Hoy
en día algunos compuestos químicos basados en biotecnología se requieren en
cantidades muy grandes, por lo que es necesario desarrollar la tecnología
adecuada para fermentadores de escalas mucho más grandes. Por lo que surgen
diversas preguntas en cuanto al tamaño de un fermentador, ya que este tipo de
fermentadores necesitan de análisis de transferencia de calor, transferencia de
masa, transferencia de momento, limpieza y esterilización, y especificaciones
de tuberías.
El
impacto del escalamiento
Al
incrementar el tamaño de los fermentadores, su volumen y su carga de calor
aumentan al cubo, mientras que la superficie del área aumenta al cuadrado. Por
lo que, con el escalamiento, la capacidad de transferencia de calor
disminuye. Como resultado de ello, los
fermentadores de mayor tamaño necesitan refrigerantes que enfríen más o
modificaciones adicionales al incremento de la superficie del área, o ambos.
Los
fermentadores muy grandes, de más de 30,000 galones, generalmente utilizan una
combinación de una chaqueta, una bobina y métodos de transferencia de calor
tipo deflector para incrementar la superficie del área disponible para la
transferencia de calor. Sin embargo, aun añadiendo estas modificaciones, la
efectividad de la transferencia de calor disminuye con el incremento en la
escala del fermentador. Por lo que además debe de poseer vías paralelas para
conocer los parámetros de la velocidad del flujo y la temperatura de salida. La
ventaja de los fermentadores muy grandes es que son capaces de beneficiarse de
intercambiadores de calor externos que rechazan el calor, al menos en procesos
aerobios.
Los
intercambiadores externos de calor tienen la ventaja de tener un área de
transferencia de calor ilimitada y no requieren de estructuras externas y
tuberías necesarias para sostener las bobinas y los deflectores. Además pueden
probarse a escalas pequeñas, lo que representa una ventaja.
El
coeficiente de transferencia de calor será una función de la suma de la
resistencia de la transferencia de calor del agua de enfriamiento, la pared del
recipiente, y el líquido procesado en el tanque. La resistencia al refrigerante
no varía en función al escalamiento. La diferencia logarítmica de la
temperatura media (LMTD) no está en función de la escala. El espesor de las
paredes generalmente aumenta significativamente con el tamaño del recipiente.
El impacto del espesor del metal en la transferencia de calor puede ser
calculado con mucha precisión.
La
resistencia térmica del lado del proceso puede variar significativamente en
función del tamaño del recipiente. A mayores escalas, el espesor de las paredes
tiende a estar a mayor distancia de cualquier hoja agitadora, por lo que la
turbulencia y el caudal a través de la superficie interna de la transferencia
de calor ambos disminuyen con recientes más grandes. Los intercambiadores de
calor externos tienen la ventaja de que permiten mantener controladas las
condiciones en ambos lados de la superficie de la transferencia de calor, por
lo que es posible eliminar la incertidumbre de los coeficientes de
transferencia de calor a escala muy grande. Utilizando este tipo de
intercambiadores se reduce el riesgo asociado al escalamiento.
El
intercambiador de calor externo necesita una bomba para extraer la corriente
del caldo de fermentación del fermentador. Parámetros estimados en un
fermentador altamente aeróbico podría consumir 100 mmol O2/L/h. La
productividad a gran escala dependerá en parte que tan bien los microorganismos
toleren el oxígeno disuelto.
El
hecho de diseñar un fermentador muy grande no significa que sólo se necesite
uno para un proceso de fermentación, ya que al principio sería más barato y
fácil de manejar, sin embargo a la larga dificultaría el trabajo. Mientras más
fermentadores su utilicen mayor será la visión de la ganancia del proceso. El
número de unidades que se requerirán dependerá del tiempo del ciclo de
fermentación, y tasa de producción de la planta, pero como regla, deberían de
ser no menos de seis.
Los
fermentadores de grandes escalas deberían de estar diseñados sólo para procesos
de enfriamiento, no para esterilización por lote, pasteurización o
bioinactivación. El enfriamiento es un gasto grande. Un proceso que es
microaeróbico o anaeróbico tiene una clara ventaja económica porque este tipo
de procesos generan menos calor.
El
uso de intercambiadores de calor externos tiene ventajas de operación, debido a
que su capacidad de transferencia de calor se vuelve independiente del tamaño,
forma y material de construcción del tanque. Las pruebas a escala piloto con un
fermentador de volumen de trabajo arriba de los 200 galones pueden demostrar
los coeficientes de transferencia de calor y validar que los microorganismos
pueden tolerar las condiciones ocasionadas por el intercambio de calor
externo.
BIBLIOGRAFÍA
Gregory, J.,
Green B. (2013). Heat Transfer for Huge-Scale Fermentation. Engineering Practice
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