En los procesos convencionales que acavamos de describir, todos los sustratos se añaden al principio de la fermentacion. Una mejora del proceso cerrado discontinuo es la fermentacion alimentada que se utiliza en la produccion de susutancias como la penicilina. Los sustratos se añaden escalonadamente a medida que progesa la fermentacion. En metodo alimentado y continian añidiendose a pequeñas dosis durante la fase de produccion.
3.-Fermentacion contunua.
Seestablece un sistema abierto. La solucion nutritiva esteril se añade continuamente al biorreactor y una cantida equibalente de solucion utilizada de los nutrientes con los microorganismos, se saca simultaneamente del sistema.
El objetivo fundamental de la idustria de las fermentaciones es minimizar costes e incrementar los rendimientos. Los proceso de fermentacion contunia no se utilizan de forma general en la industria, debido fundamentalmente al mayor nivel de experiencia que se tiene en el crecimiento de celulas en fermentacion discontinua, el coste de biomasa mediate cultivo continuo es potencialmente inferior al de cultivo discontinu. De este modo se han instalado plantas p'ara la produccion continua de proteinas, para la produccion continua de proteinas de origen unicelular a partir de n-alcanos, compuetos C1y almidone.
Solo unos pocos procesos han resultado utiles para la aplicacion practica por varias razones.
a.- Muchos metodos de laboratorio operan durante solamente 20 a 200 horas; para que sea de utilidad debe ser estable durante almenos 500 a 1000 horas.
b.- Mantener laws condiciones eteriles a escala industrial a lo largo de un olago periodo de tiempo es dificil.
c.- La composicion de olos sustrato debe ser constante a fin de obtener una produccion maxima. Las soluciones de nutrientes industriales son variables(liquido de maceracion del mai, peptona, etc...)lo mque puedo originar combios en la fisologia de la celula y disminueir la prodctividad.
d.- Cuando se utilizan ceoas de alto rendimiento se producen mutantes degenerados pueden creser en cultivo continuo mas deprisa que las cepas de produccion por lo que el rendimiento disminuye con el tiempo ya que cada ves son menos celulas las que sitetizan el producto de interes .
4.- Reactores de enzimas o celulas inmvolizadas.
Conciste en pasar el medio fersco a travas de un biorreactor en el que por diversas tyecnicas hemos inmovilizado celulas (o enzimas). Con este sistema se eliminan los productos de desequilibrio (estabilidad) del sistema continuo clasico y ademas el producto resultante esta lubre de celulas. Presenta el incinveniente de que no todos los microorganismos pueden inmoviliozarse.
Existen tres metodos de inmovilizar las celulas.
a.- Asociacion fisica mediante resinas de intercambio ionico. La union se puede romper facilm,ente.
b.- Union covalente mediante glutaraldehido, tolueno, di-isocianato, lodo acetil cedlulosa. Union fuerte aunque inactivacion.
c.- Atrapamiento mediante colageno, gelatina, agar, alginatos, poliacrimida, poliestireno. Es el metodo mas utilizado en inmolizacion de celulas.
AGITACION.AIREACIO
AIRACION Y MEZCLADO
El proceso de fermentacion industrial aerobio dibe disponer de un sistema de aireacion y mezclado de cultivo el reactor de tipo tanque con agitacion convencional incluye un sistema de agitacion macanico consistente eb un eje vertical con varios agitadores, en tanto que la mayoria de los borreactores de platos etan equipados co tuberia de discos localizados a lo alrgo del eje y con dimensiones controladas para conceguir un buen mazcaldo y buena dispersion a travas del medio.
TRANSFERENCIA DE MASA.
Durante el crecimiento y metabolismo microbiano tiene lugar de forma continua la trnsferncia de nutrientes y metabolitos enter el medio ambiente externo y nla celula. En este intercambio cada nutriente o metabolito experimenta diversas fases pudiendo encontrarse de fom¿rma de solido, liquido o gas.
En los procesos de fermantacion convencionales es cubierta usualmente sin dificultad, puesto que estos son suministrados en exceso en el medio. La velocidad de transferencia de masa entre la fase liquida y gaseosa esta fuertemente influenciada del gas en la fase liquida .
E l mantenimiento de un ambiente aseptico y unia condiciones aerobicas son, probablemente , los dos puntos de mayor relevancia.Los fermentadores mas ampliamente utilizados estan posvistos de mecanismos de agitacion, disopercion y aireacion asi comode sistema para el copntrol de la temperatura, PH y formacion de espuma.
La agitacion es la operacion que crea o que eselera el contacto entre dos o varias fases. El objetivo es mezclar el caldo de fermentacion para optener una suspencion uniforme que se logra acelerando las velocidadesde tranferencia de masa y calor(enrgia).
Una fermentacion microbiana puede ser conciderada como un sistema de tres fases: liquido, gas-solido y gas-liquido.
A)La fase liquida contiene sales disueltas, sustratos y metabolitos. Puede existir, en algunos casos, una segunda fase liquida si existe un sustrato inmiscible en agua como por ejemple los alcanos.
B) L a fase solida conciste en celulas individuales, bolitas de micelio, sustratos insolubles o productos del metabolismo que precipitan.
C) La fase gaseosa proporciona un reservorio para el suministro de oxigeno, para la eliminacion del CO2O.
Una adecuada agitacion produce los siguientes efectos en las ters fases:
1.-Dispercion del aire en la solucion de nutrientes.
2.-Homogeoneizacion, para igualar la temperatura, ph y concentracion de nutrientes, en el fermentador
3.-Suspencion de los microorganismos y de los nutrientes solidos .
4.-Dispercion de los liquidos inmiscibles.
Se podria concluir que cuanto mayor sea la agitacion, mejor sea el crecimiento. La agitaciuon excesiva puede romper la scelulas grande e incrementar la temperatura lo que ocaciona un descenso en la viabilidad.
Los diferentes tipos de agitacion :
1.-Agitadores rotativo, los uales tienen un sistema interno mecanico de agitacion .
2.- Columnas de burbujas, la agitacion se realiza mediante la introduccion de aire a sobrepresion.
3.-Sistema aero-elevado (airlift, que pueden tener un circuito interno o externo.La mezcla y circulacion de os fluidos son el resultado de las corrientes de aire introducido, las cuales causan diferencias en la edencidad dentro de los diferntes partes del fermentdor.
De estos tres tipos el mas utilizado el el primero ya que ews mas flexible en las condiciones de operacion .
FACTORES FISICO-QUIMICOS QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO DE LAS FERMENTACIONES INDUSTRIALES.
1.-Oxigeno.
2.-Temperatura.
3.-PH.
Oxigeno.
Uno de los factores mas criticos es el suministro de un imtercambio de gas adecuado. El oxigeno es el sustrato gaseoso mas importante para el metabolismo microbiano y el anhidrido carbono es el producto metabolico mas importante para el metabolismo mas importante. El oxigeno no es un gas muy soluble ya que una solucion saturada de oxigeno contiene aproximadamente 9mg/Lde este gas en agua.El suministro se logra pulverizando aire en el fermentador durante el proceso .
La ley de Henry describe la solubilñidad del oxigeno en soliciones de nutrientes en relacion a la presion parcial del oxigeno en la fase gaseosa.
P0
C=---------
H
A medida que aumenta la concentracion de o2 en la fase gaseosa, aumenta la proporcion de O2, en la solucion de nutrientes.
A medida que aumenta la temperatura desciende la solubilidad del oxigeno.
Una vez disuelta el O 2 este tuene que transferirse desde la burbuja de gas a cada cella individual para ello deben ser superadas varias resistenciasparcialmente independientes:
a) La resistencia dentro de la pelicula de gas a la interfase.
b) La penetracion de la interfase entre la la burbuja de gas y el liquido.
c) Transferencia desde la interfase del liquido.
d) Movimiento dentro de la solucion de nutrientes .
3) Transferencia a la superficie de la celula.
Las cdelulas microbianas proximas a al burbija de gas pueden absorber directamente el O2 a traves de la interfase aumentando la transferencia del gas a esta celulas. En los aglomerados de celulas o el las bolitas de micelio, la transferencia de gas dentro del aglomerado puede ser un factor limitante.
La concentracion critica de oxigeno que es el termino utilizado para expresar el valor de la velocidad espesifica de la absorcion de oxigeno que permite la respiracion sin impedimento. Esta concentracion critica de oxigeno suele tener uno valores de saturacion de oxigeno en los cultivos .
DEFINICION DE KLA .
Coeficiente volumetrico de transferencia de oxigeno (H-1). El coeficiente depende del diametro, capacidad, potencia, sistema de airecion de biorreactor y de la dencidad y al viscocidad, descomposicion de nutrientes, la estructura alo microorganismo, al egente antiespumante utilizado y la temperatura.
Se ha encontrado que la rapidez de transferencia de oxigeno a bajas consentraciones es proporcinal a lam diferencia de concentraciones del mismo o para la transferencia a la interfase desde liquidos esto se puede escribir:
Na=KL(C°-C)
La transferencia de oxigeno en el biorreactor o rapidezz de capacitacion de oxigeno es:
NaKLA(C*-C)
Temperatura.
La temperatura es otro d los paramentros esenciales para el exito de una fermentacion. Los microorganismos que crecen auna temperatura inferior a la optima tienen retardo en su crecimiento y por lo tanto reducida la produccion celular, es decir una respuesta de estres al choque termico con la conciguiente produccion de proteasas celulares que ocacionan una disminucionm en el rendimiento de los productos proteicos.
Lavelocidad de produccion de calor debido a la gitacion y la actividad metabolica de los microorganismos no se ve compensada por las perdidas de de calor que resultan de evaporacion, por lo que se debe recurrir a sistemas de refrigeracion. Los mas utilizadaos en las fermentaciones industriales son las camisas de agua.
PH.
La mayor parte de los microorganismos crecen optimamente entre pH 5.5y 8.5. Pero durante el crecimiento en un fermentador, los metabolitos celulares son liberados al medio, lo que puede originar un combio del pH del medio de cultivo.
Sistema de control de Temperatura, pH y Oxigeno disuelto.
Los frmentadores pueden ser equipados con diversos mecanismos de control que permiten mantener las condiciones adecuadas para que la senzimas de los microorganismos operen.
El fermentador esta rodeado de un " abrigo" que junto a un sistema de mezclado permite una distribuscion de temperaturas dentro del fermentador. La señal electrica es una unidad de control que determina si la temperatura esta dentro de un rango adecuado o si la misma esta mas alta o mas baja de lo prevista.
Un sensor se utiliza para estableser la medida de pH. L señal electrica del sensor es rescibida por el controlador que determina la accion a seguir segun el valor de pH. Si el pH es mas bajo que el permitodo en la logica de control, elcontrolador activara la bomba de base introduciendo medio alcalino que permita subir el pH. El pH sea mas alto de lo establecido en el criterio de controll, se activara la bomba de acido y el pH bajara . En el caso de que el pH este dentro del rango permitido, ambas bombas permaneceran desactivadas.
En ocasiones es necesario que el fermentador tenga algun tipo de sistema que controlel la formacion de espuma. Esrtos sistemas pueden ser mecanicos o pueden añadir algun compueto (antiespumamnte) que disminuye la tencion superficial del medio en que se fermenta evitando la acumulaciones de espumas.
Fermentacion aeobia se requiere un control para el oxigeno disuelto. Tienen un sensor y un controlador al igual que otros sistemas de control. Se establece una cantidad minima de oxigeno disuelto en la cual se activasn elementos de control para aumentar al cantidad de oxigeno presente en el medio, pueden ser compresores o valvulas de aire. Los sistemas de ayuda a exponer mas area de superficie del liquido al aire y asi aumenta la tranferencia de oxigeno al medio.
CONTACTOS DE FASES Y PROCESAMIENTO DE LIQUIDO-SOLIDO.
Quimico:los equipos para cada uno de esos campos se analizan en una subsecion individual de la seccion 19 con excepcion de dos de ellos, que se omiten. Se dejo a un lado la formacion de coloides, debido a su caracter estrecho y especial.
AGITACION DE SUSPENCIONES DE PARTICULAS DE BAJA VISCOSIDAD.
Hay gran cantidad de funciones de procesamiento que se lleva a cobo en recipientes agitados mediante impulsores giratorios, algunos ejemplosson:
1) mezcla de liquidos miscibles;
2) pueta en contacto o dispercion de liquidos no miscibles;
3) dispercion de un gas en un,liquido;
4) fomento de la transferencia de color entre el liquido agitado y una superficie de intercambio de calor;
5) suspencion o dispersion de particulas solidas en un liquido para producir uniformidad, fomentar la transferencia de masas o iniciar una reaccion quimica y ayudarla ;
6) reducir el tamaño de particulas aglomeradas.
EQUIPO DE MEZCLADO.
Los impulsores se pueden dividir, aproximadamente, en dos clases : de flujo axial y flujo radial. La clasificacion depende del angulo que forma las aspas con el plano de rotacion del impulsor.
Impulsores de flujo axial. Incluyen todos los que tienen aspas que forman un angulo de meno de 90° con el plano de rotacion . Las helices y las ruedas de paletas o turbina de aspas inclinadas.
Las unidades de alta velocidady razones de corte mas elevadas en la corriente de descarga de la helice, ademas ded una rapidez mas baja de circulacion en todo el recipiente que la sun idades de vaja velocidad.
