MXPA00002806A - Metodo para utilizar oxigeno para utilizar oxigeno para eliminar el envenenamiento por dioxido de carbono en fermentacion aerobica. - Google Patents

Abstract

Un metodo para llevar a cabo una fermentacion que comprende los pasos de suministrar un recipiente que contiene caldo que corresponde un constituyente capaz de ser sometido a la fermentacion, reducir la presion del recipiente dentro del recipiente para reducir la presion parcial del oxigeno de equilibrio, agregar oxigeno de equilibrio, agregar oxigeno puro dentro del recipiente para elevar la presion parcial del oxigeno de equilibrio en el mismo, y utilizar el oxigeno puro para llevar a cabo al fermentacion del constituyente.

Description

MÉTODO PARA UTILIZAR OXIGENO PARA ELIMINAR EL ENVENENAMIENTO POR DIÓXIDO DE CARBONO EN FERMENTACIÓN AEROBICA Campo Técnico Esta invención se relaciona generalmente con un método de fermentación y, más particularmente, con el método de fermentación que se acciona por medio de un gas inyectado tal como el oxígeno .

Antecedentes de la Técnica La fermentación es un cambio químico inducido por medio de un organismo vivo o enzima, como una bacteria o los microorganismos que ocurren en las plantas unicelulares, la cual envuelve la descomposición aeróbica de hidrocarburos para producir un producto deseado conjuntamente con el dióxido de carbono. Los sistema de fermentación se utilizan para la producción de un gran número de productos como son los antibióticos, vacunas, biopolímeros sintéticos, aminoácidos sintéticos y proteínas comestibles. En una fermentación aeróbica convencional, el aire se suministra en grandes cantidades para proporcionar oxígeno para respirar y crecer. Al mismo tiempo, se despoja el dióxido de carbono por medio del aire remanente que no haya sido consumido por la biomasa (bacteria, hongos, células de planta, etcétera) . Generalmente, se debe disolver en el caldo, el oxígeno que contienen las burbujas de aire antes de que la biomasa lo pueda consumir. Por lo tanto, la disolución de oxígeno desde el aire es un factor de control de la velocidad. Para mantener una velocidad favorable de disolución de aire, la presión de los termentadores se elevan típicamente a muchas atmósferas. El aumento de la productividad en un fermentador puede envolver que se incremente la concentración del nutriente y de la biomasa. En consecuencia la demanda de oxígeno se incrementará en respuesta al nutriente adicional y a la concentración de la biomasa. Se consumirá más oxígeno si éste esta disponible. Por lo tanto, es de importancia primordial que se suministre suficiente aire (u oxígeno) a la biomasa. A mayor velocidad de consumo de oxígeno, se produce más dióxido de carbono. En algún punto, el nivel del dióxido de carbono en el fermentador envenenará la biomasa y se convertirá en un grave problema en el proceso de fermentación. Este envenenamiento ocurre cuando la cantidad del dióxido de carbono que se está generando durante la respiración y crecimiento de la biomasa es más rápido que la tasa de eliminación. En un nivel crítico, el exceso del dióxido de carbono disuelto retardará el crecimiento de la biomasa. El nivel crítico del dióxido de carbono se define como el nivel del dióxido de carbono en el recipiente de fermentación en el cual el dióxido de carbono ya no presta un servicio que beneficie la función de la fermentación, sino que demora el crecimiento de la biomasa.

Ya que la concentración del dióxido de carbono en el escape del fermentador es un valor que se mide más fácilmente que el nivel del dióxido de carbono disuelto dentro del fermentador, se ha convertido en una norma industrial que se mida la concentración del dióxido de carbono en el escape. Por lo tanto, cada proceso de fermentación tiene cierto concentrado crítico de dióxido de carbono en el escape, determinado previamente como una referencia de que no se deben exceder los lotes de fermentación. Esta concentración crítica de dióxido de carbono en el escape se ha convertido en una limitación práctica que se puede medir cuando uno trata de incrementar la productividad o la concentración de la biomasa. En la técnica se sabe que para incrementar la productividad con una biomasa más alta, se aumenta el flujo de aire. El aumentar el flujo de aire tiene la ventaja de suministrar oxígeno adicional para apoyar la biomasa más densa mientras que se desaloja más dióxido de carbono. Sin embargo, existe un límite práctico con relación a la cantidad de aire que se puede introducir. El exceso de aire inundará el propulsor si el fermentador se agita mecánicamente, lo cual inutiliza al agitador. En fermentadores aerotransportados, también se puede fluidizar el caldo o se sopla el contenido fuera de los fermentadores . Por lo tanto, el aumento del flujo de aire únicamente puede incrementar la productividad a una extensión muy pequeña.

Otros trabajos han sugerido el uso de oxígeno puro para complementar el aire cuando la concentración de la biomasa es alta. Sin embargo, se cree que el simplemente agregar oxígeno puro solo funcionará en la fermentación si la biomasa es resistente al envenenamiento por dióxido de carbono. En la mayoría de los casos, la adición de oxígeno puro agravará el problema ya que se está generando más dióxido de carbono a través de la respiración y el crecimiento de la biomasa. El exceso de dióxido de carbono se acumulará si la velocidad de eliminación no se aumenta a una mayor velocidad que la producción del dióxido de carbono. Se sabe en la técnica que se debe mantener la concentración de la biomasa lo suficientemente baja, de tal manera que la concentración del dióxido de carbono en el escape (como un método de control) no se exceda el valor crítico. Por lo tanto, la concentración del dióxido de carbono en el escape es un factor limitante en el incremento de la productividad. La técnica únicamente ha propuesto soluciones relacionadas con el aumento de la velocidad de disolución del oxígeno mientras que ignora el efecto del envenenamiento por dióxido de carbono. Las referencias anteriores de la técnica estipulaban el uso del oxígeno en el - enriquecimiento o inyección directa, pero se cree que ninguna de éstas resuelve los problemas asociados con el envenenamiento por dióxido de carbono.

Por lo tanto, es deseable proporcionar un método para llevar a cabo la fermentación por medio de utilizar oxígeno, el cual minimiza los efectos del envenenamiento por dióxido de carbono .

Compendio de la Invención Esta invención está dirigida a un método para llevar a cabo la fermentación. Los pasos del método envuelven el suministro de un recipiente el cual contiene un caldo que comprende un constituyente capaz de ser sometido a la fermentación, disminuyendo la presión del recipiente dentro del recipiente para disminuir el nivel del dióxido de carbono disuelto y la presión parcial del oxígeno de equilibrio en el recipiente que sea proporcional a la presión disminuida del recipiente, agregando oxígeno puro dentro del recipiente para elevar la presión parcial del oxígeno de equilibrio en el mismo, utilizando el oxígeno puro para realizar la fermentación del constituyente por medio de fermentación del constituyente. De preferencia, esta invención dispone de pasos simultáneos para disminuir la presión del reactor y para agregar oxígeno puro. Esta invención también está dirigida a un método para aumentar la concentración de la biomasa al llevar a cabo el proceso de la fermentación.

Descripción Detallada de la Invención Esta invención se basa en la premisa de que la mayoría de los procesadores controlan el nivel del dióxido de carbono en el escape del recipiente de fermentación. Sobre esa base, el nivel de dióxido de carbono del escape es proporcional al nivel del dióxido de carbono disuelto. A pesar de esta premisa, se cree que el nivel del dióxido de carbono del escape no siempre es proporcional, sino que depende de la temperatura y de la presión del fermentador. L-a razón por la cual se utiliza la concentración del dióxido de carbono en el escape para medir la velocidad de fermentación y la productividad de la fermentación, en lugar del dióxido de carbono disuelto, es porque el nivel del dióxido de carbono disuelto en un caldo estéril reactivo no es un valor que se pueda medir ya que no se cree que se encuentre en equipo en línea actualmente en existencia que sea capaz de calcular este valor. Esta invención utiliza el dióxido de carbono crítico medido desde el escape del recipiente de fermentación para calcular el nivel crítico del dióxido de carbono. Por medio de reducir la presión dentro de un fermentador, el nivel real de dióxido de carbono disuelto, co2' disminuirá proporcionalmente debido a una reducción en la presión parcial del dióxido de carbono : pco2 = ?co2 • = H.XC02 en donde Pco2 = Presión parcial del C02 YC02 = Fracción molar del C02 en la fase gaseosa -.02 = Fracción molar del C02 disuelto en la fase líquida H ----- Constante de la Ley de Henry Por lo tanto, se puede agregar una biomasa más alta con oxígeno puro para elevar la producción. Con un crecimiento más alto y una velocidad de respiración, el nivel del dióxido de carbono en el escape parecerá ser más alto que el nivel crítico del dióxido de carbono en el escape. Sin embargo, el nivel del dióxido de carbono disuelto sigue siendo el mismo o ligeramente más bajo. La reducción en la presión del fermentador reducirá proporcionalmente el nivel de oxígeno disuelto debido a la reducción de la presión parcial del oxígeno: C02 = Y, 02 R . Xr02 en donde C02 = Presión parcial del C02 Y, 02 = Fracción molar del 02 en la fase gaseosa ?02 = Fracción molar del 02 disuelto en la fase líquida H = Constante de la Ley de Henry Para compensar por la reducción en la presión parcial del oxígeno de equilibrio, en esta invención se utiliza oxígeno puro adicional a través de un simple enriquecimiento de oxígeno o una inyección directa de oxígeno. Por consiguiente, se puede lograr una mayor productividad con el mismo nivel crítico de dióxido de carbono disuelto, pero con una velocidad más elevada de consumo de oxígeno . La reducción de la presión del fermentador tiene efectos opuestos al de agregar oxígeno puro. En base a la técnica, el experto en la técnica no emplearía ordinariamente ambas técnicas para reducir la presión del fermentador y para agregar oxígeno puro. Sin embargo, contrario a la técnica, esta -invención descubrió que el grado de influencia es diferente entre las dos técnicas. Por medio de utilizar ambas técnicas, uno aun puede disolver oxígeno adicional mientras se gana el beneficio de un menor nivel de dióxido de carbono disuelto en el caldo. De hecho, esta invención proporciona la oportunidad para aumentar la productividad del fermentador más allá del límite impuesto por la concentración crítica del dióxido de carbono en el escape . Esto se logra a través de una reducción simultánea en la presión del fermentador y la adición de oxígeno puro . Para aumentar la tasa de disolución de oxígeno, los fermentadores se operan generalmente a presiones elevadas de muchas atmósferas. Se esperaría que al aumentar la presión absoluta por un factor de dos aumentara la cantidad de oxígeno disuelto también por un factor de dos en el- equilibrio. Sin embargo, esta invención nos hace notar que al operar a una mayor presión, también se reduce la habilidad del fermentador para eliminar el dióxido de carbono. Esto se debe a que la solubilidad del dióxido de carbono también aumenta a una presión más alta. La mayoría de los caldos de fermentación son susceptibles al envenenamiento por dióxido de carbono por lo que el dióxido de carbono disuelto se debe mantener por abajo del nivel crítico. Considerando que es muy difícil medir el nivel del dióxido de carbono disuelto, la industria puede solamente supervisar la concentración de gas del dióxido de carbono en el escape. Como consecuencia del límite de producción que se basa en el nivel crítico del dióxido de carbono, generalmente no es posible aumentar la productividad (libras de productos por un volumen dado del caldo de fermentación) a un nivel más alto de la biomasa. La biomasa más alta generará más dióxido de carbono y también requerirá más oxígeno en el proceso de fermentación. Un paso convencional para mantener la concentración de gas del dióxido de carbono y, para aumentar el suministro de oxígeno, es agregar más aire. Sin embargo, generalmente es impráctico o imposible aumentar el flujo de aire para lograr un fermentador optimizado. El exceso de aire puede inundar el propulsor con gas, lo que ocasiona el mal funcionamiento del propulsor. La mayoría de las plantas ya están operando compresores de aire al máximo y el tamaño de la línea y de la abertura del anillo rociador existente también limitarán la cantidad de aire que se puede suministrar. La presente invención utiliza la inyección directa de oxígeno (o enriquecimiento) durante el funcionamiento del fermentador a una presión más baja. Por medio de recortar la presión absoluta a la mitad (por ejemplo, de 4 atmósferas a 2 atmósferas, o de 3 manómetro-atmósferas a 1 manómetro-atmósferas) , se reduce la concentración del oxígeno de equilibrio a la mitad. Sin embargo, se puede compensar la reducción de la concentración del oxígeno de equilibrio por medio de utilizar oxígeno puro, el cual tiene una fuerza de accionamiento de aproximadamente cinco veces mayor que la concentración del oxígeno de equilibrio. Por lo tanto, el oxígeno puro compensará el efecto de la reducción de presión y también aumentará la disponibilidad de oxígeno.

EJEMPLO Parámetros de Control Presión = 4 atmósferas C02 medido en el escape = y1 = 5 por ciento C02 Disuelto (su estado crítico, no medido) = ]?Co2 = ??,co2 P?/H (D en donde - i , C02 Concentración (medida) de la fase de gas crítica del dióxido de carbono Presión del fermentador H Constante de la Ley de Henry Consumo de oxígeno 0 50 m mole/litro-hora Oxígeno disponible del aire = 0.21*100 Nm3/hr = 21 Nm3/hr Estuche de Oxígeno con una Productividad más Alta En este caso, se agrega el oxígeno puro para complementar el aire. Al mismo tiempo se reduce la presión del fermentador. Concentración de la biomasa = 2 x control Presión = 2 atmósferas Por medio de duplicar la concentración de la biomasa, también se duplica el consumo de oxígeno. Consumo de oxígeno = 2 x control = 2*50 = 100 mmoles/litro-hr Al mismo tiempo, también se duplica la generación del dióxido de carbono. C02 generado = 2 x control Entonces se satisface el requerimiento de oxígeno adicional por medio de utilizar oxígeno puro: Oxígeno disponible = oxígeno del aire + oxígeno puro = 0.21*100 nM3/hr + 21 Nm3/hr (oxígeno puro) 42 Nm3/hr En esta invención, se cree que el dióxido de carbono crítico disuelto es el factor primario que realmente afecta la actividad de la biomasa, no la concentración de la fase de gas del dióxido de carbono. Por lo tanto, es necesario mantener sin cambio el dióxido de carbono disuelto. C02 Disuelto (su estado crítico, no medido) = igual al control X. = X- = Y 2,C02 P2/H = Y2,C02 (P?/2)/H (2) En contraste al proceso de la presente técnica de vanguardia, la concentración máxima del dióxido de carbono que se puede permitir en la fase de gas que se mide en el escape puede ser realmente diferente. El nuevo máximo de concentración de dióxido de carbono que se puede permitir en el escape (calculada) = Y2 C02 Y 1,C02 *2 = 10 por ciento Por lo tanto, la concentración máxima que se puede permitir de dióxido de carbono en el escape con 2 atmósferas debe ser el doble de alto como el que opera a 4 atmósferas. La concentración real del dióxido de carbono medido en el escape con bioactividad doble = 5 por ciento * 2 * (100/(100+21)) = 8.26 por ciento Como se puede ver de lo anterior, la concentración real de dióxido de carbono medido en el escape de 8.26 por ciento es menor que el límite del nuevo máximo que se puede permitir del 10 por ciento de concentración de dióxido de carbono en el escape. Por lo tanto, la concentración del oxígeno suministrado puede tener el doble de la concentración de la biomasa (dos veces más concentrada) , y aun no aumentar la concentración de dióxido de carbono más allá del nivel crítico. De conformidad con lo anterior, la concentración de la biomasa se puede aumentar más allá de lo que normalmente se consideraría como una limitación ocasionada por la concentración de dióxido de carbono en el escape. Esto se logra por medio de reducir la presión del fermentador mientras se compensa la caída de la disolución de oxígeno con oxígeno puro. Note que esta invención también contempla agregar crédito a los benefi-cios económicos del proceso de fermentación porque el poder del compresor se puede recortar cuando menos en un 50 por ciento. Para sacar ventaja de la alta disolución de oxígeno y rápida eliminación del dióxido de carbono, es preferible operar el fermentador con una presión de menos de 2 atmósferas mientras que se inyecta el oxígeno puro. De ser necesario se puede sacar el vacío en el fermentador. Generalmente, se puede disminuir la presión del recipiente de esta invención desde hasta aproximadamente 25 atmósferas a cualquier presión entre aproximadamente 25 atmósferas y aproximadamente 1 atmósfera. La presión puede ser cualquier presión dentro de este rango. Por ejemplo, se puede disminuir la presión del recipiente a cualquier presión entre aproximadamente 25 atmósferas a aproximadamente 1 atmósfera. Los productos de fermentación que se pueden producir por medio del método de esta invención incluyen antibióticos como la penicilina, eritromicina y tetraciclina, productos químicos orgánicos como el sorbitol y citronelol, ácidos orgánicos como el ácido cítrico, ácido tartárico y ácido lácteo, aminoácidos como el L-lisina y glutamate de monosodio, polisacáridos como la levadura de panadería y goma de xantan, vitaminas como el ácido ascórbico y la riboflavina, y otros productos incluyendo enzimas, insecticidas, alcaloides, hormonas, pigmentos, esteroides, vacunas, inteferón e insulina. El mismo principio se puede aplicar a la oxidación orgánica con aire. Esto puede ser oxidación de cualquier órgano cuando los productos o derivados de los productos de la fase de gas pueden inhibir la reacción. La inhibición puede ser el resultado de un cambio de equilibrio o el envenenamiento de los sitios de catalización. Si se reduce la presión del reactor, se reducirá el nivel del equilibrio disuelto de los productos o derivados de los productos gaseosos . Entonces se compensa la reducción de la velocidad de disolución de oxígeno por medio de agregar oxígeno puro . Se debe entender que la descripción anterior es únicamente ilustrativo de la invención. Aquellos expertos en la técnica pueden inventar muchas alternativas y modificaciones sin que se desvíen de la invención. De conformidad con lo anterior, se pretende que la presente invención abarque todas estas alternativas, modificaciones y variaciones que estén dentro del alcance de las reivindicaciones que se anexan.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un método para llevar a cabo la fermentación que comprende : a. proporcionar un-recipiente que contenga un caldo que comprenda un constituyente capaz de ser sometido a la fermentación; b. disminuir la presión del recipiente dentro del mismo recipiente, para reducir la presión parcial del oxígeno de equilibrio y el nivel del dióxido de carbono disuelto en el recipiente en velocidad a la misma presión rebajada del recipiente; c. utilizar este oxígeno puro para llevar a cabo la fermentación de este constituyente.

2. El método de la reivindicación 1, en donde esta reducción de presión del recipiente y la adición de oxígeno puro tienen lugar simultáneamente.

3. El método de la reivindicación 1, en donde esta presión del recipiente se reduce a una presión desde hasta aproximadamente 25 atmósferas hasta aproximadamente 1 atmósfera.

4. El método de la reivindicación 1, en donde la reducción de esta presión del recipiente que da como resultado en la reducción del nivel de oxígeno disuelto y el nivel del dióxido de carbono disuelto en este recipiente.

5. El método de la reivindicación 1, en donde la adición- de este oxígeno puro en este recipiente aumenta el nivel de esta presión parcial del oxígeno de equilibrio substancialmente más de 0.21 atmósferas.

6. Un método para aumentar la concentración de la biomasa durante la realización de la fermentación que comprende : a. proporcionar un recipiente que contenga un caldo que comprenda un constituyente capaz de ser sometido a la fermentación; b. disminuir la presión del recipiente dentro del mismo recipiente para reducir la presión parcial del oxígeno de equilibrio y el nivel del dióxido de carbono disuelto en el recipiente en proporción a la misma presión rebajada del recipiente; c. agregar oxígeno puro dentro del recipiente para elevar la presión parcial del oxígeno de equilibrio en la misma; y d. utilizar este oxigeno puro para llevar a cabo la fermentación de este constituyente.

7. El método de la reivindicación 6, en donde la reducción de esta presión del recipiente y la adición de oxígeno puro se lleva a cabo simultáneamente.

8. El método de la reivindicación 6, en donde se reduce la presión del recipiente a una presión desde hasta aproximadamente 25 atmósferas a cualquier presión de entre aproximadamente 25 atmósferas y aproximadamente 1 atmósfera.

9. El método de la reivindicación 6, en donde la reducción de esta presión del recipiente da como resultado la reducción del nivel de oxígeno disuelto y el nivel del dióxido de carbono disuelto en este recipiente.

10. El método de la reivindicación 6, en donde la adición de este oxígeno puro en este recipiente aumenta el nivel de esta presión parcial del oxígeno de equilibrio substancialmente más de 0.21 atmósferas.