O tanque de fermentação, também conhecido como fermentador ou biorreator, é o equipamento الأساسي usado para cultivar microrganismos ou células e realizar a transformação bioquímica durante o processo de fermentação. É amplamente utilizado na indústria alimentícia (como na produção de cerveja e iogurte), em biofármacos, produtos químicos e biocombustíveis. O projeto de um tanque de fermentação tem como objetivo criar um ambiente adequado para que os microrganismos possam crescer, se reproduzir e realizar processos metabólicos específicos, produzindo assim os produtos necessários, como álcool, ácido láctico, antibióticos ou biocombustíveis.

Os principais componentes de um tanque de fermentação incluem:

1. Corpo do tanquenormalmente fabricado em aço inoxidável, garantindo um ambiente interno estéril e suportando determinadas variações de pressão e temperatura.
2. Sistema de agitação: ao utilizar um agitador, os microrganismos e os nutrientes no meio de cultura são totalmente misturados, aumentando a eficiência de transferência de massa e a taxa de reação biológica.
3. Sistema de ventilação e exaustão: fornece oxigénio suficiente aos microrganismos e elimina resíduos metabólicos como o dióxido de carbono.
4.Sistema de controlo de temperatura: mantém uma temperatura constante no interior do tanque para otimizar as condições de crescimento dos microrganismos.
5. Sensores e sistemas de controlo: monitorizam e controlam parâmetros-chave como o valor de pH, oxigénio dissolvido, temperatura, etc., no interior do tanque, para garantir que o processo de fermentação decorra conforme o esperado.
6. Portas de descarga e de amostragem: facilitam inspeções regulares de amostragem e a recolha dos produtos finais. O processo de fermentação pode envolver fermentação aeróbia (como a fermentação de levedura) ou fermentação anaeróbia (como a fermentação de certas bactérias lácticas), pelo que a configuração do tanque de fermentação será ajustada de acordo com os requisitos específicos do processo.

Com o avanço da tecnologia, os modernos tanques de fermentação tendem cada vez mais para a automação e a inteligência, o que permite um controlo mais preciso e maior eficiência de produção.

Os principais pontos da tecnologia de tanques de fermentação concentram-se sobretudo nos seguintes aspetos, para garantir um processo de fermentação biológica eficiente, seguro e controlável:

1. Material e conceção: escolha materiais resistentes à corrosão e fáceis de limpar, como aço inoxidável 304 ou 316L, e uma conceção adequada do tanque para garantir operação estéril e fácil manutenção. O corpo do tanque deve ser capaz de suportar determinada pressão e temperatura internas, e ter bom desempenho de isolamento térmico.
2. Tecnologia de agitação e mistura: adoção de um sistema de mistura eficiente, como um dispositivo acionado por motor com pás de mistura de diferentes formas, para melhorar a uniformidade do meio e a eficiência de transferência de massa. A regulação de velocidade por frequência variável permite controlar de forma flexível a velocidade de agitação para satisfazer as necessidades de fermentação de diferentes fases.
3. Fornecimento e gestão de gases: sistemas de ventilação eficientes, como a aeração por microporos ou ventilação por jato, garantem fornecimento suficiente de oxigénio aos microrganismos. Ao mesmo tempo, são equipados com sistemas de remoção ou recuperação de CO2 para manter o equilíbrio gasoso e reduzir os riscos de poluição.
4. Controlo de temperatura e pH: um sistema de controlo de temperatura de alta precisão, como uma camisa de aquecimento elétrica ou serpentina de arrefecimento, combinado com uma válvula de regulação automática, garante uma temperatura estável no interior do tanque. Utilize eletrodos de pH e um sistema que adicione automaticamente soluções ácido-base para manter um ambiente de pH ideal.
5. Controlo de pressão e segurança: equipado com sensores de pressão e válvulas de segurança, pode manter o estado de pressão positiva ou negativa necessário para a fermentação e libertar rapidamente a pressão em caso de anomalias, garantindo a segurança.
6. Monitorização online e controlo automatizado: integra vários sensores (como oxigénio dissolvido, CO2, temperatura e pH) e um sistema de controlo automatizado para obter monitorização em tempo real e ajuste automático do processo de fermentação, melhorando a precisão e a eficiência do controlo do processo.
7. Operação estéril e CIP/SIP: adoção do conceito de conceção asséptica, garantindo operação estéril nas etapas de alimentação, amostragem, descarga e outras. Suporta limpeza no local (CIP, Clean-in-Place) e esterilização no local (SIP, Sterilization-in-Place), simplificando o processo operacional e melhorando a eficiência de produção.
8. Flexibilidade e escalabilidade: o design modular permite que os tanques de fermentação sejam combinados de forma flexível de acordo com as necessidades de produção, facilitando a expansão ou o ajuste e satisfazendo requisitos de produção de diferentes escalas.
9. Gestão e análise de dados: integra sistemas de gestão de informação para registar e analisar os dados do processo de fermentação, fornecendo uma base para otimizar as condições de fermentação e melhorar a qualidade do produto, e alcançando os objetivos de gestão de fábricas inteligentes. Estes pontos técnicos, em conjunto, formam a base da tecnologia moderna de fermentação, impulsionando o desenvolvimento e a inovação da indústria de biofabricação.

A aplicação dos tanques de fermentação abrange múltiplos setores, e a sua função principal é proporcionar um ambiente controlável para o crescimento e metabolismo dos microrganismos, produzindo assim diversos metabolitos úteis.

Seguem-se algumas das principais áreas de aplicação:

Indústria alimentar e de bebidas: • Fabrico de bebidas: produção de cerveja, vinho, baijiu e outras bebidas alcoólicas, que produzem álcool pela fermentação dos açúcares por leveduras. • Laticínios, como iogurte e queijo, utilizam bactérias lácticas para fermentar a lactose e produzir ácido láctico, alterando o sabor do produto e prolongando o prazo de validade. Pão e panificação: o processo de fermentação da massa também utiliza a fermentação por levedura para produzir dióxido de carbono, fazendo a massa aumentar de volume. Indústria biofarmacêutica: • Produção de antibióticos: como penicilina, eritromicina, etc., produzidos através de fermentação microbiana específica. Fabrico de vacinas: algumas vacinas envolvem cultura microbiana ou celular, e os tanques de fermentação são um dos equipamentos-chave.

A produção de medicamentos biotecnológicos, como proteínas recombinantes, por exemplo insulina e hormona do crescimento, requer um ambiente estritamente asséptico e um controlo preciso da fermentação. Indústrias química e de biocombustíveis: • Bioetanol: como tipo de energia renovável, é produzido através da fermentação de milho, cana-de-açúcar ou biomassa celulósica. Biodiesel: produzido por fermentação microbiana e transformação de substâncias oleosas. Produção de ácidos orgânicos, como ácido cítrico, ácido acético, etc., amplamente utilizados nas indústrias alimentar, farmacêutica e química.

Agricultura e proteção ambiental: • Biofertilizantes: utilização de microrganismos para fermentar resíduos orgânicos e produzir fertilizantes orgânicos, melhorando a fertilidade do solo. Tratamento de águas residuais: as águas residuais industriais são tratadas através de fermentação anaeróbia ou aeróbia de microrganismos específicos para remover substâncias nocivas. Indústria de produtos de saúde e cosmética: • Produtos probióticos, como bebidas probióticas e cápsulas, são produzidos por fermentação de estirpes bacterianas específicas. Ingredientes funcionais, como ácido hialurónico e colagénio, podem ser utilizados em produtos de cuidados da pele e de saúde e extraídos por fermentação microbiana.

A aplicação dos tanques de fermentação não só promove a inovação tecnológica nas indústrias tradicionais, como também fornece forte apoio técnico à bioeconomia emergente, sendo uma ponte importante entre a investigação biológica e a produção industrial.

Parâmetros técnicos

A instalação e a depuração de tanques de fermentação é um processo complexo e altamente especializado, que envolve múltiplos aspectos técnicos, como mecânica, elétrica e controle automático.

A seguir estão as etapas básicas e as precauções para a instalação e a depuração de um tanque de fermentação: preparação antes da instalação

1. Avaliação no local: Verifique se a capacidade de carga do piso, o tamanho do espaço, o fornecimento de água e energia, as condições de ventilação etc. do local de instalação atendem aos requisitos.

2. Infraestrutura: Projete fundações de concreto com base no peso e no tamanho do tanque e certifique-se de que estejam totalmente curadas antes da instalação.

3. Revisão dos dados técnicos: Leia atentamente o manual do equipamento, o guia de instalação e os desenhos para entender a estrutura do equipamento, os requisitos de instalação e as normas de segurança.

Processo de instalação

1. Posicionamento com içamento: Utilize equipamento profissional de içamento para levantar cuidadosamente o tanque de fermentação até a posição predeterminada, garantindo uma colocação suave.

2. Conexão de tubulações e acessórios: incluindo tubulações de alimentação, descarga e exaustão, tubulação CIP, tubulações SIP, cabos de sensores etc.; todas as conexões devem estar bem vedadas para evitar vazamentos.

3. Instalação do sistema elétrico e de automação: Instale componentes elétricos como motores, controladores, sensores etc., lance cabos e circuitos de controle para garantir a segurança e a confiabilidade do circuito.

4.Instalação de dispositivos de segurança: Instale manômetros, válvulas de segurança, dispositivos de alívio de emergência etc. para garantir a segurança da produção.

Etapa de depuração

1. Teste de pressão com água: Realize um teste de pressão com água no tanque e em suas tubulações de conexão para verificar vazamentos e confirmar o desempenho de vedação do tanque.

2. Teste de funcionamento em vazio: Acione o sistema de mistura, o sistema de controle de temperatura, o sistema de ventilação etc., realize um teste de circulação de água esterilizada e observe o estado de funcionamento de cada sistema.

3. Calibração e calibração: Calibre os sensores de temperatura, os sensores de pH, os sensores de oxigênio dissolvido etc. para garantir a precisão das medições.

4. Teste de fermentação simuladaRealize um teste de fermentação simulado em condições estéreis, verifique a estabilidade e a precisão de controle de todo o sistema e ajuste e otimize vários parâmetros.

5. Limpeza e desinfeçãoApós a conclusão dos ajustes, será realizada uma limpeza CIP completa e esterilização SIP, preparando tudo para a produção formal.

Atenção

Segurança em primeiro lugarDurante todo o processo de instalação e ajuste, é necessário seguir rigorosamente os procedimentos de operação de segurança e usar os equipamentos de proteção necessáriosOperação profissionalA instalação e os ajustes devem ser realizados por técnicos experientes para evitar operação inadequada e danos ao equipamentoRegistro e documentaçãoDocumente detalhadamente cada etapa da operação e os resultados dos testes, fornecendo uma base para manutenção e solução de problemas posterioresControle ambientalGaranta a limpeza do ambiente de instalação e ajuste, especialmente em ambientes estéreis, para evitar riscos de contaminação. A instalação e o ajuste adequados do tanque de fermentação são cruciais para garantir a eficiência da produção e a qualidade do produto; por isso, cada etapa precisa ser executada meticulosamente.