FERMENTATORI INDUSTRIALI

Un breve ripasso I vantaggi della fermentazione continua… La produzione della biomassa e degli altri prodotti avviene in condizioni costanti e ottimali La produttività di un impianto continuo è superiore a quella di un discontinuo perché non ci sono tempi morti Il tasso di crescita specifico può essere variato Si può studiare la cinetica del processo e valutarne le rese al variare dei parametri principali

In una fermentazione continua però bisogna… mantenere costante la sterilità per lunghi periodi evitare la degenerazione dei ceppi, soprattutto per mutazione spontanea recuperare il prodotto da grossi volumi di brodo in cui è presente in concentrazione molto bassa limitarsi a ottenere prodotti associati allo sviluppo dei microrganismi (metaboliti primari) e mai formantisi durante lo stato stazionario di crescita (metaboliti secondari)

Classificazione delle fermentazioni industriali (Gaden) Fermentazioni del primo tipo. Sono quelle in cui il prodotto principale è il risultato diretto del metabolismo energetico primario con correlazione ponderale (e in genere anche stechiometrica) tra substrato e prodotto come: fermentazione alcolica dei lieviti fermentazione batterica omolattica la biomassa stessa Consumo specifico di substrato Velocità di formazione del prodotto

Fermentazioni del secondo tipo Fermentazioni del secondo tipo. Pur derivando il prodotto principale dal metabolismo energetico, la velocità di formazione del prodotto non è sovrapponibile e quella di consumo del substrato in quanto la fermentazione si svolge in due stadi; prima cresce la biomassa con scarsa formazione di prodotto poi la situazione si inverte con stasi della biomassa e formazione del prodotto. Succede nella produzione di: Acido citrico Acido itaconico

Acido itaconico E’ usato come addittivo per emulsioni di acetonitrile e cloruro di vinilidene di cui aumenta la capacità adesiva; componente di adesivi per carta, stucchi, tappeti, plastificanti, oli lubrificanti, vernici Acido citrico E’ usato come acidificante per bevande sequestrante decapante per superfici metalliche

Fermentazioni del terzo tipo Fermentazioni del terzo tipo. Il prodotto non proviene da biosintesi del metabolismo primario per cui, dopo una prima fase con grande consumo del substrato produzione di biomassa e nessuna formazione di prodotto, segue un periodo in cui avviene il contrario: il prodotto è formato dal metabolismo collaterale (secondario) dei batteri. E’ una situazione che si verifica per: antibiotici enzimi esocellulari

Classificazione dei bioreattori Tra  i  tanti  sistemi  prodotti  nel  tempo,  il  più utilizzato  è  il criterio che classifica i bioreattori in  base al tipo di agitazione che viene impiegato. Si distinguono così almeno quattro categorie di reattori: ­ con agitazione meccanica interna - con mescolamento per immissione di gas a pressione (agitazione pneumatica) con pompa esterna per il ricircolo del liquido (agitazione idraulica) a letto fisso impaccato e a letto fluido

Agitazione meccanica interna STR o CSTR Il più comune è un cilindro sul cui asse longitudinale viene fatto ruotare un albero  con  delle ventole di forma spesso complessa, o in profondità o a vari livelli. Sono quasi sempre presenti delle pale rompivortici e possono essere inseriti dei tubi sommersi per il circolo del liquido. L'aerazione  è  in genere  dal  basso, ma talvolta essa si sprigiona direttamente dalle ventole attraverso fori opportunamente calibrati, che garantiscono un’opportuna superficie di scambio per l’O2. Il  punto  debole di questa struttura è la zona in cui l'albero entra nel reattore, spesso fonte di inquinamento.

E’ un reattore altamente flessibile ed è prodotto con differenti capacità, fino ad alcune centinaia di m3 e con potenze di mescolamento fino a 5 Kw/m3. Tipicamente il rapporto altezza diametro è 2-3; mentre l’agitatore occupa il 30-40% del diametro interno.

Mescolamento per immissione di gas a pressione BUBBLE COLUMN I più comuni presentano le bolle d'aria che salgono dal basso: sono detti “a colonna di bolle” o colonne a gorgogliamento. Proprio in virtù della pressione dell'aria, che è più alta in basso, la densità è minore nella parte inferiore del fermentatore e il liquido tende a risalire e a mescolarsi con quello in alto. 

AIR LIFT (o AIR LIFT LOOP) Come nei bubble column, il brodo di coltura viene agitato e aereato facendo gorgogliare aria (sterile), opportunamente compressa, attraverso un distributore toroidale. In essi però, per aumentare il grado di turbolenza e il traferimento dell’ossigeno, si opera un riciclo (loop) del brodo introducendo un diaframma circolare interno di diametro minore di quello esterno. Il fermentatore, con un rapporto altezza/larghezza tra 6 e 12, è spesso sormontato da un separatore di diametro maggiore per l’abbattimento della schiuma. Il volume totale può arrivare a 3000 m3.

ingresso substrato (continuo) o uscita coltura (discontinuo) uscita gas esausto ingresso aria sterile uscita ingresso substrato (discontinuo) o uscita coltura (continuo) uscita gas esausto ingresso aria sterile uscita ingresso substrato (continuo) o uscita coltura (discontinuo) ingresso substrato (discontinuo) o uscita coltura (continuo)

A fianco si vedono alcuni modelli con differente geometria interna A fianco si vedono alcuni modelli con differente geometria interna. Indipendente dalla forma però essi sono accomunati dalle seguenti caratteristiche: tutti sono divisi in due zone la parte che ospita il liquido in salita ha sezione maggiore di quella con il fluido in discesa (rapporto tra 1,8 e 4,3) la velocità di circolazione globale aumenta con la radice quadrata dell’altezza del reattore

VANTAGGI hanno produttività simile ai reattori ad agitazione ma con un notevole risparmio energetico (costa meno comprimere l’aria che mettere in movimento un liquido) sono più efficienti delle colonne a gorgogliamento nel sospendere solidi sono adatti soprattutto per colture di cellule sensibili all’agitazione meccanica (shear-sensitive cultures) come le cellule animali, per esempio nella produzione di proteine

FERMENTATORE SFERICO Ha un sistema ad agitazione “effigas” in cui un rotore (solo per la dispersione dell’aria) è accoppiato agli spargel ed è dotato di un abbattitore meccanico della schiuma. Può arrivare anche a 2000 m3 di volume. Funda foam Effigas

Con pompa esterna per il circolo del liquido Meno comuni di quelli ad agitazione meccanica, sono per lo più reattori a deep jet e i percolatori. I reattori a deep jet in genere ricevono il liquido dall'alto o dal basso o attraverso una barra ruotante: il movimento favorisce il risucchio dei gas che si mescolano efficacemente.

PERCOLATORI Simili ai reattori a letto fisso, i percolatori hanno il liquido che arriva dall'alto, dopo essere stato ripescato dal basso dove scende per gravità (percolazione) Il gas, se presente, arriva dal basso, muovendosi controcorrente. Sono reattori trifasici perchè riempiti di un biocatalizzatore in fase solida, caratterizzata da buona superficie di contatto con il liquido e adeguata porosità per non limitare le reazioni. A volte sono provvisti di scambiatori per scaldare o raffreddare il terreno di coltura, e sono dotati di valvole di scarico per ottimizzare il recupero di prodotti o intermedi.

Velocità trasf. O2/potenza 1,2-2,4 2,5-3,0 4,3 2,0-2,5 STR Air Lift Sferico Deep jet Altezza/diametro 2-3 6-12 1 3,5 Volume max 250 3000 2000 Potenza/volume 3 2,5 1,5 Velocità trasf. O2/potenza 1,2-2,4 2,5-3,0 4,3 2,0-2,5 I reattori con agitazione pneumatica e idraulica assicurano: minor potenza impiegata per un’agitazione efficacie maggior velocità di trasferimento dell’ossigeno elevato valore dell’area tra gas e liquido

Reattori multifasici Quando il reattore è riempito di una miscela omogenea si ha una sola fase di reazione, ma se stanno crescendo cellule su substrati solidi o se si stanno utilizzando fermentatori ad enzimi immobilizzati, ci sono almeno due fasi distinte. Il parametro principale in questo caso da tenere in considerazione è il rapporto tra superficie di reazione e volume del liquido, quindi servono accorgimenti diversi rispetto alle fermentazioni sommerse.

Reattori a letto fluido Se i tempi di permanenza sono brevi, si utilizzano, come supporti per il biocatalizzatore, le microsfere (di dimensioni tali da realizzare superfici di 2000-3000 m2 per m3). Esse infatti resistono bene alle tensioni meccaniche per cui sono le più adatte a essere messe in agitazione o con sistemi meccanici o con qualunque degli altri sistemi visti prima. I reattori a letto fluido somigliano molto ai reattori air lift dato che in basso si accumula il letto che viene messo in agitazione e risale da un flusso costante verso l'alto di fluido. Arrivati in alto, il fluido ha meno velocità (il diametro del reattore è maggiore) e il particolato con il biocatalizzatore ricade verso il basso.

uscita gas esausto Esiste anche una versione con un diaframma interno che delimita la zona discendente e che, nella maggior parte dei casi, è costituito da una camicia per lo scambio del calore. Viene utilizzato per processi continui, per cui la velocità deve essere regolata in modo che non si verifichi il wash­out. Il letto fluido è quello da usare per quelle specie microbiche che, crescendo, tendono ad aggregarsi e a dare flocculazioni. Nel caso in cui si utilizzino cellule libere, se esse sono ancora vitali e in buone condizioni metaboliche a fine operazione, è possibile fare dei cicli di rigenerazione (crescita, diluizione, crescita) per aumentare le rese e abbattere i costi di rinnovamento dei biocatalizzatori. uscita terreno esausto Uscita acqua Ingresso acqua ingresso aria sterile ingresso substrato

Reattori a letto fisso Sono colonne riempite (impaccate) di particelle di biocatalizzatore immobilizzato e sono utilizzate in casi di elevata permanenza dei reagenti nella miscela di reazione perchè si formino i prodotti. Come supporto per il biocatalizzatore si usano fibre sintetiche o argilla con porosità elevata e superficie dai 50 ai 250 m2 per m3. Bisogna evitare che si abbia la formazione di particellati eventuali gas metabolici si accumulino (in genere si lavora a pressione, per mantenere es. la CO2 disciolta)

La struttura del reattore comporta che si realizzino delle condizioni diverse nelle due zone estreme: dal basso esce un brodo ricco di prodotto.

Un unico passaggio non è sempre sufficiente a operare la conversione del substrato. Per cui spesso si opera un riciclo, con raffreddamento esterno, come nel caso della produzione dell’aceto a partire dal vino.

Reattori multifasici Percolatori Sono sistemi trifasici formati da un letto fisso di catalizzatore etrogeneo, e da fasi liquida e gassosa in movimento. Oltre che alla superficie di contatto, in questo caso è importante anche la porosità della superficie in cui il catalizzatore è immobilizzato,che può limitare lo scambio.