¿Qué se debe hacer si el bajo rendimiento se debe a un suministro insuficiente de gas durante el proceso de fermentación biológica?
Introducción
La fermentación biológica es un proceso importante que aplica microorganismos a la producción industrial y se utiliza ampliamente en diversos campos como la medicina, la alimentación, la ingeniería química y la energía. Durante la fermentación, el suministro de gases (especialmente oxígeno u otros gases esenciales como el hidrógeno y el dióxido de carbono) es crucial para el metabolismo normal de los microorganismos, la proliferación celular y la síntesis de los productos deseados. Un suministro insuficiente de gases puede provocar, en el mejor de los casos, una disminución del rendimiento y, en el peor, la muerte de las bacterias y el fracaso de la fermentación. Por lo tanto, solucionar el problema del suministro insuficiente de gases durante la fermentación es una de las tecnologías clave para garantizar la estabilidad del proceso y un alto rendimiento de los productos.
I. El papel de los gases en la fermentación
1. Oxígeno (O₂)
En la fermentación aeróbica, el oxígeno es un aceptor de electrones indispensable para el metabolismo microbiano. Un suministro insuficiente de oxígeno provocará:
- Los microorganismos entran en la vía metabólica anaeróbica y aumentan los subproductos, como la producción de ácido y la producción de gas;
- Un suministro insuficiente de energía conlleva una disminución de la tasa de crecimiento celular;
- La ruta de síntesis del producto está desordenada, lo que provoca una reducción o incluso la incapacidad de sintetizar el producto deseado.
2. Dióxido de carbono (CO₂)
En el proceso de fermentación de algunas bacterias fotosintéticas o microorganismos autótrofos, el dióxido de carbono es una de sus fuentes de carbono. Una cantidad insuficiente de CO₂ limitará su capacidad de fijación de carbono y afectará su crecimiento.
Sistema de fermentación industrial MIKEBIO para microorganismos de licores
3. Hidrógeno (H₂) y otros gases especiales
Algunos microorganismos anaeróbicos o con metabolismo especial, como los metanógenos, requieren hidrógeno u otros gases reductores para llevar a cabo su metabolismo. Un suministro inestable de gas afecta directamente la tasa de producción y la eficiencia de conversión.
II. Análisis de las causas del suministro insuficiente de gas
1. La transferencia de masa es limitada.
El gas pasa de la fase gaseosa a la fase líquida y luego de la fase líquida al interior de la célula, y se ve afectado por la resistencia a la transferencia de masa multicapa:
- Baja solubilidad: Por ejemplo, la solubilidad del oxígeno en agua es intrínsecamente baja;
- Agitación insuficiente: Durante el diseño de la tanque de fermentaciónEl diseño inadecuado de las palas agitadoras provoca que las burbujas no se dispersen por completo, lo que reduce la superficie de contacto entre el gas y el líquido.
- Alta viscosidad: Algunos líquidos de fermentación tienen una alta viscosidad, lo cual no favorece la difusión de gases;
- Espuma excesiva: La espuma excesiva afecta la superficie de contacto por donde el gas entra en el líquido.
2. El sistema de ventilación está mal diseñado.
- El diseño del orificio de ventilación es inadecuado;
- Bomba de aire o volumen de aire comprimido insuficientes;
- El distribuidor de gas está obstruido o deteriorado por el paso del tiempo;
- Existe una fuga de aire o una presión inestable en la tubería.
3. Estrategia de control inadecuada
La frecuencia de ventilación no se ajustó en tiempo real;
El sistema de control de fermentación no está vinculado con la sonda de oxígeno disuelto.
Ignore el aumento de la demanda de oxígeno en las etapas media y final de la fermentación.
III. El impacto de un suministro insuficiente de gas en el rendimiento de la fermentación
Cuando el suministro de gas no logra satisfacer las demandas metabólicas de los microorganismos, se producirán las siguientes consecuencias:
- El producto deseado disminuye: tomando como ejemplo la fermentación de aminoácidos, la falta de oxígeno limitará la tasa de síntesis y provocará una rápida disminución de la producción.
- Aumento de subproductos: Se producen subproductos metabólicos como el ácido láctico y el etanol, lo que afecta a la pureza.
- Muerte o estancamiento bacteriano: En casos graves, los microorganismos se vuelven inactivos y la fermentación se interrumpe.
- Ciclo de fermentación prolongado: Esto conlleva una disminución del rendimiento por unidad de tiempo y un aumento de los costes de producción.
IV. Estrategias de respuesta y planes de optimización
- Mejorar la eficiencia de la disolución de gases
- Aumentar la velocidad de agitación: Mejora la circulación del líquido, aumenta la velocidad de ruptura de las burbujas y mejora la eficiencia del contacto gas-líquido;
- Utilice cabezales de aireación microporosos o aireadores de vórtice: mejoran el refinamiento de las burbujas y aumentan la superficie de la interfaz gas-líquido;
- Agregar tensioactivos, como polietilenglicol (PEG), etc., para mejorar la difusión de gases;
- Aumentar la presión del tanque de fermentación (fermentación presurizada): La presurización puede mejorar la solubilidad del gas en la fase líquida, pero se requiere una evaluación de seguridad;
- Utilizar oxígeno puro en lugar de aire: puede aumentar significativamente el nivel de suministro de oxígeno en la fermentación altamente aeróbica, pero el coste es relativamente elevado.
2. Optimizar el diseño del sistema de ventilación.
- Inspeccione periódicamente las tuberías y el sistema de distribución de gas para evitar obstrucciones y fugas de gas;
- La ventilación multipunto mejora la uniformidad de la distribución del gas;
- El sistema de control automático de ventilación (como por ejemplo, el que está conectado a la sonda de oxígeno disuelto) regula el caudal de gas;
- Establezca una fuente de gas de reserva para evitar que las averías temporales afecten al proceso de fermentación.
3. Optimizar los parámetros del proceso de fermentación.
- Ajuste la ventilación y la velocidad de agitación por etapas: Los requerimientos de oxígeno varían en las diferentes etapas de fermentación y deben ajustarse dinámicamente.
- Reduzca el nivel del líquido: Reduzca adecuadamente el nivel del líquido de fermentación y aumente el espacio de la fase gaseosa, lo cual favorece la disolución del oxígeno.
- Ajuste de la estrategia de alimentación: Reducir la velocidad de alimentación de los sustratos de metabolismo rápido para evitar un consumo excesivo de oxígeno en un corto período de tiempo;
- Modelado y predicción mediante biorreactores: Se realizaron simulaciones y optimizaciones basadas en la tasa de consumo de oxígeno microbiano (OUR) y la tasa de suministro de oxígeno (OTR).
4. Modificación mediante ingeniería de cepas microbianas
- Seleccionar o desarrollar cepas que sean más tolerantes a la hipoxia;
- Modificar la ruta metabólica para que las bacterias puedan mantener altos rendimientos incluso en condiciones de hipoxia;
- Expresar proteínas de transporte de electrones heterólogas de alta eficiencia para mejorar la eficiencia metabólica.
V. Análisis de caso: Optimización del suministro de oxígeno en la fermentación del ácido glutámico
Durante el proceso de producción de ácido glutámico, la bacteria Corynebacterium glutamicum tiene una demanda de oxígeno extremadamente alta. La producción de una fábrica en particular disminuyó significativamente en las etapas intermedias y finales de la fermentación. Tras una inspección, se constató que el oxígeno disuelto se mantenía constantemente por debajo del 10 %. Después de implementar las siguientes medidas, la producción aumentó un 15 %:
- Aumentar la velocidad de agitación de 350 rpm a 600 rpm;
- Añadir placas de aireación microporosas para mejorar la eficiencia de la dispersión de burbujas;
- A medio plazo, añadir una baja concentración de éter de polioxietileno para mejorar la interfaz gas-líquido;
- El volumen de ventilación se ajusta en tiempo real mediante el sistema de control PID.
VI. Resumen
La insuficiencia de suministro de gas es un problema común y generalizado en la fermentación biológica. Mediante el análisis sistemático de las causas y la adopción de estrategias de optimización específicas, se puede mejorar eficazmente el entorno metabólico de los microorganismos, aumentando así la eficiencia de la fermentación y el rendimiento del producto.
Sistema de biofermentación tripulante conectado MIKEBIO para investigación biológica
Con el desarrollo de la biotecnología, en el futuro se recurrirá a sensores más inteligentes, modelos de procesos y sistemas de control optimizados mediante IA para lograr una gestión precisa del suministro de gas. Además, se espera que nuevos dispositivos de fermentación, reactores de membrana de burbujas, medios portadores de oxígeno, etc., mejoren aún más la eficiencia del suministro de oxígeno, impulsando así la inteligencia y el alto rendimiento de la fermentación a nivel industrial.
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