Fermentadores de distribución de aire elevado: principios y funcionamiento

La fermentación es un proceso natural utilizado durante siglos para producir diversos alimentos, bebidas y productos farmacéuticos. Para comprender las complejidades de esta práctica, es esencial conocer los fundamentos de un fermentador, la ciencia que lo sustenta, los diferentes tipos de fermentadores y el proceso paso a paso que implica. Un fermentador puede definirse como un recipiente o aparato especializado diseñado para proporcionar un entorno óptimo para el proceso de fermentación.

Los fermentadores son equipos esenciales en diversas industrias, ya que permiten la producción de una amplia gama de productos a través del proceso de fermentación. En el tratamiento industrial de aguas y aguas residuales, los fermentadores se utilizan principalmente para el tratamiento anaeróbico de aguas residuales contaminadas orgánicamente. Se utilizan para estabilizar los lodos o para producir biogás a partir de sustratos orgánicos.

¿Qué es un Fermentador?

Un fermentador es un sistema técnico para llevar a cabo procesos biológicos en los que microorganismos, enzimas o células descomponen, convierten o sintetizan sustancias. Una de las funciones clave de un fermentador es regular las variables que afectan el proceso de fermentación. Estas variables incluyen la temperatura, el nivel de pH, el suministro de nutrientes, el oxígeno disuelto y la velocidad de agitación.

Un fermentador consta de varios componentes que trabajan juntos para respaldar el proceso de fermentación. Estos componentes están cuidadosamente diseñados e integrados para crear un entorno que maximice la productividad de los microorganismos involucrados.

Componentes principales de un fermentador

• Recipiente: El recipiente es el corazón del fermentador. Alberga la mezcla de fermentación y proporciona un entorno sellado para controlar variables como la temperatura y el suministro de aire. Los tanques de fermentación de acero inoxidable están hechos de acero inoxidable 316L y SUS304 y se utilizan en contenedores cerrados o equipos de acero inoxidable para el cultivo de microorganismos o células.
• Agitador: El agitador desempeña un papel fundamental para garantizar una mezcla adecuada de la mezcla de fermentación. Al agitar la mezcla, el agitador permite la distribución uniforme de nutrientes y oxígeno entre los microorganismos.
• Sistema de aireación: El oxígeno es esencial para el crecimiento de los microorganismos aeróbicos que participan en la fermentación. El sistema de aireación suministra oxígeno a la mezcla de fermentación, lo que garantiza que estos microorganismos tengan los recursos necesarios para prosperar.
• Sistema de monitoreo y control: Para mantener las condiciones óptimas para la fermentación, un fermentador está equipado con un sistema de monitoreo y control. Este sistema supervisa y regula varios parámetros como la temperatura, el pH y los niveles de oxígeno disuelto.

La ciencia detrás de la fermentación

La fermentación es un proceso fascinante que implica el uso de microorganismos para transformar compuestos orgánicos en sustancias más simples. Los diferentes microorganismos tienen vías metabólicas específicas que conducen a la producción de diversos productos finales. Durante la fermentación, los microorganismos descomponen compuestos orgánicos complejos en sustancias más simples mediante reacciones bioquímicas. Estas reacciones implican la conversión de azúcares, como la glucosa, en diferentes compuestos.

El proceso bioquímico de la fermentación se puede dividir en tres etapas: la glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones. La glucólisis convierte la glucosa en piruvato, produciendo una pequeña cantidad de energía. El piruvato luego entra en el ciclo de Krebs, que tiene lugar en las mitocondrias de la célula e implica una serie de reacciones químicas que descomponen aún más el piruvato. Finalmente, la cadena de transporte de electrones utiliza la energía liberada durante las etapas anteriores para producir ATP, la principal moneda energética de las células. Este proceso ocurre en la membrana mitocondrial interna e implica una serie de reacciones de transferencia de electrones.

Tipos de fermentadores de distribución de aire elevado

Hay muchos tipos de fermentadores de elevación por aire, los más comunes son el tipo de circulación de elevación por aire, el tipo burbujeante, el tipo de chorro de aire, etc. Los fermentadores de elevación por aire que se han utilizado ampliamente en la industria biológica incluyen los fermentadores de circulación interna de elevación por aire, los fermentadores de circulación de aire de chorro doble gas-líquido y los fermentadores de aire de tipo torre con placas de distribución multicapa. El tanque burbujeante es el tanque de fermentación aireado original. Por supuesto, no hay tubo guía en el reactor de burbujeo, por lo que no se controla el flujo direccional del cuerpo principal del líquido. El fermentador de aire utiliza la boquilla de aire para rociar aire a alta velocidad y el aire se dispersa en el líquido en forma de burbujas. En el lado ventilado, la densidad promedio del líquido disminuye. En el lado no ventilado, la densidad del líquido es mayor, por lo que se genera una diferencia de densidad con el líquido en el lado ventilado, formando así un flujo circulante del líquido en el fermentador.

Los tipos de tanques de fermentación de transporte aéreo más comunes son el tipo de tubo de circulación interior, el tipo de tubo de circulación exterior, el tipo de tambor de tensión y el tipo de deflector vertical. El tubo de circulación del tipo de circulación exterior está diseñado fuera del cuerpo del tanque, y el tubo de circulación interior es dos, que está diseñado dentro del cuerpo del tanque. En el fermentador de aire, la altura de la tubería de circulación generalmente no es más alta que la del tanque, y el nivel de líquido en el tanque no es más alto que la salida de la tubería de circulación, ni más bajo que la salida de la circulación.

Ventajas de los fermentadores airlift

Las ventajas del fermentador airlift son el bajo consumo de energía, el pequeño efecto de corte en el líquido y la estructura simple. Bajo el mismo consumo de energía, su capacidad de transferencia de oxígeno es mucho mayor que la de los fermentadores aireados agitados mecánicamente.

• La estructura es simple, el principio básico no es complicado y el consumo de energía es menor que el del reactor de lodo con paleta agitadora.
• En comparación con la columna de burbujas tradicional, su rango de caudal de gas y líquido operable es mucho mayor.
• La eficiencia del suministro de aire es alta y la ventilación en el elevador de gas puede ser mayor que la entrada de aire del reactor burbujeante, lo que favorece las reacciones aeróbicas.
• El efecto de fluidización es bueno, pueden ser partículas sólidas e incluso las partículas más pesadas están completamente suspendidas.
• Confiando en el gas para generar circulación direccional, en lugar de un equipo mecánico tipo bomba centrífuga, se determina la forma del flujo, la circulación del líquido es fuerte y no hay partes móviles en el interior.

El rol del sparger en el fermentador

Un sparger en un fermentador es un dispositivo utilizado para introducir aire u otros gases en el recipiente de fermentación. Por lo general, es una tubería perforada ubicada en el fondo del recipiente o cerca del impulsor y permite que el gas se libere en el líquido a través de pequeños orificios o chorros. El objetivo de un sparger es proporcionar oxígeno para procesos de fermentación aeróbica o mezclar dióxido de carbono (CO2) para procesos de fermentación anaeróbica. El rociador ayuda a mantener un nivel óptimo de oxígeno disuelto en el medio de cultivo, que es esencial para el crecimiento y metabolismo de microorganismos, como levaduras o bacterias.

Durante el proceso de fermentación, el rociador también se puede utilizar para controlar el PH, la temperatura y la mezcla del contenido del recipiente. Se utiliza comúnmente en bioprocesamiento a escala industrial, donde se cultivan simultáneamente grandes volúmenes de microorganismos para garantizar una fermentación consistente y eficiente.

Tipos de spargers

Existen varios tipos de esparcidores que se utilizan comúnmente en la industria de la fermentación, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Los tipos de esparcidores más comunes son:

1. Distribuidores Porosos: Estos distribuidores están fabricados con materiales porosos como metales sinterizados, cerámicas o polímeros. Se utilizan habitualmente en la industria debido a su alta eficiencia y facilidad de uso. Tienen una gran superficie y una gran cantidad de poros diminutos, que permiten que el gas se distribuya uniformemente por todo el medio de fermentación.
2. Inyectores de burbujas: Estos inyectores introducen gas en el medio de fermentación en forma de burbujas. Son menos eficientes que los rociadores porosos, pero a menudo se utilizan para fermentaciones a pequeña escala. Estos rociadores suelen estar hechos de un material poroso o de una malla fina que crea pequeñas burbujas de aire a medida que pasa el gas.
3. Rociadores de membrana: Estos rociadores utilizan una membrana permeable al gas para introducir gas en el medio de fermentación. Son eficientes, pero más difíciles de limpiar y mantener.
4. Aireadores de superficie: Estos distribuidores se utilizan normalmente en fermentaciones a pequeña escala donde las altas tasas de transmisión de gas son menos importantes. Los aireadores de superficie tienen la ventaja de ser simples y económicos de usar, pero pueden ser menos eficientes que otros tipos de rociadores y crear más turbulencia en el medio de fermentación.
5. Eductores: Los eductores utilizan chorros de gas a alta presión para crear turbulencias en el medio de fermentación, lo que hace que el gas sea absorbido por el líquido. Estos esparcidores se utilizan normalmente en fermentaciones a pequeña escala y tienen la ventaja de ser sencillos de usar y económicos.

Importancia de los spargers en fermentadores

Los spargers desempeñan un papel clave en el proceso de fermentación al controlar la concentración de oxígeno disuelto y el pH en el medio de fermentación. La concentración de oxígeno disuelto es un parámetro crítico para el crecimiento microbiano, ya que afecta la velocidad y la eficiencia de la fermentación. Al controlar la concentración de oxígeno disuelto, los rociadores pueden ayudar a garantizar que el proceso de fermentación se optimice para obtener el máximo rendimiento y calidad.

Además de controlar la concentración de oxígeno disuelto, también se pueden utilizar nebulizadores para controlar el pH del medio de fermentación. Esto es importante porque el pH afecta fuertemente la tasa y eficiencia del crecimiento microbiano. Al introducir gases ácidos como el dióxido de carbono, los rociadores pueden ayudar a mantener un rango de pH óptimo para el crecimiento microbiano.

Factores a considerar al elegir un sparger

Al seleccionar un rociador para un fermentador, se deben considerar varios factores, incluido el tipo de microorganismos que se cultivan, el tamaño del fermentador y las condiciones de fermentación deseadas. Por ejemplo, los rociadores porosos generalmente son más adecuados para fermentaciones a gran escala debido a su alta eficiencia, mientras que los rociadores de burbujas de aire pueden ser más adecuados para fermentaciones a pequeña escala. La elección del rociador también puede depender de los requisitos específicos del proceso de fermentación, como la concentración de oxígeno disuelto requerida o el rango de pH óptimo.

Mantenimiento y limpieza del sparger

El mantenimiento y la limpieza adecuados del rociador son esenciales para garantizar un rendimiento óptimo y evitar la contaminación. Los rociadores deben limpiarse periódicamente para eliminar cualquier acumulación de crecimiento microbiano u otros contaminantes que puedan afectar su eficiencia. El proceso de limpieza puede variar según el tipo de rociador, pero generalmente implica remojar el rociador en una solución limpiadora, seguido de un enjuague minucioso con agua. Además de la limpieza regular, el rociador debe inspeccionarse periódicamente para detectar daños o desgaste y reemplazarse según sea necesario.

Principios de funcionamiento y requisitos para el entorno interno y externo del tanque de fermentación

Los tanques de fermentación biológica deben cumplir con las normas de bioseguridad porque contienen sustancias activas durante el proceso de cultivo. No solo es necesario evitar la contaminación de microorganismos externos, sino también evitar que el interior del tanque de fermentación contamine otros lugares. Por lo tanto, el tanque de fermentación debe ser un dispositivo de sistema con buen rendimiento de sellado. La descarga de gases y líquidos debe filtrarse para eliminar las sustancias activas. El fermentador debe estar estrictamente sellado durante el diseño y el procesamiento, resistente a la esterilización por vapor, evitar esquinas muertas, fácil de limpiar, con buen rendimiento de intercambio de calor.

El aire es un fluido de proceso indispensable requerido para la fermentación enzimática, para permitir y optimizar el metabolismo y crecimiento del cultivo microbiano. El aire del fermentador debe estar libre de microorganismos no deseados en el aire y de contaminación por bacteriófagos. Es importante prevenir la entrada de microorganismos deshonestos del medio ambiente, que podrían descarrilar el crecimiento y la multiplicación de los organismos de fermentación seleccionados; la contaminación afecta el rendimiento de la fermentación y compromete la calidad del producto. Este requisito es crítico en las etapas iniciales de siembra y propagación de la fermentación, donde los cultivos iniciadores microbianos sensibles deben multiplicarse desde células singulares hasta una masa celular definida y suficientemente grande que finalmente se transfiere a los fermentadores de producción principales. La necesidad de un tamaño adecuado del filtro de ventilación del tanque es especialmente crítica en aplicaciones que implican la esterilización del tanque.

Proceso de fermentación paso a paso

1. Preparación de la mezcla: Esta etapa implica la selección y medición de los ingredientes necesarios, como azúcares, nutrientes y agua, para crear un sustrato ideal para los microorganismos. La esterilización es otro paso fundamental para evitar contaminantes no deseados.
2. Esterilización del fermentador: Los tanques de fermentación de acero inoxidable deben desinfectarse antes de su uso. Si se requiere una desinfección y esterilización a fondo, primero se combinarán el filtro de aire y el tanque de fermentación, luego se esterilizarán con vapor y luego se secarán.
3. Configuración del fermentador: Después de que el fermentador se haya enfriado, conecte los circuitos del motor, el electrodo de pH, el electrodo de OD y el electrodo antiespumante, e instale el electrodo de temperatura en el puerto de medición de temperatura. Conecte la tubería de agua en circulación, encienda la circulación de agua y configure la temperatura en automático. Conecte el otro extremo del filtro de aire al dispositivo de aireación y encienda el medidor de flujo para permitir que el aire ingrese al tanque.
4. Fermentación activa: Se transfieren los ingredientes al fermentador. Las condiciones de fermentación, incluida la temperatura, el pH y la velocidad de agitación, se controlan cuidadosamente para optimizar la actividad de los microorganismos específicos involucrados. Configure los parámetros del proceso de fermentación y calibre el electrodo DO al 100%. Ajuste la presión del tanque a menos de 0,02 Mpa para la inoculación e inmediatamente aumente la presión del tanque. Cambie el fermentador al estado de inicio.
5. Maduración: Después de la etapa de fermentación activa, la mezcla de fermentación pasa por un período de maduración. Durante este tiempo, se deja reposar la mezcla y se eliminan las sustancias no deseadas restantes.
6. Finalización y limpieza: Después del final de la etapa de fermentación, cambie el fermentador al estado final y obtenga caldo de fermentación. Luego, enjuague el tanque con agua destilada. Después de la limpieza, agregue una cantidad adecuada de agua destilada para remojar el electrodo (si el intervalo de uso es largo, el electrodo debe retirarse y almacenarse adecuadamente).

Aplicaciones de los spargers en fermentadores

Los spargers son esenciales en una variedad de industrias donde la fermentación juega un papel crítico. Aquí se detallan algunas de las aplicaciones más importantes:

Elaboración de cerveza y vino

En la producción de cerveza y vino, los spargers se utilizan comúnmente para proporcionar oxígeno a la levadura durante la fermentación, lo que ayuda a promover un crecimiento saludable de la levadura y una fermentación eficiente. También pueden ayudar a controlar la temperatura y el pH del medio de fermentación, parámetros cruciales para lograr el sabor y el nivel de alcohol deseados. Por ejemplo, en la elaboración de vino, una vez extraído el mosto, comienza el proceso de fermentación en tanques de acero inoxidable, donde los azúcares se transforman en alcohol debido a la acción de las levaduras. La fermentación se debe producir con un control preciso de la temperatura del mosto mediante la instalación de colectores externos de agua fría en los tanques.

Biorremediación

En el campo de la biorremediación, que implica el uso de microorganismos para descomponer contaminantes, los spargers introducen oxígeno en el sitio contaminado. Esto promueve el crecimiento de microorganismos responsables de descomponer los contaminantes, siendo eficaz para limpiar suelos y aguas subterráneas contaminados por productos derivados del petróleo, disolventes y otros productos químicos industriales.

Producción farmacéutica

La industria farmacéutica utiliza ampliamente los spargers para la producción de vacunas, antibióticos y otros medicamentos. Introducen oxígeno en los cultivos microbianos responsables de producir el producto deseado, ayudan a mezclar el medio de fermentación y controlan la temperatura y el pH del cultivo, lo cual es fundamental para mantener la salud y la productividad de los cultivos microbianos.

Fermentación industrial

Los spargers son comunes en fermentaciones industriales a gran escala para producir enzimas, aminoácidos y otros productos biológicos. Suministran oxígeno al cultivo microbiano y ayudan a mantener la temperatura y el pH requeridos por el cultivo, siendo crucial para lograr altos rendimientos y mantener la salud y la productividad de los cultivos microbianos.

Investigación y desarrollo

Finalmente, los spargers se utilizan a menudo en entornos de investigación y desarrollo para estudiar el crecimiento y el comportamiento de microorganismos en un entorno de laboratorio controlado. Permiten introducir una variedad de gases en los medios de fermentación, lo que facilita el estudio de las condiciones óptimas para el crecimiento microbiano.

tags: #fermentador #de #distribucion #de #aire #elevado