Fermentación.: Capítulo 4.- Principales tipos de fermentadores.

Configuración de un fermentador

Las fermentaciones se llevan a cabo en recipientes denominados fermentadores. La disposición geométrica de estos afecta al modelo de flujo líquido y contribuye a la realización de una fermentación medida en términos de rendimiento y velocidad de producción.

Los distintos tipos de fementación se basan en la terminología establecida:

Fermentador intermitente (FI); (batch fermenter: BF)
Fermentador continuo de tanque agitado (FTCA); (continuos stirred-tank fermenter: CSTF)
Fermentador tubular (FT); (tubular fermener: TF)
Fermentador de lecho fluidizado (FLF); (Fluidised bed fermenter: FBF)

La influencia en el desarrollo de estás configuraciones ha sido la necesidad de mantener un cultivo estable. Se requiere operar en condiciones sépticas.

Su principal influencia de operación deriva de las propiedades físicas de los microorganismos. En condiciones normales ésto tienen una gran cantidad de agua, por ello su densidad es diferente. Se requiere de un empuje hidrodinámico pequeño para mantenerlos en suspención, el resultado es la agitación del fluido circundante con los microorganismos en suspención.

Las conversiones bioquímicas no se alcanzan en ausencia de microorganismos se comprende que al utilizar los microorganismos suspendidos en un fermenador continuo evitará que sean arrastrados por la corriente de salida. Los caudales a utilizar con un fermentador continuo de tanque agitado están limitados como resultado de este fenómeno y los fermentadores tubulares (FT), con flóculos suspendidos, no pueden funcionar sin un aporte constante de microorganismos en la corriente de entrada. Una respuesta a esto el el fermentador de lecho fluidizado, que es un híbrido entre el fermentador de tanque agitado y el fermentador tubular.

Imagen. Fermentador.

Una forma alternativa de fermentador tubular implica el uso de películas microbianas mantenidos sobre superficies apropiadas situadas dentro del fermentador.

En el fermentador de tanque agitado discontinuo, los reactivos se añaden inicialmente al tanque; se mezclan bien y se les permite reaccionar durante un período de tiempo hasta que se alcance la conversión requerida. Por lo tanto los microorganismos en un fermentador discontinuo están mas expuestos a las condiciones ambientales en cambio constante.

En el FCTA la agitación es una característica extremadamente importante, considerándose que una buena aproximación a la mezcla perfecta no es difícil de alcanzar con tal que la fase fluida no sea demasiado viscosa. El efecto de una buena mezcla de todos los elementos del fluido en el tanque tengan virtualmente la misma composición.

Una gran ventaja del FCTA es el fácil control de la temperatura y del pH. El material que entra en un tanque dado se sumerje inmediatamente en un gran volumen de fluido parcialmente fermentado y, a causa de la agitación, las variaciones locales de temperatura y de pH son mínimas.

Otra ventaja rcide en la modulación de cualquier sobrecarga accidental a que pueda ser sometido el sistema.

Debido a que el FCTA, en comparación al FT o al FLF, es de construcción abierta, lo que facilita la limpieza de las superficies internas, algo fundamental en las operaciónes en condiciones asépticas.

La ausencia de mezclado en un fermentador tubular motiva la existencia de perfiles de concentración axial, como la caida gradual y continua de la concentración del sustrato y aumento en la concentración de producto.

Fermentación discontinua

Los procesos microbiológicos llevados a cabo de forma discontinua implican invariablemente varias etapas. Estas incluyen el desarrollo de microorganismos a partir de un cultivo patrón. El primer paso para esto consiste en desarrollar un cultivo sobre la superficie de medio nutriente estéril solidificado por adición de agar. El fermentador de siembra se utiliza para producir el inóculo para el fermentador de producción industrial.

Como regla general puede decirce que el objetivo principal de la ingeniería bioquímica radica en los fermentadores de siembra y de producción industrial.

El proceso complto podría tener lugar en una única etapa pero el sistema de etapas múltiples tiene cierto número de ventajas, en particular:

Productividad creciente para im volumen total menor de fementador.
Posibilidad de variación de las condiciones ambientales de etapa en etapa, lo que lleva a que algunas etapas sean utilizadas predominantemente para el crecimiento microbiano y otras para producción bioquímica.

La disposición básica del fermentador es un fermentador tipo tanque profundo. Las etapas de innovación de este fermentador constituyen una interesante historia tecnológica, que puede seguirse desde la producción del ácido glucónico.

El tiempo requerido para una fermentación discontinua varía de horas a semanas dependiendo de la conversión que se desee y de las condiciones utilizadas. Durante éste debe evitarse la contaminación debiendo agitarse el contenido del tanque y manteniendo controlada su temperatura.

El control de la temperatura se consigue poniendo una camisa de agua alrededor del tanque, acompañado por la utilización de serpentines internos con el fin de conseguir una superficie suficiente de transmisión de calor.

El problema de diseño de un fermentador tipo tanque profundo reside en la especificación del tamaño del tanque, el tiempo de proceso, la cantidad de microorganismos retenidos, las necesidades de aireación y de potencia, y el área de la superficie de transmisión de calor.

Las condiciones óptimas para el crecimiento y la formación de producto son diferentes términos de temperatura y pH, y en el grado de aireación y agitación requerido.

Tipos de fermentadores discontinuos

Cada uno de los tipos principales posee varios diseños geométricos, pero generalmente pueden clasificarse como sigue:

Inyección de aire a través del agitador; el aire pasa por un eje hueco y es inyectado en el medio a través de los agujeros practicados en el agitador.
Inyección de dos fases; una mezcla de dos fases de aire y medio nutriente pasa al fermentador en forma de espuma o suspensión.
Fermentador con transporte por aire; el aire se usa para hacer circular los productos contenidos en el fermentador, bien por tubos externos al recipiente o usando un tubo interior.
Inyección de aire por distribuidor; el fermentador usado más extensamente es el cilindro vertical agitado, con deflectores con un distribuidor de aire cuyas principales características son las de un fementador.

Transmisión de calor

En un fermentador discontinuo el área de transmisión de calor debe calcularse para que pueda suministrar las cantidades de calor correspondientes a la esterilizaión y el enfriamiento, así como las asociadas con el funcionamiento normal. Las variables a lo largo de la fermentación, son:

Calor de reacción
Energía disipada por el agitador
Energía disipada por el aire al pasar por el medio líquido
Pérdidas de calor en la corriente de aire debido a cambios de temperatura y humedad.

Agitación

Se usan impulsores que producen un flujo radial. La selección del impulsor y de su velocidad de funcionamiento está basado bien sobre datos obtenidos con sistemas similares o bien sobre un estudio bien detallado de ''planta piloto''.

Esterilización

La esterilización de medios se logra generalmente por vapor, mientras el aire suministrado se esteriliza por la temperatura alcanzada en el compresor, seguido por el paso a través de un medio filtrante fibroso. Es normal utilizar un filtro adicional a la salida del aire para evitar la infeccipon en el caso que parte de dicho aire fuera aspirado nuevamente a la instalación.

Prevención d la espuma

Las fermentaciones son propensas a la formación de espuma como consecuencia de la presencia de metabolitos con propiedades tensoactivas. Pueden conducir a una considerable diminución del volumen de líquido. El metodo general usa para salvar esta dificultad consiste en añadir agentes antiespumantes (aceites naturales y minerales, alcoholes superiores, ácidos grasos y siliconas).

Elementos mecánicos

Los elementos mecánicos de los fermentadores o el equipo auxiliar utilizado han sido descritos por Solomons (1969); Hospodka (1966) ha estudiado un número considerabl de variaciones del fermentador básico de tanque agitado.

Imagen. Fermentador típico con equipo auxiliar (Olsen, 1960).

Digestión de ''fangos''

La antítesis del crecimiento microbiano bajo condiciones industriales es el proceso de digestión de ''fangos'' en la industria de tratamiento de aguas residuales. Este es un proceso de fermentación anaerobia llevado a cabo bajo condiciones intermitente o semicontinuas. Un objetivo secundario del proceso es el acondicionamiento de fangos residuales haciendo particular referencia a su capacidad de perder agua. La digestión anaerobia se realiza en fermentadores con tiempos de proceso típicos de 2-3 semanas. El fango sedimentadode una consistencia pastosa, alimenta al digestor donde se hidroliza a compuestos solubles tales como azúcares sencillos, péptidos, aminoácidos, gliceroles y ácidos grasos.
El proceso es no-aséptico, y la eficacia de la digestión se ve afectada significativamente por factores tales como temperatura, pH, composición de fango, grado de mezclado y concentración de sólidos.
La digestión más rápida tiene lugar a 55-70°C, que son temperaturas altas para la mayoría de los procesos microbianos. Aunque las reacciones son exotérmicas es necesario añadir calor al sistema para compensar las pérdidas al entorno externo. El gas producido se usa frecuentemente como fuente de energía para los trabajos de tratamiento.

Fermentación continua en tanque agitado

Un FCTA no necesia ser básicamente diferente a un fermentador discontinuo. La diferencia fundamental está en el hecho de que el contenido del recipiente está en estado estacionario, no varía mucho con el tiempo; esto se aplica a la retención de microorganismos y a la concentración de los componentes del medio en el fermentador.
Las condiciones del estado estacionario pueden alcanzarse bajo principios:

Quimiostáticos: implican ajustar el caudarl de alimento del fermentador a un valor apropiado y constante, permitiendo a las concentraciones de microorganismos, sustrato, y producto bioquímico alcanzar sus niveles ''naturales''.
Turbidostáticos: requiere una determinación experimental de la turbidez, una medida indirecta de la concentración microbiana, para controlar el caudal.

La consecuencia inmediata es que para una operación económicamente satisfactoria, las condiciones ambientales seleccionadas para el fermentador deben conducir a rendimientos aceptables de productos microbianos y bioquímicos. Una vez alcanzado un rendimiento pequeño de producto de una fermentación intermitente éste puede mejorarse en una etapa de desarrollo. En contraste, para una operación contínua se requiere conocimiento detallado de todas las relaciones existentes entre la velocidad de reacción y las variables de operación. Una complicación adicional surge del hecho de que los medios ''naturales'', al contrario de las soluciones de sustrato químico, son normalmente usados en las industrias de fermentación.

Los sistemas continuos de más éxito hasta el siglo XX han sido los que utilizaron levaduras y bacterias, en los que los productos deseados son las células o los metabolitos primarios como en la levadura del pan, la proteína microbiana o algún producto claramente asociado con el crecimiento o los mecanismos productores de energía.

No parece haber razón alguna por la cual cualquier fermentación no pueda ser alcanzada en proceso continuos. Cuando los metabolitos secundarios son el objetivo, la situación es menos alentadora normalmente y es menos probable que sistemas de recipiente único conduzcan a resultados satisfactorios a causa de los diferentes requerimientos ambientales entre las etapas de crecimiento y producción.

En el proceso continuo la naturaleza autocatalítica de las reacciones microbiológicas tiene una significación adicional. Debido a la presencia de uno de los productos, microorganismos adicionales, aumenta la velocidad total de la reacción. Si el caudal alcanza un valor elevado entonces todos los microorganismos serán arrastrados fuera del fermentador y la conversión cesará. A esto se le conoce como arrastre o lavado. Si los microorganismos se introducen en el fermentador simultáneamente con el sustrato entonces los problemas asociados con el arrastre disminuyen y la reacción transcurre normalmente. Operar bajo tales condiciones requiere un flujo continuo de microorganismos idénticos a los que existen dentro del fermentador. El efluente puede pasarse a través de una centrífuga o bien por medio de un tanque de sedimentación, para producir una suspención microbiana concentrada para ser reciclada al fermentador.

Imagen. Diagrama de flujo de una fermentación continua.

Estos dos métodos se han aplicado con éxito en condiciones industriales para la producción de cerveza. Una afluencia constante de organismos no sólo soluciona el problema del arrastre sino que además produce un incremento en la productividad por el incremento de microorganismos retenidos dentro del fermentador.

Imagen. Diagrama de flujo de una planta de tratamiento de aguas residuales por el sistema de lodos activados.

Una característica en la industria química reside en la utilización de varios reactores en serie, porque el efluente de un reactor único contiene normalmente una concentración apreciable de los reactantes. El FCTA trabaja normalmente con altas conversiones de sustrato, por lo que la concentración baja y la pérdida de sustrato no es una característica importante. Una característica adicional de varios fermentadores en serie es que si los microorganismos están presentes en el primer fermentador entonces, a pesar del hecho de que el caudal a través de los sucesivos fermentadores aumente en la dirección como resultado de la adición de sustrato, no puede ocurrir el arrastre.

Los sistemas de etapas múltiples son particularmente útiles cuando en los procesos discontinuos equivalentes es preciso variar las condiciones ambientales durante el curso de la reacción. Es decir, se proporcionan las condiciones ambientales necesarias en cada una de las etapas.
Esto ocurre cuando en los procesos discontinuos:

Los productos se forman hacia el final de la fase exponencial y en el curso de la fase estacionaria.
Los productos se forman independientemente de la velocidad de crecimiento microbiano.
El producto es el restultado de una secuencia de reacciones químicas y microbiológicas sucesivas.

Una forma alternativa de FCTA fue descrita por Kitai y Yamagata (1970). Consiste en un tubo dividido en secciones iguales por platos perforados horizontales. El fermentador fue ideado para utilizarse en condiciones aerobias con las entradas del medio y del aire coincidentes en la base de la columna. Durante la operacion pueden ajustarse los valores de manera que se mantenga un cantidad de líquido determinada en cada plato con un espacio de aire por encima. Bajo estas condiciones el fermentador funciona exactamente como un FCTA actuando cada sección o etapa como una de los fermentadores en serie.

Fermentadores tubulares

La masa microbiana en un fermentador puede existir en dos disposiciones: suspendida libremente o adherida a la superficie del fermentador.
Los microorganismos en suspención frecuntemente se agrupan en flóculos, con un tamaño característico varias veces mayor que un microorganismo sencillo. Un tamaño determinado de flóculos son en gran parte desconocidos pero la floculación puede ser ayudada por la presencia de ls llamados agentes floculantes (cloruros alumínico y cálcico). Es razonable sugerir que todos los organismos pueden presentarse tanto como células sencillas como en grupos de varias células; sin embargo, algunos microorganismos tenen a formar flóculos mayores que otros bajo condiciones ambientales aparentemente idénticas.
En el fermentador intermitente y el FCTA descritos anteriormente la eficacia del fermentador está controlada por los microorganismos suspendidos a pesar de que ellos pueden presentarse en grandes flóculos. Los fermentadores tubulares dependiendo de los detalles de la configuración y los caudales utilizados, tanto los flóculos como las películas pueden suponer la principal contribución al rendimiento.
En un fermentador tubular, los organismos individuales están expuestos a diferentes condiciones ambientales. Esto puede ser una intermitente si se relaciona la distancia a lo largo del fermentador tubular con el tiempo en condiciones intermitentes.

Imagen. Diagrama de flujo de un fermentador de columna de platos perforados.

Flóculos microbianos

A caudales bajos las partículas están en reposo y el flujo pasa a través del lecho por un camino tortuoso; ésta situación se denomina ''lecho fijo''. Cuando el caudal aumenta, la pérdida de carga del fluido al pasar a través del lecho se hace igual al peso por unidad de área del lecho, y en consecuencia las partículas quedan suspendidas en el fluido sin contacto, unas con otras, en su mayor parte.

Los reactores basados en cada uno de los modelos anteriores son característicos de la industria química. Los intervalos de caudales permitidos son normalmente bastante amplios; ésto es una consecuencia del tamaño de las partículas usadas y de las diferencias entre la densidad del fluido y la del sólido. Las partículas biológicas ''crecen'', y pueden tener una amplia gama de tamaños, con una densidad muy similar a la fase diluida. Las partículas en contacto tienden a crecer juntas. Esto produce un camino del flujo muy irregular para el líquido, y partículas de un tamaño característico muy grande.

Una configuración de fermentador tubular que incluya flóculos microbianos es factible cuando las partículas son transportadas con el fluido. Tal disposición exige un suministro constante de microorganismos por la base del fermentador.

Los procesos que tienen lugar en un fermentador tubular son significativamente más complejos que los de un FCTA, puesto que los flóculos microbianos individuales están expuestos a condiciones ambientales durante su paso a través del fermentador. Cuando se opera a una velocidad de recirculación elevada, es equivalente a un FCTA y el modelo de flujo es similar al que existe en el fermnetador con arrastre por aire.

Imagen. Efecto del caudal sobre las partículas en un fermentador tubular.

Películas microbianas

Los fermentadores tubulares basados en películas microbianas fijadas no tienen los problemas de ''arrastre que se presentan en los fermentadores de flóculos microbianos.

La disposición más conveniente de las películas microbianas dentro de un fermentador es la de una película que crece sobre las superficies de partículas inertes dispuestas bien como lecho fijo o fluidizado.

En procesos asépticos esto puede conseguirse por fuerzas hidrodinámicas ayudadas posiblemente por la fluidización de las partículas suspendidas.

Cuando las condiciones de entrada en un fermentador de película microbiana permancen constantes, el crecimiento microbiano trae como consecuencia el que las condiciones de salida varíen con el tiempo. Debido a que la velocidad de reacción es función del espesor de la película biológica. Tras una acumulación aceptable de microorganismos, el espesor de la película se mantiene constante, por lo que se espera que las variables de salida alcancen un estado estacionario.

El ''filtro de goteo'' se usa para eliminar la materia orgánica soluble e insoluble, y la materia inorgánica insoluble, de las aguas residuales.

En tales lechos se usa la recirculación para:

Suministrar un caudal adicional cuando la cantidad de agua a tratar está por debajo del valor medio, y así mantener los organismos en un estado viable.
Diluir alimentaciones muy concentradas.

Imagen. Diagrama de flujo de una planta de depuración de aguas residuales típica, que utiliza filtro de goteo.

Fermentación en lecho fluidizado

La fluidización es una característia de los lechos de partículas regulares suspendidas en una corriente líquida ascendente. Si está implicada una fase gaseosa adicional, entonces las partículas tendrán tendencia a estar menos uniformemente distribuidas en el lecho.
Los lechos con mezclas de partículas tienen dos características: el incremento de la porosidad desde el fondo hasta la parte superior del lecho y la disminución del movimiento de las partículas como se compara con los lechos que contienen partículas de tamaño uniforme.
La porosidad o fracción de huecos es una medida del espacio libre dentro de un lecho, representa también una medida de la retención microbiana cuando se expresa como volumen húmedo por unidad de volumen de lecho. Durante el proceso las partículas más pequeñas ascienden en relación a las partículas más grandes. Como las partículas más pequeñas tienen la menor velocidad de sedimentación el lecho se organiza de forma que las partículas más pequeñas estén en la región de porosidad más grande y la velocidad lineal sea menor.
En estás circunstancias los flóculos individuales en el fermentador estarían asociados con las condiciones ambientales que caracterizan la posición del lecho.
En el fermentador en forma de torre los flóculos de levadura se mantienen en suspención por el movimiento ascendente del medio y las partículas arrastradas son devueltas por medio de un dispositivo de sedimentación situado en la parte superior de la torre.
Una levadura floculenta es capaz de alcanzar tamaños de flóculos relativamente grandes, es esencial para una fermentación alcohólica en un FLF a velocidades de flujo aceptables, puesto que de otra manera arrastrarían una gran proporción de levadura y la concentración de ésta serían insuficientes. Una característica significativa de la torre es la caída progresiva y continua en el pess específico del medio nutriente entre el fondo y la parte superior de la torre.