sábado, 4 de diciembre de 2010

Esterilización del aire de fermentación.


Los métodos existen para la esterilización de los gases incluyendo la filtración, inyección de gas lozonol, depuración de gas, radiación (UV) y calor. De todos estos, solamente la filtración y el calor son prácticos a escala industrial.
Los requisitos de un sistema de filtración para la esterilización del aire deben ser:

  • el sistema debe ser de diseño sencillo.
  • su operación debe ser barata.
  • debe ser estable y resistente a varias esterilizaciones de vapor.
  • debe adicionar el aire ajustando temperatura y humedad.


El cultivo de los microorganismos.


Es el procedimiento mediante el cual se promueve el crecimiento de los microorganismos, éste se logra proporcionándoles las condiciones ambientales adecuadas: nutrientes, pH, temperatura y aireación.

  • Nutrición.
El aprovechamiento de nutrientes para el crecimiento de un organismo se denomina nutrición.


Fuentes de carbono.
Todos los microorganismos requieren una fuente de carbono para realizar la síntesis de los númerosos compuestos orgánicos que contribuyen el protoplasma. Otros organismos emplean también como fuente d carbono los compuestos orgánicos energéticos.


Fuente de nitrógeno.
Muchos de los contribuyentes celulares, esencialmente las proteínas contienen nitrógeno; en las bacterias, el nitrógeno representa aproximadamente el 10% de las células en peso seco.


Minerales.
Las células vivas requieren para su crecimiento otros minerales:

  • Azufre.- es un constituyente de muchas sustancias orgánicas celulares, la mayor parte se encuentra en forma de grupos sulhidrilo (-SH) en las proteínas.
  • Fósforo.- se requiere como un componente del ATP, de los ácidos nucleicos y de enzimas tales como la NAD, NADP y flauninas.
  • Activadores enzimaticos.- númerosos minerales son necesarios como activadores enzimáticos. Para el crecimiento se requieren muchos otros minerales en cantidades muy pequeñas, y de ahí se infiere que actúan como activadores enzimáticos. 
  • Factores de crecimiento.- es un compuesto orgánicoque una célula debe contener para poder crecer, pero el cual dicha célula es incapaz de sintetizar. Son capaces de sintetizar todos los constituyentes orgánicos de su complejo protoplasma, incluyendo aminoácidos (las subunidades de proteínas), vitaminas (para las coenzimas), purinas y pirimidinas (componentes de los ácidos nucleicos), ácidos grasos (componentes de las grasas y los lípidos) y varios otros compuestos.

Factores ambientales que afectan el crecimiento.

Un medio de crecimiento adecuado debe contener todos los nutrientes necesarios y deben controlarse cuidadosamente factores tales como el pH, la temperatura, y la aireación.
Se emplea un medio líquido; pero esté puede ser sólidicado cuando es necesario mediante una adición de agar o gel de sílise. Es particularmente adecuado para el medio de cultivo microbiano debido a que en general resiste la actividad de éstos, así como su propiedad de disolverse a 100° C pero de no gelificar hasta que se ha enfriado por debajo de 45° C y después enfriar éste hasta obtener un gel sin dañar a las células.

Nutrientes.
En general deben aplicarse las siguientes sustancias: 1) aseptores y donadores de hidrógeno: aproximadamente 1g/lt. 2) fuente de carbono: aproximadamente 1g/lt. 3) fuente de nitrógeno: aproximadamente 1g/lt. 4) minerales: azufre y fósforo, aproximadamente 50 mg/lt, de cada uno. 5) factores de crecimiento: aminoácidos, purínas, pirimidinas, aproximadamente 50 mg/lt, de cada uno; vitaminas de 0.1 mg/lt de cada una.
Para mucho microorganismos, un solo compuesto ( tal como el aminoácido) puede servir como fuente de energía, fuente de carbono y fuente de nitrógeno.

Concentración de iones hidrógeno (pH).
La mayoría de los orgánismos tienen un límite óptimo de pH bastante estrecho. Debe determinarse empíricamente el óptimo de pH  para cualquier especie de cada caso.


Temperatura.
Las formas psícrofílicas crecen mejor a temperaturas bajas (15-20°C). Las formas mesolifícas  crecen mejor entre 30-37°C, mientras que las termofílicas crecen mejor entre 50-60°C.




Métodos de cultivo.
Serán considerados dos problemas: la elección de un medio adecuado y el aíslamiento de un organismo bacteriano en un cultivo puro.


El medio.
La técnica usada y el tipo de medio seleccionado depende de la naturaleza de la investigación. 

  1. Crecimiento celular de una especie dada: puede resultar sumamente difícil el hacer que  microorganismos a los que microscópicamente se observa  creciendo en un medio ambiente natural, crezcan en un cultivo puro en un ambiente artificial.
  2. Examen microbiólogico de materiales naturales: un material natural dado puede contener muchos microambientes diferentes, proporcionando cada uno un nicho para diversas especies. Lo práctico es sembrar muestras del material en placas de tantos medios y condiciones de incubación diferentes como sea posible.
  3. Aislamiento de un tipo particular de microorganismos: si una pequeña de suelo es manipulada con propiedad, proporcionará al investigador tantos tipos diferentes de organismos como microambientes.
El medio líquido se emplea para permitir la competencia por tanto la selección óptima, aun cuando el tipo deseado está representado en el suelo únicamente  por unas cuantas células  en una población de millones. E l cultivo de enriquecimiento es un procedimiento mediante el cual el medio se prepara en tal forma de que se reproduzca el medio ambiente  natural ("nicho") del microorganismo deseado, con lo cual selecciona.
Cuando se busca un tipo partícula de microorganismo en un material natural, es provechoso sembrar los organismos en placas de medio diferencial si es que se cuenta con alguno. Un medio diferencial es aquel que hará que las colonias de un tipo particular de organismo tenga una apariencia distintiva.


Aislamiento de microorganismos en cultivo puro.
Debe aislarse una sola célula de todas las demás y ser cultivada de tal manera que su progenie colectiva también permanezca aislada. Para este objetivo se cuenta con varios métodos:

  • Sembrado en placa: a diferencia de las bacterias que crecen en un medio líquido, las células bacterianas que crecen sobre o dentro de medios sólidos, se encuentran inmóviles. En el método de vaciado en placas se mezcla una suspensión de células con gelosa simple fundida a 45°C y se vacía en una caja Petri; cuando el agar se solidifica, las células se inmovilizan en esté y crecen dando colonias.

viernes, 3 de diciembre de 2010

PREPARACIÓN DE MEDIOS DE CULTIVO


El crecimiento de microorganismos, su multiplicación implica que necesitan duplicar su material celular, estas utilizan elementos químicos que provienen del medio ambiente para tensformarlos en constituyentes característicos que la componen.
Cuando los microorganismos se separan de donde adquieren nutrientes y se cultivan en laboratorios o industrias, se deben usar medios que contengan elementos químicos necesarios para su crecimiento.
Un medio de cultivo es una solución acuosa que contiene nutrientes apropiados para el crecimiento óptimo de un microorganismo.
Nutrientes que requiere una célula para su crecimiento (duplicación) vendrán determinados por la composición de las células. Se clasifican en 4 grupos:

  1. Macronutrientes: son requeridos en grandes cantidades tales como el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno.
  2. Micronutrientes: son requeridos en pequeñas cantidades tales como fósforo, potasio, azufra, magnesio.
  3. Vitaminas y minerales.
  4. Elementos taza: hierro, zinc, cobre, manganeso, molibdeno, cobalto.
Los medios utilizados en el cultivo de microorganismos contiene todos los elementos en forma adecuada para síntesis de material celular y producción de productos metabólicos.


Los medios químicamente definidos se preparan adicionando cantidades precisas de sustancias orgánicas o inorgánica puras al agua destilada, se conoce la composición química exacta de un medio definido.
Los medios complejos emplean extractos de sustancias altamente nutritivas aunque químicamente indefinidas, una desventaja importante del uso de medios complejos es la pérdida de control sobre las especificaciones precisas de nutrientes del medio. La composición de los medios debe ser constantemente adaptada al proceso de fermentación.
Los medios de cultivo se pueden preparar para ser usados en estado líquido, o en estado gel (semi-sólido). Un medio de cultivo líquido es convertido en el estado semi-sólido si se le añade un agente gelificante. El agar es el agente gelificante de mayor uso. Se fabrica a partir de algas marinas y no es nutriente para la mayoria de microorganismos.
Los micronutrientes (oligoelementos) casos especiales en preparación de medios. La mayor parte de los minerales se requieren en cantidades sumamente pequeñas, en medios químicamente definidos se adicionan en pequeñas cantidades a partir de una solución madre que contiene mezcla de metales y minerales.


MATERIAS PRIMAS EMPLEADAS EN FERMENTACIONES INDUSTRIALES.



  1. Fuente de carbono.
Los carbohidratos son tradicionalmente las fuentes de carbono utilizados en ola industria de la fermentación. La glucosa o la sacarosa puras rara vez son utilizadas como única fuente de carbono, excepto en procesos que exigen un control exacto de la fermentación.

  • Las melazas, subproducto de producción de azúcar, fuentes más baratasde carbohidratos. Contienen sustancias nitrogenadas, vitaminas y elementos taza. Su composición varía dependiendo de la materia prima utilizada para la producción  de azúcar (caña o remolacha) y su calidad depende del origen, condiciones climáticas y proceso de producción.
  • Extracto de malta, un extracto acuoso de la cebada malteada (cabada germinada que produce enzimas que hidrolizan el almidón) es un sustrato excelente para muchos hongos filamentosos, levaduras y actinomicetos. El extracto seco contiene aproximadamente 90-92 % de carbohidratos y está compuesto de hexosas (polímeros de glucosa). Los medios de cultivo que contienen extracto de malta deben ser esterilizados cuidadosamente. Cuando existe sobrecalentamiento se produce la reacción de Miallard debido al bajo pH y la alta proporción de azúcares reductores.
  • La celulosa, está siendo exactamente estudiada como sustrato de fermentación. Producción anual de celulosa es grandisima. Mayor parte de ella existe como residuos en formas tales como paja, residuos de las mazorcas, desechos de la madera y residuos de papel. Frecuentemente no es posible utilizar la celulosa directamente como fuente de carbono, debe ser hidrolizada primero químicamente o enzimáticamente.
  • Los aceites vegetales, como el aceite de soya, el aceite de algodón y el aceite de palma son utilizados como cosustratos, siendo añadidos al medio en el que los carbohidratos proporcionan la principal fuente de energía.
        2.Fuente de nitrogéno

  • El líquido de maceración del maíz, fuente de nitrógeno que es metabolizada eficientemente; se forma durante la producción de almidón a partir de maíz. Este líquido contiene numerosos aminoácidos como alanina, arginina, ácido glutámico, isoleucina, treonina, valina, fenilanina, metionina y cisteína.
  • Los extractos de levadura, son excelentes para muchos microorganismos. Son producidos a partir de levaduras de panadería mediante análisis a 50-55°C. La composición del extracto varía de un lote a otro, parcialmente debido a que los ustratos utilizados para el cultivo de levaduras afectan a la calidad del extracto de levaduras obtenido.
  • Las peptonas (hidrolizados de proteínas) pueden ser utilizadas por muchos microorganismos pero son relativamente caras. Las fuentes de peptona incluyen la carne, caseína, gelatina, queratina, semilla de cacahuate, harina de soya, semillas de algodón y semillas de girasol. La composición varía dependiendo de su origen.
 Esterilización industrial.


La esterilización es el proceso de conseguir la esterilidad, en la que no exiten grados: un objetivo, superficie o sustancia es no esteril. Si es estéril no contiene organismos viables o células presentes y si le protege contra la contaminación, la condición estéril permanecera indefinidamente. La esterilización se define como cualquier método, el cual es capaz de destruir o remover contaminantes microbianos no deseados.


Los procedimientos de stérilización son aplicados para:

  1. asegurar que un proceso sea llevado a cabo solamente con el organismo deseado.
  2. permitir la utilización segura de los microorganismos
  3. evitar contaminación ambiental
  4. impedir el deterior de un producto.
Para poder llevar a cabo una fermentación con éxito es imprescindible y obligatorio tener en todas las etapas cultivos libres de contaminación, desde el cultivo preliminar hasta el fermentador de producción. También se deben esterilizar los aditivos (antiespumantes), sin embargo los ácidos y bases concentrados no es necesario esterilizados. 
Un biorreactor puede ser esterilizados, destruyendo los microorganismos, con algun agente letal como el calor, radiación o un producto químico o bien, separando los organismos viables mediante un procedimiento físico como la filtración.
Durante la fermentación se deben observar dos puntos para asegurar la esterilidad:

  • esterilidad en el medio de cultivo.
  • esterilidad del aire que entra y sale.


Esterilización del medio de cultivo.


El medio nutritivo que se prepara inicialmente contiene una variedad de células vegetativas diferentes y de esporas que proceden de los constituyentes del medio, del agua y del recipiente. Estos microorganismos deben ser eliminados por un procedimiento adecuado antes de la inoculación.
Existen dos tipos de esterilización de medios:

  1. Eliminación física, donde puede utilizar:
  • filtración.
  • centrifugación.
  • flotación.
  • atracción electrostática.
      2. Eliminación por destrucción, donde se puede utilizar:

  • calor húmedo.
  • calor seco.
  • radiación sónica.
  • agentes químicos.
Un conjunto de factores influyen en el éxito de la esterilización por calor: el número y tipo de microorganismos presentes, la composición del medio de cultivo, el valor del pH y el tamaño de las partículas de suspensión.
La esterilización por filtración se utiliza frecuentemente para todos los componentes  de la solución de nutrientes que son sensibles al calor y que serían por tanto desnaturalizados durante el proceso de esterilización por vapor utilizado normalmente en fermentación industrial.
Existen 2 métodos para la esterilización por calor: la esterilización discontinua y la esterilización continua.

  1. Esterilización discontinua.
La mayor parte de los medios de cultivo se esterilizan en volúmenes discontinuos en biorreactores a 121° C. Los tipos de esterilización aproximados pueden ser calculados a partir de la naturaleza del medio y del tamaño del fermentador. Un método de esterilización es inyectar vapor en la camisa del fermentador o en los serpentines interiores. Otro método es inyectar vapor en la propia solución de nutrientes. Con la inyección directa de vapor el condensado se acumula dentro del fermentador y de esta forma de volumenes del líquido aumenta durante el proceso de esterilización.

     2. Esterilización continua.


El calentamiento del medio de cultivo para la esterilización continua puede ser llevado a cabo mediante inyección de vapor o mediante intercambiadores de calor. La esterilización  con inyección de vapor se hace inyectando vapor en la solución de nutrientes. La temperatura se eleva rápidamente a 140° C y se mantiene durante 30-120 segundos.
En el proceso continuo que utiliza intercambiadores de calor, la solución de nutrientes, en el primer intercambio de calor, se precalienta a 90-120 °C durante 20-30 segundos por la solución nutritiva previamente esterilizada que sale. 
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.





jueves, 2 de diciembre de 2010

Diseño y elaboración de un fermentador

Un fermentador es un tanque que nos sirve para que se lleve a cabo reacciones orgánicas, proporcionan un ambiente adecuado para los microorganismos bajo las condiciones requeridas. Debe permitir controlar la temperatura por calor o frío, controlar el pH, rangos de aireación, etc.

Para un buen diseño de fermentador se debe cumplir con dos requisitos fundamentales: mantener un medio homogéneo sin zonas muertas y a la vez transferir oxígeno al medio empleado el mínimo de energía posible.
El diseño de un fermentador, se deben considerar los siguientes aspectos:

  • mezclado y patrones de flujo
  • configuración geométrica y tipo de reactor.
  • transferencia de oxígeno.
  • consumo de energía.
Existen muchos tipos diferentes de fermentadores pero a escala industrial y en operaciones son 4 los tipos principales: el Waldhof, de turbina, de columna burbujeadora. De los cuatro el fermentador de turbina es el más usado.


Generales de biorreactores.


La biotecnología comprende la fermentación y recuperación del producto. Para el cultivo de microorganismos, así como la producción de los metabolitos o enzimas deseads se deben desarrollar procedimientos de fermentación así como el mejoramiento genético de cepas y la regulación del metabolismo mediante la optimación del medio de cultivo; el control de los factores físico-químicos que afectan el rendimiento de las fermentaciones. La recuperación del producto se refiere a la extracción y purificación de los productos biológicos deseados.


Si se quiere llevar a cabo la fermentación a gran escala, se lograría aumentando el tamaño del fermentador y de las partes internas del mismo, pero sería un error ya que no es la misma cantidad de calor generada en un fermentador de 5-10 que en uno de 10-100. De tal manera que el calor generado en este último mataría a los microorganismos.
Un biorreactor es la parte principal de cualquier proceso bioquímico en el cual se emplean sistemas microbianos para la producción de productos biológicos.
Los biorreactores son empleados en las industrias de alimentación  y fermentación, en el tratamiento de residuos y en muchas instalaciones biomédicas.


Los biorreactores usados actualmente para la producción industrial:

  • no agitados sin aireación.
  • con elevación de aire.
  • agitados con aireación.
  • fluidificados.
  • de membrana y fibra hueca.
Los recipientes no agitados son aireación, se usan para los productos tradicionales como el vino, la cerveza y el queso. La síntesis de nuevos productos requiere el crecimiento de microorganismos en recipientes aireados con agitación.
Biorreactor de tanque con agitación: es importante para la aplicación industrial, es el recipiente para la mezcla común que tiene ventaja de bajo costo capital y producción.
Biorreactor con elevación con aire: la falta de un patrón bien definida en un reactor de tanque con aplicación ha conducido a la creación de un reactor basado en el principio de el lazo; y este se divide en 4:

  1. elevación con aire estándar.
  2. elevación con aire wasco.
  3. elevación con aire kaneguch.
  4. elevación con aire legrancois.
Biorreactor fluidificados: las ventajas de un sistema de biorreactor fluidificado son sus características de masa mezclada en calor en energía relativamente baja, velocidades de corte hace al biorreactor adecuado para las células sensibles de animales y plantas.
Biorreactor con micro portador: la idea inicial de cultivar células de mamíferos dependientes de anclaje sobre micro portadores fue considerada por Jan Wezel, amplio vecina, intercambio ionico fragmentado con micro portadores.
Biorreactor de membrana y fibra hueca: se hace creado y probado para el crecimiento de células vegetales y mamíferos, para la inmovilización de bacterias, levaduras y enzimas.


El funcionamiento de cualquier fermentador depende de muchos factores entre los cuales se incluyen:

  • concentración de biomasa, la cual debe permanecer alta.
  • mantenimiento de condiciones estériles.
  • agitación efectiva para la distribución de los sustratos y microorganismos.
  • eliminación de calor.
Criterios más importantes en el diseño de un fermentador:

  1. el tanque debe diseñarse para que funcione asepticamente durante muchos días.
  2. consumo mínimo de energía.
  3. contar con un sistema de control de pH.
  4. sistema de toma de muestra.
  5. sistema adecuado de aireación y agitación para cubrir necesidades metabólicas de microorganismos.
  6. control de temperatura.
  7. evaporación mínima.
  8. debe ser versátil (diversas aplicaciones o procesos).
  9. superficies del tanque internas deben ser lisas.
  10. materiales económicos.
  11. servicio adecuado de repuestos para el fermentador.
  12. tipo de antiespumante.
Las funciones deseados en la fermentación son el contacto gas-líquido, detección de las concentraciones o reactores.
Algunos aspectos importantes en el fermentador:

  • una válvula en el sistema de aire permite la desviación del aire para que la espuma no sea excesiva.
  • se agrega antiespumante cuando el exceso de espuma llega a una probeta electrónica de conductividad.
  • la tubería esta protegida contra la contaminación, mediante el empleo de vapor.
  • peso del contenido del tanque se determina con un balance hidrostático  contra el aire que burbujea a través del rociador.
  • los fluidos se transfieren desde un recipiente a presión.
Objetivo principal al diseñar un fermentador es llevar a cabo las fermentaciones en el menor tiempo posible y al más balo costo posible.


MANÓMETROS


La mayoría de los medidores de presión, o manómetros, miden la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local. Para pequeñas diferencias de presión se emplea un manómetro que consiste en un tubo en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo abierto a la atmósfera. Este manómetro está formado por un tubo hueco de sección ovalada curvado en forma de gancho.
Las presiones bajas en un gas pueden medirse con el llamado dispositivo de Mcleod, que toma un volumen conocido del gas cuya presión se desea medir.


TERMÓMETRO:


Instrumento empleado para medir la temperatura. El termómetro mas utilizado es el de mercurio , formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. Es muy utilizado para medir temperaturas ordinarias, también se emplean otros líquidos como alcohol o éter.


Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico. El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir calor o frialdad relativos y de las observaciones de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición.
Los cambios de temperatura tiene que medirse a partir de otros cambios en las propiedades de una sustancia.  El termómetro mide la dilatación de una columna de mercurio en un capilar de vidrio, ya que el cambio de longitud de la columna esta relacionado con el cambio de temperatura.


INDICADOR DE pH 


Termino que indica la concentración de iones hidrógeno en una disolución. Se trata de una medida de la acidez de la disolución. El termino se define como el logaritmo de la concentración de iones hidrógeno.
El pH de una disolución puede medirse mediante una valoración, que consiste en la neutralización del ácido (o base) con una cantidad determinada de base (o ácido) de concentración conocida, en presencia de un indicador con compuesto cuyo color varia con el pH. También se puede determinar midiendo el potencial eléctrico que se origina en ciertos electrodos especiales sumergidos en la disolución.


VÁLVULAS


Se puede definir como un aparato con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquido o gases mediante una movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.
Son uno de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases.
La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una sección determinada de un conductor. Caudal es el flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección determinada del conductor en la unidad de tiempo.


CLASIFICACIÓN DE VÁLVULAS


La mayoría de los diseños podrían ser considerados como modificaciones de los dos tipos básicos:

  1. tipo de compuerta
  2. tipo globo o esfera (retención)
Las válvulas tipo compuerta son de baja resistencia y las de globo son de alta resistencia. Otra forma de clasificar las válvulas sería considerando la manera de producir el cierre.
                        
  a ) válvulas de asiento: con movimiento de rotación y con movimiento rectilíneo.
  b) válvulas de desplazamiento: a rotación, robinetes, llaves y a translación, válvulas de compuerta.
  c) válvulas de mariposa.



Si nos fijamos en el sistema de accionamiento tendríamos:

  1. válvula de asiento con disco normal.
  2. válvula de asiento con disco del tapón.
  3. válvula de asiento con disco metálico.
  4. válvula de asiento con disco de aguja.
  5. válvula de asiento con guías.
Válvula de control.
La válvula automática de control y generalmente constituye el último elemento en un lazo de control. La válvula de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz o actuador y el cuerpo.
Acuador: también accionador o motor, puede ser neumático, eléctico o hidráulica, pero los más utilizados son los dos primeros.
Cuerpo de la válvula: provisto de un obturador o tapón, los asientos del mismo y una de accesorios la unión entre válvula y tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma.


Válvulas de compuerta.
Es de vuelta múltiple, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento.
Recomendada para:

  1.  servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación.
  2. para uso poco frecuente
  3. para resitencia mínima a la circulación.
  4. para mínimas cantidades de fluido o líquido atrapado en la tubería.
Ventajas:
Alta capacidad.
Cierre hermético.