Kiểm soát dòng chảy để tối ưu hóa sự phát triển của vi sinh vật Kiểm soát dòng chảy để tối ưu hóa sự phát triển của vi sinh vật :: Vấn đề bền vững

Ngày nay, hơn bao giờ hết, enzyme và vi sinh vật đang được sử dụng để tăng cường sản xuất bền vững. Điều này đặc biệt đúng trong các ngành công nghiệp như dược phẩm và hóa chất (sinh học). Trong các ngành này và các ngành khác, các nhà nghiên cứu trong các trường đại học, tổ chức R&D và các viện nghiên cứu khác, cũng như trong ngành muốn biết những tế bào sinh học này phát triển trong những điều kiện nào. Mặc dù điều cần thiết và quan trọng là phải biết chúng phát triển nhanh hơn như thế nào và trong những điều kiện nào, nhưng các nhà nghiên cứu cần có câu chuyện đầy đủ. Điều đó có nghĩa là họ cũng quan tâm đến điều gì khiến họ phát triển chậm hơn hoặc bất thường. Điều cần thiết là phải tìm hiểu về ảnh hưởng của chất dinh dưỡng hoặc chất phụ gia để hiểu các quá trình sinh học cơ bản.

Đối với các tổ chức nghiên cứu, việc đo lường và kiểm soát chính xác dòng chất lỏng và khí ở tốc độ thấp thường được yêu cầu. Dòng chảy thấp là gì? Các giá trị thực sẽ phụ thuộc vào ứng dụng nhưng có thể thấp tới 0,014 đến 0,7 mL/phút N₂ đến khoảng 600 kg/h trong các ứng dụng chất lỏng.

Bronkhorst vượt trội trong lĩnh vực này và khách hàng của họ rất đa dạng và phong phú. Trong lĩnh vực phát triển tế bào sinh học, trong một ứng dụng gần đây, tổ chức này đã tìm cách tìm hiểu thêm về các điều kiện mà quần thể vi sinh vật sẽ phát triển. Kiểm soát dòng chảy được sử dụng để tạo ra dòng chất lỏng nước chính xác và ổn định trong khi chúng thay đổi một loạt các thông số khác.

Điều cần thiết là họ phải điều tra xem quần thể vi sinh vật có thể phát triển trong những điều kiện nào. Để làm được điều này, họ sẽ thay đổi một thông số điển hình, trong khi các thông số khác, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất và nồng độ chất dinh dưỡng, cần được giữ không đổi.

Đối với ứng dụng gần đây này, một tổ chức nghiên cứu đã liên hệ với Bronkhorst. Họ có một ứng dụng mà họ đang gặp khó khăn trong việc ổn định dòng chảy thấp trong dòng nước – trong trường hợp này, phạm vi của họ là 30 đến 200 mL/phút. Họ có hai lò phản ứng cần được giữ cân bằng. Họ đã cố gắng tìm kiếm sự cân bằng nhưng lại thường xuyên làm trống một trong các lò phản ứng. Để đạt được mục tiêu đó, mong muốn của họ là mức chất lỏng của hai bình phản ứng chứa các vi sinh vật này cần được giữ chính xác và lặp lại ở một giá trị ổn định, không đổi bằng cách sử dụng phương pháp kiểm soát dòng chảy.

Sau khi cân nhắc, Bronkhorst đã cung cấp hai thiết bị đo lưu lượng khối chất lỏng của họ. Trong trường hợp này đó là dòng CORI-FLOW mini của họ. Dòng CORI-FLOW sử dụng hiệu ứng Coriolis lần đầu tiên được đưa ra như một lời giải thích cho sự lệch hướng của luồng không khí chuyển động trong một hệ thống quay. Trên thực tế, hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng quán tính khối lượng. Máy đo lưu lượng khối dựa trên Coriolis đặc biệt phù hợp khi bạn muốn đo lưu lượng khối của hỗn hợp khí hoặc chất lỏng khác nhau hoặc chưa biết hoặc để đo khí siêu tới hạn. Ngoài việc đo dòng khối lượng trực tiếp giúp loại bỏ sự thiếu chính xác do tính chất vật lý của chất lỏng, các thiết bị này còn có độ chính xác cao và độ lặp lại cao. Đồng hồ đo lưu lượng Coriolis là đồng hồ đo lưu lượng linh hoạt, đáng tin cậy và cực kỳ chính xác.

Trong ứng dụng này, mỗi CORI-FLOW được đưa vào hệ thống tuần hoàn ở giữa các thùng lò phản ứng, với mục đích cung cấp dòng chất lỏng nước liên tục.

Lò phản ứng chính có thể tích khoảng 1 lít và các nhà nghiên cứu đã cho phép các vi sinh vật phát triển trong lò phản ứng trong môi trường nước. Việc lấy mẫu thường xuyên của lò phản ứng chính cung cấp cho họ thông tin về số lượng tế bào và tốc độ tăng trưởng của tế bào. Các nhà nghiên cứu cũng xác định nhiệt độ là một thông số quan trọng. Nhiệt độ quá thấp sẽ kìm hãm vi sinh vật và làm chậm hoặc ngăn chúng phát triển, còn nhiệt độ quá cao sẽ gây bất lợi cho tuổi thọ của chính vi sinh vật.

Đối với ứng dụng phức tạp này, thiết bị đo lưu lượng khối chất lỏng có van điều khiển sẽ cung cấp tín hiệu cho bộ điều khiển. Bộ phận điều khiển đó “phụ trách” một chiếc máy bơm. Tốc độ bơm hoặc chậm lại để đáp ứng với phép đo lưu lượng và hành động điều khiển, tạo ra dòng chảy rất chính xác trong đường dây này. Từ đó chất lỏng sẽ chảy từ lò phản ứng chính sang lò phản ứng thứ hai. Trong trường hợp này, lò phản ứng thứ hai nhỏ hơn nhiều so với lò phản ứng chính và có thể tích khoảng 200 mL. Sử dụng phương pháp tương tự, chất lỏng lại được di chuyển thông qua kịch bản bơm điều khiển trực tiếp, được mô tả ở trên, trở lại lò phản ứng chính. Những gì được thiết lập bây giờ là một sự tuần hoàn liên tục, trong đó dòng chảy rất ổn định. Quá trình này tiếp tục cả ngày lẫn đêm trong thời gian nghiên cứu yêu cầu.

Mặc dù nghe có vẻ thuận buồm xuôi gió nhưng một vấn đề phức tạp khác đã được xác định. Các vi sinh vật trong thí nghiệm này có đường kính khoảng 3 μm. Điều đó tạo ra một thách thức lớn hơn vì tất cả các vi sinh vật cần được giữ sống và chúng cần có sức khỏe hoàn hảo (không có bất kỳ thiệt hại nào) trong quá trình lưu thông. Vì vậy, Bronkhorst khuyên các nhà nghiên cứu nên sử dụng máy bơm nhu động trong quy trình của họ để giữ cho vi sinh vật khỏe mạnh.

(các) Đơn vị Điều khiển và điểm đặt được chạy trong hệ thống của tổ chức nghiên cứu; tuy nhiên, người ta đã xác định thêm rằng, trong ứng dụng này, cả bộ điều khiển lưu lượng và tổ hợp máy bơm đều có cùng công suất. Điều này đã đơn giản hóa hoạt động và giúp mức trong cả hai lò phản ứng vẫn ở mức ổn định như nhau.

Phạm vi đo lưu lượng của Bronkhorst bao gồm:

• Máy đo và bộ điều khiển lưu lượng nhiệt cho chất khí và chất lỏng
• Bộ điều khiển và đo lưu lượng khối lượng Coriolis cho chất khí và chất lỏng
• Máy đo siêu âm cho chất lỏng
• Bộ điều khiển áp suất cho chất khí và chất lỏng
• Van điều khiển và Điện tử điều khiển và phụ kiện
  

Trong trường hợp này, máy đo lưu lượng chính xác là máy đo lưu lượng khối dựa trên Coriolis. Công nghệ này đặc biệt phù hợp khi bạn muốn đo lưu lượng khối của hỗn hợp khí hoặc chất lỏng khác nhau hoặc chưa biết hoặc để đo khí siêu tới hạn. Lý thuyết cơ bản của máy đo Coriolis là đo lưu lượng khối lượng trực tiếp. Không có ước tính, giả định hoặc sự thiếu chính xác nào do tính chất vật lý của chất lỏng. Do đó, CORI-FLOW từ Bronkhorst có độ chính xác cao và độ lặp lại cao. Đối với nhiều người dùng, đồng hồ đo lưu lượng Coriolis là đồng hồ đo lưu lượng linh hoạt, đáng tin cậy và cực kỳ chính xác.

Bài viết gốc được xuất bản dưới dạng Ghi chú ứng dụng của Bronkhorst High-Tech BV