Instrumentación y Control - A. Económicos Fermentaciones Industriales por Hector Massaguer

Desde el punto de vista industrial, la productividad es la producción por tiempo de fermentación. El tiempo de fermentación es el tiempo total, desde el proceso de prefermentación, hasta el de postfermentación. Por esto la fermentación en continuo puede resultar más rentable, debido a la reducción del tiempo total.

Pero la productividad no es el único parámetro a tener en cuenta para medir el rendimiento, la rentabilidad del proceso, también es necesario considerar los coeficientes de rendimiento. Se puede considerar el coeficiente de rendimiento como la cantidad de biomasa producida a partir de un nutriente expresado cuantitativamente.

Y = Células producidas (Masa) / S. Consumido (masa o concentraciones)

Podemos expresar Y en base a un elevado número de parámetros diferentes:
◘ en base a parámetros físicos y químicos como consumo de oxígeno, producción de temperatura,... en tal caso tendrá interés desde el punto de vista técnico.
◘ en base a nutrientes: Y en relación con el metabolismo, de manera que nos informará de si se da metabolismo, catabolismo,...
◘ en relación al ATP: nos dará una idea del estado energético del organismo.
Para que la productividad y el rendimiento sean máximos, será necesario que todos los parámetros del fermentador sean óptimos y se mantengan constantes. El control de los parámetros es crucial. Existen una serie de problemas típicos:

► Problema del calor: El proceso funciona a una temperatura óptima, específica de cada proceso, si bien normalmente todos están entre los 20 y los 45º C, rango mesófilo, o a mas de 45º C, rango termófilo. La temperatura ha de ser determinada para que de máximo crecimiento y máxima producción. Tenemos fuentes de calor ajenas a la fermentación, como pueden ser motores,... y fuentes internas, como pueden ser los microorganismos oxidando materia orgánica. Es necesario regular el balance para que todo funcione de manera adecuada.
► Problema de la agitación y de la mezcla: Una fermentación microbiana puede ser considerada un sistema de 3 fases:
o Líquida: contiene el agua y las sales disueltas, así como los sustratos y los metabolitos. En algunos casos puede existir una segunda fase líquida, si existen sustancias inmiscibles en agua.
o Sólida: Consiste en células individuales, micelio, sustrato no disuelto o productos del metabolismo que precipiten.
o Gaseosa: Contiene una reserva de oxígeno para la bacteria, siempre y cuando sea aerobio, claro. También hay dióxido de carbono y otros gases que se hayan podido formar.
La fermentación implica reacciones entre las 3 fases. El funcionamiento óptimo de la misma requerirá una buena homogenización de las 3 fases. La agitación asegura el transporte de nutrientes dentro del fermentador.
La agitación produce los siguientes efectos en las 3 fases:
* Dispersión del aire en la solución de nutrientes.
* Homogenización de la temperatura y de otros factores en el fermentador.
* Suspensión de los microorganismos y los nutrientes no disueltos
* Dispersión de los líquidos inmiscibles.

Agitar implica transferencia de energía, por lo que requerirá a su vez un coste. Es necesario optimizar la agitación, para lo que se han de tener una serie de parámetros en cuenta.
o Nº de Reynolds: Se trata de un número adimensional, que permite medir si el flujo es laminar o turbulento.
Re = FVD / μ
F: Es característico del fluido
D: Dimensiones donde está contenido el fluido
V: Velocidad del fluido
μ: Viscosidad del fluido

Si Re <> 3000 → Flujo turbulento
Si 2000 <> 3000 → Flujo turbulento
Si Re > 3000 → Flujo turbulento

Una buena homogenización viene indicada por Re. Para alcanzar el número de Reynolds deseado los parámetros que se han de ajustar principalmente son la velocidad de agitación y las dimensiones. En un sistema industrial se tienen que optimizar también:
• Tiempo de mezcla: tiempo necesario para homogenizar el fermentador hasta el grado deseado, hasta el Re deseado. Ha de ser mínimo.
• Nº de potencia, Np: es la energía necesaria para alcanzar el Re. Ha de ser mínimo.
Hemos de usar palas de manera que el número de Reynolds sea elevado, pero con tiempo de mezcla bajo y número de potencia reducido.
La viscosidad puede ser también un problema. Una solución puede ser de dos tipos, en función de su comportamiento.
o Fluido newtoniano: Se trata de un fluido, la viscosidad del cual es constante e independiente de la velocidad de cizaña, a temperatura y presión constante. Todos los gases y algunos líquidos lo son.
o Fluido pseudo plástico: Se trata de fluidos en los cuales la viscosidad aparente es baja, pero después pasa a ser lineal. Es el comportamiento característico de mucho cultivos de floriduras y de actinomicetes.
o Fluido neopéctico: Se trata de fluidos que al ser sometidos a tensión de cizaña constante, presentan una viscosidad aparente que baja con el tiempo.
► Problema de la aireación: uno de los problemas que se presentan en una fermentación industrial es el suministro de un flujo de gases adecuado. El oxígeno es el sustrato gaseoso más importante, y el dióxido de carbono el producto metabólico gaseoso más importante. Cuando una fermentación requiere oxígeno como sustrato, normalmente este es uno de los factores más limitantes del proceso, debido a la baja solubilidad de este gas. Tan solo 9 ppm se disuelven en un litro de agua pura a 20º C, pero la presión de solutos reduce este índice. Existen numerosas barreras que dificultan la llegada del oxígeno del aire hasta el interior del microorganismo. Aunque insertamos mucho aire, las barreras existentes entre la fase líquida y la gaseosa, así como la membrana del organismo después hacen difícil la llegada del gas. Es necesario que el flujo de aire insertado sea muy elevado, para que así el gas no sea limitante del crecimiento del organismo.