ES2198243T3 - Metodo y utilizacion de oxigeno para eliminar el envenenamiento por dioxido de carbono en fermentacion aerobica. - Google Patents
Metodo y utilizacion de oxigeno para eliminar el envenenamiento por dioxido de carbono en fermentacion aerobica.Info
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Abstract
Un método para llevar a cabo una fermentación aeróbica, que comprende: (a) proporcionar un recipiente que contiene un caldo que comprende un constituyente capaz de experimentar fermentación; (b) hacer pasar aire al recipiente tanto para eliminar el dióxido de carbono como para disolver oxígeno en dicho caldo; (c) disminuir la presión dentro de dicho recipiente hasta una presión entre 1 y 25 atmósferas para disminuir la presión parcial de oxígeno en el equilibrio y el nivel de dióxido de carbono disuelto en el recipiente proporcionalmente a dicha presión disminuida del recipiente; (d) añadir oxígeno puro dentro de dicho recipiente para elevar dicha presión parcial de oxígeno en el equilibrio; y (e) utilizar dicho oxígeno puro para llevar a cabo la fermentación de dicho constituyente.
Description
Método y utilización de oxígeno para eliminar el
envenenamiento por dióxido de carbono en fermentación aeróbica.
La presente invención se refiere de forma general
a un método de fermentación y, más particularmente, a un método de
fermentación que es llevado a cabo mediante un gas inyectado tal
como el oxígeno.
La fermentación es un cambio químico inducido por
un organismo vivo o enzima, tales como las bacterias o los
microorganismos existentes en plantas unicelulares, que incluye la
descomposición aerobia de los hidrocarburos para producir un
producto deseado junto con dióxido de carbono.
Los sistemas de fermentación se usan para la
producción de un gran número de productos tales como antibióticos,
vacunas, biopolímeros sintéticos, aminoácidos sintéticos y proteínas
codificables.
En la fermentación aeróbica convencional, el aire
se suministra en una gran cantidad para proveer oxígeno para la
respiración y el crecimiento. Al mismo tiempo, el dióxido de
carbono se extrae con el aire sobrante que no es consumido por la
biomasa (bacterias, hongos, células de plantas, etc.). Generalmente,
el oxígeno contenido en las burbujas de aire debe disolverse en el
caldo antes de que la biomasa pueda consumirlo. Por tanto, la
disolución del oxígeno del aire es un factor controlante de la
velocidad. Para mantener una velocidad de disolución de aire
favorable, la presión de los fermentadores se eleva normalmente a
varias atmósferas.
Una productividad incrementada en un fermentador
puede implicar aumentar la concentración del nutriente y de la
biomasa. Consecuentemente, la demanda de oxígeno se incrementará en
respuesta al nutriente y a la concentración de biomasa adicionales.
Se consumirá más oxígeno si está disponible. Por tanto, la
administración suficiente de aire (u oxígeno) a la biomasa es una
preocupación importante. A mayor velocidad de consumo de oxígeno,
más dióxido de carbono se produce. A un determinado punto, el nivel
de dióxido de carbono en el fermentador envenenará la biomasa y
llegará a ser un problema importante en el proceso de fermentación.
Este envenenamiento ocurre cuando la cantidad de dióxido de carbono
que se genera durante la respiración y el crecimiento de la biomasa
es más rápido que la velocidad de eliminación. A un nivel crítico,
el dióxido de carbono disuelto en exceso retrasará el crecimiento de
la biomasa. El nivel crítico de dióxido de carbono se define como
el nivel de dióxido de carbono en el recipiente de fermentación en
el cual el dióxido de carbono ya no tiene una función beneficiosa
en la fermentación, sino que retrasa el crecimiento de la
biomasa.
Puesto que la concentración de dióxido de carbono
en los gases de salida del fermentador es un valor mucho más fácil
de medir que el nivel de dióxido de carbono disuelto dentro del
fermentador, se ha convertido en una práctica industrial habitual
medir la concentración de dióxido de carbono en los gases de
salida. Por tanto, cada proceso de fermentación tiene una
determinada concentración crítica de dióxido de carbono en los
gases de salida como referencia que no deberían exceder las cargas
de fermentación. Esta concentración crítica de dióxido de carbono en
los gases de salida se ha convertido en un límite medible práctico
al intentar incrementar la productividad o la concentración de
biomasa.
Para incrementar la productividad con más
biomasa, es conocido en la técnica incrementar el flujo de aire.
Aumentar el flujo de aire tiene las ventajas de suministrar oxígeno
extra para sostener una biomasa más densa mientras se extrae más
dióxido de carbono. Sin embargo, hay un límite práctico en la
cantidad de aire que se puede introducir. El exceso de aire
inundará el impulsador si el fermentador se agita mecánicamente,
inutilizando de este modo el agitador. En fermentadores fluidizados
con aire, también puede fluidizar el caldo o expulsar fuera el
contenido de los fermentadores. Por tanto, un incremento del caudal
de aire puede aumentar la productividad sólo en una extensión muy
pequeña.
Otros trabajos han sugerido el uso de oxígeno
puro como suplemento al aire cuando la concentración de biomasa es
alta. Sin embargo, se cree que simplemente adicionar oxígeno puro
funcionará en fermentación sólo si la biomasa es resistente al
envenenamiento por dióxido de carbono. Para la gran mayoría, la
adición de oxígeno puro complicará el problema desde el momento en
que se genere más dióxido de carbono por la respiración y el
crecimiento de la biomasa. El exceso de dióxido de carbono se
acumulará si la velocidad de eliminación no se incrementa a un
ritmo superior que la producción de dióxido de carbono.
Es conocido en la técnica el mantener la
concentración de biomasa lo suficientemente baja para que la
concentración de dióxido de carbono en los gases de salida (como un
método de control) no exceda el valor crítico. Por tanto, la
concentración de dióxido de carbono en los gases de salida es un
factor limitante en el aumento de la productividad. G.R. Cysewsky
& C.R. Wilke (Biotechnol. Bioeng.XIX (1977),
1125-1143) describen un método para aumentar la
producción de etanol que está basado en realizar la fermentación
anaeróbica del caldo a vacío. El oxígeno puro es distribuido en el
fermentador a vacío para suministrar una adecuada cantidad traza de
oxígeno a la levadura. JP-A-56 158
091 describe un método de fermentación que está basado en disminuir
el grado de saturación de oxígeno disuelto relativo en el caldo
mediante la alimentación al fermentador con oxígeno gas y bajando
la presión en la fase gaseosa dentro del fermentador.
US-A-4.846.965 describe un método de
fermentación en el cual se introduce oxígeno de alta pureza en el
fermentador mientras se elimina gas mediante vacío para mantener
casi constante la cantidad de oxígeno disuelto.
FR-A-2 317 233 describe un método de
fermentación en el cual el CO_{2} es eliminado del caldo líquido
antes de introducir el oxígeno en el fermentador.
La técnica sólo ha propuesto soluciones relativas
a incrementar la velocidad de disolución del oxígeno mientras se
ignora el efecto del envenenamiento por dióxido de carbono. Las
referencias de los antecedentes de la técnica prevén el uso de
oxígeno enriquecido o mediante inyección directa, pero no se cree
que ninguna de ellas resuelva los problemas asociados con el
envenenamiento de dióxido de carbono.
Es deseable, por tanto, ofrecer un método que use
oxígeno para llevar a cabo la fermentación lo cual minimiza los
efectos del envenenamiento por dióxido de carbono.
Esta invención está dirigida a un método para
llevar a cabo una fermentación según la reivindicación 1. Los pasos
del método incluyen proporcionar un recipiente que contenga un
caldo que comprende un constituyente capaz de experimentar
fermentación, disminuir la presión del recipiente dentro del
recipiente para bajar el nivel de dióxido de carbono disuelto y la
presión parcial de oxígeno en el equilibrio en el recipiente
proporcional a la presión del recipiente disminuida, añadir oxígeno
puro al recipiente para aumentar la presión parcial de oxígeno en el
equilibrio en el interior, y utilizar el oxígeno puro para llevar a
cabo la fermentación del constituyente. Preferiblemente, esta
invención prevé los pasos simultáneos de bajar la presión en el
reactor y de la adición de oxígeno puro. Esta invención está
dirigida también a un método para incrementar la concentración de
biomasa al llevar a cabo el proceso de fermentación.
Esta invención se basa en la premisa de que la
mayoría de los procesadores controlan el nivel de dióxido de carbono
en los gases de salida del recipiente de fermentación. Sobre esta
premisa, el nivel de dióxido de carbono en los gases de salida es
proporcional al nivel de dióxido de carbono disuelto. No obstante
esta premisa, se cree que el nivel de dióxido de carbono en los
gases de salida no es siempre proporcional, sino que depende
bastante de la temperatura y de la presión del fermentador.
La razón por la que la concentración de dióxido
de carbono en el gas de salida se usa para medir la velocidad de
fermentación y la productividad de la fermentación en vez del
dióxido de carbono disuelto es porque el nivel de dióxido de
carbono disuelto en un caldo reaccionante estéril no es un valor
medible puesto que se cree que no hay ningún equipo en línea
existente actualmente capaz de calcular tal valor. Esta invención
usa el dióxido de carbono crítico medido en los gases de salida del
recipiente de fermentación para calcular el nivel crítico de dióxido
de carbono disuelto. Mediante la reducción de la presión en el
fermentador, el nivel real de dióxido de carbono disuelto,
X_{CO2}, disminuirá proporcionalmente debido a una reducción en la
presión parcial de dióxido de carbono: P_{CO2}= Y_{O2}.P =
H.X_{O2}
Donde
P_{CO2}= Presión parcial de CO_{2}
Y_{O2}= Fracción molar de O_{2} en la fase
gas
X_{O2} = Fracción molar de O_{2} en la fase
líquida
H = Constante de la ley de Henry.
Por tanto, se puede añadir más biomasa con
oxígeno puro para aumentar la producción. Con velocidades más altas
de crecimiento y respiración, el nivel de dióxido de carbono en los
gases de salida parecerá ser más alto que el nivel crítico de
dióxido de carbono en los gases de salida. Sin embargo, el nivel de
dióxido de carbono disuelto permanece igual o ligeramente más
bajo.
La reducción de la presión en el fermentador
reducirá proporcionalmente el nivel de oxígeno disuelto debido a la
reducción de la presión parcial del oxígeno: P_{CO2}= Y_{O2}.P =
H.X_{O2}
Donde
P_{CO2}= Presión parcial de CO_{2}
Y_{O2}= Fracción molar de O_{2} en al fase
gaseosa
X_{O2} = Fracción molar de O_{2} en la fase
líquida
H = Constante de la ley de Henry.
Para compensar la reducción de la presión parcial
de oxígeno en el equilibrio, se usa oxígeno puro adicional en esta
invención mediante simple enriquecimiento de oxígeno o inyección
directa de oxígeno. Consecuentemente, se puede conseguir una
productividad más alta con el mismo nivel crítico de dióxido de
carbono disuelto pero con una velocidad de consumo de oxígeno más
alta.
Reducir la presión del fermentador tiene el
efecto opuesto a añadir oxígeno puro. Basándose en la técnica, el
técnico con conocimientos no emplearía normalmente ambas técnicas
que son reducir la presión del fermentador y añadir oxígeno puro.
Sin embargo, contrariamente a la técnica, esta invención descubrió
que el grado de influencia es diferente entre las dos técnicas. Al
usar ambas técnicas, uno puede todavía disolver oxígeno adicional
mientras se beneficia de un nivel más bajo de dióxido de carbono
disuelto en el caldo.
De hecho, esta invención supone una ruptura al
incrementar la productividad del fermentador más allá de los límites
condicionados por la concentración crítica de dióxido de carbono en
los gases de salida. Esto se consigue mediante la reducción de la
presión en el fermentador y la adición de oxígeno puro
simultáneamente.
Para incrementar la velocidad de disolución del
oxígeno, los fermentadores operan habitualmente a elevadas
presiones de varias atmósferas. Si se aumenta la presión absoluta
por un factor de dos se esperará que se incremente la cantidad de
oxígeno disuelto también por un factor de dos en el equilibrio. Sin
embargo, esta invención observa que al operar a presiones más altas
también se reduce la capacidad del fermentador para eliminar el
dióxido de carbono. Esto es porque la solubilidad del dióxido de
carbono también se incrementa a presiones más altas. La mayoría de
los caldos de fermentación son sensibles al envenenamiento por
dióxido de carbono por lo que el dióxido de carbono disuelto se debe
mantener por debajo de un nivel crítico. Puesto que el nivel de
dióxido de carbono disuelto es muy difícil de medir, la industria
sólo puede monitorizar la concentración en gas de dióxido de
carbono en los gases de salida.
A causa del límite de producción basado en el
nivel crítico de dióxido de carbono, generalmente no es posible
aumentar la productividad (gramos(libras) de producto por un
volumen dado de caldo de fermentación) a niveles más altos de
biomasa. Cuanta más biomasa se generará más dióxido de carbono y
también requerirá más oxígeno en el proceso de fermentación. Una
solución convencional para mantener la concentración gaseosa de
dióxido de carbono y para incrementar el suministro de oxígeno es
añadir más aire. Sin embargo, normalmente es impracticable o
imposible incrementar el flujo de aire para un fermentador
optimizado. El exceso de aire puede inundar los impulsadores con
gas, y causar el mal funcionamiento del impulsador. En la mayoría
de las plantas ya están funcionando los compresores de aire al
máximo y el tamaño de la línea existente y del aro de la abertura
de distribución también limitarán la cantidad de aire que se puede
suministrar.
La presente invención usa inyección directa de
oxígeno (o enriquecimiento) mientras el fermentador opera a una
presión inferior. Disminuyendo la presión absoluta a la mitad (por
ejemplo, de 4 atm a 2 atm, o de 3 atm-gauge a 1
atm-gauge), se reduce la concentración del oxígeno
en el equilibrio a la mitad. Sin embargo, la reducción de la
concentración del oxígeno en el equilibrio se puede compensar
mediante el uso de oxígeno puro, que tiene una fuerza impulsora
aproximadamente 5 veces más alta que la concentración de oxígeno en
el equilibrio. Por tanto, el oxígeno puro compensará el efecto de
la reducción de presión y también incrementa la disponibilidad de
oxígeno.
Presión = 4 atm
CO_{2} medido en los gases de salida = y_{1}
= 5%
CO_{2} disuelto (crítico, no medido) =
X_{1,CO2}
- = Y_{1,CO2}P_{1}/H (1)
donde
- Y_{1,CO2}= Concentración crítica de dióxido de carbono en la fase gas (medida)
- P_{1}= Presión del fermentador
- H = Constante de la ley de Henry
Consumo de oxígeno = 50 mmoles/litro\cdoth
Oxígeno disponible en el aire = 0,21*100
Nm^{3}/h = 21 Nm^{3}/h
En este caso, se añade oxígeno puro como
suplemento al aire. Se reduce la presión del fermentador al mismo
tiempo.
Concentración de biomasa = 2 x control
Presión = 2 atm
Al doblar la concentración de biomasa, se dobla
también el consumo de oxígeno.
Consumo de oxígeno = 2 x control = 2*50
- = 100 mmoles/litro\cdoth
Al mismo tiempo, se dobla también la generación
de dióxido de carbono.
CO_{2} generado = 2 x control
La necesidad de oxígeno adicional se satisface
con el uso de oxígeno puro:
Oxígeno disponible = oxígeno del aire + oxígeno
puro
- = 0,21*100 Nm^{3}/h + 21 Nm^{3}/h
- (oxígeno puro)
- = 42 Nm^{3}/h
En esta invención se cree que el dióxido de
carbono disuelto crítico es el factor primario que realmente afecta
a la actividad de la biomasa, y no la concentración de dióxido de
carbono en la fase gas.
Por tanto, es necesario mantener sin cambios el
dióxido de carbono disuelto.
CO_{2} disuelto (crítico, no medido)
- = el mismo que el de control = X_{1,CO2} = X_{2,CO2}
- = Y_{2,CO2} P_{2}/H
- = Y_{2,CO2} (P_{1}/2)/H
Al contrario que el proceso en el estado actual
de la técnica, la máxima concentración de dióxido de carbono
permitida en la fase gaseosa medida en los gases de salida puede
ser realmente diferente. La nueva concentración máxima de dióxido
de carbono permitida en los gases de salida (calculada) =
Y_{2,CO2} = Y_{1,CO2} *2 = 10%.
Por tanto, la concentración máxima de dióxido de
carbono permitida en los gases de salida con 2 atm debería ser el
doble de alta que cuando se opera a 4 atm. La concentración real de
dióxido de carbono medida en los gases de salida dobló la
bioactividad.
- = 5% * 2 * (100/(100+21)) = 8,26%
Como se puede ver arriba, la concentración real
de dióxido de carbono medida en los gases de salida de 8,26% es
menor que la nueva concentración límite máxima permitida de dióxido
de carbono en los gases de salida de 10%. Por tanto, la
concentración del oxígeno suministrado puede ser dos veces la
concentración de la biomasa (dos veces según el concentrado), y aún
así no incrementar la concentración de dióxido de carbono más allá
del nivel crítico.
Según esto, la concentración de biomasa se puede
incrementar más allá de lo que es considerado normalmente una
limitación que es la concentración de dióxido de carbono en los
gases de salida. Esto se lleva a cabo por la reducción de la
presión en el fermentador mientras se compensa con la caída de la
disolución de oxígeno con oxígeno puro. Nótese que esta invención
también contempla el sumar puntos a los beneficios económicos del
proceso de fermentación porque la fuerza del compresor se puede
reducir al menos un 50%.
Para aprovechar la alta disolución de oxígeno y
la eliminación rápida del dióxido de carbono, es preferible operar
el fermentador a una presión inferior a 2 atmósferas durante la
inyección de oxígeno puro. Si es necesario, el vacío en el
fermentador puede aumentarse. Generalmente, la presión del
recipiente de esta invención se puede disminuir desde un máximo de
aproximadamente 25 atmósferas hasta cualquier presión entre
aproximadamente 25 atmósferas y aproximadamente 1 atmósfera. La
presión puede ser cualquiera dentro de este intervalo. Por ejemplo,
la presión del recipiente se puede bajar a cualquier presión entre
aproximadamente 25 atmósferas y aproximadamente 1 atmósfera.
Los productos de fermentación que se pueden
producir por el método de esta invención incluyen antibióticos tales
como penicilina, eritromicina y tetraciclina, productos químicos
orgánicos tales como sorbitol y citronelol, ácidos orgánicos como
ácido cítrico, ácido tartárico y ácido láctico, aminoácidos tales
como L-lisina y glutamato monosódico, polisacáridos
tales como la levadura de panadero y la goma de xantano, vitaminas
como el ácido ascórbico y riboflavina, y otros productos que
incluyen enzimas, insecticidas, alcaloides, hormonas, pigmentos,
esteroides, vacunas, interferona e insulina.
El mismo principio se puede aplicar a la
oxidación orgánica con aire. Ésta puede ser oxidación de un
compuesto orgánico cuando los productos o subproductos de la fase
gas puedan inhibir la reacción. La inhibición se puede deber a un
desplazamiento del equilibrio o al envenenamiento de los centros
activos catalíticos. Si se reduce la presión del reactor decrecerá
el nivel de productos o subproductos gaseosos disueltos en el
equilibrio. La reducción de la velocidad de disolución del oxígeno
se compensa entonces añadiendo oxígeno puro.
Claims (5)
1.Un método para llevar a cabo una fermentación
aeróbica, que comprende:
- (a)
- proporcionar un recipiente que contiene un caldo que comprende un constituyente capaz de experimentar fermentación;
- (b)
- hacer pasar aire al recipiente tanto para eliminar el dióxido de carbono como para disolver oxígeno en dicho caldo;
- (c)
- disminuir la presión dentro de dicho recipiente hasta una presión entre 1 y 25 atmósferas para disminuir la presión parcial de oxígeno en el equilibrio y el nivel de dióxido de carbono disuelto en el recipiente proporcionalmente a dicha presión disminuida del recipiente;
- (d)
- añadir oxígeno puro dentro de dicho recipiente para elevar dicha presión parcial de oxígeno en el equilibrio; y
- (e)
- utilizar dicho oxígeno puro para llevar a cabo la fermentación de dicho constituyente.
2. El método de la reivindicación 1, en el que
dicha disminución de la presión del recipiente y la adición de
oxígeno puro tienen lugar simultáneamente.
3. El método de la reivindicación 1, en el que
dicha presión del recipiente se disminuye a cualquier presión entre
1 y 2 atmósferas.
4. El método de la reivindicación 1, en el que
disminuir dicha presión del recipiente da como resultado la
disminución del nivel de oxígeno disuelto y del nivel de dióxido de
carbono disuelto en dicho recipiente.
5. El método de la reivindicación 1, en el que
añadir dicho oxígeno puro en dicho recipiente aumenta el nivel de
dicha presión parcial de oxígeno en el equilibrio a sustancialmente
más de 0,21 atmósferas.
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