طراحی و ساخت دستگاه تخمیر، بیوراکتور یا فرمانتور صنعتی

تخمیر را می توان به عنوان یک فرآیند متابولیک تعریف کرد که در آن مواد خام ارزان قیمت مانند شکر یا کربوهیدرات ها توسط میکروارگانیسم ها به محصولات مهم اقتصادی مانند اسیدها، گازها و الکل ها تبدیل می شوند. این فرآیند در تجهیزاتی به نام تخمیر انجام می شود.

فرمانتور یا بیوراکتور چیست؟

بیوراکتور صنعتی را می توان به عنوان ظرفی تعریف کرد که در آن محیط های مغذی استریل و کشت خالص میکروارگانیسم ها مخلوط شده و فرآیند تخمیر در شرایط آسپتیک و بهینه انجام می شود. بیوراکتور یک محیط استریل و شرایط بهینه را فراهم می کند که برای رشد میکروارگانیسم ها و سنتز محصول مورد نظر مهم است.

یک دستگاه تخمیر باید به گونه ای ساخته شود که بتواند اقدامات زیر را فراهم کند:

• استریل سازی
• کنترل دما
• کنترل pH
• کنترل فوم
• هوادهی و هم زدن
• نقطه نمونه برداری
• نقاط تلقیح برای میکروارگانیسم ها، رسانه ها و مکمل ها
• نقطه زهکشی برای زهکشی محیطهای تخمیر شده
• برداشت محصول
• تمیز کردن
• تسهیلات تامین آب سرد، گرم و هوای فشرده استریل.

دستگاه فرمانتور از قسمت های زیر تشکیل شده است:

1. مواد مورد استفاده برای تخمیر
2. پروانه ها
3. بافل ها
4. پورت تلقیح
5. اسپارگر
6. نقطه نمونه برداری
7. دستگاه کنترل pH
8. سیستم کنترل دما
9. دستگاه کنترل فوم
10. سیستم زهکشی پایین

بخش های اصلی بیوراکتور یا فرمانتور باید دارای این خصوصیات باشند:

• نباید خورنده باشد
• نباید هیچ گونه ماده سمی به محیط تخمیر اضافه کند.
• باید فرآیند استریلیزاسیون با بخار را تحمل کند.
• باید بتواند فشار بالا را تحمل کند و در برابر تغییرات pH مقاومت کند.

مواد تخمیر مورد استفاده نیز بر اساس نوع فرآیند تخمیر تعیین می شود. به عنوان مثال، در مورد تخمیر الکل، اسید لاکتیک، مخازن تخمیر از مواد چوبی تشکیل شده است. در حالی که در برخی موارد می توان از موادی مانند آهن، مس، شیشه و فولاد ضد زنگ استفاده کرد. بیشتر اوقات برای طراحی تخمیر از فولاد ضد زنگ 304 و 316 استفاده می شود و این تخمیرها بیشتر با روکش اپوکسی یا شیشه ای پوشانده می شوند. قسمت های مختلف یک دستگاه تخمیر باید امکان کنترل و نظارت بر پارامترهای مختلف را برای فرآیند تخمیر موفق فراهم کند.

همزن، پروانه ها یا میکسر

    پروانه ها یک دستگاه همزن هستند. آنها بر روی شفت نصب می شوند و از طریق درب آن به تخمیر وارد می شوند. آنها از تیغه های پروانه ساخته شده اند و موقعیت ممکن است بسته به نیاز آن متفاوت باشد. این پروانه ها یا تیغه ها به موتور روی درب متصل می شوند. وظیفه مهم پروانه مخلوط کردن میکروارگانیسم ها، محیط ها و اکسیژن به طور یکنواخت است. تیغه های پروانه اندازه حباب های هوا را کاهش می دهند و این حباب های هوا را به طور یکنواخت در محیط های تخمیر پخش می کنند. پروانه ها همچنین به شکستن حباب های کف در فضای سر تخمیر کمک می کنند. این کف تشکیل شده در فرآیند تخمیر می تواند مشکل آلودگی ایجاد کند و با استفاده از پروانه از این مشکل جلوگیری شود.

بافل

    بافل ها بر روی دیواره های تخمیر نصب می شوند. وظیفه مهم بافل ها شکستن گردابی است که در طی فرآیند هم زدن توسط پروانه ها ایجاد می شود. اگر این گرداب شکسته نشود، محیط تخمیر ممکن است از تخمیر خارج شود و این ممکن است منجر به آلودگی و همچنین مشکلات مختلفی شود. بنابراین شکستن گردابی که با استفاده از یک مانع ایجاد می شود، مهم است. بافل ها به عنوان مانعی عمل می کنند که گرداب را می شکنند.

بندر یا دریچه تلقیح

    پورت تلقیح وسیله ای است که از آن محیط تخمیر، تلقیح و بستر به مخزن تخمیر اضافه می شود. باید مراقب بود که پورت انتقال آسپتیک را فراهم کند. درگاه تلقیح باید به راحتی استریل شود.

اسپارگر های هوادهی

    اسپارگر یک سیستم هوادهی است که از طریق آن هوای استریل به مخزن تخمیر وارد می شود. اسپارگرها در پایین مخزن تخمیر قرار دارند. فیلترهای پشم شیشه در اسپارگر برای استریل کردن هوا و سایر گازها استفاده می شود. لوله های اسپارگر حاوی سوراخ های کوچکی در حدود 5-10 میلی متر هستند. از طریق این سوراخ های کوچک هوای تحت فشار در محیط تخمیر آبی آزاد می شود. هوای آزاد شده به صورت حباب های ریز هوا است. این حباب های هوا به اختلاط رسانه ها کمک می کند.

دریچه نمونه برداری

    دریچه نمونه برداری برای برداشت زمان به زمان نمونه ها برای نظارت بر فرآیند تخمیر و کنترل کیفیت استفاده می شود. این نقطه نمونه برداری باید برداشت آسپتیک نمونه را فراهم کند.

دستگاه کنترل pH

    دستگاه کنترل کننده pH، pH محیط را در فواصل زمانی مشخص بررسی می کند و با افزودن اسیدها یا قلیاها، PH را به حد مطلوب خود تنظیم می کند. حفظ pH در حد مطلوب برای رشد میکروارگانیسم ها برای به دست آوردن محصول مورد نظر بسیار مهم است.

تجهیزات کنترل دما

    دستگاه کنترل دما به طور کلی شامل یک دماسنج و سیم پیچ ها یا ژاکت های خنک کننده در اطراف تخمیر است. در طی فرآیند تخمیر، واکنش های مختلفی در تخمیر انجام می شود. گرما در محیط تخمیر تولید و آزاد می شود. این افزایش دما برای رشد میکروارگانیسم ها مضر است و ممکن است روند تخمیر را کند کند. بنابراین، کنترل این افزایش دما ضروری است. این کار با عبور دادن آب خنک از میان کویل ها یا ژاکت های موجود در اطراف تخمیر انجام می شود.

سیستم کنترل فوم و کف

    یک دستگاه کنترل کننده فوم در بالای تخمیر با ورودی به تخمیر قرار می گیرد. این دستگاه حاوی یک مخزن کوچک حاوی ماده ضد کف می باشد. در حین تخمیر کف تولید می شود. لازم است این کف را با کمک مواد ضد کف خارج یا خنثی کنید تا مبادا مواد از تخمیر خارج شده و منجر به آلودگی و به هم ریختگی شود.

سیستم زهکشی پایین

    این یک خروجی آسپتیک است که در پایین تخمیر برای حذف محیط های تخمیر شده و محصولات تشکیل شده وجود دارد.