Estrategias de control de oxígeno en bioprocesos y su aplicación en el diseño de tanques de fermentación.

Introducción

El oxígeno disuelto (OD) es uno de los factores clave que influyen en el proceso de fermentación microbiana, desempeñando un papel crucial, sobre todo, en la fermentación aeróbica. Las variaciones en los niveles de oxígeno afectan directamente la tasa metabólica, las vías de formación de productos y el rendimiento de los microorganismos. Por lo tanto, controlar de forma precisa y dinámica el nivel de oxígeno no solo es fundamental para optimizar el proceso de fermentación, sino también una importante línea de investigación en la ingeniería de fermentación moderna.

Este artículo explorará las estrategias básicas para controlar el oxígeno disuelto en la fermentación biológica y, en combinación con ejemplos prácticos, analizará cómo estas estrategias pueden reflejarse en el diseño y funcionamiento de los tanques de fermentación, lo que permitirá una producción de fermentación eficiente y estable.

I. El papel y los requisitos del oxígeno en los bioprocesos

En el proceso de fermentación de microorganismos aerobios (como levaduras, Bacillus subtilis, Penicillium, etc.), el oxígeno actúa como aceptor de electrones en el metabolismo respiratorio, proporcionando energía para el crecimiento celular y la síntesis de productos. Cuando la concentración de oxígeno es insuficiente, los microorganismos pueden recurrir al metabolismo anaeróbico, lo que resulta en un aumento de subproductos, una disminución de los productos deseados e incluso la muerte celular.

El nivel de oxígeno en el caldo de fermentación se suele expresar como una saturación relativa (%). En la industria, el oxígeno disuelto (OD) se controla normalmente dentro del rango de 20-60%, dependiendo de la cepa, la etapa de crecimiento y el tipo de producto objetivo.

II. Estrategias básicas para el control del oxígeno

El nivel de oxígeno es el resultado del proceso de transferencia de masa trifásica gas-líquido-sólido. Para controlarlo, se deben considerar los siguientes aspectos:

1. Regulación del suministro de oxígeno gaseoso

• Ajuste de la tasa de ventilación: Aumentar la tasa de ventilación (vvm, la relación entre el volumen de gas y el volumen de líquido de fermentación) es la forma más directa de suministrar oxígeno. Sin embargo, una tasa de ventilación excesiva puede provocar un aumento de la espuma, una fuerza de cizallamiento excesiva e incluso daños a las células microbianas.
• Ajuste de la concentración de oxígeno: Mediante el uso de un suministro de oxígeno enriquecido (como oxígeno puro o aire con alto contenido de oxígeno), se puede mejorar la eficiencia de la transferencia de oxígeno, lo que resulta adecuado para la fermentación de alta densidad.
• Suministro alterno: En algunos procesos, se adopta una estrategia escalonada y agrupada para la introducción de diferentes gases (como aire y oxígeno puro) con el fin de mejorar la eficiencia general de la transferencia de oxígeno.

2. Optimización del sistema de mezcla

La agitación afecta a la ruptura de las burbujas, a la circulación del líquido y a la eficiencia de la transferencia de oxígeno en el microambiente.

Aumentar la velocidad de agitación puede incrementar el grado de dispersión de las burbujas y la perturbación de la película líquida, aumentando así la tasa de transferencia de oxígeno (KLa).

El uso de agitadores multicapa, estructuras de palas variables o agitadores de auto-succión puede mejorar la uniformidad de la mezcla y la capacidad de transferencia.

Sistema de preparación de líquidos de acero inoxidable MIKEBIO

3. Control de presión

El aumento de la presión en el tanque de fermentación puede mejorar la solubilidad del oxígeno en la fase líquida (según la Ley de Henry), lo cual es aplicable a procesos de fermentación con requerimientos de oxígeno extremadamente altos, como la producción de antibióticos o sustancias polipeptídicas.

4. Optimización del medio de cultivo

La viscosidad, la tensión superficial y la proporción de componentes del medio de cultivo influyen en la transferencia de oxígeno. La adición de tensioactivos puede reducir la coalescencia de burbujas y mejorar la eficiencia de la solubilidad del oxígeno.

5. Monitoreo en tiempo real y regulación de retroalimentación

Mediante una sonda de oxígeno disuelto en línea, combinada con un sistema automatizado, se logra un control de retroalimentación:

• DO
• DO > límite superior: reduzca el caudal o la velocidad del gas, ahorrando energía y evitando el efecto inhibidor de la saturación excesiva de oxígeno.

III. Implementación de la estrategia de control de oxígeno disuelto en el diseño de tanques de fermentación

El control eficiente del oxígeno disuelto requiere que el diseño del tanque de fermentación Considera plenamente la transferencia de masa gas-líquido, el consumo de energía y la tolerancia de los microorganismos. Los principales aspectos de diseño son los siguientes:

1. Diseño del sistema de distribución de gas

• Dispositivos de aireación en forma de anillo o multipunto: Mejoran la distribución uniforme del gas dentro del tanque para evitar la hipoxia localizada.
• Aireadores microperforados o cabezales de aireación giratorios: Aumentan la superficie de las burbujas, mejorando así la tasa de transferencia de oxígeno por unidad de volumen.
• Sistemas con fuente de gas dual o ricos en oxígeno: Diseñe interfaces ricas en oxígeno o interfaces de fuente de gas de respaldo para adaptarse a las fluctuaciones de la demanda de oxígeno en las diferentes etapas.

2. Diseño del sistema de mezcla

• Estructura de impulsor multietapa (como Rushton, tipo de pala inclinada, impulsor de burbujas): Cumple con los requisitos de transferencia de oxígeno para diferentes microorganismos y viscosidades.
• Sistema de accionamiento de velocidad variable: Permite un ajuste dinámico de la velocidad de agitación para adaptarse a las diferentes etapas de fermentación.
• Sistema de mezcla por autoaspiración: Algunos tanques de fermentación incorporan una función de absorción de oxígeno debajo de la superficie del líquido, lo que mejora la tasa de utilización de oxígeno en condiciones de baja aireación.

3. Optimización de la geometría y la relación de volumen del tanque

• Diseño con alta relación diámetro/altura (H/D ≥ 2): Aumenta la altura de la columna de líquido, prolonga el tiempo de residencia de las burbujas y mejora la eficiencia de transferencia de oxígeno.
• Estructura direccional de la zona de reacción: Controlar la distribución del campo de flujo para evitar "zonas muertas" y fenómenos de hipoxia localizada.

4. Sensores en línea y sistema de control automático

El equipamiento estándar incluye sondas de oxígeno disuelto, sondas de pH, sensores de temperatura, etc., para lograr la recopilación de datos de todo el proceso;

Conectado al sistema de control PLC, ajusta automáticamente las estrategias de aireación y agitación mediante la configuración de valores umbral de oxígeno disuelto (OD);

Mecanismo inteligente de alarma y regulación de anomalías para garantizar que el oxígeno disuelto funcione dentro del rango óptimo.

IV. Análisis de casos de control de oxígeno disuelto

1. Control del oxígeno disuelto en la expresión de proteínas recombinantes

En el sistema de expresión de Escherichia coli, se requiere una gran cantidad de oxígeno en la etapa final de la fermentación de alta densidad. Al reemplazar el aire con oxígeno puro, aumentar la velocidad de agitación a 600-800 rpm y elevar la presión del tanque a 0,1 MPa, se mantuvo el oxígeno disuelto entre el 30 y el 40 %, lo que incrementó eficazmente el nivel de expresión.

2. "Estrategia de limitación de oxígeno" en la fermentación de antibióticos

Algunas especies de Streptomyces son sensibles al oxígeno en ciertas etapas, como la fermentación de la eritromicina. En el diseño experimental, al reducir gradualmente la velocidad de agitación o adoptar un modo de ventilación con oxígeno limitado, la vía metabólica se redirigió hacia la síntesis del producto en lugar del crecimiento bacteriano.

V. Tendencias de desarrollo futuras

• Integración de sistemas de control inteligentes: sistemas de regulación adaptativa de oxígeno disuelto basados ​​en inteligencia artificial o predicción mediante modelos, que logran un suministro de oxígeno dinámico más eficiente.
• Tecnología de microburbujas: Utiliza burbujas ultrafinas para mejorar la tasa de transferencia de oxígeno, cuya eficacia se ha comprobado en experimentos y fases a escala piloto.
• Recipientes de fermentación modulares: Según los requerimientos de oxígeno de los diferentes microorganismos, los módulos de agitación, suministro de gas y sonda se pueden reemplazar rápidamente para lograr una personalización flexible.

Sistema de fermentación a escala piloto MIKEBIO

Conclusión

En la ingeniería de fermentación moderna, el control del oxígeno no se limita a ajustar un parámetro del proceso, sino que también constituye una de las principales limitaciones para la eficiencia y la calidad de la fermentación. Una buena estrategia de control del oxígeno y un diseño adecuado de los tanques de fermentación se complementan y son la garantía indispensable para una producción eficiente. Con el desarrollo de la teoría de control y la tecnología de los equipos, el control del oxígeno en la fermentación biológica será cada vez más inteligente y preciso, lo que brindará un sólido respaldo para la modernización de la industria microbiana.

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