TIPOS DE FERMENTADORES INDUSTRIALES

DISEÑO DE FERMENTADOR

Resumen

Un fermentador (biorreactor) es un recipiente cerrado con suficientes arreglos de aireación, agitación, temperatura y regulación de pH y un drenaje o ventilación de desbordamiento para extraer la biomasa residual junto con sus productos de microorganismos cultivados. El fermentador está destinado a la producción de productos biológicos. El diseño y el modo de operación del fermentador dependen principalmente del organismo de producción, las condiciones óptimas de trabajo necesarias para crear el producto objetivo, el valor del producto y la escala de producción. El fermentador es un consentimiento para los criterios de diseño, incluida la capacidad de esterilización; construcción sencilla; técnicas fáciles de cálculo, seguimiento y control; aumentar proporcionalmente; flexibilidad; estabilidad a largo plazo; Compatibilidad con procesos aguas arriba, pasos antiespumantes. La fermentación se lleva a cabo de varias formas, incluidos los procesos de fermentación discontinua, discontinua y continua. El capítulo actual aborda la configuración del fermentador, el mecanismo de fermentación, los tipos de fermentador utilizados en las industrias, la transferencia de calor y masa en el fermentador y la ampliación y regulación del proceso de fermentación industrial.

Palabras clave

Fermentador · Scale-up · Upstream · Transferencia de calor · Transferencia de masa

Abreviaturas

Trifosfato de adenosina ATP

Limpieza CIP en el lugar

CSTR Reactor de tanque agitado continuo

Proteína fluorescente verde GFP

Biorreactor de alta densidad HDBR

Tasa de transferencia de oxígeno OTR

PTFE Politetrafluoroetileno

Reactor de biopelícula de lecho giratorio RBBR

SIP esterilizar en el lugar

SSC Control de supervisión del punto de ajuste

5.1 Introducción

Durante la Primera Guerra Mundial (1914–1918), Chaim Weizmann, junto con su equipo, formó una metodología para procesar acetona mediante fermentación líquida profunda utilizando Clostridium acetobutylicum, principal para el uso posterior de recipientes de fermentación iniciales a gran escala. La contaminación ha seguido siendo con frecuencia una dificultad solemne, predominantemente en la parte inicial de la fase de desarrollo a gran escala. Al principio, no existían recipientes apropiados y los desafíos seguían siendo inadecuados con los fermentadores de alcohol con tapa ajustada como esterilizadores de vapor porque es posible que no se alcance la presión atmosférica. Los principales fermentadores construidos fueron grandes recipientes cilíndricos de acero dulce con tapas hemisféricas y fondos esterilizados bajo presión con vapor. Las dificultades de las adiciones de medios asépticos o inóculos persistieron. Como resultado, se tomaron medidas para diseñar y mejorar tuberías, uniones y válvulas que pudieran lograr y mantener condiciones estériles si fuera necesario. Solo los recipientes de semillas menores se agitaron mecánicamente, y el contenido del recipiente se agitó continuamente por las grandes capacidades de gas producido durante la fermentación.

En la década de 1930, Europa Central utilizó los primeros fermentadores aeróbicos reales a gran escala para fabricar levadura comprimida (Becze y Liebmann 1944). Estos fermentadores implicaban grandes tanques de aire cilíndricos en la base a través de sistemas de tuberías perforadas. Los impulsores motorizados los reemplazaron, aumentando la tasa de mezcla y dispersión del aire. De hecho, esto condujo a que las necesidades de aire comprimido se redujeran en un factor de

5. Los deflectores impidieron la formación de vórtices. Además, en ese momento, se sabía que entre el 10% y el 20% del costo total de producción podría ser el costo del aire comprimido. A principios de la década de 1930, se proporcionaron agua y vapor para esterilizar los tubos de aireación. Antes de 1940, el etanol, el glicerol, el ácido acético, el ácido cítrico, otros ácidos orgánicos, las enzimas y la sorbosa eran otros productos de fermentación esenciales además de la levadura de panadería. Estos procedimientos utilizaron entornos extremadamente exigentes, como condiciones ácidas o anaeróbicas o el uso de un sustrato inusual, lo que resultó en una contaminación comparativamente insignificante en comparación con la fermentación con acetona o la posterior fermentación de antibióticos aeróbicos. Un factor esencial para imponer la formación de recipientes de fermentación construidos con sensatez y especialmente diseñados fue practicar técnicas de cultivo sumergido para la producción de penicilina, en las que los entornos asépticos, la buena aireación y la agitación eran fundamentales. La planta de disolventes de Distillers Company en Bromborough era el único equipo de aireación necesario para que fuera ideal para la producción de penicilina (Hastings 1971). El 15 de septiembre de 1943, Terre Haute, en los Estados Unidos de América, inició la fabricación a gran escala de penicilina por fermentación profunda, con fermentadores de acero de un volumen de 54 000 dm3 (Callaham 1944).

5.2 Sistemas de fermentación

El fermentador, reconocido como el corazón del proceso de fermentación, soporta numerosas reacciones y actividades. A lo largo de la exploración de la tecnología de fermentación, se involucran tareas como el estudio aguas abajo, aguas arriba y aguas intermedias. Los procesos previos implican la selección de una cepa microbiana distinguida por la síntesis del valor comercial deseado de un producto en particular en la fermentación industrial. Por el contrario, el procesamiento posterior requiere técnicas y métodos apropiados para la recuperación, purificación y caracterización del producto de fermentación deseado en las diferentes etapas que acompañan a la fase de fermentación. Tiene el objetivo principal de recuperar el producto objetivo a los requisitos (operación biológica, pureza) de manera efectiva, reproducible y segura mientras optimiza el rendimiento de recuperación y minimiza los costos (Fig. 5.1) (Gudin y Chaumont 1991; Agrawal et al. 2019; Agrawal y Verma 2020; Bhardwaj et al. 2019; Kumar et al. 2018). La pequeña distinción entre el biorreactor y el fermentador es que el fermentador es para cultivo microbiano y el biorreactor se usa para cultivo masivo de células animales y vegetales (Gaikwad et al. 2018). Los estudios de tecnología de fermentación comprenden esfuerzos significativos de varios campos de bioprocesamiento e ingeniería química, microbiología, bioquímica, genética e incluso física y matemáticas (Chandrashekhar y Rao 2010). El fermentador/biorreactor es un recipiente que ofrece un entorno biomecánico y bioquímico que controla el movimiento de oxígeno, nutrientes a las células y productos metabólicos de la célula. Los recipientes del biorreactor están construidos para usar la actividad del catalizador para lograr la conversión química anticipada (Sharma 2012). Los biorreactores también se conocen como dispositivos de ingeniería diseñados para ayudar a los microorganismos, enzimas, biocatalizadores y células animales y vegetales para la actividad metabólica y el crecimiento óptimo de los organismos. Por ejemplo, al regular el perfil de temperatura de un cultivo, algunas enzimas se desnaturalizan, organizando las rutas metabólicas de las células sobre otras. El fermentador o biorreactor es un recipiente cilíndrico con forma hemisférica en la parte inferior y superior y está construido principalmente de vidrio y acero inoxidable.

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Fig. 5.1 Estrategias aguas arriba, fermentación y aguas abajo

Hasta cierto punto, los biorreactores son distintos de los reactores químicos convencionales. El dispositivo fermentador es suficiente para controlar la contaminación cuando el organismo es menos estable y más susceptible que los productos químicos. Para maximizar la vida útil y preservar la aceptabilidad, el desarrollo del arte natural a la práctica comercial de estos productos necesita una mejora del proceso. La consistencia de los parámetros del producto, el equipo y el control del proceso se mantuvo simple. Generalmente, un sistema aeróbico se alimenta con suficiente sustrato, sales, oxígeno, sólidos en suspensión y agua. Los productos y subproductos de la producción de gas durante el proceso de fermentación necesitan una protección adecuada para seguir. El escalado, las técnicas de control, la construcción y el cálculo típicos, la esterilización, la versatilidad operativa, los sistemas de control de procesos compatibles con los procesos anteriores y posteriores y los procesos antiespumantes son consideraciones relacionadas con las especificaciones de los atributos de diseño del fermentador (Sharma 2012).

5.2.1 Funciones del fermentador

El objetivo principal es proporcionar un entorno regulado para obtener el producto deseado para cultivar microorganismos o células animales. Hay algunos criterios a considerar en el diseño y construcción de un fermentador:

1. Un buque debe trabajar asépticamente durante algunos días con condiciones estables y cumplir con las especificaciones de la legislación de contención para servicio a largo plazo.
2. Los requerimientos metabólicos, la aireación adecuada y la agitación de los microorganismos son importantes. Sin embargo, la mezcla no daña el organismo.
3. El consumo de energía debe ser el mínimo posible.
4. Debe haber un esquema para el control de la temperatura.
5. Se requiere control de pH.
6. Se necesitan instalaciones de muestreo.
7. Pérdidas por evaporación en la planta.
8. En servicio, cosecha, limpieza y reparación, la embarcación debe construirse para hacer un uso mínimo de mano de obra.
9. Preferiblemente, el recipiente debe ser apropiado para varios procesos, pero esto puede estar limitado debido a las normas de contención.
10.  El diseño del recipiente con superficies internas uniformes, siempre que sea posible, utilizando soldaduras en lugar de juntas de brida.
11.  La geometría del recipiente en la planta piloto debe ser idéntica a la de los recipientes o instalaciones más pequeños y más grandes para promover la ampliación.
12. Utilice el material más barato para obtener mejores resultados.
13.  Deben existir arreglos de servicio adecuados para las plantas individuales.

5.3 Partes del Fermentador

El diseño del fermentador requiere una eficiencia mejorada y la autenticación de los parámetros deseados con un producto de alta calidad a bajo costo. La estrategia y el modo de operación del fermentador se enfocan en la producción de microorganismos, el costo del producto, la condición requerida para el desarrollo anticipado del producto y la escala de producción. El fermentador exitoso tiene un efecto beneficioso sobre la reacción biológica y evita la contaminación desde el exterior. Las consideraciones esenciales que deben tenerse en cuenta en los gastos de capital y los costos de operación de la fermentación son la mezcla adecuada, las velocidades de cizallamiento uniformes y las condiciones monosépticas que deben conservarse durante el proceso de fermentación. La aireación del cultivo se logra mediante uno de los siguientes enfoques: aumento de la presión ambiental o aumento de la presión de oxígeno limitada y rociado directo, aireación indirecta y de membrana, o aireación de perfusión media (Eibl y Eibl 2008). La empresa del biorreactor debe controlar el pH, la temperatura, la tensión de oxígeno, la característica aséptica y el esfuerzo cortante. Varios aspectos del proceso biotecnológico requieren un cuidado especial en el diseño del biorreactor (Narendranathan 1986). Las condiciones del biorreactor, como el pH, la temperatura, la velocidad de agitación, el nivel de oxígeno disuelto, el desarrollo de espuma, las bajas tasas de gas, etc., son esenciales para regular y seguir de cerca (Chen y Hu 2006). La Figura 5.2 ilustra las partes de un fermentador básico a escala de laboratorio.

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