Fermentacions i fermentadorsFermentacions i fermentadorsÍNDEX:

– Preparació d’inòculs.– Cinètica del creixement bacterià.– Disseny i tipus de fermentadors.– Tipus de fermentacions:

• Discontinua o per càrregues.• Discontinua alimentada.• Continua.

– Sistemes de control.– Escalat d’un procés: placa, matrau, fermentador.– Recuperació i purificació de productes.

Preparació d’inòculsPreparació d’inòculs

ÍNDEX:• Definició d’inòcul.• Cultius purs o axènics i cultius mixtes.• Definició d'esterilitat i la seva importància.

Cinètica del creixement bacteriàCinètica del creixement bacterià

ÍNDEX:• Determinació de cèl·lules viables (creixement actiu).• Absorbància.• Corba de viables.• Fases de creixement.• Creixement exponencial.• Importància del nombre de microorganismes.

Disseny i tipus de fermentadorsDisseny i tipus de fermentadors

ÍNDEX:• Parts d’un fermentador “típic”:

– Recipient de fermentació.– Entrada i sortida de gasos.– Entrada d’inòculs, medis de cultiu i additius.– Sortida de mostres i productes.– Sistemes d’agitació, d’escalfament i refrigeració.– Sondes de mesures fisicoquímiques.

Filtre d’aireSortida d’aire

Rec

ipie

nt

MO

TOR

Entrada d’aire

Ref

riger

ador

AIREADOR

PALETESAGITADORES

PALETATRENCADORA

SONDES

Sonda de pH

Sonda de pO2%

Sonda de escuma

Sonda de nivell

Sonda de TemperaturaRecol·lectorde mostra

Filtre d’aire

Sortida d’aigua

Camisa d’aigua

Entrada d’aigua

Disseny i tipus de fermentadorsDisseny i tipus de fermentadors

ÍNDEX:• “Classificació” dels fermentadors:

– Fermentadors per a cultius líquids.– Fermentadors per a cultius en fase sòlida.– Fermentadors de cèl·lules immobilitzades.

Disseny i tipus de fermentadorsDisseny i tipus de fermentadors

ÍNDEX:• Fermentadors per a cultius líquids:

– Fermentadors de laboratori.– Fermentadors d’escala pilot.– Fermentadors de producció.

• Fenòmens de transport en medis líquids, reologia i número de Reynolds.

Disseny i tipus de fermentadorsDisseny i tipus de fermentadorsFermentadors per a cultius líquidsFermentadors per a cultius líquids

Fermentador de laboratori(2 a 15 litres)

Fermentador de producció( >100 litres)

Fermentador escala pilot

(30 a 100 litres)

Tipus de fermentacionsTipus de fermentacionsDiscontinua, alimentada i continuaDiscontinua, alimentada i continua

Fermentació discontinua:1. Preparació del fermentador2. Inoculació3. Fermentació4. Recuperació del cultiu

Substrat

Biomassa

Producte

Temps

Tipus de fermentacionsTipus de fermentacionsDiscontinua, alimentada i continuaDiscontinua, alimentada i continua

Fermentació alimentada:1. Preparació del fermentador2. Inoculació3. Fermentació4. Addició de substrat5. Recuperació del cultiu

Substrat

Temps

Substrat

Biomassa

Producte

Tipus de fermentacionsTipus de fermentacionsDiscontinua, alimentada i continuaDiscontinua, alimentada i continua

MediRecol·leccióde cultiu

Flux d’entradaFlux sortidaCONTINUA: EL QUIMIOSTAT

Flux d’entrada = Flux de sortida (volum constant)

Taxa de dilució > Taxa de creixement: Rentat del cultiu

Taxa de dilució < Taxa de creixement: Sobrecreixement

Taxa de dilució = Taxa de creixement: Cultiu en estat d’equilibri

La taxa de flux s’ha de seleccionar per proporcionar un cultiu en estat d’equilibri i en fase de creixement

(taxa de creixement = taxa de dilució)

Sistemes de controlSistemes de control

ÍNDEX:• Control de la temperatura.• Control de l’agitació.• Control del pH.• Control d’escumes.• Control de substrats.

Escalat d’un procés:Escalat d’un procés:Des del tub o la placa fins al fermentadorDes del tub o la placa fins al fermentador

ÍNDEX:• Importància de l’inòcul.• Avantatge econòmica.• Punts de control.

Escalat d’un procés:Escalat d’un procés:Línies de produccióLínies de producció

• Línia de producció: fermentadors funcionant de forma cooperativa.El volum de inoculació és aproximadament 1:50 fins el 10% del volum total.

4500+500 4,5+0,5

PRODUCCIÓ

5.000 litres

PRODUCCIÓ500 litres

PILOT50 litres

45+5 LABORATORI5 litres

450+50

Escalat d’un procés:Escalat d’un procés:Línies de produccióLínies de producció

PRODUCCIÓ

5.000 litres

PRODUCCIÓ500 litres

PILOT50 litres

LABORATORI5 litres

4,5+0,545+5

450+50

4500+500

( )µ

µ 00

/ln NNteNN t =∆⇒= ∆⋅

Exemple: el rendiment d’un cultiu microbià s’atura a 108 CFU ml-1; ¿quina és la relació de temps entre l’obtenció d’aquest tipus de cultiu amb escalat i sense escalat (500L en 4500L o 0,5L en 4999,5L)?

( )

( ) 25,021,930,2

1010ln

1010ln

/ln

/ln

48

78

0

0

==

==∆

=∆

µ

µNNt

NNt

escalatsense

escalatamb

Escalat d’un procés:Escalat d’un procés:Línies de producció front a processos únicsLínies de producció front a processos únics

Cost per producció

PRODUCCIÓ

5.000 litres

PRODUCCIÓ500 litres

PILOT50 litres

LABORATORI5 litres

4,5+0,545+5

450+50

4500+500

PRODUCCIÓ

5.000 litres

4999,5+0,5

PRODUCCIÓ

5.000 litres

4999,5+0,5

Costos Concepto 100 1 semana fermentador laboratorio 1000 1 semana fermentador escala piloto 10000 1 semana fermentador de producción (500L) 100000 1 semana fermentador de producción (5000L) Total 111100 4 semanas En 1 mes s’aconsegueix 1 producció amb

un cost de 400.000

Costos Concepto 100000 1 semana fermentador laboratorio Total 40000 4 semanas 400000

Costos Concepto 100000 1 semana fermentador laboratorio Total 40000 4 semanas 400000

Costos Concepto 100000 1 semana fermentador laboratorio Total 40000 4 semanas 400000

Costos Concepto 100000 1 semana fermentador laboratorio Total 40000 4 semanas 400000

En 1 mes s’aconsegueixen 4 produccions amb un cost de 444.400

L’escalat d’un procés és més econòmic

Recuperació i purificació de productesRecuperació i purificació de productes

1. Iniciació del creixement bacterià.

2. Ajustament de les condicions de màxima producció.

3. Concentració dels bacteris.

4. Obtenció de proteïnes, productes...

5. Purificació, conservació, esterilització per radiació...

Línia de producció.

ConcentracióLiofilització

Esterilització.

Recuperant el producte:Recuperant el producte:Sistemes de recuperació: Sistemes de recuperació: centrifugadorescentrifugadores i filtresi filtres

ÍNDEX:• Centrifugació per lots.• Centrifugació contínua.• Filtració i ultrafiltració.

Recuperant el producte:Recuperant el producte:Centrifugació per lotsCentrifugació per lots

Centrifugació per lots:La centrifugació és un procés de

separació que utilitza l'acció de la força centrífuga per a promoure l'acceleració de partícules en una mescla de sòlid-líquid. Dos fases clarament distintes es formen en el recipient durant la centri-fugació.

La recuperació de cèl·lules es porta a terme amb la totalitat del cultiu.

Recuperant el producte:Recuperant el producte:Centrifugació continuadaCentrifugació continuada

ÍNDEX:• Centrifugadores tubulars.• Centrifugadores de discs.• Decantadors.

Recuperant el producte:Recuperant el producte:Centrifugació continuadaCentrifugació continuada

Centrifugadores tubulars:

En un recipient cilíndric que gira a una velocitat angular w (rad/s) o N (rpm) i conté un anell de líquid d'un radi significatiu R (m), l'acceleració centrifuga FC a la que estan sotmeses les partícules és:

FC = w2R = 0,011·N2R

La força aplicable a cada partícula per unitat de pes ve expressada com:

FC = 0,011·N2R (rs – rL) x 1·g-1 = G (rS – rL)

On G = w2R·g-1 = 0,11·N2R / 9,81 = 11,2x10-4·N2RrS : densitat de la partícularL : densitat del líquid intersticial

Recuperant el producte:Recuperant el producte:Centrifugació continuadaCentrifugació continuada

Centrifugadores tubulars:Hidrociclons Campana tubular

Recuperant el producte:Recuperant el producte:Centrifugació continuadaCentrifugació continuada

Centrifugadores tubulars:Càmares de centrifugació Campana de tambor

Recuperant el producte:Recuperant el producte:Centrifugació continuadaCentrifugació continuada

•Centrifugadores de discs:

Relació entre la velocitat de rotació i la força centrífuga: La relació existent entre l’acceleració centrípeta i la velocitat de rotació (mesurada en rpm) de la centrifugadora és la següent:

A on:g = acceleració centrípetaRt = radi del tambor de la centrífugarpmt = revolucions per minut del tambor(rpmt x 2 x π x 60-1) representa la velocitat angular

81,960

2 2

××

×=

πtt

rpmRg

Recuperant el producte:Recuperant el producte:Centrifugació continuadaCentrifugació continuada

•Centrifugadores de discs:

Recuperant el producte:Recuperant el producte:Centrifugació continuadaCentrifugació continuada

•Centrifugadores de discs:

Recuperant el producte:Recuperant el producte:Centrifugació continuadaCentrifugació continuada

•Decantadors:

Recuperant el producte:Recuperant el producte:FiltracióFiltració

ÍNDEX:• Filtres de tambor.• Filtres de disc.• Filtres de premsa.• Filtres de borsa.• Filtres de cartutx.

Recuperant el producte:Recuperant el producte:FiltracióFiltració

•Filtres de tambor:

Recuperant el producte:Recuperant el producte:FiltracióFiltració

•Filtres de disc:

Recuperant el producte:Recuperant el producte:FiltracióFiltració

•Filtres de premsa:

Recuperant el producte:Recuperant el producte:FiltracióFiltració

•Filtres de borsa Filtres de cartutx

Recuperant el producte:Recuperant el producte:UltrafiltracióUltrafiltració

Recuperant el producte:Recuperant el producte:UltrafiltracióUltrafiltració