ES2165553T5 - Sistema de fermentacion movido por gas. - Google Patents
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Abstract
SISTEMA DE FERMENTACION ACTIVADO POR GAS SEGUN EL CUAL UN GAS, TAL COMO EL AIRE, SE HACE PASAR DE MANERA HETEROGENEA EN SENTIDO ASCENDENTE A TRAVES DEL CALDO DE FERMENTACION PARA AGITAR Y RECIRCULAR EL CALDO, APORTAR OXIGENO PARA LA FERMENTACION Y ELIMINAR DIOXIDO DE CARBONO; UN SEGUNDO GAS, TAL COMO EL OXIGENO, SE HACE CIRCULAR DE FORMA HOMOGENEA EN SENTIDO ASCENDENTE A TRAVES DEL CALDO CERCA DEL FLUJO HETEROGENEO DE AIRE PARA APORTAR MAS OXIGENO PARA LA FERMENTACION.
Description
Sistema de fermentación movido por gas.
Este invento se refiere de manera general a un
método para llevar cabo una fermentación y de manera más particular
a métodos de fermentación movidos por un gas inyectado tal como el
aire.
La fermentación es un cambio químico producido
por un organismo vivo o enzima, como las bacterias o los
microorganismos que aparecen en las plantas unicelulares, que
incluye la descomposición aerobia de hidrocarburos para obtener un
producto deseado junto con dióxido de carbono. El oxígeno para la
fermentación procede generalmente del suministro de aire al caldo de
la fermentación y está contenido dentro de un recipiente de
fermentación. Los sistemas de fermentación se utilizan para la
producción de una gran cantidad de productos como antibióticos,
vacunas, biopolímeros sintéticos, aminoácidos sintéticos y proteínas
comestibles.
Es importante que los contenidos dentro del
recipiente de fermentación estén en movimiento para asegurar la
suficiente absorción de oxígeno, la distribución adecuada de los
nutrientes y la progresión continua de la reacción de fermentación
para alcanzar un buen rendimiento del producto. Generalmente, este
movimiento o agitación es proporcionado por un sistema mecánico de
agitación. Los sistemas mecánicos de agitación son complicados,
costosos y propensos a la rotura, especialmente porque, cuando se
desarrolla el proceso de fermentación, el producto se va formando en
el interior del recipiente de fermentación y el espesor o viscosidad
del caldo de fermentación aumenta.
En respuesta a tales problemas con fermentadores
mecánicamente agitados, se han desarrollado fermentadores movidos
por gas en los cuales el movimiento requerido del caldo se produce
mediante burbujas ascendentes del gas introducido en el recipiente
de fermentación para proporcionar el oxígeno para la fermentación.
Dado que este gas es normalmente el aire, este tipo de fermentadores
movidos por gas se denominan comúnmente fermentadores de aire
ascendente o biorreactores de aire ascendente. Este tipo de
dispositivos se denominan también columnas burbujeantes. El aire
provoca que el caldo se eleve en una zona del recipiente y descienda
en otra zona del recipiente para formar una corriente de
recirculación del caldo dentro del recipiente de fermentación.
Se necesitan grandes volúmenes de aire para
agitar de manera efectiva un tamaño comercial de fermentador de aire
ascendente o columna burbujeante cuya altura puede ser de 15,2 a
30,5 m (50 a 100 pies) o más. Cuando las burbujas de aire suben en
la columna burbujeante se unen por colescencia formando burbujas de
mayor tamaño. La coalescencia es rápida a causa del gran volumen de
aire inyectado en la columna burbujeante. La velocidad de elevación
del gas aumenta con el tamaño de las burbujas al igual que con la
altura de la columna burbujeante. Este hecho aumenta la acción de
ascensión y la turbulencia dentro del recipiente. La violenta
agitación causada por la rápida elevación del gran volumen de
burbujas de aire se denomina flujo heterogéneo. Este flujo
heterogéneo no sólo aumenta la acción de elevación en el interior
del recipiente sino que también sirve para favorecer la separación
de dióxido de carbono, el cual se genera en la fermentación, fuera
del caldo, lo que aumenta la tasa de fermentación.
Aunque los fermentadores de aire ascendente han
sido muy ventajosos para usos como las industrias farmacéutica y
química fina, pueden provocar problemas de producción causados por
la falta de oxígeno de la reacción de fermentación, especialmente
con el uso de agentes biológicos más activos que requieren mucho
oxígeno. Existen limitaciones prácticas en cuanto a la cantidad de
aire que se puede añadir dentro de un bioreactor de aire ascendente
sin expulsar completamente el contenido del reactor.
Con el fin de remediar este problema de
producción, la industria se ha servido de la inyección de un gas
oxigenado adicional o suplementario en el fermentador de aire
ascendente para suministrar oxígeno adicional al caldo de
fermentación. Para evitar que las burbujas del gas adicional se unan
con las burbujas de aire lo que anularía el efecto de la inyección
suplementaria, el gas adicional se inyecta al fermentador de aire
ascendente a cierta distancia del punto donde se inyecta el aire. A
menudo, este gas adicional es inyectado en el caldo de la
fermentación en la zona de flujo descendente del recipiente para
asegurar que se inyecte lejos de las burbujas de aire ascendentes.
Sin embargo, este procedimiento reduce los efectos de la circulación
dentro del recipiente debido a la acción de freno de las burbujas de
gas adicional que intentan elevarse en el caldo de flujo
descendente. Mientras que proporciona oxígeno adicional para la
fermentación, este procedimiento reduce la acción de elevación y la
acción de separación de dióxido de carbono que se necesitan también
para obtener una alta producción.
En el documento
EP-A-0 477 818 se describe un método
para mejorar el enriquecimiento de oxígeno en un fermentador que
comprende alimentar al fermentador por dos conductos separados con
aire y con oxígeno adicional desde una fuente separada. La situación
del punto de inyección de oxígeno se selecciona para que esté en una
posición alejada del punto de inyección del aire con el fin de
minimizar la mezcla y/o coalescencia de las burbujas de oxígeno con
las burbujas de aire.
En los resúmenes de patentes de Japón, vol. 013,
nº 107(C-576), se describe un método para
aumentar el oxígeno en un tanque de fermentación que comprende el
proporcionar medios para hacer circular un líquido por el tanque y
alimentar oxígeno en una dirección opuesta al flujo de líquido
circulante.
En vista de la anterior, un objeto de este
invento es proporcionar un método mejorado de fermentación en el que
un gas suplementario puede ser utilizado para proporcionar un
oxígeno adicional a la fermentación.
El anterior y otros objetos, que serán
comprendidos por el técnico en la materia al leer esta descripción,
se alcanzan con el presente invento, un aspecto del cual es un
método para realizar una fermentación como se define en la
reivindicación 1.
En la acepción aquí utilizada, el término
"flujo heterogéneo" significa un flujo que tiene una
distribución no uniforme de burbujas de gas y está caracterizado por
la presencia de grandes burbujas o aglomeración de burbujas. El
flujo heterogéneo no se presenta con una velocidad superficial menor
de 0,03 m/s.
En la acepción aquí utilizada, el término
"flujo homogéneo" significa un flujo que tiene una distribución
uniforme de burbujas de gas y una estrecha distribución del tamaño
de las burbujas, en el que no se observa flujo descendente de
gas/líquido. El flujo homogéneo no se presenta con una velocidad
superficial mayor de 0,05 m/s.
En la acepción aquí utilizada, el término
"parte inferior" significa la parte del recipiente de
fermentación por debajo del punto central del recipiente de
fermentación.
En la acepción aquí utilizada, el término
"velocidad superficial" significa el cociente del flujo
volumétrico de gas dividido por el área de la sección transversal
del recipiente de fermentación o del tubo de aspiración si en el
interior del recipiente de fermentación se utiliza un tubo de
aspiración.
Figura 1 es una representación estilizada en
sección transversal de un sistema de fermentación.
Figura 2 es una vista en alzado simplificada de
una sección transversal de una realización de un aparato de
fermentación.
Figura 3 es una vista en planta de una
realización de los inyectores útiles en la práctica de este
invento.
Figura 4 es una vista en planta de otra
realización de los inyectores útiles en la práctica de este
invento.
El invento será escrito en detalle con
referencia a los dibujos. Haciendo referencia ahora a la figura 1,
el recipiente de fermentación 1 contiene un caldo que contiene como
mínimo un constituyente capaz de sufrir fermentación para producir
un producto. El caldo comprende generalmente agua, un nutriente o
constituyente fermentable tal como jarabe de grano, melazas y
glucosa, y un agente biológico tal como una bacteria, hongo y
levadura. El caldo puede contener también aditivos tales como
agentes antiespuma, nitratos, productos químicos reguladores del pH
y similares. Los productos que pueden ser producidos por el sistema
de fermentación de este invento incluyen los antibióticos tales
como la penicilina, eritromicina y tetraciclina, productos químicos
orgánicos tales como el etanol, el sorbitol y el citronelol, ácidos
orgánicos tales como el ácido cítrico, el ácido tartárico y el
ácido láctico, aminoácidos tales como la L-lisina y
el glutamato monosódico, polisacáridos tales como la levadura de
panadería y goma del xantano, vitaminas tales como el ácido
ascórbico y la riboflavina, y otros productos que incluyen enzimas,
insecticidas, alcaloides, hormonas, pigmentos, esteroides, vacunas,
interferón e insulina.
Un primer gas que contiene oxígeno, el cual es
general y preferiblemente el aire, es inyectado en el interior de la
parte inferior del recipiente 1 a través del primer inyector 2. El
gas asciende a través del recipiente 1 en un grupo de primeras
burbujas 3. El primer gas que contiene oxígeno, denominado de aquí
en adelante aire por conveniencia, asciende por el interior del
recipiente 1 en un flujo heterogéneo, preferiblemente a una
velocidad superficial mayor de 0,05 metros por segundo (m/sg).
Generalmente el caudal de aire circulante por el interior del
recipiente de fermentación 1 estará dentro del rango de 0,28 a 11,3
metros cúbicos estándar/litro.h (10 a 400 pies cúbicos
estándar/litro.h) en donde litro se refiere al volumen del reactor o
recipiente de fermentación. El flujo heterogéneo del aire unido al
gran tamaño de las burbujas ascendentes de aire originan que el
caldo ascienda por el interior del recipiente 1 como está
representado por la flecha 4 que apunta hacia arriba. Cuando el
caldo que asciende hacia arriba se aproxima a la parte alta del
recipiente 1 cambia su curso y circula hacia abajo por el recipiente
1 como está representado por la flecha 5 que apunta hacia abajo en
un modelo recirculante. El flujo de aire heterogéneo, turbulento, y
el caldo recirculante se combinan para mejorar la transferencia de
oxígeno desde el aire al caldo para mover la fermentación y para
eliminar del caldo el dióxido de carbono generado en la
fermentación.
El segundo gas que contiene oxígeno, que tiene
una concentración de oxígeno que supera al primer gas que contiene
oxígeno, es inyectado en el interior de la parte inferior del
recipiente 1 a través de un segundo inyector 6. Preferiblemente el
segundo gas que contiene oxígeno tiene una concentración de oxígeno
de como mínimo 30 por ciento en moles, mas preferiblemente 80 por
ciento en moles como mínimo. El segundo gas que contiene oxígeno
puede ser también un oxígeno comercialmente puro teniendo una
concentración de oxígeno de 99,5 por ciento moles o más. Por
conveniencia, el segundo gas que contiene oxígeno será llamado
también oxígeno desde ahora.
El oxígeno es inyectado en el interior del
recipiente 1 próximo al punto en el que se inyecta el aire en el
interior del recipiente 1. Esto es, el segundo inyector comunica con
el interior del recipiente de fermentación 1 próximo a donde el
primer inyector 2 comunica con el interior del recipiente 1. No se
requiere el oxígeno para conseguir la acción de elevación y de
separación y por consiguiente tiene un flujo homogéneo.
El oxígeno es inyectado en el interior del
recipiente 1 a un caudal generalmente en el rango de entre 0,0028 a
0,566 metros cúbicos estándar/litro.h (0,1 a 20 pies cúbicos
estándar/litro.h). El oxígeno asciende a través del recipiente 1 en
un grupo de segundas burbujas 7 que son generalmente menores en
diámetro y mayores en relación de área superficial a volumen que las
primeras burbujas 3. Esto mejora la transferencia de oxígeno al
interior del caldo. Las burbujas de oxígeno 7 ascienden a través del
caldo en el interior del recipiente 1 con un flujo homogéneo,
preferiblemente a una velocidad superficial menor de 0,03 m/s y
menor que la velocidad superficial de las burbujas de aire 3
ascendentes. Un aspecto importante de este invento es que el segundo
gas que contiene oxígeno no es suministrado dentro del caldo en el
interior del recipiente de fermentación por una región en donde el
caldo está fluyendo hacia abajo. Por el contrario, este segundo gas
que contiene oxígeno es suministrado al interior del caldo por donde
está ascendiendo.
Las burbujas de oxígeno 7 que están fluyendo
hacia arriba fluyen junto a las burbujas de aire 3 pero, debido a la
naturaleza homogénea de su flujo, no coalescen sustancialmente con
las burbujas de aire. Por consiguiente una gran fracción del oxígeno
en el interior de las pequeñas burbujas 7 sale fuera de las burbujas
de oxígeno y pasa al interior del caldo para mover la fermentación.
Se espera que desde aproximadamente el 25 al 75 por ciento del
oxígeno necesitado para la fermentación es extraído de las burbujas
de oxígeno proviniendo el resto de las burbujas de aire. Cuando las
burbujas alcanzan la parte alta del reactor salen generalmente del
reactor junto con dióxido de carbono separado y otros gases.
Mientras la reacción de fermentación progresa y
el producto aumenta en el interior del recipiente de fermentación,
la densidad o la viscosidad del caldo aumenta hasta 800 centipoise
(cps) o más. El invento tiene una utilidad particular cuando la
viscosidad del caldo pasa de 10 cps y especialmente cuando es de 100
cps como mínimo porque las diferencias en las características del
flujo de gas, es decir flujo homogéneo frente a heterogéneo, es
particularmente efectiva en el interior de un caldo como este de una
viscosidad tan alta para mantener los dos grupos de burbujas de gas
separados, sin coalescencia, como suben por el recipiente de
fermentación. Generalmente el proceso de fermentación es un proceso
agrupado y cuando se ha completado el proceso el producto es
extraído del recipiente de fermentación, separado y generalmente
procesado de nuevo.
Las figuras 2 y 3 ilustran una realización
preferida de un aparato de fermentación útil en este invento. Los
números en las figuras son los mismos para los elementos comunes.
Refiriéndonos ahora a las figuras 2 y 3, el recipiente de
fermentación 20 es una columna cilíndrica que tiene una altura o
dimensión longitudinal generalmente dentro del rango de 3,05 a 30,5
metros (10 a 100 pies) y un diámetro generalmente dentro del rango
de 0,3 a 5,1 metros (12 a 200 pulgadas). Si se desea, como está
ilustrado en la figura 2, el recipiente de fermentación 20 puede
contener un serpentín de refrigeración 21 alrededor de su periferia
interior para mantener la temperatura del caldo fermentante dentro
de los límites deseados. El recipiente de fermentación 20 está hecho
generalmente de metal, tal como el acero inoxidable.
En la parte inferior de la columna del
fermentador 20, debajo del serpentín de refrigeración 21, hay un
difusor de aire 22 que comprende un anillo que tiene seis inyectores
o toberas 23 equiespaciados y que comunica con una fuente de aire
24. El difusor de oxígeno 25 está colocado próximo al difusor 22,
ligeramente por encima y en el interior de la circunferencia del
difusor 22. El difusor 25 comprende un anillo que tiene doce
inyectores o toberas 26 equiespaciados que son menores que las
toberas 23, y que comunican con una fuente de gas que contiene
oxígeno 27 que tiene una concentración de oxígeno del 30 por ciento
en moles o más. El aire y el oxígeno son inyectados en el interior
de la columna 20 a través de los difusores 22 y 25 respectivamente,
y burbujean hacia arriba a través del caldo de fermentación
contenido en el interior de la columna 20 de la forma previamente
descrita.
La figura 4 presenta otra realización de los
inyectores útiles en el invento en la que se inyecta el aire a
través de una tobera simple central 30 y el oxígeno es inyectado a
través del difusor 31, que es un anillo que rodea a la tobera 30. El
difusor 31 está preferiblemente al mismo nivel que la tobera 30 aun
cuando podría estar ligeramente por encima o por debajo del punto de
inyección de la tobera 30. El difusor 31 comprende un anillo que
tiene múltiples inyectores o toberas 32 equiespaciadas y comunica
con una fuente de un gas que contiene oxígeno. Cada una de las
toberas 32 son más pequeñas que la tobera 30 que comunica con una
fuente de aire.
Como se ha mencionado, un importante aspecto de
este invento es que el segundo inyector comunica con el interior del
recipiente de fermentación próximo a donde el primer inyector
comunica con el interior del recipiente de fermentación. Cuando el
sistema inyector comprende unos anillos difusores concéntricos tales
como los representados en la figura 3, esta próxima comunicación
puede estar representada por r que está dentro del rango desde 0,25A
hasta 0,5A, en donde r es el radio del anillo difusor de oxígeno y
A es el radio del anillo difusor de aire. Cuando el sistema inyector
comprende una tobera central de aire y un anillo difusor de oxígeno
tal como está ilustrado en la figura 4, esta comunicación próxima
puede ser representada por r estando dentro del rango desde 0,5R
hasta 0,75R, donde r es el radio del anillo difusor de oxígeno y R
es el radio del recipiente de fermentación.
Ahora, con el uso de este invento, se puede
proporcionar efectivamente un oxígeno suplementario en el interior
de un caldo de fermentación movido por un gas para mantener una alta
tasa de fermentación e incrementar el rendimiento de producto sin
impedimento en la acción de arrastre por el gas. Aun cuando el
invento ha sido descrito en detalle con referencia a ciertas
realizaciones preferidas, los expertos en la materia comprenderán
que existen otras realizaciones del invento dentro del alcance de
las reivindicaciones. Por ejemplo, el recipiente de fermentación
útil en esta invención puede contener otras estructuras internas
tales como bafles o un tubo de aspiración, es decir, un cilindro
abierto por ambos extremos orientado longitudinalmente en el
interior, y separado de ambos de arriba y de abajo, del recipiente
de fermentación. Cuando se utiliza el tubo de aspiración se
prefiere que los inyectores de gas estén situados de manera que
tanto las burbujas de aire y también las burbujas de oxígeno fluyan
hacia arriba por el interior del tubo de aspiración.
Claims (6)
1. Un método para realizar una
fermentación que comprende:
(A) inyectar un primer gas que contiene
oxígeno en un recipiente por un punto por debajo del punto medio del
recipiente, conteniendo dicho recipiente un caldo que comprende un
constituyente capaz de sufrir una fermentación;
(B) hacer pasar dicho primer gas que
contiene oxígeno en un grupo de primeras burbujas hacia arriba a
través del mencionado recipiente en un flujo heterogéneo que origina
un flujo ascendente del mencionado caldo, teniendo dicho flujo
heterogéneo una distribución no uniforme de burbujas de gas;
(C) inyectar un segundo gas que contiene
oxígeno y que tiene una concentración de oxígeno superior a la del
primer gas que contiene oxígeno en el recipiente por un punto por
debajo del punto medio del recipiente y próximo al punto por donde
el primer gas que contiene oxígeno es inyectado en el recipiente
donde el caldo está ascendiendo, y hacer pasar dicho segundo gas que
contiene oxígeno en un grupo de segundas burbujas hacia arriba a
través del mencionado recipiente en un flujo homogéneo que tiene una
distribución uniforme de las burbujas de gas; y
(D) utilizar el oxígeno tanto del primer
gas que contiene oxígeno como del segundo gas que contiene oxígeno
para realizar la fermentación del mencionado constituyente.
2. El método de la reivindicación 1, en
el que el primer gas que contiene oxígeno es aire.
3. El método de la reivindicación 1, en
el que el segundo gas que contiene oxígeno tiene una concentración
en oxígeno de al menos 30 por ciento en moles.
4. El método de la reivindicación 1, en
el que el flujo heterogéneo del primer gas que contiene oxígeno
tiene una velocidad superficial, es decir, un cociente del flujo
volumétrico del gas dividido por el área de la sección transversal
del recipiente, mayor de 0,03 m/s.
5. El método de la reivindicación 1, en
el que el flujo homogéneo del segundo gas que contiene oxígeno tiene
una velocidad superficial, es decir, un cociente del flujo
volumétrico del gas dividido por el área de la sección transversal
del recipiente, menor de 0,05 m/s.
6. El método de la reivindicación 1, en
el que el diámetro de las burbujas en el segundo grupo de burbujas
es menor que el diámetro de las burbujas en el primer grupo de
burbujas.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 829534 Country of ref document: ES |