Como evaluar la condición de aireación para una fermentación!

¿Qué parámetros definen el oxigeno existente al interior del medio de cultivo?

            Este punto posee una importancia crucial dado que el oxigeno en solución puede llegar a ser tan importante como lo es la fuente de carbono, ya que este es esencial para el crecimiento del microorganismo. La aeración existente en un fermentador dependerá del tipo de proceso en el que se esta trabajando, en general es común que dicha aeración sea con el oxigeno que se encuentra en el mismo aire y no inyectar oxigeno puro dado que encarece los costos.

Se define así que existe una transferencia de oxigeno desde las burbujas hacia el liquido, teniendo que el área de contacto corresponde a la suma del área de todas las burbujas en contacto con el liquido. Entonces tenemos que todo proceso de transferencia ocurre a una velocidad determinada la cual es dependiente del área de contacto y como en este caso dicha área (volumen por la burbuja) no es calculable se define un coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno o Kla, el que engloba ambos (área y velocidad), el cual es dependiente de las condiciones existentes al interior del fermentador tales como sistemas de aeración, temperatura, presencia de deflectores, etc.

Dicho Kla entonces de una noción de la transferencia volumétrica de oxigeno existente dentro del fermentador y por lo mismo se define rango óptimos para este. Se dice así que un Kla de 50 es malo, 100 aceptable y 250 o mas muy bueno.

            Entonces como ya se debe deducir es importante saber el valor de este parámetro, esta vez mencionaremos 3 buenos métodos aplicables para su cálculo.  

 

1. Método del muestreo

 

consiste en realizar mediciones  durante el tiempo de la concentracion de oxigeno en un fermentador en funcionamiento con bacterias, en fase estacionaria, con el uso de un rotametro. para luego medir el decrecimiento de la concentración de oxigeno.

cabe considerar que la composicion del medio y las cantidades de biomasa utilizadas deben ser semejantes a las que se utilizarian en la realidad.

 

 

 

 

Las ecuaciones que rigen este sistema son:

Kla = m/(C*-CL)

CL es la concentración en el liquido

C* es la concentración en aeración máxima

m es pendiente. / m = -μ X/Yo

 

      Por lo tanto es necesario realizar la grafica asociada y despejar las variables involucradas.considerando tambien la proyeccion de la recta para obtener CL    (reemplazando en la ecuacion con tiempo 0). Este método por tanto comprende tanto el medio de cultivo como los microorganismos involucrados en el proceso.

 

 

 

2.Método de gasificación

 

este método consiste en la utilización solo del medio de cultivo sin microorganismos. Se debe retirar el oxigeno del fermentador (por arrastre de nitrógeno, solución de sulfito, etc.) y luego comenzar a agregar oxigenación al sistema y medir como aumenta la concentración en el liquido.

 

 

Metodo de Gasificación

 

Las ecuaciones que rigen este sistema son:

 

ln (C*-CL_o)/(C*-CL) = Kla * tiempo

 

en este caso se debe considerar un CL arbitrario, idealmente que se acerque lo mas posible al punto en que la concentracion de oxigeno en el liquido se estabiliza. entonces el tiempo en que se demora en llegar hasta este punto se considera como factor del Kla Obtenido.El problema de esta técnica es que no considera el microorganismo en el medio de cultivo por lo que se aleja del comportamiento real que debiese tener la distribucion del oxigeno en el fermentador.mientras que su gran ventaja es que al poseer un parametro asignable para el calculo podemos trazar supuestos que nos pueden ayudar a generar una mejor evaluacion de nuestro suministro de oxigeno.

 

3. Método dinámico

 

este método es una continuación del método del muestreo, en el que se utiliza un fermentador en curso en el que se corta el suministro hasta llegar a la llamada concentración critica de oxigeno valor tabulado caracteristico de cada bacteria, se puede encontrar en el texto citado y se define como aquella minima concentración en que el microorganismo puede sobrevivir. entonces en el proceso una vez alcanzada dicha concentracion de oxigeno se prosigue con una nueva aeración al fermentador.

  

 El sistema por tanto se comporta de la siguiente manera.

 

 :

Donde podemos notar claramente 2 etapas

a. el corte de suministro y decaimiento de la concentracion de oxigeno producto del metabolismo de las bacterias

b. el re suministro oxigeno y el aumento sigmoidal de la concentracion de oxigeno

 

para estandarizar las mediciones y poder realizar un analisis con ambos metodos involucrados se pueden graficar  aproximando una ecuacion de la recta , del modo

y       a                      B                      X

_{CL = C* -  ((δCL/ δt) + (μ X/Yo)) *(1/KLA)} 

 

 

 

 

 

     

 en donde si logramos obtener la pendiente tan solo. podemos despejar facilmente KLA tomando en cuenta que m=1/KLA

 

 

asi con estos 3 métodos podemos tener una noción cuantitativa de como responde nuestros sistemas de aireación al medio y organismo a utilizar. la eleccion de cada uno de estos métodos de cálculo del KLA radicará en el grado de sensibilidad que tenga nuestro organismo frente a este tipo de variables.

 

resumen conceptual personal de microbiologia industrial http://www.science.oas.org/Simbio/mbio_ind/mbio_ind.htm

para un mayor entendimiento se recomienda leer Fermentation Process Kinetics (Elmer Gaden)

 

 

 

Nicolas Ferreira & Hans Pieringer

Ing en Biotecnología, U Andrés Bello