Appunti Fermentazioni industriali

BIOREATTORI

Contengono un sistema composto da una fase liquida, una fase solida (biomassa) e una fase gassosa (nel caso di microrganismo aerobio). I bioreattori devono consentire un elevato trasferimento di massa e soprattutto di ossigeno prima dalla fase liquida e poi, dalla fase liquida a dentro il microrganismo.

Esigenze funzionali

I bioreattori devono consentire al flusso dell'aria in ingresso di avere un'area interfacciale specifica più alta possibile, in modo da favorire questo scambio di ossigeno (e poi in sede opposta di anidride carbonica) con superficie più alta possibile. Per l'area interfacciale si intende l'area esposta dalle bolle. Se ho bolla grande ho meno superficie di tante bolle piccole, di scambio di ossigeno tra fase gassosa e liquida. Quindi, il bioreattore deve garantire un'ottima dispersione dell'aria in bolle piccole, preferibilmente con minima o nulla formazione di schiuma.

Le fasi disperse (biomassa in movimento e le...

Le bolle d'aria devono essere omogeneamente disperse all'interno del fermentatore (tutto il sistema deve essere mantenuto in sospensione). Il metabolismo microbico produce calore, che deve essere disperso (altrimenti aumento di temperatura fino a livelli incompatibili con lo sviluppo microbico). È fondamentale la presenza di un'agitazione efficiente. Il bioreattore deve mantenere la sterilità e deve essere facilmente ispezionabile, lavabile e la sua detergenza deve essere possibile.

Dal punto di vista della manutenzione, questa deve essere efficiente anche nei grossi fermentatori: a volte vi è una scala a pioli all'interno che viene usata dagli operai per scendere nella parte bassa del fermentatore, in modo tale da controllare gli ingressi, le valvole, lo sparger, ecc. Si ha anche una botola: parte del fermentatore ispezionabile visibilmente. Nei fermentatori più piccoli la testata può essere staccata dal bioreattore per consentire la manutenzione.

C'è un sistema di argani che solleva la testa, in modo tale da consentire l'ispezione.

Esigenze economiche

Un bioreattore da 20 litri costa circa 40 mila euro. Il bioreattore deve essere versatile (usare con un batterio e dopo due anni devo poterlo usare con un lievito filamentoso). L'impianto idraulico intorno è molto importante e vi è anche una parte software di gestione dei dati. È importante che i bioreattori abbiano geometrie analoghe all'aumentare della scala: in un'azienda si tende a tenere la stessa tipologia di geometria del fermentatore, in modo tale che poi lo "scale up" sia lineare e che vengano quindi mantenute le caratteristiche geometriche (altezza e diametro ad esempio).

Se il processo anaerobio il bioreattore ha una geometria semplice, se invece serve l'aria per aerobio, la linea dell'aria deve essere gestita.

Le performances del bioreattore dipendono dalla concentrazione e dalla tipologia di

Importante è evitare i fenomeni di incrostazione e rimuovere il calore che si forma. Agitare il più possibile la coltura e tenere in considerazione che non si può aumentare all'infinito un sistema di aerazione poco efficiente, in quanto si forma una quantità di schiuma elevata. Allo stesso tempo non si può diminuire troppo il sistema di agitazione perché sennò si hanno problematiche di zone morte all'interno del fermentatore.

Problematiche:

Quando si sale di volume in un bioreattore, bisogna tenere presente alcuni aspetti:

• Più si lavora con volumi importanti di coltura nel fermentatore, più si fa fatica a raffreddare. Ciò perché il volume della coltura diventa importante rispetto alla superficie che è esposta rispetto al liquido di raffreddamento. Più il volume diventa grande più è difficile mantenere le condizioni all'interno del fermentatore omogenee;

Più si aumenta il volume, più il peso al suolo di quel fermentatore è importante. Bisogna quindi strutturare una piattaforma molto solida su cui appoggiare il bioreattore; - Difficoltà a gestire il down stream: la coltura scaricata deve essere refrigerata prima della centrifuga; - Esigenza di dover rifornire aria a valori di pressione elevata: 1 vvm significa che si lavora ad un litro di aria per litro di coltura al minuto. Se si hanno 100 litri di coltura, allora si hanno 300 litri di aria al minuto, che è tanto (considerare che un reattore è minimo di 25 e che quindi necessita di elevati litri di aria al minuto). Più è il fermentatore, più la bolla fa fatica ad entrare dallo sparger in quanto si ha la pressione della coltura sulle pareti. Importante è quindi la pressione che deve spingere l’aria all’interno del fermentatore. Tipi di reattori La maggior parte dei reattori nel settore food sono quelli più

semplici: non agitati, non aerati e che hanno a che fare con tutto ciò che è anaerobio (fermentazioni per vino, birra, ecc.). si ha anche una quota di bioreattore aerati ma non agitati (in cui l'agitazione è un effetto secondario dell'aerazione). Infine, si hanno reattori aerati ed agitati.

Reattori per processi anaerobici

Sono di tre tipi:

• Cilindroconici: impiegati per la produzione di birra;
• A torre: hanno elevato rapporto altezza : diametro (più alti che larghi) e la cupola è un po' più ampia per eventualmente sfiatare i gas che si formano dalla fermentazione aerobia;
• Sferoconici: molto impiegati per la produzione di biogas.

Reattori convenzionali

Dotati di un sistema di agitazione e più o meno dotati di aerazione in funzione di processi aerobi o anaerobi. Si hanno:

• STR: reattore ad agitazione meccanica. Le pale sono di diversa geometria e troviamo le pale di rotazione in basso e lo sfiato all'alto;
• FBT: agitatore

a pale piatte. L' STR è molto versatile, consente un buon trasferimento di massa (sia ossigeno, nutrienti e il calore), ha una buona turbolenza (soprattutto per i frangiflutti naturali).

L'aria viene inserita dal basso tramite lo sparger, le bolle tendono a risalire e se l'agitazione è importante c'è una buona turbolenza. Lo scarico avviene dal basso e importante è la guarnizione in alto (che va verificata molto spesso in quanto può favorire l'ingresso di microrganismi).

I frangiflutti sono lamine in acciaio che rientrano nel fermentatore, andando a rompere il vortice creato dalle bolle d'aria. La turbina sta sopra l'uscita dell'aria, in modo da favorire ancora di più la rottura delle bolle e l'aumento della superficie di scambio.

Svantaggi STR: possiede le palette che possono rompere le cellule. Quindi, il micelio o le biomasse più delicate vengono rotte (lo sforzo di taglio è importante).

Questo tipo di bioreattore ha anche il problema dell'energia richiesta dall'albero motore per girare. È un problema perché l'energia è sempre più importante nel corso della fermentazione de si ha un aumento della viscosità (dovrò fornire più energia per vincere l'attrito). A volte con grandi volumi il sistema TSR non consente un'omogeneità (a volte le zone laterali non si mescolano bene). Ciò porta all'adesione alle pareti e all'albero motore di miceli fungini. Le paraffine poi si piazzano sopra e non riescono a far scambiare i gas tra l'ingresso e l'uscita (soffocamento da sopra). Si crea quindi uno strato in superficie e quindi, le bolle d'aria che arrivano dal basso ed escono dall'alto, rimangono intrappolate sotto questa superficie.

Design del reattore: nei reattori di grosse dimensioni la geometria tende ad essere non piatta (dove c'è un angolo

è probabile che ci sia una zona morta, ovvero che la coltura in quella zona non sia ben aerata e agitata). Questi tendono quindi ad avere una base smussata. Contrariamente, se si cerca la sedimentazione in bioreattori si cerca una geometria più troncoconica. Reattori non convenzionali L'innovazione è cercata soprattutto per i processi aerobi, in cui distinguiamo i reattori tradizionali STR e quelli non convenzionali. Quest'ultimi non hanno un'agitazione meccanica, ma essa diventa un effetto secondario dell'aerazione fornita. Questi bioreattori possono essere classificati in modi diversi in funzione di come entra l'aria, di una geometria diversa e del fatto che si utilizzino o meno cellule mobilizzate. Nei bioreattori non convenzionali l'assorbimento di energia è inferiore rispetto ai bioreattori tradizionali, in quanto non si ha a che fare con un sistema di agitazione che deve muoversi all'interno della coltura. Questibioreattore, che crea bolle di gas che salgono verso l'alto attraverso il liquido. Questo tipo di reattore è adatto per processi ad alta densità cellulare e per la produzione di composti volatili. - Reattore a letto fisso: in questo tipo di reattore, il materiale biologico è immobilizzato su un supporto solido, come ad esempio una schiuma o una sabbia. Il liquido fluisce attraverso il letto fisso, consentendo agli organismi di aderire al supporto e di svolgere le loro attività metaboliche. - Reattore a membrana: in questo tipo di reattore, una membrana semipermeabile separa il liquido di fermentazione dai prodotti di scarto o dai nutrienti. Questo permette di mantenere una concentrazione elevata di biomassa nel reattore e di migliorare l'efficienza del processo. - Reattore a film sottile: in questo tipo di reattore, il liquido di fermentazione fluisce su una superficie inclinata, formando un film sottile. Questo permette un'alta superficie di contatto tra il liquido e l'aria, favorendo lo scambio di gas e la produzione di composti desiderati. - Reattore a membrana aereo: in questo tipo di reattore, una membrana semipermeabile è posizionata sopra il liquido di fermentazione, creando una barriera tra il liquido e l'aria. Questo permette di controllare l'apporto di ossigeno e di mantenere una concentrazione elevata di biomassa nel reattore. Queste sono solo alcune delle tipologie di reattori non convenzionali utilizzati in biotecnologia. Ogni tipo di reattore ha vantaggi e svantaggi specifici, e la scelta del reattore dipende dalle caratteristiche del processo e degli organismi utilizzati.

bioreattore. L'aria entra sempre dal basso da una piastra con molti fori e, se la portata dell'aria è bassa, il flusso è laminare. Se invece la portata dell'aria è alta, il flusso diventa turbolento. In alto vi è lo sfiato. Per rendere stabili tali reattori essi sono ancorati a delle gabbie. Questo sistema è stato superato, soprattutto per le colture molto viscose (le bolle tendono a coalescere formando bolle grandi che non sono efficienti a basse portate di aria);

- Reattore air lift: essi sono molto diffusi. Si differenzia dal precedente per la presenza di una movimentazione separata della coltura che avviene in parti diverse del fermentatore. Al posto di avere un unico flusso dal basso verso l'alto si hanno due zone, ovvero una di risalita della coltura e l'altra di discesa. Il setto del fermentatore può essere centrale oppure laterale. Se si inserisce l'aria esattamente sotto questo setto, la coltura sale

Il percorso delle bolle è interessante da osservare: esse si formano all'interno e poi fuoriescono. Tuttavia, l'aria può entrare anche dall'esterno, attraverso il setto nasale.