
एक अन्य प्रमुख पैरामीटर जो जैविक किण्वन टैंक प्रक्रिया के प्रवर्धन को सीधे प्रभावित करता है वह है मिश्रण प्रक्रिया।सामान्य जैविक किण्वन प्रतिक्रिया मिश्रण में तरल-तरल मिश्रण, ठोस-तरल मिश्रण, गैस-तरल मिश्रण और गैस-तरल ठोस तीन-चरण मिश्रण शामिल हैं।किण्वन टैंक की मात्रा में वृद्धि और किण्वन उत्पादों और कच्चे माल में वृद्धि के कारण, टैंक के अंदर मिश्रण असमान है।उदाहरण के लिए, किण्वन टैंक के शीर्ष पर पदार्थों का मिश्रण नीचे की तुलना में अपेक्षाकृत कठिन होता है।वैज्ञानिक रूप से किण्वन टैंक में विभिन्न पदार्थों के मिश्रण को बढ़ाने से जैविक किण्वन की दक्षता में सुधार हो सकता है।
1.2 काटना
पारंपरिक दृष्टिकोण यह है कि जैविक किण्वन टैंक की सरगर्मी दर बढ़ाने से किण्वन प्रक्रिया के दौरान बड़े पैमाने पर स्थानांतरण और मिश्रण को बढ़ाया जा सकता है।हालाँकि, गहन शोध से यह पाया गया है कि कई जैविक किण्वन विफलताएँ जैविक किण्वन की लक्ष्य सामग्री पर अत्यधिक कतरनी बल के कारण होती हैं, जिससे माइक्रोबियल और कोशिका क्षति होती है।उदाहरण के लिए, एक माइक्रोबियल किण्वन प्रणाली में, अत्यधिक कतरनी बल जीवाणु शरीर के विकास को नुकसान पहुंचा सकता है;कम कतरनी बल बुलबुला टूटने के लिए अनुकूल नहीं है और वायु प्रसार की दक्षता को प्रभावित करता है।किण्वन टैंक में विभिन्न पदार्थों के मिश्रण को वैज्ञानिक रूप से कैसे बढ़ाया जाए और सूक्ष्मजीवों और कोशिकाओं के लिए स्वीकार्य सीमा के भीतर कतरनी तनाव को नियंत्रित किया जाए, यह किण्वन प्रवर्धन प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण कारक है।
1.3 ताप स्थानांतरण
जैविक किण्वन प्रक्रिया में तापमान भी एक महत्वपूर्ण कारक है।जैविक किण्वन टैंकों का तापमान नियंत्रण मुख्य रूप से जैकेट परत के माध्यम से प्राप्त किया जाता है।हालाँकि, जैसे-जैसे बड़े जैविक किण्वन टैंक के अंदर की मात्रा बढ़ती है, हीटिंग की प्रति इकाई सतह क्षेत्र कम हो जाता है।इसलिए, गर्मी हस्तांतरण की दक्षता सीधे जैविक किण्वन लक्ष्य पदार्थों की उत्पादन क्षमता को प्रभावित करेगी।
1.4 अन्य कारक
जैविक किण्वन टैंकों की प्रवर्धन प्रक्रिया में अन्य कारक भी हैं जो किण्वन प्रक्रिया को प्रभावित कर सकते हैं, जैसे वायु पुनःपूर्ति, फीडिंग गति और नमूना इनलेट सेटिंग के पैरामीटर, जो सभी किण्वन प्रक्रिया को प्रभावित कर सकते हैं।प्रक्रिया सीमाओं के कारण, उत्पादन प्रकार के जैविक किण्वन टैंक प्रयोगशाला में जैविक किण्वन प्रक्रिया की तरह वास्तविक समय में विभिन्न सब्सट्रेट्स, उत्पादों और मेटाबोलाइट्स की एकाग्रता का पता नहीं लगा सकते हैं।इसलिए, भोजन और सेवन की गति और मात्रा को वैज्ञानिक रूप से डिजाइन करना महत्वपूर्ण है।साथ ही, "तरल बाढ़" की घटना से बचने के लिए सामग्री पुनःपूर्ति और वायु पुनःपूर्ति के लिए स्पष्ट गैस वेग पर व्यापक रूप से विचार करना आवश्यक है।

जैविक किण्वन प्रक्रिया विधियों के 2 प्रमुख नियंत्रण पैरामीटर
2.1 मिश्रण
हिलाए गए जैविक किण्वन टैंकों का आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला मिश्रण मोड पूरे किण्वन तरल के मिश्रण को चलाने के लिए हिलाने वाले पैडल को घुमाना है।किण्वन टैंक सरगर्मी मापदंडों का नियंत्रण मुख्य रूप से गति नियंत्रण के माध्यम से प्राप्त किया जाता है।गति नियंत्रण में न केवल गति बढ़ाने और मिश्रण दक्षता में सुधार करने पर विचार करना चाहिए, बल्कि उचित सीमा के भीतर गति को नियंत्रित करना भी चाहिए।अत्यधिक गति से गर्मी उत्पादन में वृद्धि, कोशिकाओं पर कतरनी बल में वृद्धि और किण्वन विफलता हो सकती है।इसके अलावा, शोध में पाया गया है कि किण्वन मात्रा प्रणाली का प्रवाह पैटर्न, सरगर्मी पैडल का चयन और व्यास सभी जैविक किण्वन की दक्षता को प्रभावित कर सकते हैं।बड़े पैमाने पर जैविक किण्वन की प्रक्रिया में, घूर्णी गति के अलावा, सरगर्मी पैडल प्रकार और स्थानिक स्थिति का चयन भी बहुत महत्वपूर्ण है।संस्कृति सामग्री के तरल गुणों के आधार पर उपयुक्त सरगर्मी पैडल प्रकार का चयन करना आवश्यक है।वर्तमान में, अक्षीय प्रवाह और रेडियल प्रवाह पैडल का संयोजन आमतौर पर उपयोग किया जाता है, जो संपूर्ण जैविक किण्वन प्रणाली में सामग्री मिश्रण की डिग्री में सुधार करने के लिए सूक्ष्म तरल प्रवाह और मैक्रो प्रवाह क्षेत्रों को जोड़ता है।मिक्सिंग पैडल आम तौर पर निचले अपवाह प्रकार और ऊपरी अक्षीय प्रवाह प्रकार को अपनाता है, जो प्रभावी ढंग से यह सुनिश्चित कर सकता है कि शीर्ष पर जोड़े गए पोषक तत्व अक्षीय प्रवाह घोल की कार्रवाई के तहत टैंक के निचले हिस्से में तेजी से वितरित होते हैं, और हवा को टैंक में पेश किया जाता है। टैंक के निचले भाग को भी समय पर फैलाया जा सकता है, जिससे पूरे टैंक का समग्र परिसंचरण और प्रवाह सुनिश्चित होता है, जिससे संपूर्ण माइक्रोबियल किण्वन के लिए उपयुक्त वातावरण मिलता है।
2.2 तापमान
जैविक किण्वन टैंक आम तौर पर खेती किए जा रहे बैक्टीरिया के प्रकार के आधार पर 26 ~ 37 ℃ पर होता है, जबकि विशेष बैक्टीरिया की खेती 65 ℃ पर हो सकती है।किण्वन प्रक्रिया के प्रवर्धन प्रक्रिया के दौरान, पूरे किण्वन टैंक के अंदर के तापमान क्षेत्र में महत्वपूर्ण परिवर्तन होंगे।छोटे पैमाने और पायलट चरणों में, टैंक के छोटे आकार के कारण, तापमान क्षेत्र अपेक्षाकृत एक समान होता है।उत्पादन प्रकार के किण्वन टैंक में, किण्वन टैंक की तापमान जांच आमतौर पर टैंक के निचले हिस्से में वितरित की जाती है, जिसकी लंबाई 100 मिमी होती है, और किण्वन तरल में भिगोने वाला हिस्सा 50-60 मिमी होता है।जैविक किण्वन टैंकों के ताप और शीतलन के तरीके आमतौर पर एक जैकेट पानी की परत के माध्यम से किए जाते हैं, इसलिए किण्वन टैंक की गर्मी हस्तांतरण दक्षता सीधे पूरे टैंक के अंदर तापमान वितरण को प्रभावित करती है।जैकेट पानी की परत का तापमान और किण्वन टैंक तापमान जांच का तापमान प्रदर्शन मूल्य वास्तव में किण्वन टैंक में तरल के तापमान को प्रतिबिंबित नहीं कर सकता है।वैज्ञानिक रूप से तापमान जांच की व्यवस्था करना और किण्वन प्रणाली के ताप हस्तांतरण गुणांक के आधार पर वैज्ञानिक रूप से किण्वन तापमान निर्धारित करना प्रतिक्रिया तापमान को प्रभावी ढंग से सुनिश्चित कर सकता है।
2.3 अन्य रासायनिक पैरामीटर
जैविक किण्वन में रासायनिक मापदंडों का नियंत्रण, जैसे पीएच मान और घुलित ऑक्सीजन, किण्वन परिणामों पर प्रभाव डाल सकता है।उदाहरण के तौर पर घुलित ऑक्सीजन मापदंडों को लेते हुए, एरोबिक जैविक प्रक्रियाओं में, माइक्रोबियल विकास के लिए ऑक्सीजन एक महत्वपूर्ण पोषक तत्व है।हालाँकि, इसकी निचली घुलनशीलता के कारण, ऑक्सीजन जैव रासायनिक प्रक्रियाओं के लिए एक प्रमुख सब्सट्रेट बन जाता है।इसलिए, गैस चरण से तरल चरण तक ऑक्सीजन की पर्याप्त आपूर्ति बनाए रखना महत्वपूर्ण है।सिद्धांत रूप में, वेंटिलेशन बढ़ाने और कल्चर माध्यम कॉलम को बढ़ाने से कल्चर माध्यम में बुलबुले के समय को प्रभावी ढंग से बढ़ाया जा सकता है और गैस-तरल विनिमय दक्षता में सुधार हो सकता है।हालाँकि, ये पैरामीटर किण्वन टैंक की लागत से भी सीमित हैं, और बुलबुले फैलाव की डिग्री और आकार भी ऑक्सीजन प्रसार की दक्षता को प्रभावित कर सकते हैं।इसलिए, विभिन्न कारकों पर व्यापक रूप से विचार करना और सबसे उपयुक्त प्रक्रिया डिजाइन प्रवर्धन विधि प्रदान करना आवश्यक है।

3. जैविक किण्वन प्रक्रिया के लिए स्केलिंग अप विधि
3.1 अनुभवजन्य प्रवर्धन विधि
पारंपरिक जैविक किण्वन प्रक्रियाओं की स्केलिंग प्रक्रिया ज्यादातर पारंपरिक अनुभवजन्य तरीकों पर आधारित है।जैविक किण्वन प्रक्रिया में, गति, व्यवस्था, वायु वेंटिलेशन दर, फ़ीड प्रवाह दर और सरगर्मी पैडल के अन्य रासायनिक मापदंडों जैसे मापदंडों की एक श्रृंखला किण्वन उपज को प्रभावित कर सकती है।उपयोगकर्ता पिछली या अन्य किण्वन प्रक्रिया सेटिंग्स के आधार पर समान किण्वन प्रक्रियाओं का चयन करेंगे, और संबंधित किण्वन प्रक्रिया प्रवर्धन मापदंडों का चयन करेंगे;वैकल्पिक रूप से, पारंपरिक अनुभव के आधार पर, किण्वन टैंक में द्रव गतिशीलता की भविष्यवाणी की जा सकती है, और किण्वन मात्रा का विस्तार करने के लिए उनकी सापेक्ष स्थिति को बनाए रखते हुए टैंक के अंदर विभिन्न मापदंडों को ज्यामितीय रूप से बढ़ाया जा सकता है।अनुभवजन्य प्रवर्धन विधियाँ मुख्य रूप से किण्वन प्रणाली के भीतर प्रमुख मापदंडों पर ध्यान केंद्रित करती हैं, जैसे कि वॉल्यूमेट्रिक द्रव्यमान स्थानांतरण गुणांक, इकाई मात्रा बिजली की खपत, मिश्रण समय, आदि। यह विधि आमतौर पर केवल सरल प्रवर्धन के लिए उपयुक्त है और प्रभावी रूप से द्रव की गतिशीलता और गतिक विशेषताओं का अनुमान नहीं लगा सकती है। किण्वन टैंक.
3.2 कम्प्यूटेशनल द्रव गतिशीलता पर आधारित प्रवर्धन विधि
कम्प्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक्स (सीएफडी) द्रव यांत्रिकी में द्रव्यमान स्थानांतरण, गति हस्तांतरण और ऊर्जा हस्तांतरण जैसे सूक्ष्म समीकरणों के आधार पर कंप्यूटर में द्रव गति कानूनों के अनुकरण और गणना को संदर्भित करता है।अनुभवात्मक जैविक किण्वन प्रक्रिया योजनाओं की तुलना में, सीएफडी सिमुलेशन तकनीक के उपयोग में कम लागत और आकार की स्वतंत्रता की विशेषताएं हैं, और इसका व्यापक रूप से द्रव इंजीनियरिंग के क्षेत्र में उपयोग किया जाता है।सीएफडी सिमुलेशन मुख्य रूप से जैविक किण्वन टैंक के अंदर प्रवाह क्षेत्र, सरगर्मी शक्ति और गैस होल्डअप का अनुकरण करता है।साथ ही, एक विघटित ऑक्सीजन द्रव्यमान स्थानांतरण मॉडल को जैविक किण्वन टैंक के गैस-तरल दो-चरण प्रवाह मॉडल में जोड़ा जाता है, जो एक ही किण्वन प्रक्रिया के दौरान विघटित ऑक्सीजन द्रव्यमान स्थानांतरण प्रक्रिया और जैव रासायनिक प्रतिक्रिया प्रक्रिया का अनुकरण कर सकता है।
सिमुलेशन कंप्यूटिंग तकनीक के विकास के साथ, सीएफडी को जैविक किण्वन प्रवर्धन प्रक्रियाओं के सिमुलेशन में तेजी से लागू किया जा रहा है।हालाँकि, गैस-तरल दो-चरण प्रवाह की जटिलता के कारण, भविष्यवाणी प्रक्रिया में गैस होल्डअप और बुलबुले जैसे मापदंडों पर अभी और शोध की आवश्यकता है।

4। निष्कर्ष
जैविक किण्वन की प्रक्रिया एक जटिल और बहुक्रियात्मक प्रक्रिया है।यद्यपि पारंपरिक स्टिरर्ड टैंक बायोरिएक्टर संरचना में अपेक्षाकृत सरल हैं, किण्वन टैंक के अंदर तरल पदार्थ की वास्तविक प्रक्रिया वास्तविक प्रतिक्रिया प्रक्रिया में बहुत जटिल है।विशेष रूप से जैविक किण्वन की प्रवर्धन प्रक्रिया में, पद्धतिगत प्रवर्धन के लिए कई कारकों पर व्यापक रूप से विचार करने की आवश्यकता है।पारंपरिक अनुभवात्मक प्रवर्धन प्रक्रिया केवल सरल प्रवर्धन ही कर सकती है और वास्तव में किण्वन टैंक में विभिन्न प्रणालियों के वास्तविक डेटा का अनुकरण नहीं कर सकती है।यह सुनिश्चित करने के अलावा कि किण्वन उत्पादों का विकास वातावरण प्रयोगशाला के अनुरूप है, ऊर्जा संरक्षण पर भी ध्यान दिया जाना चाहिए।कम्प्यूटेशनल तरल गतिशीलता के आधार पर, अधिक वैज्ञानिक विश्लेषण और सिमुलेशन विधियां जैविक किण्वन प्रवर्धन प्रक्रिया की अधिक सटीक भविष्यवाणी और अनुकरण कर सकती हैं, जो जैविक किण्वन प्रवर्धन प्रक्रियाओं के चयन के लिए प्रभावी आधार और संदर्भ प्रदान करती हैं।

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