Giảm thiểu rủi ro tràn bọt và ô nhiễm trong quá trình lên men mật độ cao thông qua liều lượng chống bọt tự động

Trong quá trình lên men vi sinh vật mật độ cao và sàng lọc chủng, sự tích tụ các chất hoạt động bề mặt (như protein và peptide) kết hợp với sục khí mạnh và khuấy tốc độ cao thường tạo ra bọt quá mức. Nếu không được kiểm soát, bọt có thể trào lên đỉnh bình, dẫn đến tràn bọt, tắc nghẽn bộ lọc khí thải, mất thể tích và rủi ro nhiễm bẩn nghiêm trọng.

Các phương pháp chống tạo bọt truyền thống phụ thuộc nhiều vào việc kiểm tra thủ công hoặc định lượng hóa chất liên tục, cố định. Tuy nhiên, việc định lượng quá liều các tác nhân chống tạo bọt hóa học làm thay đổi sức căng bề mặt dịch lên men, làm giảm hệ số truyền khối thể tích ($K_L a$), và có thể gây độc cho tế bào đồng thời làm phức tạp quá trình tinh sạch hạ nguồn. Do đó, việc đánh giá khả năng của một máy lên men để định lượng theo nhu cầu — chỉ tiêm chất chống tạo bọt khi có bọt — là rất quan trọng trong quá trình lựa chọn thiết bị.

Các máy lên men tự động hiện đại tích hợp phần cứng cảm biến dẫn điện với phần mềm điều khiển để cung cấp khả năng quản lý chống tạo bọt vòng kín phản ứng nhanh:

• Cảm biến tín hiệu bọt thời gian thực: Sử dụng đầu dò bọt dựa trên độ dẫn điện, hệ thống kích hoạt Chỉ báo Tín hiệu Bọt trực quan ngay lập tức khi bọt tiếp xúc với đầu điện cực.
• Điều khiển xung chu kỳ và thời gian làm việc: Phần mềm điều khiển cho phép tham số hóa chính xác bơm nhu động chống tạo bọt bằng các tham số "Chu kỳ" và "Thời gian làm việc". Ví dụ, với Chu kỳ 10 giây và Thời gian làm việc 3 giây, bơm chỉ hoạt động trong 3 giây mỗi chu kỳ trong các tín hiệu bọt đang hoạt động, và nghỉ trong 7 giây còn lại để ngăn ngừa định lượng quá liều hóa chất.
• Hiệu chuẩn bơm và theo dõi bộ đếm tổng: Kết hợp với các thuật toán hiệu chuẩn bơm theo trọng lượng-thời gian (Tốc độ hiệu chuẩn), hệ thống tính toán và ghi lại mức tiêu thụ chất chống tạo bọt tích lũy (Số lượng chống tạo bọt/Tổng) theo thời gian thực, thiết lập các chỉ số định lượng cho việc mở rộng quy mô quy trình.

Khi lựa chọn máy lên men phòng thí nghiệm cho quá trình lên men mật độ cao và phát triển quy trình sinh học thượng nguồn, các kỹ sư quy trình nên xem xét các tiêu chí đánh giá sau:

1. Chế độ điều khiển kép (Tự động & Thủ công): Đảm bảo bộ điều khiển hỗ trợ cả thực thi vòng kín tự động dựa trên cảm biến (Tự động) và ghi đè thủ công bắt buộc (Thủ công) để xử lý các đỉnh bọt bất ngờ.
2. Logic định lượng xung: Xác minh rằng bơm định lượng cho phép điều chỉnh độc lập các chu kỳ điều khiển và thời gian chạy hoạt động (Thời gian làm việc) để ngăn ngừa ức chế chất nền hoặc pha loãng môi trường.
3. Khả năng truy xuất nguồn gốc và độ chính xác định lượng: Xác nhận rằng phần mềm hỗ trợ hiệu chuẩn tốc độ dòng chảy của bơm (g/phút) và ghi lại trọng lượng bổ sung tích lũy trên các báo cáo dữ liệu và đường cong xu hướng lịch sử để đáp ứng các tiêu chuẩn truy xuất nguồn gốc Chất lượng theo Thiết kế (QbD).