Influencia de los sistemas de agitación y aireación en la transferencia de masa de oxígeno disuelto, la fuerza de corte y el crecimiento microbiano durante la fermentación biológica.
La fermentación biológica es un proceso que utiliza microorganismos para transformar materia orgánica y generar productos en condiciones controladas. Se aplica ampliamente en sectores como la farmacéutica, la alimentaria, la ingeniería química y la protección ambiental, entre otros. Durante la fermentación, la transferencia de oxígeno, la homogeneidad del medio de cultivo y el crecimiento y metabolismo de los microorganismos están estrechamente relacionados, y estos tres aspectos se ven influenciados en gran medida por los sistemas de agitación y ventilación. Por lo tanto, comprender a fondo el papel de estos sistemas en la fermentación es fundamental para mejorar la eficiencia y optimizar el control del proceso.
I. Funciones básicas del sistema de agitación y ventilación
El sistema de agitación en el tanque de fermentación Está compuesto principalmente por paletas y ejes de agitación, responsables de mantener el flujo del líquido, la mezcla de sustancias y la distribución del calor. El sistema de ventilación incluye un distribuidor de aire (difusor), un dispositivo de suministro de aire comprimido y los sistemas de control correspondientes, que se utilizan para introducir oxígeno de forma eficaz en el sistema de cultivo líquido.
Estos dos sistemas trabajan conjuntamente para garantizar la distribución uniforme de nutrientes y productos metabólicos, la renovación de la interfase gas-líquido, el control de la espuma y el suministro de oxígeno disuelto necesario para el metabolismo microbiano.
II. Impacto en la transferencia de masa de oxígeno disuelto
1. La contradicción entre la oferta y la demanda de oxígeno
Durante la fermentación aeróbica, el oxígeno es un importante aceptor de electrones para el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. Debido a la baja solubilidad del oxígeno en el agua (generalmente de 20 a 30 mg/L) y a la rápida tasa de consumo de los microorganismos, sistema de fermentación A menudo se encuentra en un estado de "suministro limitado de oxígeno". Por lo tanto, cómo mejorar la eficiencia de transferencia de masa de oxígeno (es decir, la velocidad a la que el oxígeno disuelto pasa de la fase gaseosa a la fase líquida) se ha convertido en la clave para la optimización de la fermentación.
2. La función del sistema de ventilación
El sistema de ventilación introduce oxígeno en la fase líquida mediante la formación y distribución de burbujas. Cuanto mayor sea el volumen de ventilación (generalmente expresado como vvm, es decir, volumen de gas/volumen de líquido · minuto), mayor será la cantidad de oxígeno suministrada por unidad de tiempo. Asimismo, cuanto más pequeñas sean las burbujas, mayor será su superficie específica, lo que favorece la disolución del oxígeno.
Sin embargo, cuanta más ventilación, mejor. Una ventilación excesiva puede provocar problemas como un aumento brusco de la espuma, un mayor consumo de energía y la inhibición del metabolismo microbiano. Por lo tanto, es fundamental controlar el tamaño adecuado de las burbujas y la uniformidad de su distribución.
3. La función del sistema de agitación
La agitación favorece la convección del líquido, aumenta la velocidad de movimiento relativa entre las burbujas y el líquido, incrementando así la superficie de la interfaz gas-líquido y mejorando el coeficiente global de transferencia de oxígeno (kLa). Además, la agitación previene la formación de gradientes locales de concentración de oxígeno, evita la formación de zonas con bajo contenido de oxígeno y garantiza la distribución uniforme del oxígeno disuelto en el sistema.
En la práctica, el ajuste de la velocidad de agitación debe tener en cuenta el equilibrio entre la transferencia de oxígeno y la fuerza de cizallamiento. En la fermentación de alta densidad, se suelen utilizar varias paletas de agitación (como las de Rushton, las de cinta helicoidal, etc.) en combinación para aumentar la velocidad de agitación (kLa).
III. Impacto en la fuerza cortante
1. Fuentes y características de la fuerza cortante
Durante el proceso de agitación, se genera una tensión cortante debido a la diferencia de velocidad local del líquido. Esta fuerza puede ayudar a romper células o partículas agregadas y mejorar la eficiencia de la transferencia de masa. Sin embargo, en algunos microorganismos con estructuras relativamente frágiles (como hongos y células animales), una fuerza cortante excesiva puede provocar daños celulares, disminución de la actividad o incluso la muerte celular.
2. Control de la fuerza de corte mediante agitación
Cuanto mayor sea la velocidad de agitación, mayor será la fuerza de cizallamiento. Las características de cizallamiento de los diferentes tipos de paletas de agitación varían, por ejemplo:
Las paletas Rushton generan una alta fuerza de cizallamiento y son adecuadas para bacterias con una fuerte resistencia al cizallamiento.
La paleta de cinta helicoidal o paleta de hélice tiene un efecto de corte relativamente suave y es adecuada para el cultivo de células animales o vegetales.
En la producción industrial, el tipo de paleta y la velocidad de rotación adecuados se suelen seleccionar mediante experimentos, o bien se utilizan equipos de baja cizalladura, como fermentadores de elevación neumática, para sustituir la agitación mecánica tradicional y satisfacer las necesidades de las diferentes células.
3. La influencia indirecta de la ventilación sobre la cizalladura
El ascenso y el estallido de burbujas en un líquido también pueden provocar perturbaciones y cizallamiento local, especialmente cuando la velocidad del gas es relativamente alta. Por lo tanto, si bien un flujo de gas elevado mejora la transferencia de masa, también puede aumentar la resistencia al cizallamiento del sistema.
Sistema de fermentación industrial a gran escala MIKEBIO
IV. Efectos sobre el crecimiento microbiano
1. El suministro de oxígeno afecta las vías metabólicas.
Las rutas metabólicas microbianas se ven directamente influenciadas por los niveles de oxígeno disuelto. Por ejemplo, en condiciones de oxígeno suficiente, Escherichia coli realiza principalmente respiración aeróbica a través del ciclo del ácido tricarboxílico, lo que se traduce en alta productividad y rápido crecimiento. En condiciones de oxígeno limitado, cambia al metabolismo de fermentación, con acumulación de ácido e inhibición del crecimiento celular.
2. La fuerza de cizallamiento afecta la integridad celular.
En el caso de cepas con alta tolerancia al esfuerzo cortante, como las levaduras y las bacterias, la proliferación puede promoverse aumentando la velocidad de agitación.
El corte moderado de microorganismos filamentosos como hongos y actinomicetos puede promover la dispersión del micelio y potenciar su actividad.
En sistemas más frágiles, como las células animales o las microalgas, se debe limitar la velocidad de agitación y el impacto de las burbujas para evitar la ruptura celular.
Por lo tanto, durante el proceso de fermentación, es necesario establecer parámetros razonables de agitación y aireación en función del tipo de microorganismos, las características metabólicas y el tipo de producto, para garantizar el mejor entorno de crecimiento celular.
V. Estrategias de optimización en aplicaciones prácticas
Control de agitación y aireación por etapas: Ajuste los parámetros de agitación y aireación en las diferentes etapas de la fermentación según la densidad celular y el estado metabólico. Por ejemplo, reduzca la cizalladura en la etapa inicial para favorecer el crecimiento del inóculo y aumente la aireación y el suministro de oxígeno en la etapa posterior para optimizar la síntesis del producto.
Sistema de control de retroalimentación de oxígeno disuelto: Monitorea la concentración de oxígeno disuelto en tiempo real y ajusta automáticamente la velocidad de rotación y el volumen de ventilación a través del controlador PID para lograr un equilibrio dinámico en el suministro de oxígeno.
Utilice gas rico en oxígeno u oxígeno puro: En la fermentación a gran escala o en cultivos de alta densidad, utilice gas con una mayor concentración de oxígeno como suplemento para reducir el volumen total de ventilación y aliviar la formación de espuma y la tensión de cizallamiento.
Diseño de optimización estructural: Seleccionar la proporción adecuada del tanque, la disposición de las paletas de agitación y el tipo de difusor para aumentar el kLa y reducir las zonas muertas.
VI. Conclusión
El sistema de agitación y aireación, como unidad de ingeniería fundamental del proceso de fermentación, no solo afecta directamente la eficiencia de la transferencia de oxígeno y el entorno mecánico al que están sometidas las células, sino que también determina indirectamente la tasa de crecimiento, el patrón metabólico y el rendimiento del producto de los microorganismos. Con el desarrollo de la biotecnología y la profundización del conocimiento del proceso de fermentación, se aplicarán cada vez más tecnologías de control inteligente, optimización estructural y simulación al diseño óptimo de los sistemas de agitación y aireación, impulsando el desarrollo de la bio-manufactura hacia una mayor eficiencia, flexibilidad y sostenibilidad.
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