Influencia de las tasas de corte en fermentadores
Una caracterización completa de los parámetros operativos relevantes es obligatoria para un desarrollo y ampliación exitosos del proceso. Un parámetro importante, que podría influir fuertemente en las condiciones de cultivo de los microorganismos, es la velocidad de corte efectiva 𝛾̇eff. La velocidad de corte efectiva influye en la viscosidad aparente y, posteriormente, la mezcla y la transferencia de calor en biorreactores agitados. Mientras que los líquidos de baja viscosidad típicamente muestran un comportamiento de flujo newtoniano, es decir, una viscosidad constante sobre la velocidad de cizallamiento, los caldos de fermentación de viscosidad elevada generalmente muestran un comportamiento de flujo no newtoniano, es decir, cambiando la viscosidad sobre la velocidad de cizallamiento. El riesgo de ajustar las condiciones operativas desfavorables, es decir, las condiciones operativas desfasadas, aumenta si se desconoce la tasa de corte efectiva del caldo de cultivo. Giese investigó sistemáticamente la velocidad de corte efectiva en matraces de agitación para una amplia gama de condiciones de operación. Mediante el uso del análisis dimensional, se obtuvo la siguiente ecuación:
De acuerdo con los hallazgos más recientes para los reactores de tanque agitado, se podría demostrar que la velocidad de corte depende de la entrada de potencia específica y no de la velocidad de agitación o la frecuencia de agitación. Usando la ecuación anterior, la tasa de corte efectiva 𝛾̇effen matraces de agitación se puede calcular en función de la entrada de potencia específica P / VL,el volumen de llenadoVL, el diámetro del matrazd, el diámetro de agitación d0, el índice de comportamiento de flujo m, la índice de consistencia del flujo K, el factor proporcional L y el exponente x. La correlación es válida para matraces de agitación con volúmenes nominales que van desde 50 ml hasta 1000 ml y para condiciones de funcionamiento en fase. Se encontró que los valores de L y x son L = 2.06 y x = −0.331. Estos valores están comprobados para las siguientes condiciones de agitación: VR= 50–1000ml, VL= 10–100ml, d0= 25–100mm, entrada de potencia específica: 0.71–15.1 kW m − 3, índice de consistencia K: 49–23 233 mPa sm, índice de comportamiento de flujo m: 0.107–0.867. Giese reportó que, dependiendo del índice de comportamiento de flujo del caldo, la tasa de corte efectiva en matraces de agitación es al menos 1.55 veces mayor que la de los biorreactores de tanque agitado en comparación con la misma entrada de potencia específica. Este aumento de valor podría llevar a una viscosidad aparente un 50% más baja en matraces de agitación en comparación con los biorreactores de tanque agitado.
Ventilación en Microbiorreactores Agitados
El intercambio de gases entre la fase líquida y la fase gaseosa circundante se determina por dos resistencias de transferencia de masa en biorreactores agitados. Además de la resistencia del área de interfaz gas-líquido, existe la resistencia del cierre estéril en el cuello del biorreactor agitado. La resistencia del cierre estéril está determinada por el área de sección transversal del cuello del matraz, la altura del cierre estéril y las propiedades del material. Los tapones de algodón se utilizan normalmente como cierre estéril en matraces de agitación. La resistencia del tapón puede descuidarse si prevalecen tasas moderadas de transferencia de oxígeno. Sin embargo, para altas tasas de transferencia de oxígeno, por ejemplo, en matraces de agitación desconcertados, la resistencia del tapón de algodón puede convertirse en el paso limitante. En los cultivos aeróbicos, también la eliminación de dióxido de carbono de la fase líquida es importante para evitar efectos inhibitorios durante el cultivo. Además, la evaporación del agua debe minimizarse para garantizar condiciones de cultivo uniformes y reproducibles. Se conocen cuatro métodos para determinar experimentalmente la resistencia de los cierres estériles. Además del método dinámico clásico, que determina el aumento de oxígeno en el espacio de cabeza del matraz después del lavado con nitrógeno, Henzler informó sobre un método de estado estacionario que compara diferentes composiciones del espacio de cabeza de los cultivos microbianos en matraces de agitación sellados y no sellados. Otro método se basa en el supuesto de estado estable pero, además, considera la evaporación del agua. Finalmente, se establece un método de bajo costo en el que se mide la pérdida de agua de dos biorreactores agitados equivalentes. Un matraz se llena con agua destilada y el segundo se llena con una solución salina saturada. De las diferentes tasas de evaporación en ambos matraces, se calculan los coeficientes de difusión de oxígeno y dióxido de carbono en el cierre estéril y la humedad relativa en el medio ambiente. Para reducir el esfuerzo experimental, se desarrolló un modelo matemático para determinar la resistencia de los cierres estériles en matraces de agitación. Este modelo permite la predicción de los coeficientes de transferencia de masa de oxígeno de la fase gaseosa en el espacio de cabeza del matraz de agitación. De manera similar a los matraces de agitación, la transferencia de oxígeno a las placas de microtitulación se determina mediante láminas adhesivas de sellado en la parte superior de la placa. Además, la pérdida de agua de los pozos debido a la evaporación desempeña un papel dominante, en comparación con los matraces de agitación, debido a la mayor relación superficie-volumen. Para garantizar un suministro de oxígeno suficiente y al mismo tiempo minimizar la evaporación, debe elegirse un sellado apropiado de la placa de microtitulación. Hasta ahora, no se dispone de una investigación exhaustiva sobre los cierres estériles de placas de microtitulación. Zimmermann y otros investigaron diferentes sellados de membrana disponibles comercialmente. Los autores especifican las propiedades de sellado requeridas y afirman que no existe un producto óptimo que combine una alta permeabilidad al oxígeno y poca evaporación de agua. Duetz desarrolló una tapa especial para placas de 96 pocillos. Consiste en una tapa de acero perforada en la que se coloca una capa de sándwich que consiste en algodón y silicona perforada. Schlepütz y Büchs presentaron una tapa especial para placas de microtitulación de 48 pocillos que reduce la evaporación del etanol durante la producción de vinagre. En el mismo trabajo, se utilizó un modelo de difusión para calcular las dimensiones de un orificio de gasificación en la tapa para garantizar un suministro de oxígeno adecuado durante el cultivo.