FERMENTATORI
INDUSTRIALI
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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uscita gas
esausto
uscita gas
esausto
ingresso
substrato
(discontinuo)
o uscita
coltura
(continuo)
ingresso
substrato
(discontinuo) o
uscita coltura
(continuo)
ingresso
ingresso
uscita
ingresso
aria sterile
ingresso
substrato
(continuo) o
uscita coltura
(discontinuo)
uscita
ingresso substrato
(continuo) o uscita
coltura (discontinuo)
ingresso
aria
sterile
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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
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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 (shearsensitive cultures) come le cellule
animali, per esempio nella
produzione di proteine
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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
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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.
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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 scambiato
ri per scaldare o raffreddare il
terreno di coltura, e sono dotati di
valvole di scarico per ottimizzare il
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recupero di prodotti o intermedi.
STR
Air Lift
Altezza/diametro
2-3
6-12
1
3,5
Volume max
250
3000
2000
2000
3
3
2,5
1,5
4,3
2,0-2,5
Potenza/volume
Velocità trasf.
O2/potenza
1,2-2,4 2,5-3,0
Sferico Deep jet
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
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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.
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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.
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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 gas
esausto
Uscita
acqua
Ingresso
acqua
uscita
terreno
esausto
ingresso
aria
sterile
ingresso substrato
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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)
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La struttura del reattore
comporta che si realizzino
delle condizioni diverse
nelle due zone estreme:
dal basso esce un brodo
ricco di prodotto.
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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.
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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.
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