Tipos de fermentadores- 9.1 DEFINICIÓN DE UN FERMENTOR

9.1 DEFINICIÓN DE UN FERMENTOR

Un fermentador (o fermentador) es un recipiente para el crecimiento de microorganismos que, si bien no permite la contaminación, permite proporcionar las condiciones necesarias para la producción máxima de los productos deseados. En otras palabras, el fermentador idealmente debería permitir proporcionar al organismo que crece dentro de él un pH óptimo, temperatura, oxígeno y otras condiciones ambientales. En la industria química, los recipientes en los que se producen reacciones se denominan reactores. Por lo tanto, los fermentadores son también conocidos como biorreactores.

Los fermentadores pueden ser líquidos, también conocidos como sumergidos o sólidos, también conocidos como superficie. La mayoría de los fermentadores utilizados en la industria son del tipo sumergido, porque el fermentador sumergido ahorra espacio y es más susceptible al control y diseño de ingeniería. Las discusiones en la mayor parte del capítulo serán, por tanto, estar en fermentadores sumergidas; Los fermentadores de estado sólido se discutirán al final del capítulo.

Dependiendo del propósito, un fermentador puede ser tan pequeño como 1 litro o hasta aproximadamente 20 litros en fermentadores a escala de laboratorio y oscilar entre 100.000 litros a 500.000 litros (aproximadamente 25.000 - 125.000 galones) para fermentadores de fábrica o de producción. Entre estos extremos se encuentran fermentadores pilotos, los cuales serán discutidos más adelante en este capítulo. Debe tenerse en cuenta que mientras que el tamaño del fermentador se mide por el volumen total, solamente se utiliza aproximadamente el 75% del volumen para la fermentación real, quedando el resto para la espuma y los gases de escape. Se conocen varios tipos de fermentadores y se pueden agrupar en Varias formas: forma o configuración, ya sea aireada o anaeróbica y si son discontinuas o continuas. El tipo de fermentador más comúnmente utilizado es el fermentador por lote agitado de tanque agitado. Tan ampliamente utilizado es este tipo que a menos que se califique específicamente, la palabra fermentador por lo general se refiere a la Aerated Stirred Tank Batch Fermentor. Este tipo se discutirá al principio del capítulo. Otros tipos serán discutidos más adelante. También se discutirán diferencias importantes entre este y otros tipos de fermentadores en la configuración y operación.

La construcción y el diseño de un fermentador son la provincia del ingeniero y sólo lo suficiente como ayudará al biotecnólogo y microbiólogo a entender y utilizarlo de manera eficiente será discutido.

9.2 EL FERMENTOR DE LOTE DE TANQUE SATURADO AERADO

Un fermentador típico de este tipo (Fig. 9.1) es un depósito cilíndrico cerrado vertical equipado con cuatro o más deflectores unidos al lado de la pared, una camisa o bobina de agua para calentar y / o enfriar, un dispositivo para la aireación forzada Como rociador), un agitador mecánico que por lo general lleva un par o más impulsores, medios de introducción de organismos y nutrientes y de toma de muestras, y salidas para gases de escape. Los fermentadores modernos son altamente automatizados y usualmente tienen medios para monitorear, controlar o registrar continuamente el pH, el potencial de oxidación-reducción, el oxígeno disuelto, el O2 y el CO2 del efluente, y los componentes químicos del caldo de fermentación (o cerveza de fermentación) extraído). Sin embargo, el fermentador no necesita tener todos estos gadgets y muchas actividades automatizadas también pueden ser procesados manualmente. Es importante que el tipo de fermentación requerido sea claramente

Fermentador está siendo planificado; Un fermentador es costoso y una vez instalado puede ser

Innecesariamente costoso para remodificarlo drásticamente. Además, debido a su gasto, se espera que un fermentador permita a la organización recuperar el desembolso hecho en él al estar en uso durante un período de tiempo razonablemente largo. Por lo tanto, puede ser aconsejable que los pequeños establecimientos establezcan fermentadores de uso general como se ha descrito anteriormente, con la previsión, si no para la instalación real, de tantos componentes que puedan ser necesarios en el futuro.

9.2.1 Materiales de construcción para fermentadores

Un simple fermentador por lotes puede consistir en un tanque abierto de madera, hormigón o acero al carbono si la contaminación no es un problema grave y siempre que no haya necesidad de un estricto control del pH y temperatura o que la temperatura se controle en el edificio. Así, muchas cervecerías, particularmente aquellas que fabricaban cervezas fermentadas durante muchos años, tenían fermentadores abiertos. Aunque no es la práctica, las levaduras de alimentación para el consumo de animales de granja también pueden crecer en fermentadores abiertos. La contaminación grave está restringida debido a la acidez del medio utilizado habitualmente. Sin embargo, para las fermentaciones con estrictos requisitos de esterilidad y las necesidades medioambientales estrechamente controladas, como en la industria de los antibióticos, es necesario un material que pueda soportar la esterilización con vapor regular. Además, la presión hidrostática de un gran volumen de líquido puede ser enorme. Por lo tanto, el acero inoxidable se utiliza normalmente para fermentadores piloto y de producción. Los fermentadores a escala de laboratorio se hacen generalmente del vidrio de Pyrex para permitir el autoclave.

Cuando se fermenta un material altamente corrosivo, por ejemplo  Ácido cítrico, el fermentador debe ser hecho de acero inoxidable. Es inevitable que pequeñas cantidades del material del que se hace el fermentador se disuelvan en el medio. Algunos materiales, por ejemplo, hierro pueden inhibir la productividad de organismos en ciertas fermentaciones. Es por esta razón que los fermentadores de acero al carbono están a menudo revestidos con vidrio, o materiales "de plástico", p. Un revestimiento de fenolicepoxi. El material utilizado para el revestimiento depende de la abrasión esperada en la pared del fermentador por componentes medios. El revestimiento de vidrio se emplea sólo para fermentadores pequeños debido al alto costo y la posibilidad de rotura.

Para evitar la contaminación, los vasos de fermentación de todo tipo deben ser de construcción soldada. Las soldaduras deben estar libres de puntos donde los organismos pueden desarrollarse en trozos pequeños de medios viejos y protegidos de la esterilización. Las entradas y salidas de unión del fermentador deben estar diseñadas para proporcionar superficies lisas y eliminar bolsas difíciles de esterilizar. Si se utilizan juntas en las juntas, éstas deben ser no porosas.

9.2.2 Aireación y agitación en un fermentador

El oxígeno es esencial para el crecimiento y el rendimiento de los metabolitos en los organismos aeróbicos. En aquellas fermentaciones donde se utilizan organismos aerobios, el suministro de oxıgeno es por lo tanto crıtico. Para que el oxígeno sea absorbido por los microorganismos, debe ser disuelto en solución acuosa junto con los nutrientes. Desafortunadamente no sólo el aire contiene normalmente sólo el 20% de oxígeno, sino que el oxígeno es también altamente insoluble en agua. Por ejemplo, a 20 ° C, el agua contiene sólo nueve partes por millón de oxígeno. Además, cuanta más alta es la temperatura, menos oxígeno (y otros gases) puede contener el agua. Para algunas fermentaciones altamente aerobias tales como el crecimiento de la levadura o la producción de ácido cítrico, el oxígeno es tan crítico que incluso si el caldo estaba completamente saturado con oxígeno, sólo contendría una fuente de 15 segundos para los organismos. En otras fermentaciones, el requisito de aireación no tiene que ser tan intenso, sino que debe presentarse a los organismos a un nivel controlado. Lo anterior habría demostrado que el control del oxígeno en las fermentaciones industriales es tan importante como el pH, la temperatura y otros controles ambientales.

El aire utilizado en la mayor parte de la fermentación es estéril y se produce tal como se ha discutido en el capítulo 11. Sin embargo, en algunas fermentaciones en las que no es necesaria la esterilidad como en la fermentación de levadura, el aire es simplemente fregado pasándolo a través de glicerol. El aire utilizado en la fermentación, ya sea estéril o no, se fuerza bajo presión en el fondo del fermentador justo debajo del impulsor más bajo el aire entra a través de un atomizador que es un tubo con agujeros finos. Cuantos más pequeños sean los agujeros, más finas serán las burbujas y más eficaz será el suministro de oxígeno a los microorganismos. Sin embargo, si los orificios son demasiado pequeños, se requerirá una mayor presión para forzar el paso del aire, con el consecuente mayor consumo de energía y por lo tanto de costes. Un equilibrio debe ser golpeado entre los agujeros anchos que se pueden tapar y los agujeros bastante pequeños liberar burbujas finas. Pueden ocurrir obstrucciones por hifas de hongos filamentosos o por otras partículas en el medio. Por lo general, los agujeros de aproximadamente 0,25-3,0 cm de diámetro cumplen este compromiso. Dado que el tamaño de los orificios es fijo, la cantidad de oxígeno introducido en el medio (usualmente medido en pies / seg) puede controlarse alterando la presión del aire entrante.

Para muchas fermentaciones especialmente donde están implicados hongos filamentosos y actinomicetos, o el caldo es viscoso, es necesario agitar el medio con la ayuda de impulsores. En las operaciones a gran escala, donde la aireación es mantenida por enjambres de pequeñas burbujas de aire flotando a través del medio, el costo es muy alto y por esta razón la aireación cuidadosa se hace sobre la base de cálculos matemáticos realizados por ingenieros químicos.

Los agitadores con sus impulsores unidos sirven una serie de extremos. Ayudan a distribuir el aire entrante como burbujas finas, mezclan los organismos uniformemente, crean turbulencia local, así como aseguran una temperatura uniforme. El número óptimo y la disposición de los impulsores tienen que ser elaborados por los ingenieros utilizando la información de los experimentos de plantas piloto. La viscosidad del caldo afecta la eficacia de los impulsores. Puesto que la viscosidad del caldo puede alterarse a medida que la fermentación prosigue, se debe elaborar un compromiso satisfactorio de tamaño, forma y número de impulsores. En los fermentadores sin bordes se vierte un vórtice o una pirámide invertida de formas líquidas y líquido sobre el lado del fermentador. El resultado es que el sedimento de las partículas más pesadas y la agitación completa no se logra. La inserción de deflectores ayuda a eliminar la formación de un vórtice e interfiere con el lanzamiento hacia arriba del líquido contra el lado del fermentador. Un efecto similar se puede observar agitando una taza de café o agua rápidamente con el mango de una cuchara e insertando el mango de la cuchara a continuación a lo largo del lado de la copa. Si los cuatro extremos de la cuchara se atascan simultáneamente en la taza de té (!), La mezcla efectiva del líquido se puede visualizar fácilmente. El uso de deflectores asegura así no sólo una mezcla más completa del nutriente y del aire, sino también la disolución de las burbujas de aire. Para comprender la importancia de las burbujas finas, es importante apreciar las diversas barreras a través de las cuales el oxígeno debe pasar teóricamente antes de llegar al organismo en el modelo de gas de dos películas que se utiliza comúnmente (Fig. 9.2).

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