精確控制進氣量
氧氣供應:在好氧發(fā)酵過程中,微生物需要充足的氧氣來進行呼吸作用。氣體質量流量控制器(MFC)可以精確地控制進入發(fā)酵罐的氧氣流量。例如,在酵母菌發(fā)酵生產乙醇的過程中,通過 MFC 將氧氣流量控制在合適的范圍,能確保酵母菌的有氧呼吸階段順利進行,為后續(xù)的無氧發(fā)酵產生乙醇提供足夠的能量和中間產物。一般來說,根據(jù)發(fā)酵罐的大小、酵母菌的濃度和發(fā)酵階段等因素,MFC 可以將氧氣流量控制在每分鐘幾升到幾十升不等。
二氧化碳供應或去除:在一些特殊的發(fā)酵過程中,如微藻發(fā)酵生產生物柴油,適量的二氧化碳供應可以促進微藻的生長和油脂積累。MFC 可以精確地控制二氧化碳的進氣量,以滿足微藻光合作用的需求。同時,在發(fā)酵過程中會產生二氧化碳,MFC 也可以用于控制二氧化碳的排出速度,維持發(fā)酵罐內的壓力平衡。例如,在一個容積為 1000 升的微藻發(fā)酵罐中,MFC 可以將二氧化碳的進氣量精確控制在每小時 0.1 - 1 立方米之間,以優(yōu)化微藻的生長環(huán)境。
氮氣供應:氮氣在生物發(fā)酵中常用于營造無氧環(huán)境。例如在厭氧發(fā)酵生產乳酸的過程中,MFC 可以精確地控制氮氣的進氣量,將發(fā)酵罐內的氧氣置換出來,使發(fā)酵環(huán)境處于無氧狀態(tài),有利于乳酸菌的生長和乳酸的產生。在這種情況下,MFC 可以將氮氣流量控制在每分鐘數(shù)升到數(shù)十升,具體流量取決于發(fā)酵罐的體積和發(fā)酵工藝的要求。
維持發(fā)酵環(huán)境穩(wěn)定
壓力控制:在發(fā)酵過程中,發(fā)酵罐內的壓力需要保持在一個合適的范圍內。MFC 通過控制進氣和排氣的流量,可以有效地維持發(fā)酵罐內的壓力穩(wěn)定。例如,在高溫高壓發(fā)酵生產某些酶的過程中,MFC 與壓力傳感器配合,當壓力超過設定值時,MFC 會增加排氣流量;當壓力低于設定值時,MFC 會增加進氣流量,從而使發(fā)酵罐內的壓力始終保持在設定的 ±0.05MPa 范圍內,為微生物的生長和酶的產生提供穩(wěn)定的壓力環(huán)境。
溫度控制(間接):雖然 MFC 本身不直接控制溫度,但它對發(fā)酵環(huán)境的氣體流量控制會間接影響溫度。例如,在發(fā)酵過程中,適當?shù)臍怏w流量可以帶走發(fā)酵產生的熱量。如果進氣量過大,可能會導致發(fā)酵罐內溫度下降;反之,進氣量過小可能會使熱量積聚,導致溫度上升。通過 MFC 精確控制氣體流量,可以配合冷卻系統(tǒng)或加熱系統(tǒng),將發(fā)酵罐內的溫度控制在微生物生長的最佳溫度范圍內。比如,在利用黑曲霉發(fā)酵生產檸檬酸的過程中,MFC 可以調節(jié)進氣量,輔助溫度控制系統(tǒng)將發(fā)酵溫度維持在 28 - 32℃之間。
pH 控制(間接):MFC 對氣體流量的控制也會間接影響發(fā)酵液的 pH 值。例如,在發(fā)酵過程中,二氧化碳的溶解會形成碳酸,從而影響發(fā)酵液的 pH 值。如果 MFC 控制二氧化碳的進氣量和排氣量,就可以在一定程度上調節(jié)發(fā)酵液中的碳酸濃度,進而控制 pH 值。在某些細菌發(fā)酵生產抗生素的過程中,MFC 可以通過調節(jié)二氧化碳的流量,輔助緩沖系統(tǒng)將發(fā)酵液的 pH 值維持在適合抗生素產生的范圍內,如 7.0 - 7.5。
優(yōu)化發(fā)酵過程和產品質量
提高發(fā)酵效率:精確的氣體流量控制可以使微生物處于最佳的生長和代謝狀態(tài),從而提高發(fā)酵效率。例如,在絲狀真菌發(fā)酵生產多糖的過程中,通過 MFC 控制氧氣流量,可以使真菌的菌絲體生長更加旺盛,提高多糖的合成效率。研究表明,與未精確控制氣體流量的發(fā)酵相比,使用 MFC 控制氣體流量后,多糖的產量可以提高 10% - 30%。
保證產品質量穩(wěn)定:MFC 的應用有助于生產質量穩(wěn)定的發(fā)酵產品。在發(fā)酵過程中,氣體流量的微小變化可能會影響微生物的代謝途徑和產物組成。以發(fā)酵生產啤酒為例,精確控制發(fā)酵過程中的氧氣和二氧化碳流量,可以保證啤酒的風味、泡沫穩(wěn)定性和酒精含量等質量指標的穩(wěn)定。通過 MFC,啤酒發(fā)酵過程中的二氧化碳含量可以精確控制在一定范圍內,如 2 - 3 體積分數(shù),從而使啤酒具有良好的口感和泡沫特性。
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