Tipos de fermentadores- 9.1 DEFINICIÓN DE UN FERMENTOR

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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).

Estas barreras se indican en la Fig. 9.2 e incluyen lo siguiente:

- Resistencia de la película de gas entre el gas y la interfase;

[pic 1]

(Ii) Resistencia interfacial gas-líquido;

(Iii) Resistencia de la película líquida entre la interfase y la mayor parte del líquido;

(Iv) resistencia de la trayectoria del líquido caracterizada por un gradiente de oxígeno a granel;

(V) Resistencia a la película líquida alrededor de células o aglomeraciones celulares;

(Vi) Resistencia intercelular o intragrupo;

(Vii) Resistencia a la reacción ('absorción') de oxígeno con las enzimas respiratorias celulares.

En este modelo, en la transferencia de oxígeno a partir de una burbuja de gas a un líquido, una película de gas estancado y una película de líquido estancado existen en ambos lados de una entre fases gas-líquido. La resistencia de estas películas a la transferencia de solutos depende en gran medida del grado de agitación. En el caso del oxígeno, la única resistencia significativa es la de la película líquida que se rompe por agitación. Por otro lado, la resistencia célula-líquido, se vuelve importante cuando hay agrupamiento de organismos.

En términos de la teoría anterior, la función de agitación de la fermentación puede tomarse como sigue:

(I) Dispersión de gases o la creación de una gran área interfacial aire-líquido;

(Ii) Reducción del espesor, y por