EKATO
Fermentación
Fermentación: el bioproceso más versátil de la humanidad
Dr. Bernd Nienhaus
Consultor sénior de procesos
EKATO Rühr- und Mischtechnik GmbH
Mejore su proceso de fermentación
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¿Qué valor añadido aporta EKATO a su proceso de fermentación?
Con más de 90 años de experiencia y una multitud de expertos en el campo de la fermentación, EKATO apoya a los clientes en cada fase del proyecto.
Sus beneficios al colaborar con EKATO:
- Posibilidad de aumentar la productividad de la biomasa
- Mejora de la fiabilidad del proceso mediante una alta homogeneidad
- Ahorro de costes a largo plazo gracias a un diseño eficiente del biorreactor
- Una serie optimizada para la facilidad de limpieza con el fin de reducir los riesgos de contaminación
- Una amplia cartera de servicios adaptados a cada fase del proyecto
Productos típicos que pueden producirse con un EKATO UNIMIX
Fase de desarrollo y diseño básico
En esta fase, nuestros clientes desarrollan el proceso, evalúan la viabilidad y crean los conceptos iniciales de la planta. Apoyamos a nuestros clientes mediante:
- Establecimiento de correlaciones de transferencia de masa basadas en datos de medición
- Optimización y escalado de la transferencia de masa (OTR / kLa)
- Escalado de agitadores y recipientes, incluidos los intercambiadores de calor
- Concepto y diseño básico del biorreactor, considerando diferentes conceptos de transferencia de calor
- Optimización energética del concepto de biorreactor (agitador, compresor)
- Realización de estudios de CFD, p. ej., para
- Verificación de zonas de bajo caudal en grandes fermentadores
- Simulación de velocidades de flujo entre intercambiadores de calor
- Cálculo de gradientes de temperatura en el fermentador
Fase de diseño de detalle
En esta fase, normalmente se demuestra la viabilidad y se detallan diversas disciplinas en la planificación. Apoyamos a nuestros clientes mediante:
- Diseño de detalle del agitador del fermentador y de los componentes internos del recipiente
- Verificación de la integridad mecánica del biorreactor mediante métodos de elementos finitos
- Confirmación del concepto de transferencia de calor existente
- Asesoramiento sobre la facilidad de limpieza de los componentes del agitador y el diseño de los componentes internos del recipiente
- Optimización de los puntos de adición y medición a escala piloto y de producción
- Asistencia en el cumplimiento de las normativas y certificaciones necesarias, como GMP, EG1935/2004, ASME BPE, NSF H1, Kosher, Halal, etc.
Fase de entrega y servicio
En esta fase, la atención se centra en la fabricación, entrega e instalación de los componentes del agitador, así como en la optimización de los sistemas existentes. Apoyamos a nuestros clientes mediante:
- Fabricación y entrega de agitadores de acuerdo con las normativas más recientes
- Instalación in situ y puesta en marcha de agitadores de fermentadores en las instalaciones del cliente
- Documentación conforme de los componentes (Buenas Prácticas de Documentación)
- Control de calidad y documentación específicos del cliente antes, durante y después de la fabricación (pruebas de aceptación en fábrica / SAT)
- Análisis de vibraciones y resistencia de los sistemas de reactores existentes para identificar el potencial de optimización mediante métodos de elementos finitos
El sistema de agitación (proceso) para fermentadores industriales
El sistema de agitación (proceso) para fermentadores industriales es la combinación de:
EKATO PHASEJET + EKATO COMBIJET.
Estos dos tipos diferentes de impulsores se complementan de forma ideal, y las ventajas que este sistema puede ofrecer incluyen:
- Aumento de la productividad y de la producción del producto
- Mayor transferencia de masa
- Alta fiabilidad del proceso gracias a una elevada homogeneidad
El EKATO PHASEJET actúa como dispersor primario, dispersando el gas del distribuidor de gas directamente a su entrada en el biorreactor. Esto conduce a la reducción inicial de las burbujas de gas, aumentando el área de la superficie de transferencia de masa.
El aumento resultante del área de la superficie de transferencia de masa puede dar lugar a una mayor productividad de los microorganismos. Una mayor productividad, a su vez, permite tiempos de lote más cortos o una mayor producción del producto.
Las etapas de agitación (proceso) adicionales constan de impulsores EKATO COMBIJET. Se trata de agitadores de flujo axial y radial con las siguientes tareas:
- Redispersar el gas
- Garantizar una alta homogeneidad mediante tiempos de mezclado cortos
Mediante el mezclado axial, el oxígeno, el calor, los nutrientes y otros aditivos se distribuyen rápidamente en el recipiente.
Esto garantiza unas condiciones óptimas para los microorganismos, aumentando así la productividad.
Transferencia de masa en el biorreactor
En relación con los procesos de fermentación, la tasa de transferencia de oxígeno (OTR) desempeña un papel crucial. La OTR se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
Esta ecuación permite cuantificar el transporte de oxígeno entre diferentes fases o componentes de un sistema.
En esta ecuación, kLa es la capacidad de transferencia de masa, c* es la concentración de saturación de oxígeno y c es la concentración de oxígeno disuelto en el caldo de fermentación. Al realizar el escalado de los procesos de fermentación, el objetivo habitual es mantener constante la OTR.
Otro parámetro importante es la tasa de absorción de oxígeno (OUR). La OUR describe qué cantidad del oxígeno disponible es absorbida por la biomasa. Los fermentadores se configuran normalmente de modo que OTR = OUR.
Otro parámetro de control relevante para las fermentaciones es el oxígeno disuelto, también denominado DO (Dissolved Oxygen). El DO se suele ajustar a un valor fijo y ayuda a controlar los parámetros relevantes para la fermentación.
El conocimiento de la correlación de transferencia de masa es crucial para optimizar el transporte de masa en un sistema específico. En los procesos de fermentación industrial, una mejor comprensión de la correlación de transferencia de masa puede ayudar a aumentar el rendimiento de la producción, mejorar la calidad del producto y reducir el consumo de energía.
En la práctica, la transferencia de masa en los procesos de fermentación se describe mediante ecuaciones empíricas, utilizándose normalmente la correlación kLa:
Los exponentes α, β y γ y la constante c dependen, entre otras cosas, de la geometría del biorreactor, del sistema de agitación (proceso) elegido, del comportamiento de coalescencia y del caldo de fermentación.
P representa la potencia de entrada del sistema de agitación (proceso), V representa el volumen en el biorreactor y η representa la viscosidad del caldo de fermentación.
La velocidad superficial del gas vsg se define como el cociente del caudal volumétrico de gas q ̇gas (o tasa de aireación) dividido por el área de la sección transversal A del fermentador:
El valor de kLa puede verse influido por la tecnología de agitación (proceso). Por lo tanto, la determinación de esta correlación es de gran importancia para la optimización del proceso y el escalado de los fermentadores.
Al optimizar el valor de kLa mediante la tecnología de agitación (proceso), se observa que el sistema de agitación (proceso) suele afectar solo a una variable medible, a saber, la potencia de entrada P. Cuanto mayor sea la potencia de entrada P del sistema de agitación (proceso), mayor será el valor de kLa y, por tanto, la OTR.
Alternativamente, el aumento del flujo de aire-gas q ̇gas puede conducir a un aumento de la velocidad superficial del gas vsg para optimizar la transferencia de masa. En la práctica, esto se logra utilizando un compresor más potente.
Sin embargo, es importante tener en cuenta que el aumento del flujo de aire-gas q ̇gas puede reducir la eficiencia de los sistemas de agitación (proceso).
Esto se debe a que una mayor tasa de aireación forma burbujas de gas más grandes en el aspa del agitador, lo que reduce la resistencia al flujo y, por tanto, se introduce menos potencia del sistema de agitación (proceso) en el medio. Debido a la geometría del aspa de la turbina Rushton, esta es particularmente susceptible a las pérdidas de potencia bajo aireación, como se muestra en la siguiente figura:
Esto significa que el sistema de agitación (proceso), debido a su geometría y a la cantidad de gas presente, no siempre puede introducir potencia de agitación en el medio de agitación.
Con el sistema de agitación (proceso) de EKATO, la caída de potencia bajo aireación es muy baja, gracias a la geometría optimizada del aspa de los respectivos impulsores.
