Warum werden Labormischer mit mehrstufiger Drehzahlregelung in SSF benötigt? Optimierung der Pulpeverflüssigung & Zellviabilität

Labormischer mit mehrstufiger Drehzahlregelung sind entscheidend für die simultane Saccharifizierung und Fermentation (SSF), da sich die physikalischen Eigenschaften der Reaktionsmischung im Laufe der Zeit drastisch ändern. Während sich hochfeststoffhaltige Papierpulpe in Flüssigkeit verwandelt, schwankt die Viskosität des Systems erheblich, was in verschiedenen Phasen unterschiedliche Mischintensitäten erfordert. Die mehrstufige Regelung ermöglicht es Forschern, Drehmoment und Drehzahl in Echtzeit anzupassen, um diese physikalischen Veränderungen zu berücksichtigen.

Die simultane Saccharifizierung und Fermentation (SSF) stellt eine einzigartige doppelte Herausforderung dar: Das Material geht von einer dicken Paste in eine dünne Flüssigkeit über, während biologische Reaktionen stattfinden. Die mehrstufige Drehzahlregelung bietet die Flexibilität, die Homogenisierung während der Phase hoher Viskosität aufrechtzuerhalten und empfindliche Mikroorganismen während der Phase niedriger Viskosität zu schützen.

Die Dynamik von SSF mit hohem Feststoffgehalt

Handhabung der anfänglich hohen Viskosität

SSF-Prozesse verwenden häufig Ausgangsmaterialien mit hohem Feststoffgehalt, wie z. B. Papierpulpe. Zu Beginn des Prozesses ist dieses Material extrem viskos und schwer zu rühren.

Die Notwendigkeit eines hohen Drehmoments

Um die Reaktion zu initiieren, benötigt der Mischer erhebliches Drehmoment und Drehzahl. Ohne diese anfängliche Intensität kann die dicke Pulpe nicht effektiv bewegt werden, was zu einer schlechten Enzymverteilung und einer gestoppten Reaktion führt.

Anpassung an die Pulpeverflüssigung

Während des Fortschreitens der Reaktion bauen Enzyme die feste Pulpe ab, was zu einer Verflüssigung führt. Folglich sinkt die Viskosität der Mischung erheblich, wodurch sich die Fluiddynamik im Reaktor ändert.

Ausgleich von Stofftransport und Zellviabilität

Beseitigung von Stofftransport-Totzonen

Ein Hauptziel des Mischens in SSF ist die Gewährleistung einer gleichmäßigen Verteilung von Substraten und Enzymen. Unzureichendes Mischen führt zu "Totzonen", in denen der Stofftransport stoppt, was die Gesamtausbeute der Fermentation erheblich senkt.

Die Gefahr konstanter Geschwindigkeit

Wenn ein Mischer in den späteren flüssigen Phasen mit der hohen Geschwindigkeit betrieben wird, die für die anfängliche dicke Pulpe erforderlich ist, erzeugt er übermäßige Turbulenzen. Dies ist nicht nur energieineffizient, sondern auch biologisch gefährlich.

Schutz von Mikroorganismen vor Scherung

An der Fermentation beteiligte Mikroorganismen sind empfindlich gegenüber physikalischem Stress. Übermäßige Scherkräfte, die durch Hochgeschwindigkeitsmischung in niedrigviskosen Flüssigkeiten verursacht werden, können diese Zellen physisch aufreißen oder beschädigen, die Fermentation stoppen und das Produkt zerstören.

Betriebliche Kompromisse und Überlegungen

Komplexität vs. Prozessstabilität

Die Implementierung einer mehrstufigen Drehzahlregelung fügt dem experimentellen Aufbau im Vergleich zu Mischern mit fester Drehzahl eine zusätzliche Komplexitätsebene hinzu. Die Bediener müssen den Verflüssigungsgrad überwachen und die Parameter entsprechend anpassen oder automatisierte Profile programmieren.

Das Risiko des Übermischens

Während Untermischen zu Totzonen führt, ist Übermischen ein stiller Ertragsvernichter. Der Kompromiss bei SSF besteht darin, dass die für die Bewegung von Feststoffen erforderliche Rührung oft höher ist, als es biologische Zellen bevorzugen; eine dynamische Drehzahlregelung ist der einzige Weg, diesen Konflikt zu bewältigen.

Die richtige Wahl für Ihren Prozess treffen

Eine erfolgreiche SSF-Implementierung erfordert die Abstimmung Ihrer Ausrüstungskapazitäten mit der Rheologie Ihres Ausgangsmaterials.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Verarbeitung hoher Feststoffbeladungen liegt: Stellen Sie sicher, dass Ihr Mischer bei niedrigeren Drehzahlen hohe Drehmomentfähigkeiten bietet, um dem anfänglichen Widerstand der Pulpe ohne Stillstand standzuhalten.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Lebensfähigkeit von Mikroorganismen liegt: Priorisieren Sie Mischer mit präzisen, granularen Drehzahlsteuerungen, die es Ihnen ermöglichen, die Drehzahl sofort nach der Verflüssigung erheblich zu reduzieren, um die Scherbeanspruchung zu minimieren.

Eine dynamische Kontrolle der Mischintensität ist in SSF kein Luxus; sie ist eine grundlegende Voraussetzung für die Aufrechterhaltung der biologischen Integrität des Prozesses.

Zusammenfassungstabelle:

Phase des SSF-Prozesses	Materialkonsistenz	Mischbedarf	Hauptziel
Anfangsphase	Hoher Feststoffgehalt/Dicke Pulpe	Hohes Drehmoment & Geschwindigkeit	Überwindung der Viskosität; Enzymverteilung
Zwischenphase	Teilweise Verflüssigung	Moderate Geschwindigkeit	Homogenisierung aufrechterhalten; Totzonen beseitigen
Endphase	Niedrigviskose Flüssigkeit	Niedrigere Geschwindigkeit	Scherbeanspruchung reduzieren; Mikroorganismen schützen

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Referenzen

1. Walainud Congthai, Kaemwich Jantama. Exploiting Mixed Waste Office Paper Containing Lignocellulosic Fibers for Alternatively Producing High-Value Succinic Acid by Metabolically Engineered Escherichia coli KJ122. DOI: 10.3390/ijms26030982

Dieser Artikel basiert auch auf technischen Informationen von Kintek Solution Wissensdatenbank .