viernes, 3 de diciembre de 2010

Partes de un fermentador:

  • motor de agitador.cojinete y soporte del eje.
  • mecanismo reductor de la velocidad.
  • mezclador (agitador).
  • entrada de aire.
  • válvula de muestreo.
  • salida de aire.
  • válvula de desviación de aire.
  • sello del eje.
  • marilla con luz.
  • agujero del hombre con mirilla.
  • eje del agitador.
  • paleta para romper la espuma.
  • salida de agua de enfriamiento.
  • placa desviadora.
  • serpentines de enfriamiento.
  • rociado.
  • entrada de agua de enfriamiento.
  • salida.
TIPOS DE FERMENTADORES.

  1. Fermentador discontinuo.
Puede considerarse como un "sistema cerrado". Al inicio se añade la solución esterilizada de nutrientes y se inocula con el microorganismo, permitiendo que se lleve a cabo la incubación en condiciones óptimas de fermentación. A lo largo de la fermentación no se añade nada, excepto oxígeno (formado de aire), un agente antiespumante y ácidos o bases para controlar el pH. Los cambios son observados en 4 fases típicas de crecimiento: fase de latencia, fase logarítmica, fase estacionaria y fase de muerte.


En procesos comerciales la fermentación es interrumpida al final de la fase logarítmica (metabolitos primarios) o antes de que comience la fase de muerte (metabolitos secundarios).


       2.Fermentación alimentada (fed-batch).
Una mejora del proceso cerrado discontinuo es la fermentación alimentada que se utiliza en la producción de sustancias como la penicilina. Los sustratos se añaden escalonadamente a medida que progresa la fermentación. La formación de muchos metabolitos secundarios está sometida a presión catabólica (efecto glucosa). Por esta razón en el método alimentado los elementos críticos de la solución de nutrientes se añaden en pequeñas concentraciones al principio y continúan añadiéndose a pequeñas dosis durante la fase de producción.



        3.Fermentación continua.
Se establece en un sistema abierto. La solución nutritiva estéril se añade continuamente al biorreactor y una cantidad equivalente de solución utilizada de los nutrientes, con los microorganismos, se saca simultáneamente  del sistema.
Objetivo fundamental de la industria de las fermentaciones es minimizar costos e incrementar los vendimientos. Puede alcanzarse si se desarrolla el tipo de fermentación más adecuado para cada paso. Los procesos de fermentación continua no se utilizan en forma general en la industria debido al mayor nivel de experiencia que se tiene en el crecimiento de células en fermentación discontinua, el costo de producción de biomasa continuo es potencialmente inferior al de cultivo continuo.


Muchas fermentaciones funcionan bien como procesos continuos, sólo pocos procesos han resultado útiles para la aplicación por varias razones:

  • muchos métodos de laboratorio operan continuamente durante solamente 20 a 200 horas.
  • mantener las condiciones estériles a escala industrial a lo largo de un período de tiempo es difícil.
  • cuando se utilizan cepas de alto vendimiento se producen mutantes degenerados, los cuales pueden crecer en cultivo continuo.
      4.Reactores de enzimas o células inmovilizadas.


Consiste en pasar el medio fresco a través de un biorreactor en el que por diversas técnicas hemos inmovilizado células (o enzimas). Se producen las transformaciones bioquímicas que deseamos y recuperamos el producto transformado tras su paso por la columna.


Existen 3 métodos de inmovilizar las células:

  1. asociación física mediante resinas de intercambio ionico. La unión se puede romper fácilmente. 
  2. unión covalente mediante glutaraldehido, tolueno, di-isocianato, iodo acetil celulosa. Unión fuerte aunque inactivación.
  3. atrapamiento mediante colágeno, gelatina, agar, alginatos, poliacrilamina, poliestireno. Es el métoso más utilizado en inmovilización de células.


AGITACIÓN


Aireación y mezclado.
El aire estéril se introduce por la base del tanque normalmente por un anillo pulverizador y el dispersado eficazmente a través del medio por la acción del sistema de agitación.
Transferencia de masa.
En este intercambio, cada nutriente o metabolito experimenta diversas fases pudiendo encontrarse en forma de sólido, líquido o gas.
Los fermentadores mas ampliamente utilizados están provistos de mecanismos de agitación, dispersión y aireación, de sistemas para control de pH, temperatura y formación de espuma.


La agitación  es la operación que crea o que acelera el contacto entre dos o varias fases. Objetivo es mezclar el caldo de fermentación para obtener una suspensión uniforme que se logra acelerando las velocidades de transferencia de masa y calor (energía).


Fermentación microbiana puede ser considerada como un sistema de tres fases:

  • Fase líquida contiene sales disueltas, sustratos y metabolitos; en algunos casos existe una segunda fase líquida.
  • Fase sólida consiste en células individuales, volitas de micelio, sustratos solubles o productos del metabolismo que precipitan.
  • Fase gaseosa proporciona un reservorio para el suministro de oxígeno, ajustar el pH con amonio gaseoso.
Una adecuada agitación es esencial para la fermentación ya que produce los siguientes efectos:

  1. dispersión de aire en la solución de nutrientes.
  2. homogeneización, para igualar la temperatura, ph, concentración de nutrientes.
  3. suspensión de los microorganismos de nutrientes sólidos.
  4. dispersión de los líquidos inmicibles.
Cuando mayor sea la agitación, mejor será el crecimiento. La agitación excesiva puede romper las células grandes e incrementar la temperatura ocasiona un descenso en la viabilidad celular.


Diferentes tipos de agitación que se utilizan en las fermentaciones:

  1. Agitadores rotativos, tienen un sistema interno mecánico de agitación.
  2. Columnas de burbujas, se realiza mediante la introducción de aire a sobrepresión.
  3. Sistema aero-elevado (airlift), puede tener un circuito interno o externo.
De estos tres tipos el más utilizado es el primero ya que es más flexible en condiciones de operación.


FACTORES FÍSICO-QUÍMICOS QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO DE LAS FERMENTACIONES INDUSTRIALES.


Oxigeno
Es el sustrato gaseoso más importante para el metabolismo microbiano y el anhídrido carbónico producto metabólico mas importante. El suministro se logra pulverizando aire en el fermentador durante el proceso. La ley de Henry describe la solubilidad del oxígeno en soluciones de nutrientes en relaciones a la presión parcial del oxígeno en la fase gaseosa.
A medida que aumenta la concentración de oxígeno en la fase gaseosa, aumenta la proporción de oxígeno en la solución de nutrientes. A medida que aumenta la temperatura desciende la solubilidad del oxígeno.


Una vez disuelto el oxígeno éste tiene que transferirse desde la burbuja de gas a cada célula individual. Deben ser superadas varias resistencias parciales independientes:

  • la resistencia dentro de la película de gas  a la intefase.
  • penetración de la interfase entre la burbuja de gas y el líquido.
  • transferencia desde la interfase al líquido.movimientos dentro de la solución de nutrientes.
  • transferencia a la superficie de la célula. 
Definición de KLA.
Coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (H-1). Ha sido analizado como parámetro crítico para el funcionamiento del biorreactor. Depende del diámetro, capacidad, potencia, sistema de aireación del biorreactor y la densidad, viscosidad, descomposición de nutrientes, la estructura de microorganismos, agente antiespumante utilizado y la temperatura. 


Temperatura.
Parámetro esencial para el éxito de una fermentación. Los microorganismos que crecen a una temperatura inferior a la óptima tiene retardado su crecimiento y reducida la producción celular. Si la temperatura es demasiada lata, pero no letal, ocasiona una disminución en el vendimiento de los productos proteicos.


pH.
La mayor parte de los microorganismos crecen óptimamente entre pH 5.5 y 8.5. Crecimiento en un fermentador, los metabolitos celulares son liberados al medio, lo que puede originar un cambio de pH del medio de cultivo. Controlar el pH del medio de cultivo y añadir un ácido o base cuando se necesite para mantener constante e pH.


SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA, PH Y OXÍGENO DISUELTO.


El fermentador está rodado de un "abrigo" que junto a un sistema de mezclado permite una distribución de temperatura similar en todas las partes del líquido. Un sensor se utiliza para medir la temperatura. El control celular activará  la válvula de vapor en caso de requerirse aumentar la temperatura; en el caso de que se requiera una disminución de temperatura, se activará la válvula que permite el paso de agua fría.
Si el pH es más bajo que el permitido en la lógica de control, el controlador activará la bomba de base introduciendo medio alcalino que permita subir el pH. Si el pH es más alto de lo establecido en el criterio de control, se activará la bomba de ácido y el pH bajará.
Se establece una cantidad mínima de oxígeno disuelto en la cual se activará elementos de control para aumentar la cantidad de oxígeno presente en el medio. Estos elementos pueden ser compresores o válvulas de aire. También estos sistemas pueden aumentar la velocidad de agitación.


Agitación de suspensiones de partículas de baja viscosidad.


Hay gran cantidad de funciones de procesamiento que se llevan acabo en recipientes agitados mediante impulsores giratorios, algunos son: a) mezcla de líquidos miscibles, b)puesta en contacto o dispersión de líquidos no miscibles, c) dispersión de un gas en un líquido, d) fomento de la transferencia de calor entre el líquido agitado y una superficie de intercambio de calor, e) suspensión o dispersión de partículas sólidas en un líquido para producir uniformidad, fomentar la transferencia de masa, f) reducir el tamaño de partículas aglomeradas.


Equipos de mezclado.
La clasificación depende del ángulo que forman las aspas con el plano de rotación del impulsor:

  • Impulsores de flujo axial.- todos los que tienen aspas que forman un ángulo de menos de 90° con el plano de rotación las hélices y las ruedas de paleta o turbinas de aspas inclinadas, son representativas de estos impulsores.
  • Impulsores de flujo radial.- tienen aspas  paralelas al eje de la flecha motriz. Los más pequeños de aspas múltiples, se conocen como "turbinas".
  • Agitadores de claro cerrado.- para algunos sistemas de fluidos seudo plástico, se puede encontrar fluido estancado cerca de las paredes del recipiente, en zonas alejadas de las hélices.
El hecho de que se produzca un movimiento axial o radial importante del fluido depende de la viscosidad de este último y el diseño de los radios que soportan a las aspas superiores.

  • Tanques sin desviadores.- si se agita en líquido de baja viscosidad en un tanque sin desviadores (o bafles) mediante un agitador montado en forma axial, habrá tendencia a que se desarrolle en patrón de flujo de remolino, sea cual sea el tipo de impulsor que se utilice.
  • Tanques con desviadores.- para la agitación vigorosa de suspensiones delgadas se instalan desviadores (o bafles) en los tanques, que son bandas planas verticales, colocadas radialmente a lo largo de la pared del tanque. Casi siempre son adecuados 4 desviadores.
Comportamiento de los fluidos en recipientes mezclados.
Relación entre el movimiento del fluido y el rendimiento del proceso: durante el movimiento del fluido se producen varios fenómenos que se pueden utilizar para fermentar varios objetivos de procesamiento.

  1. Se desarrollan esfuerzos cortantes en un fluido cuando una capa de él se desplaza con mayor o menor rapidez que otra capa adyacente o una superficie sólida. El esfuerzo cortante en el fluido es mucho mayor ceca del impulsor  que junto a la pared del tanque. La diferencia  es más grande en los tanques de mayor tamaño que en los pequeños.
  2. Se desarrollan fuerzas de inercia cuando un fluido cambia de dirección o de velocidad. Con flujo turbulento, las fuerzas de inercia son mayores que la de viscosidad. Las fuerzas que actúan sobre las aspas de los impulsores fluctúan de manera aleatoria, en relación con la escala y la intensidad de la turbulencia en el impulsor.
  3. El área interfacial entre gases y líquidos, líquidos inmiscibles y sólidos y líquidos, se puede ampliar o reducir mediante esas fuerzas de viscosidad y de inercia cuando interactúan con fuerzas interfaciales .
  4. Las diferencias de concentración y temperatura se reducen mediante el flujo masivo o circulación volumétrica dentro del recipiente. Las regiones de fluido de diferente composición o temperatura se reducen en espesor mediante el movimiento masivo.





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