Domande aperte svolte di fermentazioni industriali

BIOMASSA E DI SUBSTRATO

La coltura continua è una coltura aperta dove si ha un continuo flusso di ingresso di substrato e un continuo flusso in uscita di brodo coltura caratterizzata da cellule, metaboliti e residuo. La coltura continua parte inizialmente come coltura batch, quando entra in fase esponenziale iniziano ad attivarsi il flusso in ingresso e il flusso in uscita.

La coltura continua può essere fatta in un bireattore standard (STR) e in questo caso sarà omogenea grazie all'agitazione presente nel bireattore o in un bireattore anticonvenzionale tubolare dove la brodo coltura sarà eterogenea nei vari punti del tubo. Può essere inoltre monostadio o multistadio, nel primo caso verrà utilizzato un solo bireattore e nel secondo caso verranno utilizzati una serie di bireattori dove l'uscita di brodo coltura del primo sarà il flusso in ingresso per il secondo e così via.

Ci sono due tipologie di colture continue: chemostato e turbidostato.

La coltura continua in stato stazionario è caratterizzata da un bireattore centrale e due pompe che gestiscono il flusso in ingresso fornito mediante un'alimentazione e il flusso in uscita veicolato da un serbatoio. Una caratteristica importante del chemostato è che il substrato non è mai in eccesso ma è sempre limitante, questo influenza la velocità di crescita. Nel chemostato si ha quindi un controllo esterno, ovvero aumentando il flusso viene aumentata la concentrazione di substrato e quindi la velocità specifica di crescita μ. Nella coltura continua turbidostato il sistema è caratterizzato da un fermentatore centrale, una pompa per il flusso in ingresso veicolato da un'alimentazione e per il flusso in uscita vi è un controllo interno, ovvero una cellula fotoelettrica che controlla la torbidità della brodo coltura che quando raggiunge un certo valore si attiva un sistema che scarica 1/3 del volume del fermentatore.

All'interno di un serbatoio. In questo tipo di coltura si lavora sempre con substrato in eccesso facendo così crescere il microrganismo a μmax. Uno dei parametri più importanti della coltura continua è il volume che deve rimanere sempre costante, il controllo del volume può essere fatto con vari sistemi a seconda del tipo di microrganismo, del tipo di fermentazione e del terreno colturale utilizzato. I principali sistemi sono: dispositivi troppo pieno, dispositivi a pompa, dispositivi a manometro e dispositivi load cell.

Un altro parametro importante per la coltura continua è la D, definita come il numero dei cambiamenti di volume nell'unità di tempo con unità di misura 1/h. D è il rapporto tra flusso (F) e volume (V). Essendo V costante, aumentando il flusso aumenterà anche D. L'inverso 1/D esprime invece l'holding time, ovvero il tempo di residenza del microrganismo all'interno del serbatoio.

fermentatore. Nella coltura continua è fondamentale controllare il flusso in modo tale che D non sia superiore al tempo di duplicazione delle cellule, questo non permetterebbe loro di crescere in quanto lavate via prima. La curva di sviluppo della coltura continua è così fatta:

Come accennato prima inizia con una coltura batch e appena entra in fase esponenziale diventa una coltura continua con alimentazione e flusso in uscita. Una caratteristica fondamentale è lo STEADY STATE che non corrisponde alla fase stazionaria della coltura batch ma è una condizione di equilibrio dove ciò che cresce è uguale a ciò che esce, ovvero quanti microrganismi si sviluppano tanti ne vengono prelevati. È una condizione che deve essere necessariamente raggiunta nella coltura continua e deve essere mantenuta per più tempo possibile. Per raggiungere lo steady state è necessario che il tempo di residenza delle cellule sia maggiore di D (Tr > D).

Il bilancio di biomassa nella coltura continua è il seguente: Dato che la coltura continua lavora bene solo nello steady state allora è necessario che dx/dt=0, ovvero ciò che cresce è uguale a ciò che esce. Da qui deriva che μ = D. Sapendo inoltre che D=F/V, e V è costante, allora μ = D = F, variando il flusso varia la velocità specifica del microrganismo, flussi alti aumentano la velocità di crescita. È importante però ricordare che flussi troppo alti aumentano la D che potrebbe essere maggiore del tempo di residenza del microrganismo, questo non permetterebbe di raggiungere lo steady state. Esiste un limite chiamato D critico che corrisponde a μmax, punto in cui il microrganismo appena cresce viene dilavato. Per valori di D > D critico la velocità di dilavazione (washout) delle cellule è superiore alla loro velocità di crescita, è una situazione in cui la concentrazione di biomassa è pari

a 0 mentre il substrato tende a risalire alla concentrazione iniziale S0 in quanto non viene consumato. In questo caso non viene raggiunto lo steady state. È possibile operare in queste condizioni con il riciclo cellulare, come ad esempio nel trattamento degli effluenti.

Per valori di D = D critico il microrganismo si sviluppa a μmax, sarebbe la situazione ideale ma è troppo rischiosa in quanto basta una piccola variazione di flusso in eccesso per allontanare la biomassa dal reattore e arrivare alla condizione di washout.

Per valori di 0 < D < D critico, più D si avvicina a D critico e più la biomassa diminuisce in quanto ha meno tempo per consumare il substrato che quindi aumenta.

In sostanza si cerca una condizione tra ½ D critico e 2/3 D critico, ovvero valori di D alti ma non troppo vicini al D critico per non rischiare la condizione di washout.

Un altro aspetto importante è la Ks definita come la costante di saturazione per il substrato.

substratolimitante ed è la concentrazione di substrato dove μ= 1/2μmax. La relazione tra Ks e μ è indicata dall’equazione di Monod:

S= concentrazione di substrato limitante

μmax = velocità specifica di crescita massima

Ks= costante di saturazione per il substrato limitante, è la concentrazione di substrato dove μ=1/2μmax.

La Ks definisce l’affinità del microrganismo nei confronti del substrato, per valori di Ks bassi l’affinità è alta, ovvero verrà mantenuto un valore alto di x anche per valori alti di D, mentre se l’affinità è bassa e quindi Ks è alto all’aumentare di D si avrà un’importante diminuzione della biomassa, non è conveniente lavorare ad alti valori di D.

Il bilancio di substrato nella coltura continua è:

Dato che la coltura continua lavora bene solo nello steady state allora è necessario che dS/dt=0.

Sapendo che D = μ

ricavato dal bilancio di massa allora:In sostanza la variazione di substrato è pari al rapporto tra la concentrazione di biomassa e la resa di fermentazione. 4. COLTURA BATCH, FED-BATCH E CONTINUA: PROCEDURE DI GESTIONE E DIFFERENZE NEL CAMPO DI APPLICAZIONE. La coltura batch è definita come un sistema chiuso in quando non vi è nessun ingresso di substrato o fuoriuscita di brodo di coltura. Il sistema si blocca solo quando sono stati consumati tutti i nutrienti. Durante il processo l'unico ingresso consentito è per acidi e basi per controllare il pH e l'unico prelievo è per monitorare il processo. L'andamento della crescita cellulare in coltura batch è rappresentato da una sigmoide: Vi è una fase iniziale di inoculo, fase di latenza in cui le cellule si abituano all'ambiente ma non crescono, una fase di accelerazione in cui le cellule iniziano a crescere, una fase esponenziale in cui le cellule crescono con la massima velocità, e infine una fase stazionaria in cui la crescita si arresta a causa dell'esaurimento dei nutrienti o dell'accumulo di prodotti di scarto. La coltura fed-batch è una variante della coltura batch in cui viene fornito gradualmente del substrato durante il processo. Questo permette di mantenere la crescita cellulare in una fase esponenziale più lunga rispetto alla coltura batch tradizionale. La coltura continua, invece, è un sistema aperto in cui il substrato viene fornito continuamente e il brodo di coltura viene prelevato in modo costante. Questo permette di mantenere la crescita cellulare in una fase esponenziale costante nel tempo. Le differenze tra queste procedure di coltura riguardano principalmente la gestione del substrato e la durata del processo. La coltura batch è la più semplice da gestire ma ha una durata limitata, mentre la coltura fed-batch e continua permettono di ottenere una produzione continua ma richiedono una maggiore complessità nella gestione del substrato.velocità e il substrato è in eccesso, una fase di decelerazione in cui il substrato inizia ad essere limitante e una fase stazionaria in cui non si ha più crescita. Per quanto riguarda il bilancio di biomassa si può dire che nella coltura batch la variazione di biomassa nel tempo dipende dalle cellule e dalla velocità specifica di crescita: X = concentrazione della biomassa Y = resa di conversione S = concentrazione di substrato All'inizio della fermentazione si avrà: X0 = Y * S0 Dove S0 è la concentrazione di substrato all'inizio della fermentazione. Alla fine della fermentazione si avrà: X = Y * S Dove S è la concentrazione di substrato alla fine della fermentazione. Per vedere il bilancio di substrato e quindi quanto ne è stato consumato basta fare: S0 - S = substrato consumato Ovvero la differenza tra la concentrazione di substrato all'inizio e alla fine della fermentazione.

La quantità di substrato consumata durante la reazione è pari al rapporto tra concentrazione di biomassa e la resa di conversione.

La coltura continua è una coltura aperta dove si ha un continuo flusso di ingresso di substrato e un continuo flusso in uscita di brodo coltura caratterizzata da cellule, metaboliti e residuo. La coltura continua parte inizialmente come coltura batch, quando entra in fase esponenziale iniziano ad attivarsi il flusso in ingresso e il flusso in uscita. La curva di sviluppo della coltura continua è così fatta:

Come accennato prima inizia con una coltura batch e appena entra in fase esponenziale diventa una coltura continua con alimentazione e flusso in uscita. Una caratteristica fondamentale è lo STEADY STATE che non corrisponde alla fase stazionaria della coltura batch ma è una condizione di equilibrio dove ciò che cresce è uguale a ciò che esce, ovvero quanti microrganismi si sviluppano tanti ne vengono prelevati.

È una condizione che deve essere necessariamente raggiunta nella coltura continua e deve essere mantenuta per più tempo possibile. Per raggiungere lo steady state è necessario che il tempo di residenza delle cellule sia maggiore di D (Tr per evitare che le cellule > D) vengano dilavate via prima che possano crescere.

Il bilancio di biomassa nella coltura continua è:

Dato che la coltura continua lavora bene solo nello steady state allora è necessario che dx/dt=0, ovvero ciò che cresce è uguale a ciò che esce. Da qui deriva che μ = D. Sapendo inoltre che D = F/V, e V è costante, allora μ = D = F, variando il flusso varia la velocità specifica del microrganismo, flussi alti aumentano la velocità di crescita. È importante però ricordare che flussi troppo alti aumentano la D che potrebbe essere maggiore del tempo di residenza del microrganismo, questo non permetterebbe di raggiungere lo steady state.

io tra la velocità di crescita del microrganismo e la velocità di dilavamento. Quando la velocità di crescita del microrganismo supera la velocità di dilavamento, il microrganismo viene dilavato e non riesce a sopravvivere. Il limite critico D può essere calcolato utilizzando il valore massimo di μ (µmax), che rappresenta la massima velocità di crescita del microrganismo. Quando la velocità di dilavamento è uguale a μmax, si raggiunge il limite critico D. Per formattare il testo utilizzando tag HTML, puoi utilizzare il tag

per creare un nuovo paragrafo e il tag _{per formattare il testo in apice. Ecco un esempio di come potrebbe apparire il testo formattato:}

Esiste un limite chiamato D critico che corrisponde a μ_max, punto in cui il microrganismo appena cresce viene dilavato. Il bilancio tra la velocità di crescita del microrganismo e la velocità di dilavamento. Quando la velocità di crescita del microrganismo supera la velocità di dilavamento, il microrganismo viene dilavato e non riesce a sopravvivere.

Il limite critico D può essere calcolato utilizzando il valore massimo di μ (_max), che rappresenta la massima velocità di crescita del microrganismo. Quando la velocità di dilavamento è uguale a μ_max, si raggiunge il limite critico D.