MX2011002512A - Proceso para controlar el ph y el nivel de iones objetivos de una composicion liquida. - Google Patents

Abstract

Un proceso para controlar el pH y nivel de iones objetivos de una composición líquida, más particularmente el uso de electrodiálisis inversa mejorada (REED) para la extracción de especies cargadas, de peso molecular bajo generadas en un reactor. Incluso más particularmente la invención se relaciona a un proceso para el control del pH y el control de inhibidores en bioreactores.

Description

PROCESO PARA CONTROLAR EL pH Y EL NIVEL DE IONES OBJETIVOS DE UNA COMPOSICION LIQUIDA Campo de la Invención La presente invención se relaciona a un proceso j para controlar el pH y el nivel de iones objetivos de una J composición líquida. Más particularmente la invención se j I relaciona al uso de electrodiálisis inversa mejorada (REED) para extracción de especies cargadas de bajo peso molecular generadas en un reactor. Incluso más particularmente la 1 invención se relaciona con un proceso para el control de pH y ¦control de inhibidores en bioreactores .

Antecedentes de la Invención Controlar el pH y/o nivel de iones objetivos de una composición líquida es un proceso industrial importante usado \ dentro de los campos técnicos amplios como refinación de ¡metales y purificación de substancias orgánicas a partir de i un líquido fermentado.

Se ha introducido un número de procesos con el fin de controlar el pH y/o el nivel de iones objetivos de una ; composición líquida. Entre los procesos están los procesos de micro y ultrafiltración, procesos de intercambio de iones y procesos de electrodiálisis.

Por ejemplo los bioreactores son usados j extensivamente en la industria para la producción de un i Ref.: 217921 i intervalo amplio de químicos orgánicos, proteínas farmacéuticas, aminoácidos, cultivos de partida, biocombustibles, etc, o para los propósitos de ;biodegradación. Con mayor frecuencia, el bioreactor contiene microorganismos que requieren un cierto nivel de pH para 'sostener la funcionalidad óptima.

¡ Los medios estándar para regulación de pH en bioreactores incluyen la titulación de neutralizador alcalino o ácido directamente en el bioreactor, para neutralizar los jinetabolitos ácidos o alcalinos producidos por los microorganismos. Sin embargo, las sales de estos metabolitos ¡con frecuencia inhiben el crecimiento cuando alcanzan una jcierta concentración.

La formación de algunas sales y metabolitos, como ¡los inhibidores para reacciones biológicas, fija un límite para la productividad de un bioreactor en operaciones de lote normales. Las posibles soluciones para minimizar la ¡inhibición incluyen sistemas de perfusión, donde el caldo de fermentación con inhibidores es extraído continuamente a Itravés del proceso de filtración (por ejemplo, ultra o ¡microfiltración) , mientras que retiene el microorganismo y agrega solución fresca de substrato al termentador. En sistemas de perfusión, es todavía necesario regular el pH del bioreactor a través de la titulación del neutralizador y componentes valiosos de substrato son perdidos en el permeado .

El uso de membranas de intercambio de iones, como ¦se utiliza en electrodiálisis y los procesos de diálisis así llamados Donnan, permiten una extracción más selectiva de I especies cargadas pequeñas comparadas con las membranas usadas típicamente en ultra y microfiltración. Sin embargo, la electrodiálisis convencional sufre de contaminación de i membrana cuando se combina directamente con biorreactores y I es necesaria la titulación de neutralización todavía para el i .control del pH.

La Patente Europea EP 1 237 823 describe un aparato iy un método para transferir especies iónicas a partir de un primer líquido a un segundo líquido en una celda de electrodiálisis mejorada la cual comprende ya sea membranas de intercambio de cationes o membranas de intercambio de janiones .

La Patente de los Estados Unidos de Norteamérica ¡5,114,554 describe un proceso para remover el ácido de un baño de electrorecubrimiento catódico en el cual los ¡substratos eletroconductores están siendo recubiertos con resinas catiónicas, por lo menos una porción del baño de recubrimiento que es sometido a una ultrafiltración, y por lo menos una porción del ultrafiltrado que es sometido a un (tratamiento de electrodiálisis específico en una celda de electrodiálisis operada con corriente directa la cual comprende membranas de intercambio de aniones .

Sumario de la Invención i Hay una necesidad para un proceso para controlar tanto el pH y el nivel de iones objetivos de una composición ¡líquida, el proceso el cual permite un control más preciso de i ¡pH sin adición directa de químicos y el proceso que permite i leí control del nivel de iones objetivos independientemente del punto de fijación del pH deseado.

I De esta forma en una primera modalidad la presente invención se relaciona a un proceso para controlar el pH y el ; nivel de iones objetivos de una composición líquida el cual j comprende las etapas de, en ya sea cualquier orden: a) por lo menos una etapa de pasar un líquido a través de una apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada (REED por sus siglas en inglés) la ' cual tiene: i) por lo menos dos membranas de intercambio de iones i que definen una primera cámara para un primer líquido I , entre ellas; ii) por lo menos dos cámaras adicionales para un segundo líquido, cada cámara además que es ubicada adyacente I a por lo menos una primera cámara; iii) un grupo de membranas finales; y iv) un medio para aplicar un campo eléctrico sobre las ¡ membranas por medio de por lo menos dos electrodos; b) por lo menos una etapa para controlar el nivel de iones objetivos en el líquido.

Una segunda modalidad de la invención es un sistema cual comprende : a) por lo menos una apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de aniones (AX-REED) la cual tiene: i . por lo menos dos membranas de intercambio de aniones que definen una primera cámara para un primer líquido entre ellas; ii. por lo menos dos cámaras adicionales para un segundo líquido, cada cámara adicional que es ubicada adyacente a por lo menos una primera cámara; iii. un grupo de membranas finales; y iv. un medio para aplicar un campo eléctrico sobre las membranas por medio de por lo menos dos electrodos; y b) por lo menos una apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de cationes (CX-REED por sus siglas en inglés) que tiene v. por lo menos dos membranas de intercambio de cationes que definen una tercera cámara para un tercer líquido entre las mismas; vi. por lo menos dos cámaras adicionales para un cuarto líquido, cada cámara adicional que es ubicada adyacente a por lo menos una tercera cámara; vii. un grupo de membranas finales; y viii. un medio para aplicar un campo eléctrico sobre las membranas por medio de por lo menos dos electrodos. ! En donde por lo menos una apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de aniones j (AX-REED) y por lo menos una apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de cationes (CX-REED) están en conexión en serie o paralela.

J Una tercera modalidad de la invención es el uso de un sistema de acuerdo a la invención para controlar el pH y ¡el nivel de iones objetivos de una composición líquida. i Otras modalidades de la invención llegarán a ser ¦aparentes para la persona experta en la técnica a partir de lia, siguiente descripción detallada y ejemplos.

DEFINICIONES En el contexto de esta invención el término "ión objetivo" es entendido para comprender tanto iones no deseados, por ejemplo inhibidores en un proceso de ¡fermentación, y iones que constituyen un producto deseado que es removido de la composición líquida. Como un ejemplo no limitante de un ión objetivo puede ser mencionado el ión lactato. El ácido láctico es un inhibidor conocido para los cultivos de bacterias de ácido láctico (LAB), y de esta forma, para bioreactores con cultivos LAB, el lactato puede ser un ión objetivo para el proceso REED. El término "iones objetivos" no comprende los iones hidrógeno.

En el contexto de esta invención el término l"electrodiálisis inversa mejorada" o "REED" cubre tanto AX- REED y C -RED.

En el contexto de esta invención el término "AX-REED" significa una fijación REED donde las membranas de j intercambio de aniones son usadas como una barrera entre la solución de alimentación y dializado y el intercambio de i aniones entre los dos líquidos se facilita. i En el contexto de esta invención el término "CX-REED" significa una fijación REED donde las membranas de intercambio de cationes se usan como una barrera entre la solución de alimentación y dializado y el intercambio de cationes entre los dos líquidos se facilita.

En el contexto de esta invención el término fapilación" significa una unidad de un sistema REED el cual comprende una o más fijaciones de repetición de una combinación de por lo menos dos membranas de intercambio de iones, una fijación de membranas finales y por lo menos dos electrodos que rodean las membranas.

En el contexto de esta invención el término "apilaciones de membrana REED múltiples" significa dos o más I i apilaciones de membranas y espaciadores, cada apilación colocada entre un par de electrodos.

En el contexto de esta invención el término "inversión del campo eléctrico" o "corriente inversa" significa cambiar la polaridad de los electrodos REED, lo cual resulta en una inversión de la dirección de la corriente i ,DC eléctrica, lo cual facilita la migración de iones a través de las membranas de intercambio de iones.

En el contexto de esta invención el término '"control" o "controlar" significa la capacidad, manual o automáticamente para ajustar el parámetro deseado, por 'ejemplo concentración de iones objetivos, usando REED y/o 'titulación y/o adición de agua.

Breve Descripción de las Figuras i La Figura 1 muestra una fijación de proceso de !conformidad con la invención.

La Figura 2 muestra el resultado del proceso revelado en el ejemplo 1.

La Figura 3 muestra el resultado del proceso revelado en el ejemplo 3.

La Figura 4 muestra el resultado del proceso irevelado en el ejemplo 4.

La Figura 5 muestra el resultado del proceso revelado en el ejemplo 5. i La Figura 6 muestra el resultado del proceso revelado en el ejemplo 6.

Descripción Detallada de la Invención Principio REED ! El proceso de electrodiálisis inversa mejorada (REED) utiliza membranas de intercambio de iones en una fijación de membrana de placa y cuadro similar a la así llamada fijación de diálisis Donnan, la última que utiliza difusión" provocada por una diferencia en potenciales químicos como la fuerza de accionamiento. Sin embargo, en el proceso REED el intercambio de iones es reforzado y regulado por una corriente DC eléctrica entre la fijación de membrana. El proceso REED es propuesto para uso en soluciones de proceso que comprenden componentes muy grandes para penetrar las membranas (por' ejemplo, proteínas) , las cuales tienden a recolectarse en la superficie de membranas de intercambio de iones, este efecto es conocido como contaminación de membrana. Por utilizar a fijación simétrica del proceso REED, i la dirección de la corriente eléctrica puede ser invertida en intervalos regulares sin interferencia significativa en el proceso de separación.

Típicamente, una solución de proceso (solución de alimentación) fluye a través de un sistema REED, donde ya sea iones cargados negativamente (aniones) son intercambiados por otros aniones, de esta forma nombrados fijación REED de intercambio de aniones (AX-REED) , o iones cargados positivamente (cationes) son intercambiados por otros cationes en una fijación REED de intercambio de cationes (CX-¡REED) . Una solución de dializado porta los iones, los cuales ¡son intercambiados por los iones en la solución de alimentación. En una fijación de placa y cuadro, varias ¡membranas son apiladas, separadas por espaciadores de flujo , facilitando alternativamente la alimentación y las soluciones de dializado, respectivamente.

I En una modalidad de la invención, la polaridad de ¡por lo menos dos electrodos es cambiada en intervalos.

I Durante la separación, las dos membranas que rodean ¡cada compartimiento espaciador de alimentación ya sea I facilitan el transporte de iones fuera de la solución de alimentación o en la solución de alimentación a partir del idializado.

: Cada inversión de la dirección del campo i ;éléctrico/corriente eléctrica resulta en un reestablecimiento ¡a corto plazo de los perfiles de polarización de los iones afectados a través de las membranas, ya que las dos membranas 'que rodean cada compartimiento de alimentación intercambian funciones. Esto provoca una inversión de corto plazo del proceso de separación ya que los iones que son removidos previamente son empujados de nuevo en la solución de ¡alimentación hasta que los perfiles de membrana son reestablecidos . Es ventajoso mantener los intervalos entre las inversiones de corriente siempre y cuando sea permitido por la formación de contaminación, ya que cada inversión ? introduce una pausa de separación corta e introduce inestabilidad menor al proceso.

En una modalidad de la invención las apilaciones de REED múltiples son operadas en paralelo. La fijación minimiza 'por ejemplo, el impacto en microorganismos en un bioreactor ya que el tiempo de mantenimiento fuera del bioreactor así ¡como también la desviación de pH a partir del punto de ¡fijación es reducida comparada con la operación en serie.

¦ En otra modalidad de la invención las apilaciones ¡REED múltiples son operadas en serie o cascada. La fijación permite mayor remoción de iones por paso y es mejor adecuado para operaciones corriente abajo continuas. 1 El proceso REED puede ser usado para extraer 'inhibidores como iones de ácido orgánico a partir de bioreactores/procesos de fermentación viva para mejorar la ¡productividad y longevidad de crecimiento celular ¡(fermentación continua) y/o regular la producción de metabolito (por ejemplo, protelna recombinante) . El proceso REED puede por ejemplo ser usado para control de pH en sistemas biológicos, bioconversión, o catalíticos, donde un componente ácido o alcalino pequeño es producido continuamente (por ejemplo, lactato, acetato, amoniaco, nitrato) . Por intercambiar iones de ácido orgánico producidos I , por iones de hidróxido a partir de una solución de dializado i alcalino, lo cual entonces neutraliza los iones de hidrógeno anexos, el resultado total es un pH constante y acumulación significativamente reducida del nivel de ácido orgánico. El ¡caso es similar para sistemas de formación alcalina, donde los iones alcalinos son intercambiados por iones de hidrógeno a partir de un dializado ácido, lo cual a su vez neutraliza los iones de hidróxido en la solución de alimentación. En sistemas biológicos donde los ácidos o álcalis producidos i j actúan como inhibidores de crecimiento, el control de pH del sistema de REED es preferible para el control de titulación ; de pH estándar directamente en el sistema biológico, el cual ¡solamente mantiene el nivel de pH, pero en si mismo es incapaz de suprimir la acumulación de metabolitos ácidos o ¡alcalinos neutralizados. j En una modalidad de la invención el campo eléctrico dentro de cualquier apilación REED es invertido ; asincrónicamente con relación a cualquier otra apilación de I membrana REED en el caso de múltiples ya sea apilaciones de membrana AX-REED o CX-REED.

¡ El efecto de corto plazo descrito previamente después de cada inversión de corriente impacta el control del pH del sistema REED por introducir un efecto negativo a corto ¡plazo hasta que los perfiles de iones de membranas son re- establecidos. En el caso de AX-REED, los iones ácidos son I extraídos a través de una membrana de intercambio de aniones en cada compartimiento de alimentación, mientras que los ; iones de hidróxido entran a través de la membrana de intercambio de aniones opuestos. Cuando la dirección de la corriente eléctrica es invertida, los iones ácidos extraídos dentro de la primera membrana mencionada son llevados de nuevo en la solución de alimentación, antes de que los iones de hidróxido empiecen a entrar en la solución de ¡alimentación. De esta forma, en el periodo de corto tiempo ¡hasta que el perfil de hidróxido sea re-establecido a través de la membrana, lo cual es usado previamente para extraer iones ácidos, no se observa control del pH. La longitud de la fase de tiempo después de cada inversión de corriente hasta qué se regenera el control del pH depende de las varias condiciones del proceso y propiedades de membrana; 'típicamente, toma entre 10-90 segundos antes del proceso esté 'otra vez operando en control de pH completo. Esto se registra ¡como un cambio repentino en pH, el cual debe entonces ser regulado de nuevo al punto de inicio deseado. En sistemas con ¡más de una apilación de membrana, es ventajoso realizar las inversiones de corriente en cada apilación separada asincrónicamente, para dispersar los efectos de inestabilidad y reducir el impacto total de inversiones de la corriente. El uso de inversión de corriente asincrona es descrito con mas detalle en la solicitud de la patente copendiente de la presente titulada "Método y Sistema para control mejorado de parámetros de proceso de una composición líquida en una electrodiálisis inversa mejorada (REED) " de la misma fecha, j la solicitud de patente se incorpora en la presente para referencia.

La longitud de intervalo entre las inversiones de I la corriente para una apilacion es elegida típicamente con respecto a la formación de contaminación de la membrana. ¡Típicamente, los intervalos dentro de cualquier apilacion j REED puede estar en el intervalo de 5-6000 segundos, preferentemente 8-3000 segundos, más preferentemente 10-2000 ¡segundos e incluso más preferentemente 100-1500 segundos.

En una modalidad del proceso de acuerdo a la invención la por lo menos etapa REED comprende una etapa de i electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de aniones ; (AX-REED) y la por lo menos etapa para controlar el nivel de iones objetivos comprende una etapa de electrodiálisis ¡inversa mejorada de intercambio de cationes (CX-REED) .

En otra modalidad del proceso de acuerdo a la invención la apilacion de membrana de electrodiálisis inversa ¡mejorada (REED) es una apilacion de electrodiálisis inversa mejorada del intercambio de cationes (CX-REED) y la por lo menos etapa para controlar el nivel de iones objetivos comprende pasar la composición líquida a través de la apilacion de membrana de electrodiálisis mejorada de I intercambio de aniones (AX-REED) .

La presente invención proporciona ventajas cuando (se combinan sistemas AX-REED y CX-REED para control mejorado de pH y el nivel de iones objetivos. Se ha descrito previamente cómo el proceso REED puede ser utilizado para I jControl del pH y mantener el bajo nivel de inhibidores en bioprocesos, producir iones objetivos en la forma de I : inhibidores cargados, de bajo peso molecular, por ejemplo i ácidos o bases orgánicos. En algunos sistemas, es necesario el control mejorado del nivel de iones objetivos comparado con lo que se logra por el control de pH del sistema REED. I Para mantener un pH estable en un reactor que produce iones objetivos, un sistema REED usado para el I control de pH, en lo siguiente denota el "sistema REED primario", es regulado para neutralizar la cantidad producida ¿e iones ácidos o base en el reactor. Para asegurar esto, una cantidad correspondiente de iones ya sea cargados negativamente o cargados positivamente en el reactor es reemplazada por iones hidróxido o hidrógeno, respectivamente. Los iones reemplazados a través de este sistema REED primario es una representación diversa de ya sea iones cargados negativamente o cargados positivamente, de bajo peso molecular presentes en el reactor en cuestión, e incluyen los iones objetivos. La distribución es determinada por los números de transporte de iones, los números que dependen de la carga molecular, movilidad iónica, y concentración. Cuando el control de pH REED es operado típicamente en reactores con concentración significativa de iones objetivos, el cuerpo principal de iones extraído y reemplazado como parte de la etapa de control de pH típicamente constituye iones objetivos, de esta forma asistiendo en mantener un nivel estable de iones objetivos aba o del nivel de inhibición. Cuando se utiliza el REED para control de pH en sistemas de j reactores con un alto contenido de otros iones (por ejemplo I j iones inorgánicos, aminoácidos) , lo cual se asemeja a los i I iones objetivos con respecto a la carga y tamaño, una j fracción reducida de los iones reemplazados para mantener el ' control de pH constituyen los iones objetivos. Esto provoca : una acumulación neta de iones objetivos neutralizados en el reactor controlado en pH.

En una modalidad de la invención un "sistema REED secundario" , el cual intercambia iones de carga opuesta comparados con el sistema REED primario es de esta forma introducido para control mejorado del nivel de iones objetivos. En un proceso productor de ácido, se usa AX-REED como sistema REED primario para control de pH para ¡ neutralizar los iones objetivos ácidos. Por agregar un CX-j RÉED como sistema REED secundario, ya sea en modo paralelo o en serie, pueden ser intercambiados cationes a partir del I reactor por iones hidrógeno, los cuales actúan como acidificación del reactor sin agregar más moléculas acidas. El AX-REED que regula el pH reaccionará para incrementar la acidificación por incrementar el intercambio de aniones de reactor por iones hidróxido, de esta forma incrementando la extracción de iones objetivos ácidos y solucionar cualquier acumulación del mismo, lo cual puede ocurrir de otra forma. Es entonces posible reducir la concentración de iones objetivos sin sobrefijar la estabilidad de pH del reactor.

Para procesos productores de álcalis, el principio íes similar, usando un sistema CX-REED como REED primario para control de pH, y un sistema AX-REED para REED secundario para controlar el nivel de iones objetivos.

Otros efectos de proceso impactan los niveles de concentración total del reactor. El agua es también intercambiada a través de la osmosis y electro-osmosis entre ¡las membranas de intercambio de iones en el sistema REED. Cuando la actividad iónica del dializado es superior a la actividad iónica del reactor, como es típicamente el caso, la osmosis causa que las moléculas del agua se difundan desde el ! reactor al dializado en el REED. Cuando se intercambian los iones objetivos con menos movilidad iónica comparados con la movilidad del hidróxido o iones de hidrógeno, los cuales los reemplazan, se observa típicamente un flujo electro-osmótico de moléculas de agua a partir del reactor en el dializado. ¡Sobre todo, el sistema REED extrae típicamente agua · a partir del reactor.

En una modalidad de la invención la apilación de la ¡membrana de electrodiálisis inversa mejorada (REED) es una apilación de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de aniones (AX-REED) y por lo menos una etapa para controlar j el nivel de iones objetivos comprende una titulación del líquido con ácido.

En una modalidad alternativa de la invención la ¡apilación de membrana de diálisis electro-mejorada (REED) j : inversa es una apilación de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de cationes (CX-REED) y la por lo menos etapa ¡para controlar el nivel de iones objetivos comprende una I 'titulación del líquido con el álcali.

La adición del ácido o base no inhibitorio al ¡reactor provocará que el sistema REED primario se incremente i ¡en intercambio de iones provocando que disminuya la concentración del ión de inhibición mientras que la concentración del ión no inhibidor se incrementará. La ¡proporción de concentración entre los dos tipos de iones se aproximará a un valor de equilibrio que depende de la proporción entre la adición y relación de formación del ión Ide inhibición. En una modalidad específica la concentración del lactato en un bioreactor es medida en línea y la titulación con fuerte acidez como el ácido fosfórico es incrementada si la concentración del lactato se incrementa arriba del punto fijado dado. 1 En una modalidad alternativa de la invención la por lo menos etapa para controlar el nivel de iones objetivos ¡comprende la adición de agua al reactor. La adición de ¡volumen, por ejemplo agua estéril o componentes de I lalimentación más diluidos, contrarrestará la acumulación de liones objetivos, pero es limitada por el tamaño de reactor o Inecesita purga del volumen en exceso. En una modalidad |específica la conductividad en un bioreactor es medida en línea y la adición de agua es incrementada si la conductividad se incrementa arriba de un punto de fijación ¡dado .

En una modalidad de la invención la por lo menos ¡una etapa para controlar el nivel de iones objetivos comprende una etapa de filtración, preferentemente una etapa jde micro o ultrafiltración . De esta forma el uso de los sistemas de perfusión, donde la fermentación del bioreactor es filtrada a través de un proceso de membrana accionado por presión y continuamente alimentada a la solución de substrato ¡ fresco, permite el control preciso de un nivel de inhibidor, por ejemplo a través de la medición de concentración en línea o medición de conductividad.

En una modalidad de la invención la intensidad del Í campo eléctrico aplicada es ajustada en respuesta al pH, I concentración del ión objetivo o conductividad de la composición líquida. Por incrementar la intensidad del campo eléctrico, el intercambio de iones se incrementa en el sistema REED, y viceversa. En línea, semi-en línea (por 'ejemplo retrasado en tiempo) o secundario (por ejemplo usando i conductividad en línea o mediciones de turbidez para estimar la concentración del ión objetivo) mediciones de los I 'parámetros del proceso que son regulados son colocados en un mecanismo de regulación de control, por ejemplo, software de jcontrol de PID, el cual a su vez regula la salida de los 'suministros de energía a los electrodos REED.

En una modalidad de la invención la composición Ilíquida es una mezcla de fermentación la cual comprende cultivos microbianos inmovilizados o suspendidos o es una !mezcla que contiene enzimas.

En una modalidad de la invención los cultivos microbianos comprenden cultivos de crecimiento o descanso de ¡bacterias, levaduras, hongos o células mamíferas.

Otra modalidad de la invención es un sistema el cual comprende: a) por lo menos una apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de aniones (AX-REED) que tiene; i . por lo menos dos membranas de intercambio de aniones que definen una primera cámara para un í primer líquido entre las mismas; ii. por lo menos dos cámaras adicionales para un segundo líquido, cada cámara adicional que es ubicada adyacente a por lo menos una primera cámara; iii. un grupo de membranas finales, y iv. un medio para aplicar un campo eléctrico sobre las membranas por medio de por lo menos dos electrodos; y b) por lo menos una apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada del intercambio de cationes (CX-REED) que tiene v. por lo menos dos membranas de intercambio de cationes que definen una tercera cámara para un tercer líquido entre las mismas; vi . por lo menos dos cámaras adicionales para un cuarto líquido, cada cámara adicional que es ubicada adyacente a por lo menos una tercera cámara; vii. un grupo de membranas finales; y viii. un medio para aplicar un campo eléctrico sobre las I membranas por medio de por lo menos dos electrodos; j en donde por lo menos una apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de aniones i (AX-REED) y la apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de cationes (CX-REED) están en conexión en serie o paralela.

Para un bioreactor de fermentación por una cepa celular inhibida por ácido orgánico, la REED de intercambio de aniones (AX-REED) sirve para reemplazar los ácidos orgánicos producidos con iones hidróxido, y de esta forma, i contrarrestando la reducción del pH a partir de la formación ácida. Por regulación de AX-REED, el intercambio de hidróxido puede mantener el pH del bioreactor sin la necesidad para I adición del neutralizante. Combinar el AX-REED con un sistema jREED de intercambio de cationes (CX-REED) , el cual intercambia cationes en el bioreactor por ejemplo iones hidrógeno, es posible regular el nivel de inhibidor de ácido orgánico así como también el pH del bioreactor. i La AX-REED y CX-REED combinadas ofrecen la posibilidad del control de bioreactor incrementado y, al mismo tiempo, reduce la necesidad para agregar neutralizante. El resultado es un producto de bioreactor con niveles de sal altamente reducidos, y productividad significativamente incrementada ya que el crecimiento celular no es más limitado I por la inhibición ácida.

Por operar los sistemas REED primarios y secundarios en modo paralelo el tiempo que la fermentación gasta fuera del bioreactor puede ser minimizado. Ya que las i. condiciones de crecimiento óptimos están presentes dentro del bioreactor, es preferible que el fermento fluya a través del sistema REED externo por periodo tan corto como sea posible. i í Para el control de reactor óptimo es necesario controlar la concentración de dializado y flujo así como también temperatura y modo de operación. La proporción del intercambio de iones en la REED depende de la combinación de corriente eléctrica y difusión pasiva. La proporción de difusión depende de la concentración del ión a ser transferido a partir del dializado en el reactor. Si el dializado tiene una alta concentración del ión regulador de pH, por ejemplo hidróxido cuando la AX-REED es el sistema primario, habrá una difusión substancial del hidróxido en el circuito de control independientemente de la corriente del electrodo. Es por lo tanto importante ser capaz de controlar la concentración del dializado de tal forma que la proporción de la difusión nunca exceda la proporción de producción en el i reactor. Esto se hace por enlazar la concentración y/o I vielocidad de flujo del dializado a la salida de la corriente eléctrica a las apilaciones de REED por lo tanto un incremento en corriente provocará que se incremente la concentración del dializado. El control de la concentración del dializado puede por ejemplo ser realizado regulando la adición de agua y solución de dializado concentrado en la corriente de dializado antes a su entrada en el sistema de REED. El control del flujo de dializado puede por ejemplo ser realizado por regular la bomba de flujo de dializado o usando i válvulas de regulación de flujo. i En modo en serie, es posible evitar que la fermentación llegue a ser muy acida o muy alcalina, lo cual ¡necesita ser manejado si algunos componentes exhiben I : inestabilidades de pH. Dependiendo del tipo de sistema de I REED, la fermentación que deja un sistema REED tiene que ser acidificado o llega a ser más alcalino y entonces regresa al 'pH normal, cuando se vuelve a mezclar en el bioreactor. En ¡una fijación en serie, es posible elegir si se inicia por ¡incrementar o reducir el pH de la fermentación por colocar el ! sistema REED apropiado como la primera etapa en el circuito de circulación fuera del bioreactor en casos donde la inestabilidad del pH es un problema.

Es posible operar el flujo del dializado en el modo ¡de un solo paso, en modo de lote, o una combinación de los j jmismos dependiendo de la proporción de producción en el ¡bioreactor. Si la baja capacidad es requerida, por ejemplo en ¡el inicio de un proceso de fermentación donde la densidad celular es muy baja, es ventajoso circular el dializado sobre un tanque. En cuanto la productividad del bioreactor se incrementa se descarga un porcentaje incrementado del ¡dializado que deja la apilación REED. Cuando el proceso está ¡corriendo en capacidad total todo el dializado es descargado después de un solo paso a través de una apilación y dializado fresco es bombeado en la apilación. Si se usan múltiples apilaciones es posible fijar el flujo de dializado ya sea en paralelo o, en serie con o sin bombas de refuerzo entre las apilaciones .

La invención será ahora descrita con detalles adicionales en los siguientes ejemplos específicos no limitantes. i Ejemplos Ejemplo 1 í : Para ¦ expresión de un cierto ingrediente |farmacéutico activo (API) , la cepa que produce el ácido láctico Lactococcus Lactis es cultivada usando medios ricos en nutrientes en un bioreactor de 100 L con tanto AX-REED y iCX-REED conectado en una fijación como se muestra en la Figura 1. A partir del bioreactor (1) el caldo es bombeado a I : través de las tuberías de interconexión (2) a. los Jcompartimientos de Fermentación (7) de tanto AX-REED y CX-REED antes de regresar al bioreactor. Se bombea en los i compartimientos de dializado (6) de la AX-REED una solución de NaOH y se bombea en los compartimientos de dializado (8) de CX-REED una solución de HN03. Los electrodos son enjuagados por bombear una solución NaOH 0.5 M en los compartimientos del electrodo (5) . La AX-REED comprende 2 apilaciones de membrana con 50 pares de celdas con un área de membrana activa total de 5.6 m2. La apilación CX-REED sencilla conectada al circuito es equipada con 20 pares de celdas que tienen un área de membrana total de 1.1 m2. Las I ! membranas instaladas son membranas de intercambio de anión ASM (10) y membranas de intercambio de cationes CMXsb (9) ambas de ASTOM, Japón. Una solución de substrato altamente ?con:centrada es continuamente agregada a través de una 'compuerta (11) en el termentador para mantener un nivel de ¡glucosa específico y suministrar componentes esenciales para el crecimiento. El peso húmedo de biomasa es medido y I , ajustado por la adición de agua estéril (12) al termentador y el volumen en exceso con API es cosechado a través de una tubería (13) colocada cerca de la parte superior del termentador .

' La biomasa es generada mejor en concentración de jlactato relativamente baja, pero la expresión del API es óptima en una concentración de lactado alrededor de 250 mM. Consecuentemente, es importante ser capaz de mantener el control de los niveles de lactato a través de la 'fermentación. Tanto AX y CX-REED son iniciadas 8 horas después de la inoculación del termentador en una concentración de lactato de aproximadamente 90 mM, ver la Figura 2. La corriente eléctrica en las dos apilaciones AX-REED es controlada para mantener un punto de fijación de pH de 6. Una ligera desviación del punto de fijación puede ser observada debido a la sonda de pH para controlar el proceso que es colocado en el circuito en la plataforma piloto REED más que en el termentador. El pH mostrado en la Figura 2 es el H del fermentador. La corriente eléctrica en la apilación CX-REED es controlada para mantener una conductividad dada, ¡lo cual se correlaciona con la concentración de lactato. Después de 24 horas la concentración de biomasa ha alcanzado el nivel deseado y la inducción del sistema de expresión API es gradualmente iniciado. Esto se hace por cambiar el CX-REED y por lo mismo deja que se incremente la concentración del lactato a 250 mM antes de iniciar el CX-REED otra vez después de 30 horas. Después de 52 horas se termina la fermentación y aproximadamente 200 1 de caldo (volumen de purga incluida) se recolectan para purificación adicional.

' La posibilidad para operar la fermentación en niveles de lactato predeterminadas refuerza la concentración API con un factor de 10 comparada con la fermentación de lote estándar. 1 Ejemplo 2 i Una fijación similar como una del ejemplo 1 es úsada, sin embargo por adición de agua al fermentador. Se observa que la adición de agua al fermentador reduce la necesidad para corriente eléctrica en la apilación CX REED. Por control adecuado de la adición de agua puede ser omitido la CX-REED.

Ejemplo 3 I i Este ejemplo demuestra cómo una apilación REED usada para controlar un parámetro de proceso puede ser i '. i I i combinada con la adición de agua para control simultáneo de un parámetro de proceso secundario en un proceso de ¡fermentación alimentado por lote simulado. j Una combinación paralela de un AX-REED con 10 pares de celdas de 915 cm2 cada una y un CX-REED con 2 pares de celdas de 915 cm2 cada una es conectada a un termentador de 20 litros en una fijación como se muestra en la Figura 1. La AX-REED y CX-REED son fijadas con membranas de intercambio de aniones Neosepta AMS (10) y membranas de intercambio de ¡cationes Nafion N117 (9) . Las membranas son fijadas en apilaciones JS-9 (Jurag Separation, Dinamarca) . Se prepara el bioreactor/termentador (1) para simular una fermentación de alimentación por lote con una solución modelo de 20 litros la cual consiste de un amortiguador de fosfato (60 mM) y lactato jde sodio (85 mM) en un pH de 6.5. Para simular la presencia ¡de un microorganismo que produce un ión objetivo en una I Jproporción constante, 90% (p/p) de ácido láctico es agregado J (11) en una velocidad de 75 ml/h( provocando una ¡acidificación constante. Para simular la adición de los componentes nutricionales y presencia de iones competitivos, se; agrega continuamente la solución de cloruro de sodio 5M (11) en una velocidad de 75 ml/h, provocando una formación constante en salinidad y conductividad de termentador. Se mantiene la temperatura del termentador en 25 °C.

La solución modelo en el termentador es circulada (2) a través de AX-REED y CX-REED en paralelo y de nuevo al fermentador. En la unidad AX-REED, una solución de dializado (3) de 10 1 0.2 M de hidróxido de sodio es circulada junta con una solución de enjuage de electrodos (5) de hidróxido de sodio 0.5 M. El CX-REED no es activo en este ejemplo y solamente se usa agua deionizada para dializado (4) en esta unidad. La Figura 3 muestra los resultados a partir de este 'ejemplo. j Se usa AX-REED para regulación de pH en el ¡fermentador a un punto de fijación de pH 6.5 por regular el i ' ¡campo eléctrico y la adición de hidróxido de sodio fresco al jdializado AX como se controla por un controlador lógico 'programable (PLC) de acuerdo con un detector de pH en el I ;fermentador . Se observa cómo AX-REED niega la acidificación a partir de la adición del ácido láctico, pero la conductividad ly la concentración del ión objetivo (lactato) todavía se incrementa en el fermentador.

En cierto tiempo (0.5 horas), se agrega el agua ¡deionizada (12) al fermentador en la velocidad de 48 ml/h, lo cual diluye el fermentador. La dilución controla la ¡conductividad del fermentador a un valor constante y reduce j la. acumulación de ión obj etivo (lactato) en el fermentador, ¡mientras que AX-REED todavía controla el pH del fermentador.

Después de que se agrega 1 litro de agua al fermentador, se detiene la adición del agua, y el incremento renovado en conductividad y ión objetivo son observados. El volumen del fermentador se ha incrementado de 20 a 21 1, como se espera.

Ejemplo 4 j Este ejemplo demuestra cómo una apilación REED usada para controlar un parámetro de proceso puede ser jCombinada con una apilación REED de selectividad de carga opuesta para control simultáneo de un parámetro de proceso jsecundario en un proceso de fermentación de alimentación por lote simulado.

Se usa la misma fijación exacta como se muestra en la Figura 1, y descrita en el Ejemplo 3, combinando una AX- 'REÉD y CX-REED. j Se emplean los mismos parámetros de proceso y ¡soluciones como se describe en el Ejemplo 3. La única diferencia es que el CX-REED es activo en la parte de esta prueba .

Como en el ejemplo 3 el fermentador inicia con 20 ¡litros de solución de amortiguador de fosfato 60 mM con 85 mM de lactato de sodio y adición de ácido láctico al 90% (p/p) I . (75 ml/h) y cloruro de sodio 5M (75 ml/h). La solución .circula a través de las unidades AX-REED y CX-REED en paralelo. La Figura 4 muestra los resultados de esta prueba.

Se controla el pH en el fermentador por el AX-REED como se describe en el Ejemplo 3, mientras que la conductividad y concentración de ión objetivo (lactato) se incrementa. En cierto tiempo (2.1 horas) en la prueba, se hace circular una solución de dializado la cual consiste de 5 ílitros de ácido nítrico 0.05M a través de CX-REED (4). Por regular el campo eléctrico en el CX-REED y agregar ácido i inítrico fresco 0.05 M al dializado CX controlado por un controlador lógico programable (PLC por sus siglas en ¡inglés) , la CX-REED controla la conductividad del termentador ¡a ,un punto de fijación fijo mientras que AX-REED todavía ;controla el parámetro de pH. Por reducir el valor del punto ¡de fijación de conductividad en un cierto tiempo (2.7 horas) del proceso, la CX-REED es también disponible para reducir la conductividad del fermentador de acuerdo al nuevo punto de ¦fijación de conductividad menor, mientras se mantiene el pH. I Después de 2.9 horas de tiempo de proceso, se incrementa el campo eléctrico CX-REED además, ahí se observa que es posible reducir la acumulación y mantener el nivel de iones objetivos (lactato) , mientras que el AX-REED es todavía regulado para pH de fermentador estable.

Ejemplo 5 Este ejemplo demuestra cómo la apilación REED usada para controlar un parámetro de proceso puede ser combinada con la adición de ácido para control simultáneo de un parámetro de proceso secundario en un proceso de fermentación de alimentación por lote simulado.

Se usa la misma fijación exacta como se muestra en la Figura 1 y descrita en el ejemplo 3, combinando, un AX-REED ¡y CX-REED.

Los mismos parámetros de proceso y soluciones son empleados como se describe en el ejemplo 3.

Como en el ejemplo 3 el fermentador inicia con 20 litros de solución de amortiguador de fosfato 60 mM con 85 mM de lactato de sodio, y la adición de ácido láctico al 90% i ' (p/p) (75 ml/h) y cloruro de sodio 5 M (75 ml/h) . La solución circula a través de las unidades AX-REED y CX-REED en paralelo. La Figura 5 muestra los resultados de esta p^eba.

LA CX-REED no es activa en este ejemplo y solamente se usa el agua deionizada para dializado (4) en esta unidad, 'se controla el pH en el fermentador por AX-REED como se describe en el ejemplo 3, mientras se incrementan la ¡conductividad y la concentración del ión objetivo (lactato) .

Después de 5 horas de tiempo de proceso, se inicia La adición de 7.5 M de ácido fosfórico en una velocidad de ¡120 ml/h (12) . Para la AX-REED para controlar continuamente el pH del fermentador, el cual es ahora afectado por una combinación de adición de ácido láctico y adición de ácido I , fosfórico, la AX-REED reacciona automáticamente por ncrementar el intercambio de hidróxido por lactato y otros aniones a partir del fermentador. De esta forma, se observa ¡la 1 reducción de la acumulación de iones objetivos. En 5.2 horas de tiempo de proceso, se incrementa la velocidad de adición de ácido a 300 ml/h( lo cual resulta en una reducción significativa en concentración de ión objetivo (lactato) , mientras que la AX-REED se piensa neutraliza dos efectos de acidificación, todavía controla el pH del fermentador.

Ejemplo 6 Se conecta un tanque de fermentación de alimentación de lote de 150 mi a través de tubos y una bomba para una plataforma montada con 5 apilaciones de AX-REED y 1 'apilación CX-REED, todos en una fijación en paralelo. Cada (apilación REED es una apilación JS-9 (Jurag Separation, Dinamarca) . Las 5 apilaciones AX-REED mantienen 54 pares de ¡celdas cada una mientras que la apilación CX-REED mantiene 20 pares de celdas; cada par de celda tiene 915 cm2 de área de j membrana activa . j La Figura 6 muestra el resultado de una fermentación controlada por REED i Se transfiere 150 mi de un medio de fermentación al ¡fermentador y se inocula por una cepa de celda que producen ácido láctico. Después de 3 horas de tiempo de proceso con titulación alcalina estándar usada para control de pH en el :fermentador, la concentración del lactato alcanza un nivel predeterminado. El fermento entonces es iniciado para circular entre el fermentador y las apilaciones REED. Se ¡transfiere el control del pH a las apilaciones AX-REED mientras que se usa CX-REED para controlar la regulación del I ión objetivo (lactato) . Después de 4.5 horas de tiempo de proceso, se disminuye el punto de fijación de pH a 5.6. Después de 9.5 horas, de tiempo de proceso, se reduce el control del CX-REED, lo cual resulta en acumulación de lactato incrementada para el resto de la fermentación.

Se mide el pH y OD (densidad óptica) en el termentador por sondas, mientras que se muestrea la concentración de lactato cada dos minutos.

La Figura 6 muestra cómo las 5 apilaciones AX-REED 'mantienen el pH del termentador, mientras que CX-REED, que opera en una capacidad máxima . cercana, mantiene la acumulación del lactato a un mínimo. La curva OD (densidad óptica) de la Figura 6 muestra cómo los microorganismos mantienen el crecimiento durante el proceso. í Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la i presente descripción de la invención. i

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : I 1. Un proceso para controlar el pH y el nivel de ¡iones objetivos de una composición líquida en un sistema, de bioconversión o catalítico, donde un componente ácido o alcalino es producido continuamente, caracterizado porque comprende las etapas de, en cualquier orden: a) por lo menos una etapa de pasar el líquido a través de j por lo menos una apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada (REED) la cual tiene , i) por lo menos dos membranas de intercambio de iones j que definen una primera cámara para un primer j líquido entre los mismos; ¡ ii) por lo menos dos cámaras adicionales para un segundo I ! líquido, cada cámara adicional que se ubica ¡ adyacente a por lo menos una primera cámara; I ¦ ¦ iii) una fijación de membranas finales; y t iv) un medio para aplicar un campo eléctrico sobre las membranas por medio de por lo menos dos electrodos; y b) por lo menos una etapa para controlar el pH y controlar i ¦ el nivel de iones objetivos en la composición líquida. 2. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la polaridad de por lo menos dos electrodos es cambiada en intervalos. 3. El proceso de conformidad con cualquiera de jlas reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque las japilaciones de membrana REED múltiples son operadas en paralelo . 1 4. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque la apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada (REED) es una i iapilación de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio ¦por aniones (AX-REED) y por lo menos una etapa para controlar el nivel de iones objetivos comprende pasar la composición líquida a través de la apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de cationes í (CX-REED) . ! 5. El proceso de conformidad con cualquiera de las ¡reivindicaciones 1-3, caracterizado porque la apilación de membrana de electrodiálisis mejorada inversa (REED) es una !apilacion de electrodiálisis mejorada inversa de intercambio de cationes (CX-REED) y por lo menos una etapa para controlar el ;nivel de iones objetivos comprende pasar la composición líquida a través de una apilación de membrana de electrodiálisis ¡inversa mejorada de intercambio de aniones (AX-REED) . 6. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque la apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada (REED) es una apilación de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de aniones (AX-REED) y por lo menos una etapa para controlar el nivel de iones objetivos comprende una titulación de la composición líquida con ácido. : ' 7. El proceso de conformidad con cualquiera de lias reivindicaciones 1-3, caracterizado porque la apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada (REED) es una ¡apilación de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio |de cationes (CX-REED) y por lo menos una etapa para controlar ,el nivel de iones objetivos comprende una titulación de la icomposición líquida con álcalis. 8. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque por lo menos íuna etapa para controlar el nivel de iones objetivos ¡comprende la adición de agua a la composición líquida. 9. El proceso de conformidad con cualquiera de 'las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque la por lo menos una etapa para controlar el nivel de iones objetivos comprende una etapa de filtración, preferentemente una etapa i de micro- o ultrafiltración. i 10. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la intensidad del campo eléctrico aplicada es ajustada en i I i : respuesta al pH, concentración de ión objetivo, o conductividad de la composición líquida. 11. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la composición líquida es una mezcla de fermentación la cual ¡comprende cultivos inmovilizados o suspendidos o es una i ¡mezcla la cual contiene enzimas. 12. El proceso de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque los cultivos microbianos comprenden cultivos de crecimiento o descanso de bacterias, levaduras, hongos o células mamíferas. 13. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se usa para mejorar la productividad y longevidad de crecimiento celular y/o para regular la producción de metabolitos en un bioreactor/proceso de fermentación vivo por extraer los inhibidores como iones de ácidos orgánicos, j 14. Un sistema caracterizado porque comprende: a. por lo menos una apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de aniones (AX-REED) la cual tiene: I [ i . por lo menos dos membranas de intercambio de aniones que definen una primera cámara para un primer líquido entre ellas; ii. por lo menos dos cámaras adicionales para un segundo líquido, cada cámara adicional que se ubica adyacente a por lo menos una primera cámara; iii. una fijación de membranas finales; y iv. un medio para aplicar un campo eléctrico sobre las membranas por medio de por lo menos dos electrodos; y b. por lo menos una apilación de membrana de electrodiális inversa mejorada de intercambio de cationes (CX-REED) la cual tiene: v. por lo menos dos membranas de intercambio de cationes que definen una tercera cámara para un tercer líquido entre ellas; vi. por lo menos dos cámaras adicionales para un cuarto líquido, cada cámara adicional que es ubicada adyacente a por lo menos una tercera cámara; vii. una fijación de membranas finales; y viii. un medio para aplicar un campo eléctrico sobre las membranas por medio de por lo menos dos electrodos; en donde por lo menos una apilación de membrana de electrodiálisis inversa mejorada de intercambio de aniones (AX-REED) y por lo menos una apilación de membrana de électrodiálisis inversa mejorada de intercambio de cationes (CX-REED) son conexión en serie o en paralelo. 15. El uso de un sistema de conformidad con la reivindicación 14 para controlar el pH y el nivel de iones objetivos de una composición líquida.