FERMENTATORI INDUSTRIALI

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FERMENTATORIINDUSTRIALI
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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 re
  attori
•  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 unopportuna
  superficie di scambio per lO2.
• Il  punto  debole di questa struttura è la zona
  in cui l'albero entra nel reattore, spesso fonte d
  i 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 lagitatore 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 dellossigeno, 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
  labbattimento della schiuma.
• Il volume totale può arrivare a 3000 m3.

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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 dellaltezza del reattore

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• VANTAGGI
• hanno produttività simile ai reattori ad
  agitazione ma con un notevole risparmio
  energetico (costa meno comprimere laria che
  mettere in movimento un liquido)
• sono più efficienti delle colonne a
  gorgogliamento nel sospendere solidi
• sono adatti soprattutto per colture di cellule
  sensibili allagitazione meccanica
  (shear-sensitive 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 dellaria) 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 scambiatori pe
r scaldare o raffreddare il terreno di coltura, e
sono dotati di valvole di scarico per ottimizzare
il recupero di prodotti o intermedi.
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STR Air Lift Sferico Deep jet
Altezza/diametro 2-3 6-12 1 3,5
Volume max 250 3000 2000 2000
Potenza/volume 3 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 unagitazione
  efficacie
• maggior velocità di trasferimento dellossigeno
• elevato valore dellarea 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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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
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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
  dellaceto 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.