Wie hoch ist der Luftdruck im Bioreaktor?

Der übliche Druckbereich der Luft in Bioreaktoren

Im industriellen biologischen Fermentationsprozess hängt die Einstellung des Luftdrucks unmittelbar vom Sauerstoffgehalt und der Stoffwechseleffizienz der Mikroorganismen ab. In der Regel wird der Zuluftdruck im Bioreaktor auf einem Niveau von0,1 MPa bis 0. 4 MPaInnerhalb dieses Druckbereichs lassen sich der statische Druckwiderstand der Luftfilter, der Rohrleitungsventile sowie der Fermentationsflüssigkeitssäule überwinden, sodass sterile Luft gleichmäßig am Boden des Fermenters verteilt wird.

Die entscheidenden Faktoren für die Einstellung des Luftdrucks

In der praktischen Anwendung ist der genaue Wert des Luftdrucks nicht konstant, sondern muss entsprechend den folgenden Faktoren dynamisch angepasst werden:

• Verhältnis von Höhe zu Durchmesser des Fermenters und FüllstandJe höher der Behälter ist, desto größer ist der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule, und dementsprechend muss auch der erforderliche Zuluftdruck höher sein.
• Typen von LuftverteilerBei der Verwendung von Mikroporenbelüftern oder Einloch-Ringrohren fallen die jeweiligen Druckverluste unterschiedlich aus und beeinflussen unmittelbar den erforderlichen Zuluftdruck.
• Physikalisch-chemischen Eigenschaften der FermentationslösungMit fortschreitender Fermentation nimmt die Zellkonzentration zu, die Viskosität des Fermentationsmediums steigt und der Aufstiegswiderstand der Blasen erhöht sich; gegebenenfalls ist es erforderlich, den Luftdruck entsprechend zu erhöhen, um den Sauerstoffgehalt im Medium aufrechtzuerhalten.
• Druckverlust des EntkeimungsfiltersVor dem Eintritt in den Fermenter muss die Luft einer strengen keimfreien Filtration unterzogen werden; der Anfangswiderstand des Filterelements sowie der Druckabfall nach dem Einsatz sind in den Gesamtdruckbedarf einzubeziehen.

Die zentrale Anwendung von Druckluftkompressoren in Fermentationsluftversorgungssystemen

Der Kompressor stellt die Antriebsquelle des Luftversorgungssystems des Fermenters dar; seine Leistung bestimmt unmittelbar die Stabilität des Luftdrucks und die Luftqualität. Im Bereich der biologischen Fermentation weist der Einsatz von Kompressoren folgende Merkmale auf:

• Ölfreie KompressionstechnologieUm eine Kontamination der Fermentationsbrühe durch Schmierölpartikel zu vermeiden, die zu einer Mikrobenvergiftung oder einer Beeinträchtigung der Produktreinheit führen könnte, werden in der Regel ölfreie Kompressoren eingesetzt.
• Ein vollständiges NachbehandlungssystemDruckluft muss zunächst durch einen Kühler, eine Lufttrocknungsanlage sowie mehrstufige Feinfilter geleitet werden, um Feuchtigkeit, Öl und Partikel zu entfernen und sicherzustellen, dass die in den Fermenter eintretende Luft den Anforderungen an Sterilität und Trockenheit entspricht.
• Konstantdruck-FrequenzumrichtersteuerungDer Luftdurchsatzbedarf variiert in den einzelnen Fermentationsphasen erheblich. Kompressoren mit Frequenzumrichter steuern die Drehzahl basierend auf dem Druckrücksignal im Drucknetz automatisch, wodurch der Luftdruck konstant gehalten und gleichzeitig der Energieverbrauch deutlich gesenkt wird.

Fehlersuche und Wartung bei Druckluftanomalien

Im Verlauf des Fermentationsbetriebs können Druckschwankungen der Luft zu einer Abweichung des gelösten Sauerstoffs führen und damit die Ausbeute beeinflussen. Häufige Druckanomalien sowie mögliche Ursachenanalysen umfassen:

• Der Ansaugdruck ist zu niedrig.Insbesondere sind der Luftvolumenstrom des Kompressors auf ausreichende Leistung, das Versorgungsnetz auf mögliche Leckagen sowie die Entkeimungsfilter auf eine durch Wasseransammlung oder Verunreinigungen verursachte starke Verstopfung zu prüfen.
• Der Druck im Behälter ist erhöht.: Häufig ist die schlechte Abgasableitung auf eine zu geringe Öffnungsweite des Abgasventils, eine Verstopfung der Abgasleitung oder eine Ansammlung von Kondenswasser im Abgas zurückzuführen; in diesem Fall sind die Abgasleitungen umgehend zu reinigen und die Drucksensoren zu kalibrieren.