Los requisitos para el diseño de tanques de fermentación biológica varían según el calor generado por las diferentes fermentaciones biológicas.

En el campo de la biotecnología moderna, el proceso de fermentación se ha aplicado ampliamente en industrias como la farmacéutica, la alimentaria, la de biomateriales y la de biocombustibles. Esencialmente, el proceso de fermentación es una reacción bioquímica impulsada por microorganismos, y todas las actividades metabólicas microbianas van acompañadas de diferentes grados de generación de calor. El calor generado durante la fermentación varía significativamente entre diferentes microorganismos y procesos de fermentación, y el calor de fermentación es uno de los parámetros clave en el diseño de biorreactores y tanques de fermentación. Una evaluación insuficiente de las características de generación de calor puede conducir a temperaturas de fermentación incontroladas, daños al cultivo e incluso riesgos para la seguridad. Por lo tanto, es fundamental comprender claramente los requisitos de los diferentes calores de fermentación para el diseño de tanque de fermentacións es crucial para construir sistemas de fermentación eficientes, estables y fiables.

I. Fuentes y características del calor de fermentación

El calor de la fermentación proviene principalmente de las reacciones metabólicas de los microorganismos, especialmente de los procesos de descomposición de las fuentes de carbono y de la conducción de reacciones redox. Por ejemplo:

• En la fermentación aeróbica, el oxígeno participa en las reacciones metabólicas, lo que produce una gran liberación de calor;
• La fermentación anaeróbica es relativamente suave, pero bajo ciertas condiciones también puede generar una gran cantidad de calor;
• En el caso de las cepas de producción industrial de antibióticos, aminoácidos, ácidos orgánicos, etc., sus reacciones biosintéticas de alto rendimiento suelen ir acompañadas de una elevada generación de calor.

El calor de fermentación tiene las siguientes características:

1. Fuerte persistencia y acumulación: El ciclo de fermentación es largo y el calor se acumula continuamente, lo que provoca fácilmente un aumento de la temperatura.

2. Depende en gran medida de la tasa metabólica de la cepa: El calor generado por diferentes cepas puede variar varias veces.

3. Se ve afectado significativamente por las variables del proceso: factores como el control del oxígeno disuelto, la velocidad de agitación, la concentración del sustrato y la relación de aireación pueden modificar la liberación de calor metabólico.

4. El pico de liberación de calor está relacionado con la etapa de crecimiento: es más intenso durante la fase de crecimiento logarítmico y disminuye después de entrar en la fase estacionaria.

Por este motivo, en el diseño biotecnológico es necesario formular esquemas de diseño de tanques de fermentación personalizados basados ​​en diferentes temperaturas de fermentación.

II. El impacto general del calor de fermentación en el diseño de Biorreactors

En el diseño de biorreactores, el calor de fermentación afecta principalmente a los siguientes aspectos:

1. Diseño de la zona de transferencia de calor

2. Configuración del sistema de refrigeración

3. Selección de la estructura de agitación

4. Materiales del biorreactor y métodos de aislamiento

5. Capacidad de control de temperatura automatizado del sistema de fermentación

Los diferentes niveles de calor determinan si el biorreactor puede mantener un rango de temperatura óptimo, seguro y estable, lo que afecta la tasa de crecimiento de los microorganismos y la eficiencia de síntesis de los productos objetivo.

Sistema de fermentación MIKEBIO

III. Requisitos de diseño para biorreactores bajo diferentes niveles de calor de fermentación

Para facilitar la explicación, el proceso de fermentación se puede clasificar en tres categorías según la producción de calor: fermentación de baja, media y alta generación de calor. Cada tipo de proceso tiene requisitos diferentes en cuanto a la estructura del biorreactor, la capacidad de refrigeración y la precisión del control de temperatura.

(1) Requisitos de diseño para procesos de fermentación de baja temperatura

La fermentación a baja temperatura se observa comúnmente en:

• Fermentación anaeróbica parcial (como el cultivo de baja densidad de bacterias lácticas y levaduras)
• Cepas con tasas metabólicas lentas
• Algunos biorreactores básicos de tipo investigación

Sus características son una baja tasa metabólica y una liberación de calor suave.

Requisitos de diseño:

1. Una superficie de transferencia de calor adecuada de los tubos o camisas es suficiente para cumplir con los requisitos.

La superficie de la chaqueta no necesita ser demasiado grande; se puede utilizar una chaqueta de una sola capa o tubos locales como material auxiliar.

2. El requerimiento de carga del sistema de refrigeración no es elevado.

El uso de agua de refrigeración convencional puede mantener una temperatura estable.

3. El agitador puede adoptar una estructura de baja cizalladura.

Como por ejemplo los agitadores de paletas o helicoidales, que pueden reducir el consumo de energía y evitar la oxigenación excesiva que provoca un aumento de la temperatura.

4. El aislamiento del biorreactor puede debilitarse moderadamente.

Dado que la acumulación de calor no es significativa, sigue siendo necesario evitar la influencia de la temperatura ambiente sobre la temperatura de cultivo.

5. La velocidad de respuesta del sistema de control de temperatura puede estar al nivel convencional.

Adecuado para biorreactores a escala de laboratorio, para uso docente o para producción a pequeña escala.

(2) Requisitos para el diseño de tanques de fermentación en procesos de fermentación a temperatura media

En la fermentación industrial, un gran número de procesos clásicos se engloban dentro de la categoría de calor medio, tales como:

• Producción de enzimas
• Cultivo de levadura de alta densidad
• Algunas producciones de ácidos orgánicos

Estos procesos generan una cantidad considerable de calor, lo que supone una mayor exigencia para el sistema de fermentación.

Requisitos de diseño:

1. Aumento de la superficie de intercambio de calor: Sistema dual de camisa + serpentín integrado.

Utilice una estructura de intercambio de calor doble para garantizar que el reactor pueda disipar el calor con rapidez.

2. El sistema de refrigeración debe tener una alta capacidad de circulación de refrigeración.

La diferencia de temperatura del agua de refrigeración debe diseñarse de forma razonable para evitar un aumento descontrolado de la temperatura durante los períodos de máxima demanda.

3. Aumentar la potencia de agitación para mejorar el coeficiente de transferencia de calor.

Mejorar el efecto de transferencia de calor por convección mediante la agitación para lograr un enfriamiento más uniforme.

4. El material del tanque de fermentación biológica debe tener buena conductividad térmica y resistencia.

El acero inoxidable 316L es la opción más común.

5. El sistema de fermentación debe controlarse automáticamente en cuanto a temperatura y oxígeno disuelto.

Durante la fase de calor medio, los cambios de temperatura son significativos, por lo que el control automático de la temperatura resulta crucial.

6. El diseño a escala debe tener en cuenta el efecto de acumulación térmica.

Especialmente en tanques de fermentación industriales de más de 5 m³, es necesario combinar las reglas de escalado estándar con cálculos de simulación CFD.

(3) Requisitos para el diseño de tanques de fermentación en procesos de fermentación a alta temperatura (los más complejos)

Tanto en el campo de la biotecnología como en el de la ingeniería biotecnológica, los procesos de fermentación a altas temperaturas se encuentran entre los más complejos. Por ejemplo:

• Fermentación de antibióticos (como la penicilina y la cefalosporina)
• Fermentación de alta densidad de ciertos aminoácidos (como el ácido glutámico)
• Etapa de crecimiento rápido de cepas bacterianas aerobias
• Proceso de fermentación de corta duración de cepas bacterianas de metabolismo rápido.

Estos procesos generan una cantidad de calor extremadamente alta por unidad de tiempo, lo que puede provocar que la temperatura se descontrole rápidamente. Por lo tanto, es necesario reforzar el diseño de los tanques de fermentación biológica para estos procesos.

Requisitos de diseño:

1. Diseño de gran área de intercambio de calor: Camisa + Serpentín de tubo denso + Tubo serpentín incorporado

La superficie de intercambio de calor debe incrementarse significativamente, superando con creces el diseño de los tanques de fermentación convencionales.

2. Capacidad de enfriamiento notablemente mejorada

• El sistema de agua de refrigeración debe tener un caudal elevado y capacidad de suministro a baja temperatura.
• Las grandes fábricas suelen utilizar **salmuera congelada (-5 ~ 5 °C)** como medio de refrigeración.
• El sistema de refrigeración debe tener enclavamiento multinivel: refrigeración primaria, agua fría auxiliar, refrigeración de emergencia.

3. Estructura de agitador eficiente. Por ejemplo:

• Turbina Rushton
• Impulsor radial de seis aspas
• Estructura de mezcla compuesta de doble o triple capa

El objetivo es mejorar la transferencia de oxígeno y la capacidad de transferencia de calor.

4. Fortalecimiento de la fermentador espesor de la pared del tanque

La agitación a alta carga y la circulación de refrigeración provocarán fluctuaciones de presión, lo que requerirá una mayor resistencia mecánica.

5. Requisitos de sistemas de control de temperatura extremadamente altos

El sistema debe tener:

• Respuesta del sensor a nivel de milisegundos
• Regulación automática PID
• Alarma por aumento anormal de temperatura y canal de refrigeración de emergencia

6. El escalado del proceso debe diseñarse teniendo el calor como parámetro central.

En tanques con volúmenes que oscilan entre 10 y 100 m³, el efecto de acumulación de calor se amplificará exponencialmente, lo que requerirá:

• Simulación CFD del campo de flujo y del campo de temperatura.
• Cálculo del balance térmico dinámico
• Modelo de predicción de carga térmica en línea

Por lo tanto, los tanques de biorreactores para procesos de alta temperatura son los puntos clave y difíciles en el diseño de la biotecnología, y a menudo representan el límite superior de las capacidades de la tecnología de fermentación de una empresa.

Sistema de fermentación MIKEBIO

IV. Diseño sinérgico del calor de fermentación y automatización del sistema de fermentación

En las fábricas de biotecnología inteligentes, el sistema de fermentación y el módulo de control de temperatura suelen requerir un alto grado de coordinación. A través de:

• Monitorización en línea (temperatura, pH, oxígeno disuelto, consumo de fuente de carbono)
• modelo gemelo digital
• Algoritmo de predicción de calor
• Válvulas de control automatizadas y bombas de refrigeración

Se puede establecer un sistema de fermentación dinámico e inteligente que mantenga la temperatura dentro del rango óptimo en todo momento, maximizando así la eficiencia y el rendimiento de la fermentación.

V. Conclusión

El calor generado durante la fermentación biológica influye decisivamente en el diseño de los tanques de fermentación. El proceso de baja temperatura prioriza la estabilidad básica, el de temperatura media se centra en mejorar la disipación del calor, mientras que el de alta temperatura exige un alto rendimiento de las estructuras de intercambio de calor, los sistemas de refrigeración y el control automatizado. En el contexto del rápido desarrollo de las industrias de la biotecnología y la bioingeniería, si las empresas buscan mejorar la eficiencia de la fermentación, reducir el consumo energético y garantizar la calidad del producto, deben considerar el calor generado durante la fermentación y diseñar biorreactores y sistemas de fermentación científicamente sólidos y racionales.

Un tanque de fermentación biológica óptimo debe ser compatible con el calor generado durante la fermentación. Solo mediante una gestión térmica adecuada se puede lograr un proceso de fermentación sostenido, estable y altamente productivo, lo que constituye un sólido respaldo para las industrias biotecnológicas modernas.

Por otro lado, al elegir un biorreactor, es necesario seleccionar un fabricante formal con buena reputación y sólida capacidad para garantizar la calidad del producto. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd., fundada en 2008, es una empresa de alta tecnología centrada en la I+D, producción y venta de equipos de fermentación biológica. Contamos con una plataforma de fermentación inteligente y automatizada a escala piloto, así como con un sistema de fermentación consolidado. Este sistema permite la optimización de los procesos de fermentación a escala piloto y la puesta en marcha y el desarrollo de todos los procesos, desde la producción de fermentación a escala piloto hasta la separación y purificación de los productos de fermentación. Además, la empresa ha establecido una estación de trabajo para doctorandos y un laboratorio moderno.

También contamos con un taller de producción estandarizado, equipado con todos los equipos y herramientas necesarios para la instalación. Estos incluyen principalmente diversas máquinas herramienta, máquinas de soldadura automática por arco de argón, pulidoras automáticas, máquinas de corte automáticas, detectores de defectos y más de 60 equipos adicionales de producción y prueba. Todos los procesos de producción se rigen por procedimientos operativos estándar modernos, lo que nos permite brindar a nuestros clientes un mayor control de calidad y soporte técnico.

TAPONES:#MIKEBIO #MIKE #BIO #BIOTECH #biotecnología #biorreactor #fermentadorBiorreactor #Fermentador #Biorreactor #fermentador #biorreactor #fermentador #biorreactor #bioingeniería #FermentationTank #Biotecnología #biotechnologie #биотехнология #biotecnologia #Fermentation #Fermentación #ферментация #fermentação #fermentor #FermentationSystem #FermentationVessel #FermentaionFactory #FermentationChina #FermentationManufacturer #FermentationEquipment #PrecisionFermentation #PreparaciónDeLíquidos #Bioprocesamiento