ES2335439T3 - Cubas de fermentacion. - Google Patents
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Abstract
Un aparato de fermentación (10) que comprende, una cuba de fermentación (12) que tiene un agitador de baja velocidad, comprendiendo el agitador un árbol (14) montado coaxialmente en la cuba (12) y penetrando en la cuba (12) a través de una abertura (16) existente en el fondo de la cuba (12), uno o más elementos agitadores (18; 72) que están montados sobre el árbol (14) para que giren con el mismo, estando el, o cada, elemento agitador (18; 72) dispuesto dentro de la cuba (12), y proporcionándose un medio de sellado (20) para sellar el huelgo entre el árbol (14) y la abertura (16), teniendo dicho medio de sellado una carcasa cilíndrica (22), sujeta al fondo de la cuba (12), externa al mismo y rodeando al árbol (14) según atraviesa este el fondo de la cuba (12); caracterizado porque un primer y un segundo conjuntos de sello (30, 50), que actúan entre el árbol (14) y la carcasa (22), están situados en unas localizaciones separadas para definir una cámara (64) entre ambos, abriéndose una entrada (66) a dicha cámara (64) para la conexión de la cámara (64) a una fuente de gas de proceso, estando el primer conjunto de sello (30) situado entre la cuba de fermentación (12) y la cámara (64) y comprendiendo un primer anillo de sellado (32) montado sobre el árbol (14) para girar con el mismo y un segundo anillo de sellado (36) montado con una relación rotacional fija en la carcasa (22), siendo el primer y el segundo anillos de sellado (32, 36) axialmente móviles entre sí y estando resilientemente solicitados el uno hacia el otro, de tal modo que una cara de sellado (44) del primer anillo de sellado (32) puede estar solicitada para que entre en contacto con una cara de sellado (42) del segundo anillo de sellado (36), teniendo la cara de sellado (42, 44) de uno de los anillos de sellado primero y segundo (32, 36) unos surcos (68) que proporcionarán una separación hidrodinámica de las caras de sellado ante la rotación del árbol (14), permitiendo que el gas de proceso de la cámara (64) fluya hacia adentro cruzando las caras de sellado (42, 44) hasta el interior de la cuba de fermentación (12), estando los surcos (68) rodeados por una formación de dique continuo (70) adyacente a la periferia exterior del anillo de sellado (32, 36), de manera que cuando la cara de sellado (42) esté en contacto con la cara de sellado (44), la formación de dique (70) de una cara de sellado (42, 44) hará un contacto estanco con la otra cara de sellado (44, 42).
Description
Cubas de fermentación.
La presente invención que aquí se describe se
refiere a cubas de fermentación y, en particular, a un aparato para
la aireación de cultivos microbianos o celulares sumergidos, con
fines biológicos.
En tales cubas es esencial un aporte suficiente
de oxígeno para el crecimiento de los microorganismos aeróbicos así
como de los cultivos celulares, por lo cual resulta crítico para la
obtención de beneficios económicos en la biotecnología que utiliza
procesos de fermentación sumergida. El aporte normal de oxígeno en
los procesos de fermentación sumergida se efectúa introduciendo un
gas que contenga oxígeno a través de un anillo de aireación
estacionado en el fondo de una cuba de fermentación. La eficiencia
del proceso de fermentación depende de la tasa de transferencia de
oxígeno a través de la interfaz líquido/gas con el medio de
crecimiento líquido. Esta tasa de transferencia depende
principalmente de la superficie total de la interfaz, la cual
depende del tamaño de las burbujas del oxígeno introducido en la
vasija, a burbujas más pequeñas, mayor superficie de interfaz.
Con los aparatos de fermentación convencionales,
las burbujas de gas introducidas en el fondo de la cuba tienen
tendencia a coagularse en burbujas mayores a medida que las burbujas
ascienden por la cuba. Para reducir este efecto pueden usarse
productos químicos anticoagulantes. Sin embargo, tales productos
químicos pueden afectar negativamente a la calidad del
producto.
Hasta el momento, una solución alternativa al
problema de la coagulación ha sido la utilización de agitadores
mecánicos para romper las burbujas más grandes. Para que tales
agitadores sean efectivos se requiere una elevada velocidad de
mezcla que puede ser perjudicial para los cultivos celulares
utilizados en la biotecnología moderna. Adicionalmente, la
agitación rápida de la masa biológica provocará un calentamiento que
exigirá un aparato de refrigeración para mantener las temperaturas
de funcionamiento adecuadas y producirá por lo tanto unos costes
elevados de energía.
La Memoria Técnica de Patente Europea EP1479758
describe un aparato de fermentación en el cual se introduce oxígeno
en la cuba de fermentación a través del árbol hueco de un agitador,
a una pluralidad de distintos niveles en el interior de la cuba,
proporcionándose en cada nivel un medio de agitación de baja
velocidad. Esta construcción permite obtener un aumento de la
interfaz total entre gas y líquido a bajas velocidades de
agitación. Sin embargo la solución es relativamente costosa y sólo
es adecuada para vasijas de fermentación de tamaño medio y
grande.
La presente invención proporciona una solución
económica para el problema de la coagulación que resulta adecuada
para vasijas de fermentación de tamaño pequeño.
De aquí en adelante el término gas de proceso
significará un gas puro o una mezcla de gases que contenga al menos
un componente, siendo dicho gas puro o dicho al menos un componente
capaces de ser metabolizados por microorganismos en un proceso de
fermentación.
De acuerdo a un aspecto de la presente
invención, un aparato de fermentación comprende, una cuba de
fermentación que tiene un agitador de baja velocidad, comprendiendo
el agitador un árbol montado coaxialmente en la cuba y que penetra
en la cuba a través de una abertura en el fondo de la cuba, uno o
más elementos agitadores que están montados sobre el árbol para que
giren con el mismo, estando el, o cada, elemento agitador dispuesto
dentro de la cuba, y proporcionándose un medio de sellado para
sellar el huelgo entre el árbol y la abertura, teniendo dicho medio
de sellado una carcasa cilíndrica, sujeta al fondo de la cuba,
externa al mismo y rodeando al árbol según atraviesa este el fondo
de la cuba; caracterizado porque un primer y un segundo conjuntos de
sello, que actúan entre el árbol y la carcasa, están situados en
unas localizaciones separadas para definir una cámara entre ambos,
abriéndose una entrada a dicha cámara para la conexión de la cámara
a una fuente de gas de proceso, estando el primer conjunto de sello
situado entre la cuba de fermentación y la cámara y comprendiendo
un primer anillo de sellado montado sobre el árbol para girar con el
mismo y un segundo anillo de sellado montado con una relación
rotacional fija en la carcasa, siendo el primer y el segundo anillos
de sellado axialmente móviles entre sí y estando resilientemente
solicitados el uno hacia el otro, de tal modo que una cara de
sellado del primer anillo de sellado puede estar solicitada para
que entre en contacto con una cara de sellado del segundo anillo de
sellado, teniendo la cara de sellado de uno de los anillos de
sellado primero y segundo unos surcos que proporcionarán una
separación hidrodinámica de las caras de sellado ante la rotación
del árbol, permitiendo que el gas de proceso de la cámara fluya
hacia adentro cruzando las caras de sellado hasta el interior de la
cuba de fermentación, estando los surcos rodeados por una formación
de dique continuo adyacente a la periferia exterior del anillo de
sellado, de manera que cuando la cara de sellado esté en contacto
con la cara de sellado la formación de dique de una cara de sellado
hará un contacto estanco con la otra cara de sellado.
Las caras del primer y segundo anillos de
sellado están configuradas para proporcionar entre las caras de
sellado una separación hidrostática y/o hidrodinámica suficiente
para permitir un paso óptimo del gas de proceso al interior de la
cuba de fermentación para satisfacer las necesidades de los
microorganismos utilizados.
Con el aparato anteriormente descrito, cuando el
árbol está girando, los efectos hidrostáticos/hidrodinámicos
provocarán que las caras de sellado se separen, y que el gas fluya
entre las caras de sellado desde la cámara hasta la cuba de
fermentación. El gas de proceso introducido en la cámara definida
por la carcasa de sellado es introducido así en la cuba de
fermentación. Debido al estrecho huelgo que se forma entre las caras
de sellado y a las elevadas fuerzas a cortadura, las burbujas que
se forman de esta manera son muy pequeñas y las fuerzas centrifugas
generadas por la rotación del asiento mezclan eficientemente las
burbujas con el líquido de la cuba de fermentación. Estos dos
efectos aumentan la interfaz gas/líquido en la cuba de fermentación
y por lo tanto la tasa de transferencia del gas de proceso, incluso
a bajas velocidades. Las caras del sello también pueden ser
separadas por las fuerzas hidrostáticas, cuando la presión en la
cámara sobrepasa un valor predeterminado, de manera que pueda
introducirse gas de proceso en la cuba de fermentación mientras
exista suficiente presión en la cámara, incluso cuando el árbol no
esté girando. Cuando el árbol deja de girar y la presión del fluido
de la cámara cae por debajo del valor predeterminado, la
solicitación resiliente de los anillos de sellado forzará a la
formación en dique de un anillo para que apoye herméticamente sobre
el otro anillo para formar un sello estanco a los fluidos.
El uso de un sello hidrodinámico de acuerdo con
la presente invención tiene también la ventaja de que, cuando el
árbol está girando, las caras de sellado están separadas, por lo que
no habrá desgaste alguno de las caras de sellado, cuyos residuos
podrían de otro modo contaminar el producto del proceso de
fermentación.
De acuerdo a una realización preferida de la
invención, se proveen unas formaciones deflectoras sobre la
circunferencia externa del asiento adyacentes a la cara de sellado
del mismo, con el fin de mejorar la distribución de la burbujas en
la cuba de fermentación.
A continuación se describe la invención, sólo a
título de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los
cuales:
La Figura 1 es una ilustración esquemática, en
alzado seccionado, de un aparato de fermentación de acuerdo con la
presente invención;
La Figura 2 muestra una modificación de la
realización que se muestra en la figura 1; y
La Figura 3 y 4 muestran unas modificaciones
adicionales al aparato que se muestra en la figura 1.
Según se muestra en la figura 1, un aparato de
fermentación 10 comprende una cuba de fermentación 12 que contiene,
por ejemplo, un cultivo líquido de crecimiento microbiano. Un árbol
14 está rotativamente montado a través de una abertura 16 existente
en el fondo de la cuba 12. Sobre el árbol 14 están montados unos
elementos mezcladores 18, en el interior de la cuba 12, y el árbol
14 está conectado a un medio motriz (no representado) externo a la
cuba 12, mediante el cual puede girar el árbol 14 a bajas
velocidades para proporcionar una agitación de baja energía al
cultivo de crecimiento microbiano.
La abertura 16 está cerrada por un medio de un
sello hidrodinámico 20, para proporcionar un sellado entre el árbol
14 y la cuba 12. El medio de sello 20 comprende una carcasa
cilíndrica 22 sujeta al fondo de la cuba 12 y que rodea al árbol 14
según penetra este en la cuba 12. Un primer conjunto de sello 30
tiene un primer anillo de sellado 32 que está montado con rotación
sobre el árbol 14, dentro de la cuba de fermentación 12. El primer
anillo de sellado 32 está sellado con respecto al árbol 14 por el
anillo elastomérico 34. Un segundo anillo de sellado 36 está
montado sobre la carcasa 22, adyacente al extremo interior de la
misma. El segundo anillo de sellado 36 está sujeto a la carcasa
para impedir la rotación del mismo, pero puede moverse axialmente
con respecto a la carcasa 22. Un anillo de sellado 38 sella de
manera deslizante el segundo anillo de sellado 36 a la carcasa 22,
y una serie de muelles de compresión helicoidales 40, angularmente
espaciados, actúan axialmente entre la carcasa 22 y el segundo
anillo de sellado 36 oprimiendo una cara de sellado 42 del segundo
anillo de sellado 36 para que haga un contacto estanco con una cara
de sellado 44 del primer anillo de sellado 32.
Un segundo anillo de sellado 50 está montado
adyacente al extremo exterior de la carcasa 22. El segundo anillo
de sellado 50 tiene un asiento 52 montado con una relación axial y
rotacional fija sobre la carcasa 22 y sellado a la misma por medio
de un anillo elastomérico 54. Un anillo 56 coincidente está montado
sobre un anillo portador 58 sobre el árbol 14, estando el anillo
coincidente rotacionalmente fijo al árbol pero axialmente móvil
respecto al mismo, estando el anillo coincidente sellado de modo
deslizante al anillo portador 58 por el anillo de sellado 60. Una
serie de muelles de compresión helicoidales 62, angularmente
espaciados, actúan axialmente entre el anillo portador 58 y el
anillo coincidente 56 oprimiéndolo para que haga un contacto estanco
con el asiento 52.
El primer y segundo conjuntos de sello 30, 50
definen así una cámara 64 externa a la cuba de fermentación 12. La
cámara está provista de una entrada 66, estando la entrada 66
conectada a una fuente de gas de proceso.
La superficie de sellado 44 del primer anillo de
sellado 32 tiene una serie de surcos helicoidales 68 angularmente
separados. Los surcos 68 se extienden hacia afuera, desde un
diámetro situado radialmente por dentro del diámetro interno de la
cara de sellado 42 del segundo anillo de sellado 36, hasta un
diámetro situado radialmente por dentro del diámetro externo de las
caras de sellado 42 y 44, estando los surcos 68 inclinados con un
ángulo obtuso respecto a la dirección de rotación del árbol 14. De
esta manera se provee una formación de dique continuo 70 sobre la
cara de sellado 44 que, cuando el árbol 14 está estacionario y la
presión en la cámara 64 está por debajo de un valor predeterminado,
se encuentra en contacto con la cara de sellado 42 para impedir las
fugas del cultivo de crecimiento microbiano desde la cuba de
fermentación 12.
\newpage
Cuando el árbol 14 gira, el gas de proceso en la
cámara 64 es forzado a penetrar en los surcos 68, creando una zona
de alta presión adyacente a la formación de dique 70 y forzando la
separación de las caras de sellado 42, 44 para formar un estrecho
huelgo entre las caras de sellado 42, 44. El estrecho huelgo permite
que el gas circule entre las caras de sellado creando pequeñas
burbujas en el cultivo de crecimiento microbiano, distribuyéndose
las burbujas por toda la cuba 12 gracias a la acción centrifuga del
primer anillo de sellado 32. Incluso cuando el árbol 14 esté
estacionario, y siempre que la presión del gas en la cámara 64 esté
por encima de un valor predeterminado, por ejemplo 2,5 bar, las
fuerzas hidrostáticas abrirán las caras de sellado 42, 44 y
permitirán al gas penetrar en la cuba 12.
Según se ilustra en la figura 2, la superficie
circunferencial del primer anillo de sellado 32 puede estar
provista de unas aletas 72 que se extienden axialmente para aumentar
o reemplazar los elementos mezcladores 18, para incrementar el
efecto centrífugo y mejorar la distribución de las burbujas por todo
el cultivo de crecimiento.
En las realizaciones ilustradas en las figuras 3
y 4, la superficie circunferencial del primer anillo de sellado 32
está provista de unas formaciones anulares 74, 76, en forma de cuña,
adyacentes a la cara de sellado 44. Las formaciones de cuña 74, 76
aumentarán el diámetro desde el cual las burbujas se desprenden del
primer anillo de sellado 32, y por lo tanto la distribución de las
burbujas por todo el cultivo de crecimiento. Las formaciones de
cuña 74, 76 pueden estar formadas integralmente con el primer anillo
de sellado 32 o pueden estar formadas por separado, por ejemplo,
con un material de bajo rozamiento tal como el PTFE.
Para evitar que las burbujas se peguen a las
caras de sellado, el primer anillo de sellado 32 y el segundo
anillo de sellado 36 se fabrican preferiblemente con materiales de
baja energía superficial, o pueden recubrirse sus caras de sellado
con materiales que tengan baja energía superficial. Tales materiales
incluyen fluorocarburos tales como PTFE, o materiales de diamante y
similares al diamante.
Pueden incluirse diversas modificaciones sin
salirse del alcance de la invención. Por ejemplo, aunque en la
realización anterior los surcos 68 de la cara de sellado 44
proporcionan una separación hidrostática así como hidrodinámica,
alternativamente las caras de sellado 42, 44 pueden formar un ángulo
para proporcionar una separación hidrostática de las caras 42, 44
cuando la presión en la cámara 64 exceda de un valor
predeterminado.
Claims (11)
1. Un aparato de fermentación (10) que
comprende, una cuba de fermentación (12) que tiene un agitador de
baja velocidad, comprendiendo el agitador un árbol (14) montado
coaxialmente en la cuba (12) y penetrando en la cuba (12) a través
de una abertura (16) existente en el fondo de la cuba (12), uno o
más elementos agitadores (18; 72) que están montados sobre el árbol
(14) para que giren con el mismo, estando el, o cada, elemento
agitador (18; 72) dispuesto dentro de la cuba (12), y
proporcionándose un medio de sellado (20) para sellar el huelgo
entre el árbol (14) y la abertura (16), teniendo dicho medio de
sellado una carcasa cilíndrica (22), sujeta al fondo de la cuba
(12), externa al mismo y rodeando al árbol (14) según atraviesa este
el fondo de la cuba (12); caracterizado porque un primer y
un segundo conjuntos de sello (30, 50), que actúan entre el árbol
(14) y la carcasa (22), están situados en unas localizaciones
separadas para definir una cámara (64) entre ambos, abriéndose una
entrada (66) a dicha cámara (64) para la conexión de la cámara (64)
a una fuente de gas de proceso, estando el primer conjunto de sello
(30) situado entre la cuba de fermentación (12) y la cámara (64) y
comprendiendo un primer anillo de sellado (32) montado sobre el
árbol (14) para girar con el mismo y un segundo anillo de sellado
(36) montado con una relación rotacional fija en la carcasa (22),
siendo el primer y el segundo anillos de sellado (32, 36)
axialmente móviles entre sí y estando resilientemente solicitados
el uno hacia el otro, de tal modo que una cara de sellado (44) del
primer anillo de sellado (32) puede estar solicitada para que entre
en contacto con una cara de sellado (42) del segundo anillo de
sellado (36), teniendo la cara de sellado (42, 44) de uno de los
anillos de sellado primero y segundo (32, 36) unos surcos (68) que
proporcionarán una separación hidrodinámica de las caras de sellado
ante la rotación del árbol (14), permitiendo que el gas de proceso
de la cámara (64) fluya hacia adentro cruzando las caras de sellado
(42, 44) hasta el interior de la cuba de fermentación (12), estando
los surcos (68) rodeados por una formación de dique continuo (70)
adyacente a la periferia exterior del anillo de sellado (32, 36), de
manera que cuando la cara de sellado (42) esté en contacto con la
cara de sellado (44), la formación de dique (70) de una cara de
sellado (42, 44) hará un contacto estanco con la otra cara de
sellado (44, 42).
2. Un aparato de fermentación (10) de acuerdo
con la reivindicación 1 caracterizado porque cuando el árbol
está estacionario, las caras de sellado (42, 44) son forzadas
hidrostáticamente a separarse cuando la presión en la cámara (64)
supera un valor predeterminado.
3. Un aparato de fermentación (10) de acuerdo
con las reivindicaciones 1 ó 2 caracterizado porque los
surcos (68) proporcionan una separación hidrostática.
4. Un aparato de fermentación (10) de acuerdo
con la reivindicación 2 caracterizado porque las caras de
sellado (42, 44) forman un ángulo para proporcionar la separación
hidrostática.
5. Un aparato de fermentación (10) de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes
caracterizado porque las caras de sellado del primer y/o
segundo anillo de sellado (32, 36) se forman con un material que
tenga una baja energía superficial.
6. Un aparato de fermentación (10) de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5
caracterizado porque el segundo anillo de sellado (36) o el
primer anillo de sellado (32) del primer conjunto de sello (30)
tiene una serie de surcos helicoidales (68) angularmente espaciados,
estando los surcos (68) inclinados con un ángulo obtuso respecto a
la dirección de rotación del árbol (14), estando los extremos
interiores de los surcos (68) expuestos al gas de proceso de la
cámara (64).
7. Un aparato de fermentación (10) de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes
caracterizado porque el primer anillo de sellado (32) del
primer conjunto de sello (30) está provisto de unas formaciones
(72, 74, 76) para mejorar la distribución de las burbujas de gas de
proceso a través de un líquido contenido en la cuba (12).
8. Un aparato de fermentación (10) de acuerdo
con la reivindicación 7 caracterizado porque la superficie
circunferencial del primer anillo de sellado (32) está provista de
unas aletas (72), extendidas axialmente y espaciadas angularmente,
para aumentar o reemplazar los elementos mezcladores (18).
9. Un aparato de fermentación (10) de acuerdo
con las reivindicaciones 7 u 8 caracterizado porque la
superficie circunferencial del primer anillo de sellado (32) está
provista de una formación anular (74, 76) en forma de cuña, estando
situada la formación anular (74, 76) adyacente a la cara de sellado
(44) del asiento (32).
10. Un aparato de fermentación (10) de acuerdo
con la reivindicación 9 caracterizado porque la formación
anular (76) está formada integralmente en el primer anillo de
sellado (32).
11. Un aparato de fermentación (10) de acuerdo
con la reivindicación 10 caracterizado porque la formación
anular (74) está formada independientemente del primer anillo de
sellado (32) con un material de baja fricción.
Applications Claiming Priority (2)
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