viernes, 3 de diciembre de 2010


DICEÑO Y ELABORACION DE UN FERMENTADOR

Un fermentador es un tanque que nos sirven para que se lleven acabo reacciones orgánicas, estos tanques proporcionan un ambiente adecuado para los microorganismos bajo las condiciones requeridas. El equipo debe permitir controlar la temperatura por calor o frío, controlar el ph., rasgos de aireación, etc.

Para un buen diseño de un fermentador se deben cumplir con dos requisitos fundamentales: mantener un medio homogéneo sin ´´zonas muertas ´´ y a la vez transferir oxigeno al medio empleando el mínimo de energía posible.

Cuando  se inicie el diseño del fermentador se deben  considerar los siguientes aspectos

a) mezclado y patrones de flujo
b) configuración geométrica tipo de reactor.
c) transferencia de oxigeno.
d) consumo de energía.

A nivel laboratorio y de planta piloto existen muchos tipos diferentes de fermentadores pero a escala industrial y en operación son cuatro los tipos los waldhof, el de turbina, el de columna burbujeadota.

De los cuatro tipos el fermentador de turbina es el más usado para fermentaciones por ser capaces de suministrar altas cantidades de oxigenación, unidad de tiempo y  de volumen.

GENERALIDADES DE BIORREACTORES
El objetivo de la biotecnología es obtener productos metabólicos útiles a partir de materiales biológicos. Esta comprende la fermentación y  la recuperación del producto.

La recuperación del producto se refiere a la extracción y purificación de los productos biológicos no deseados.

Un birreactor es la parte principal de cualquier proceso bioquímico en el que se emplean sistemas microbianos para la producción  económica de amplia variedad de productos biológicos útiles los biorreactores de alimentación y fermentación en el tratamiento de residuos y muchas instalaciones biomédicas en la industria de fermentación están,
Invariablemente en el centro del proceso.

Materias


pretratamiento
biorreccion
recuperación
producto


Primas →
                       Hidrólisis                     trans. De masa             filtración                  sub.-
                       Trituración                  Transf.de calor             sub. Producto        producto.
                        Esterilización              bioactividad                purificación
                                                                                                Desecación


LOS BIORREACTORES USADOS ACTUALMENTE PARA LA PRODUCCION INDUTRIAL:

a) no agitados sin aireación.
b) con elevación de aire.
c) agitados con aireación.
d) fluidificados
e) de membrana y fibra hueca.

Los recipientes no agitados sin aireación se usan para los productos tradicionales como el vino, la cerveza y el queso.

Birreactor de tanque con agitación: es importante para la aplicación industrial, es el recipiente para la mezcla común que tiene la doble ventaja  de bajo costo de capital y de producción.

Birreactor con elevación con aire: este a su vez  se divide con cuatro:

a) elevación con aire estándar.
b) elevación con aire wasco.
c) elevación con aire kaneguchi.
d) elevación con aire lefrancois.

Biorreactores fluidificados: la ventaja de un sistema de un birreactor fluidificado son sus características de masa mezclada en calor en energía relativamente baja.

Birreactor con micro portador:
Birreactor de membrana y fibra hueca: este sistema se ha creado y probado para el crecimiento de célula vegetal y mamífero, pata la inmovilización de bacterias, levaduras y enzimas.

El funcionamiento de cualquier fermentador depende de mucos factores entre los cuales se incluyen:

☼ La concentración de biomasa, la cual debe permanecer alta.
☼ El mantenimiento de las condiciones estériles.
☼ Agitación efectiva para que la distribución de los substratos y microorganismos en el           reactor sea uniforme.
 ☼ Eliminación de calor.
 ☼ Creación de las condiciones correctas de corte; las rapideces altas de corte pueden ser dañinas para el organismo pero las rapideces de corte bajas también pueden ser indeseables debido a la floculación o la crecimiento de biomasa sobre la pared del reactor y sobre el agitador.

Los siguientes puntos son los considerados como las criterios mas importantes en el diseño de un cementador:

1) el tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante muchos días, a si como para operaciones de larga duración.
 2) tener un consumo mínimo de energía.
3) contar con un sistema de control de ph.
4) un sistema de toma de muestras.
5) un sistema adecuado de aireación y agitación para cubrir las necesidades metabólicas        de los microorganismos.
6) sistema de control de temperatura.
7) pérdidas de evaporación mínimas.
8) el diseño del tanque debe ser tal que la de las operaciones laborales durante el funcionamiento, recolección, limpieza y mantenimiento sean mínimas.
9) el tanque debe ser versátil (para diversas aplicaciones o procesos).
10) la superficies del tanque internamente deben ser lisas, utilizando donde sea posible soldaduras.
11) la geometría del fermentador debe ser similar a los tanques más pequeños o mayores de la planta o a los de la planta piloto para poder reproducir procesos a diferentes escalas.
12) empleo de materiales económicos con resultados satisfactorios.
13) servicio adecuado de repuestos para l fermentador.
14) tipo de antiespumante.

Las funciones deseadas en la fermentación son el contacto gas-liquido, detección de las concentraciones o activos.
Algunos aspectos importantes en el fermentador son que:

☻ Una válvula del sistema de aire que permite la desviación del aire para que la espuma no sea excesiva (válvula de desviación).
☻Se agrega antiespumante cundo el exceso de espuma llega a una probeta electrónica de conductividad.
☻Toda la tubería esa protegida contra la contaminación, mediante el empleo de vapor.
☻el nivel de líquido al llenar el recipiente esta determinado por una referencia, respecto a una grafica de calibración.
☻el peso del contenido del tanque se determina  con un balance hidrostático contra el aire que burbujea através del rodeador.
☻los fluidos se transfieren desde un recipiente  a presión.

El objetivo principal al diseñar un fermentador es llevar acabo las fermentaciones en el menor tiempo posible y al más bajo costo posible.

TIPOS DE FERMENTACIONES

1.-Fermentación discontinua

Una fermentación discontinua (en batch) puede ser considerada con un ´´ sistema cerrado. Al inicio de la operación s añade la solución esterilizada de nutrientes y se inocula con el microorganismo, permitiendo que se lleve acabo la incubación en condiciones optimas de fermentación .no se añade nada, ecepto oxigeno (en forma de aire), un  agente antiespumante y ácidos o bases para controlar el ph. .las células observándose las 4 fases típicas de crecimiento: fase de latencia, fase logarítmica, fase estacionaria y fase de muerte.

En los procesos comerciales la fermentación frecuentemente se interrumpe al final de fase logarítmica (metabolitos primarios) o antes de que comience la fase de muerte (metabolitos secundarios).

2.-Fermentación alimentada  (FED-batch)

En los procesos convencionales discontinuos que acabamos de describir todos los sustratos se añaden al principio de la fermentación. A un mejora del proceso cerrado discontinuo en la fermentación alimentada que se utiliza en la producción de sustancias coma la penicilina en los procesos alimentados, los sustratos se añaden escalonadamente a medida que progresa la fermentación.

3.-fermentación continúa

En la fermentación continua se establece un sistema abierto. La solución nutritiva estéril se añade continuamente al birreactor y una cantidad equivalente de solución utilizada de los nutrientes, con los microorganismos, se saca simultáneamente del sistema.

El  objetivo fundamental de la industria de las fermentaciones es minimizar costes e incrementar los rendimientos. los procesos  fermentación continua no se utilizan d forma general en la industria debido fundamentalmente al mayor nivel de experiencia que se tiene en el crecimiento de células en fermentación discontinua, en el coste de producción de biomasa mediante cultivo continuo es potencialmente inferior al de cultivo discontinuo.

Aun que muchas fermentaciones para la producción de metabolitos, solo son unos pocos procesos han resultado útiles para la aplicación practica por varias razones.

a) muchos métodos operan durante solamente 20 a 200 horas: para que sea de utilidad industrial debe ser estable durante al menos 500 a1000 horas.

b) mantener las condiciones estériles durante un largo periodo de tiempo es difícil.

c) la composición de los sustratos debe ser constante a fin de obtener una producción máxima. La solución de nutrientes industriales son variables (liquido de maceración del maíz, peptona, etc.).

d) cundo se utilizan cepas de alto rendimiento se producen mutantes degenerados.

4.- reactores de enzimas o células inmovilizadas

Consiste en pasar el medio fresco através de un biorreactor  en el que por diversas técnicas hemos inmovilizado células (o encimas )  en biorreactor se producen las transformaciones bioquímicas que deseamos y recuperamos el producto transformado  tras su paso por la columna. Presenta al inconveniente de que no todos los microorganismos pueden inmovilizarse.

Existen tres meteoros de inmovilizar las células :

1.- asociación física mediante resinas de intercambio iónico. La unión se puede romper fácilmente.

2.- unión covalente mediante glutaraldehido, tolueno, di-isocianato, yodo, acetil, celulosa unión fuerte aunque inactiva.

3.- atrapamiento mediante colágeno, gelatina, agar, alginatos, poliacrinamina, poliestireno. Es el método mas utilizado en inmovilización de células.

AGITACION
Aireación y mezclado


El proceso de fermentación industrial aerobio debe disponer de un sistema de aireación y mezclado del cultivo.

El aire estéril se introduce por la base del tanque normalmente por un anillo pulverizador, y es dispersado eficazmente através del medio por la acción del sistema d agitación.


TRANSFERENCIA DE MASA
En los procesos de fermentación convencionales, la demanda microbiana de sustratos  distintos al oxigeno es cubierta usualmente sin dificultad, puesta que esto son suministrados en exceso en el medio L velocidad de transferencia de masa entre la fase liquida y gaseosa es fuertemente influenciada por la solubilidad de gas en la fase liquida.

El mantenimiento de un ambienta aséptico y unas condiciones aeróbicas son, probablemente, los dos puntos de mayor relevación que hay que considerar.

La agitación es la operación que crea o que acelera el contacto entre dos o varias fases. El objetivo de la agitación s mezclar el caldo de fermentación para obtener una suspensión uniforme que se logra acelerando la velocidad de transferencia de masa y calor (energía) .una fermentación microbiana puede ser considerada un como un sistema de tres fases, que implica reacciones liquido-sólido, gas-sólido y gas-liquido:

a) la fase liquida contiene sales disueltas, sustratos y metabolitos. Puede existir, en algunos casos, una segunda fase liquida si existe sustrato invisible en agua como por ejemplo los alcanos.

b) la fase sólida contiene en células individuales bolitas de micelio sustratos insoluble y o productos del metabolismo que precipitan.

c) la fase gaseosa proporciona un reservorio para el suministro de oxigeno, para la eliminación del CO2O.


Una adecuada agitación de un cultivo microbiano produce los siguientes efectos en las tres fases.
1.-Dispersión de aire en la solución de nutrientes.

2.-homogenización, para igualar la temperatura, ph y concentración de nutrientes en el fermentador.

3.- suspensión de microorganismos en los nutrientes sólidos.

4.- dispersión en los líquidos inmiscibles

Bajo los anteriores puntos se podrían concluir que cuanto mayor se la agitación,  mejor será el cresimiento.la agitación excesiva puede romper las células grandes e incrementar la temperatura lo que ocasiona un descenso en la viabilidad celular.

Los diferentes tipos de agitaciones se incluyen dentro d la siguiente clase:

1.-agitadores rotativos, los cuales tienen un sistema interno mecánico de agitación.

2.-columnas de burbujas, la agitación se realiza mediante la introducción de aire a sobrepresion.

3.-sistema aero-elevado que puede tener un circuito interno o externo.

De estos tres tipos el más utilizado es el primero ya que es mas flexible a las condiciones de metabolismo microbiano y anhídrido  carbónico es el producto metabólico más importante.

A medida que  aumenta  la concentración de o2 la fase gaseosa aumenta de proporción  de o2 en la solución de nutrientes. A medida de que aumenta  la temperatura desciende la solubilidad del oxigeno.

Las células microbianas próximas a las burbujas de gas pueden absorber directamente al o2  através de la interfase  aumenta la transferencia de gas  dentro del aglomerado puede ser un factor limitante.

DEFINICION DE KLA

Coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno (h-1) ha sido analizado concienzudamente  como el parámetro critico  para el funcionamiento del biorreactor.

La transferencia de oxigeno en el biorreactor o capacidad de rapidez de oxigeno es

Na=KLA(C*-C)


TEMPERATURA

Los microorganismos que crecen  a una temperatura inferior a la óptima tienen retardado su crecimiento y por lo tanto reducida la producción celular, es decir su Pro ductivida.

La velocidad de producción  de calor debida a la agitación y ala actividad metabólica de los microorganismos no s ve compensada por las pérdidas de calor que resultan de la  evaporación, por lo que se debe recurrir a sistemas de refrigeración.

PH

La mayor parte de los microorganismos crecen óptimamente entre ph 5.5 y 8.5.  Pero durante el crecimiento en un fermentador, los metabolitos celulares son liberados al medio, lo que puede originar un cambio del ph del medio del cultivo.


SISTEMA DE CONTROL DEL PH, TEMPERATURA Y OXIGENO DIUELTO.

En este sistema, un censor se utiliza para medir la temperatura dentro del fermentador. La seña eléctrica es recibida por una unidad de control que determina si al temperatura esta dentro de un rango adecuado o si la misma esta mas alta o mas baja que la prevista.


El controlador activara la válvula de vapor en caso de requerirse aumentar la temperatura; en el caso de que se requiera una disminución de temperatura se activara la válvula que permite el paso de agua fría.

Un censor se utiliza para establecer la medida del ph. La señal electriza del censor es recibida por el controlador  que dermina la acción a seguir  según el valor del ph y el rango de operación de esta variable recontrol. Si el ph es mas bajo que el permitido es la lógica del control, el control activara la bomba de base introduciendo medio alcalino que permita subir  le ph. En el caso de que el ph sea mas alto de lo establecido en criterio del control se activara la bomba del acido y el ph bajara.

En el caso en que una fermentación sea aeróbica. Se requiere un sistema de control para el oxigeno disuelto. Los sistemas de control de oxigeno disuelto tiene un censor y un controlador al igual que otros sistemas de control. En estos casos se establece una cantidad minima de oxigeno disuelto en la cual se activaran elementos de control para aumentar la cantidad de  oxigeno presente en el medio. Estos elementos pueden ser comprensores o válvulas de aire.


♥Agitación de suspensiones de partículas de baja viscosidad♥

Equipo de  mezclado

Los impulsores se pueden dividir, aproximadamente en dos clases amplias:
El flujo axil
El flujo radial.
La clasificación depende del ángulo que forman las aspas con el plano de rotación de impulsión.
Impulsores de flujo axial los impulsores de flujo axial incluyen todos los que tienen aspas que formas un ángulo de manos de 90 grados con el plano de rotación. Las hélices y las ruedas de paleta o turbinas de aspas inclinadas, son representativas de los impulsores de flujo axial. Existen dos gamas básicas de velocidad:
1150 a 1750 rpm con trasmisión directa, y de 350 o 420 rpm con trasmisión de engranes.

TURBINA DE ASPAS INCLINADAS:

Las turbinas de aspas inclinadas se  emplean en ejes de agitares de entrada pr parte superior, en un lugar de hélices, cuando se desee una velocidad elevada de circulación axial y el consumo de energías es mayor de 2.2 Kw. (3hpo).

Impulsores de flujo radial

Este tipo de impulsores tienen aspas paralelas al eje de flecha motriz. Los mas pequeño de aspas múltiples, reconocen como ´´ turbinas ´´ los mayores de velocidades mas bajas con dos o cuatro aspas, se  denominan ruedas de paleta.

Las aspas curvas ayudan en el arranque de un impulsor entre sólidos sedimentados.


La mayor parte de las operaciones de agitación a gran escala de suspensiones de sólido-liquido se hacen con ruedas de paleta o turbinas que se introduce por la parte superior.


Agitadores de claro cerrado
Para algunos sistemas de fluidos seudo plásticos, se puede encontrar fluido estancado cerca de paredes del recipiente en zonas alejadas de las hélices de turbina o propulsor.


Tanques sin desviadores

Si se agita un liquido e baja viscosidad en un tanque in desviadores (o bafles) mediante un agitador montado forma   axial, abra tendencia a que se desarrollen un patrón de flujo de remolina, sea cual sea el tipo de impulsor que se utilice.


Tanques con desviadores

Para la agitación vigorosa de suspensiones delgadas se instalan desviadores
(O bafles) en los tanques que son bandas planas verticales colocadas Radialmente alo largo de la pared  del tanque.


PREPARACION DE MEDIOS DE CULTIVO
Las células utilizan elementos químicos que provienen del medio ambiente para transfórmalos en los constituyentes que componen dicha célula. Estos compuestos químicos se llaman nutrientes y el proceso por el cual una célula transforma estos nutrientes en sus componentes celulares se denomina anabolismo o biosíntesis.
Cuando los microorganismos se separan de su hábitat y se cultivan en laboratorio o industrias, se deben usar medios de cultivo que contengan los elementos químicos necesarios para su crecimiento. Los microorganismos se cultivan en agua, a la que se han añadido los nutrientes apropiados.
Los nutrientes que requiere una célula para su crecimiento se clasifican en cuatro grupos:
A)   Macronutrientes: Son requeridos por los microorganismos en grandes cantidades tales como el carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno.
B)     Micronutrientes: Son requeridos en pequeñas cantidades tales como el fosforo, potasio, azufre, magnesio.
C)   Vitaminas y hongos
D)   Elementos traza: zinc, cobre, manganeso, molibdeno, cobalto
Los medios utilizados en el cultivo de los microorganismos contienen todos los elementos en una forma adecuada para la síntesis material celular y para la producción de productos metabólicos. En un laboratorio pueden utilizarse productos químicamente definidos puros para la obtención de medios de cultivo, pero en las fermentaciones industriales se utilizan frecuentemente sustratos complejos casi indefinibles.
Los medios químicamente definidos se preparan adicionando cantidades precisas de sustancias orgánicas o inorgánicas puras al agua destilada. Sin embargo en muchos casos conocer la composición exacta no es indispensable. Los medios complejos emplean extractos de sustancias altamente nutritivas aunque químicamente indefinidas. Sin embargo una desventaja importante de usar medios químicamente complejos es la pérdida de control sobre las especificaciones precisas de nutrientes del medio.
Los medios de cultivo se pueden preparar para ser usados en estado liquido o en estado gel (semi -solido) . un medio de cultivo liquido es convertido en semi solido si se le añade un agente solidificante. El agar es el agente gelidificante de mayor uso. Se fabrica apartir de algas marinas y no es un nutriente para la mayor parte de los microorganismos.
MATERIAS PRIMAS  EMPLEADAS EN FERMENTACIONMES INDUSTRIALES
1.- fuentes de carbono
Los carbohidratos son tradicionalmente las fuentes de carbono utilizadas en la industria de la fermentación.
a)    Las melazas, un subproducto de la producción de azúcar, es una de las fuentes más baratas de carbohidratos. Las melazas contienen sustancias nitrogenadas, vitaminas y elementos traza. La composición de loas melazas varía dependiendo de la materia prima utilizada para la producción de azúcar (caña o remolacha) y la calidad de las melazas depende del origen, condiciones climaticas y procesos de producción.
b)    El extracto de malta, un extracto acuoso de la cebada de malteada ( cebada germinada que produce enzimas que hidrolizan el almidón). El extracto seco de malta contiene aproximadamente 90-92% de carbohidratos y está compuesta de hexosas ( glucosa y fructosa), disacáridos (maltosa, sacarosa), trisacáridos (maltroritosa) y dextrinas ( polímeros de glucosa).
c)    La celulosa debido a su amplia disponibilidad y bajo costo, está fuertemente siendo estudiada como sustrato de fermentación. La mayor parte de ella existe como residuo en forma tales como paja, residuos de las mazorcas, desechos de la madera, y residuos de papel. No es posible utilizar la celulosa directamente como fuente de carbono, de forma que ha de ser hidrolizada primero química o enzimáticamente.
d)    Los aceites vegetales como el aceite de soya, el aceite de algodón y el aceite de palma son utilizados principalmente como cosustratos, siendo añadidos al medio en el que los carbohidratos proporcionan la principal fuente de energía.
2.- fuentes de nitrógeno
a) el liquido de maceración de maíz. Este liquido contiene numerosos aminoácidos como alanina, argina, acido glutamico, isoleusina, treonina, valina, fenilamina, metionina y cisteína.
b) los extractos de la levadura son excelentes sustratos para muchos microorganismos. Son producidos a partir de la levadura de panaderías. El extracto de levadura contiene aminoácidos, péptidos, vitaminas solubles en agua y carbohidratos.
c) las peptonas (hidrolizados de proteínas) pueden ser utilizadas por muchos microorganismos pero son relativamente caras para la aplicación de la industria. Las fuentes de peptonas incluyen la carne, caseína, gelatina, queratina, semillas de cacahuate, harina de soya, semillas de algodón y semillas de girasol.

ESTERILIZACION INDUSTRIAL
I. INTRODUCCION

Para poder llevar a cabo una fermentación con éxito es imprescindible y obligatorio tener en todas las etapas cultivos libres de contaminantes, desde el cultivo preliminar hasta el fermentador de producción. Por lo tanto, el fermentador y su equipamiento, así como el medio de cultivo deben estar estériles antes de la inoculación. Además, el aire que se suministra durante la fermentación debe ser estéril y no deben existir roturas mecánicas en el fermentador que podrían permitir la entrada de microorganismos. También se deben esterilizar los aditivos (antiespumantes), sin embargo los ácidos y bases concentrados no es necesario esterilizarlos.

Un biorreactor puede ser esterilizado, destruyendo los microorganismos, con algún agente letal como calor, radiación o un producto químico o bien separando los organismos viables mediante un procedimiento físico como la filtración.

Durante la fermentación se deben observar dos puntos para asegurar la esterilidad:

- Esterilidad en el medio de cultivo
- Esterilidad del aire que entra y sale

Para lo cual es necesario una construcción apropiada del biorreactor que facilite la esterilización así como la prevención de la contaminación durante la fermentación.
II. ESTERILIZACION DEL MEDIO DE CULTIVO

El medio nutritivo que se prepara inicialmente contiene una variedad de células vegetativas diferentes y de esporas que proceden de los constituyentes del medio, del agua y del recipiente. Estos microorganismos deben ser eliminados por un procedimiento adecuado antes de la inoculación. Existen un conjunto de procedimientos para la esterilización, pero en la práctica, para instalaciones a gran escala, el calor es el principal mecanismo utilizado.

Un conjunto de factores influyen en el éxito de la esterilización por calor: el número y tipo de microorganismos presentes, la composición del medio de cultivo, el valor del pH y el tamaño de las partículas en suspensión. Las células vegetativas son eliminadas rápidamente a temperaturas relativamente bajas, pero para la destrucción de las esporas se necesitan temperaturas de 121°C.

La esterilización por filtración se utiliza frecuentemente para todos los componentes de la solución de nutrientes que son sensibles al calor y que serían por tanto desnaturalizados durante el proceso de esterilización por vapor utilizado normalmente en fermentación industrial. Las vitaminas, los antibióticos o los componentes de la sangre son ejemplos de compuestos lábiles al calor que deben ser esterilizados por filtración.

A.- Esterilización discontinua

La mayor parte de los medios de cultivo se esterilizan en la actualidad en volúmenes discontinuos en el biorreactor a 121°C. Los tiempos de esterilización aproximados pueden ser calculados a partir de la naturaleza del medio y del tamaño del fermentador. No solamente debe ser esterilizado el medio nutritivo, sino también las uniones, válvulas y electrodos del propio fermentador. Por consiguiente, los tiempos de esterilización reales son significativamente más largos que los calculados y deben ser determinados empíricamente para las soluciones específicas de nutrientes presentes en el fermentador. Un método de esterilización es inyectar vapor en la camisa del fermentador o en los serpentines interiores (esterilización indirecta). Otro método es inyectar vapor en la propia solución de nutrientes (procedimiento directo), en cuyo caso un pre-requisito es tener vapor puro (libre de aditivos químicos). Muchos suministros de vapor industrial contienen productos químicos tóxicos derivados de aditivos anticorrosivos utilizados en el proceso de producción del vapor. Además, con la inyección directa de vapor el condensado se acumula dentro del fermentador y de esta forma el volumen del líquido aumenta durante el proceso de esterilización.

Los inconvenientes del proceso de esterilización discontinua por calor de un fermentador discontinuo de 3000 L se muestran en la figura. Se necesitan de 2 a 3 horas para alcanzar la temperatura de esterilización (121°C) lo que depende de la conducción del vapor y del tamaño del fermentador. Una vez se ha alcanzado la temperatura correcta se requieren otros 20 - 60 minutos para el proceso real de muerte, seguidos de enfriamiento durante una hora. Para enfriar el fermentador, la energía que se requiere para el calentamiento debe ser subsecuentemente retirada y, si el agua caliente que se obtiene durante el enfriamiento no se puede aplicar a algún uso, la esterilización por calor se hace muy costosa.

Otra desventaja de la esterilización por calor (y desde el punto de vista de la Microbiología el defecto que resulta más significativo) es que las fases de calentamiento, esterilización y enfriamiento no solamente matan a los microorganismos, sino que también alteran severamente la solución de nutrientes. La decoloración y los cambios en el valor del pH se originan como consecuencia de la caramelización y la reacción de Maillard. Las vitaminas se destruyen y la calidad del medio de cultivo se deteriora. La extensión en la que es afectada la fermentación subsecuente depende del organismo y del proceso.


B.- Esterilización continua

Las dos desventajas principales de la esterilización discontinua, daño al medio de cultivo y alto consumo de energía, pueden ser evitadas en gran parte mediante el uso de un procedimiento de esterilización continua. Aunque la esterilización continua es la etapa preliminar lógica en una fermentación continua a escala industrial, también se puede utilizar en la fermentación discontinua obteniendo posibles mayores rendimientos en el tiempo y el espacio asignados. La razón para esto se debe a la relación exponencial entre velocidad de muerte y temperatura, que hace más corto el tiempo necesario para la eliminación completa de los organismos vivos cuando se utiliza una temperatura más alta. Mientras la esterilización discontinua se lleva a cabo en 30-60 minutos a 121° C, la esterilización continua se lleva a cabo normalmente en 30-120 segundos a 140° C. El calentamiento del medio de cultivo para la esterilización continua puede ser llevado a cabo mediante inyección de vapor o mediante intercambiadores de calor. La esterilización con inyección de vapor se hace inyectando vapor en la solución de nutrientes. La temperatura se eleva rápidamente a 140° C y se mantiene durante 30-120 segundos. Debido a la formación de condensados la solución nutritiva se diluye; para corregir esto la solución caliente se bombea a través de una válvula de expansión a un vaporizador y el condensado se retira mediante bombas de vacío de forma que la solución esterilizada de nutrientes tiene la misma concentración después del proceso de enfriamiento que antes. La desventaja de este proceso es la sensibilidad que presenta a cambios en la viscosidad del medio y a variaciones en la presión.

En el proceso continuo que utiliza intercambiadores de calor, la solución de nutrientes, en el primer intercambiador de calor, se precalienta a 90-120° C durante 20-30 segundos por la solución nutritiva previamente esterilizada que sale. Luego, en el segundo intercambiador de calor, se calienta indirectamente con vapor a 140° C. Esta temperatura se mantiene durante 30-120 segundos en una tubería de mantenimiento antes de que sea colocada en el primer intercambiador mediante enfriamiento preliminar y posteriormente en un tercer cambiador para refrigeración a la temperatura del fermentador. La fase de enfriamiento es sólo de 20-30 segundos.

En el proceso que utiliza intercambiadores de calor el 90% del aporte de energía se recupera. La desventaja de este método es que con algunas soluciones de nutrientes se forman sales insolubles (p. ej. fosfato cálcico u oxalato cálcico) y aparecen incrustaciones en el primer intercambiador de calor debido a las diferencias de temperatura entre la solución de nutrientes esterilizada y la solución fría que entra. Si se produce una precipitación, el coeficiente de transferencia de calor disminuye por lo que el sistema se debe detener y tratar con agentes que limpian (ácido o base) y re-esterilizarlo. Esterilizando separadamente los componentes críticos de la solución de nutrientes se mantiene constante el coeficiente de transferencia de calor por lo que el período útil puede extenderse durante semanas.

Las soluciones que contienen almidón, que se hacen viscosas cuando se calientan, son difíciles de utilizar en procesos de esterilización continua. Antes de la esterilización real debe llevarse a cabo una licuefación e hidrólisis parcial mediante ácidos o amilasas. Además, si hay partículas en suspensión en la solución de nutrientes, los cortos tiempos de esterilización en el proceso continuo pueden ser insuficientes para que el calor permanezca completamente a través de ellas. El tiempo de calentamiento para partículas de 1 mm es de 1 segundo; para partículas de 1 cm es de 100 segundos. Por consiguiente el tamaño de las partículas debería estar restringido a 1-2 mm en procesos continuos de esterilización.
III. ESTERILIZACION DEL AIRE DE FERMENTACION

La mayor parte de las fermentaciones industriales operan en condiciones de agitación vigorosa y el aire que se suministra al fermentador debe ser esterilizado. El número de partículas y microorganismos en el aire varía en gran medida dependiendo de la localización de la planta, el movimiento del aire y el tratamiento previo del aire. Como media, el aire exterior tiene 10 - 100.000 partículas por m3 y 5 - 2.000 microorganismos por m3. De estos, el 50% son esporas de hongos y el 40% son bacterias G (-). Los fermentadores funcionan generalmente con velocidades de aireación de 0,5 - 1,0 vvm (volumen de aire/volumen de líquido por minuto). Un fermentador que tenga un volumen de trabajo de 50 m3 con una velocidad de aireación de 1 vvm necesita 3.000 m3 de aire estéril por hora. La importancia crítica de la esterilización del aire en la microbiología industrial puede ser deducida a partir de estos valores.

Los métodos existentes para la esterilización de los gases incluyen la filtración, inyección de gas (ozono), depuración de gas, radiación (UV) y calor. De todos estos, sólamente la filtración y el calor son prácticos a escala industrial. Durante muchos años el aire se esterilizó pasándolo sobre elementos calentados eléctricamente, pero debido al alto coste de la electricidad a partir de la 
crisis del petróleo de los años 70, este proceso ha sido reemplazado por la filtración.

Actualmente, en los sistemas industriales el aire se esteriliza por filtración. En los sistemas más antiguos se instalaban filtros en profundidad como los de lana de vidrio en los que las partículas son atrapadas por una combinación de efectos físicos (inercia, bloqueo, difusión, gravedad y atracción electrostática). Los dos últimos mecanismos tienen un efecto mínimo sobre la eliminación de las partículas. Las desventajas de los filtros de lana de vidrio incluyen el arrugamiento y la solidificación durante la esterilización por vapor.

Actualmente están siendo reemplazados por filtros de cartuchos que utilizan membranas plegadas. Las ventajas de estos filtros es que son sustancialmente más pequeños, debido a la construcción de los cartuchos es fácil reemplazar los elementos filtrantes utilizados, al poseer una estructura membranosa (ésteres de celulosa, polisulfona o nylon) tienen un efecto de filtros absolutos. La desventaja de la mayor parte de los sistemas instalados actualmente es que no existen todavía, para uso industrial, filtros absolutos para bacteriófagos. Los bacteriófagos pueden ocasionar el fallo total de un sistema como por ejemplo en la producción de ácido glutámico por Corynebacterium glutamicum o al trabajar conEscherichia coli.

El aire que sale del fermentador también debe ser esterilizado, sobre todo si se trabaja con organismos recombinantes. No sólo como medida de seguridad, sino también para prevenir que las cepas industriales se liberen al medio ambiente y por lo tanto estén disponibles de una forma gratuita para los competidores. De nuevo, se utiliza la filtración.
Clasificación de Bombas
Las bombas se clasifican en: de desplazamiento positivo y dinámicas, las de desplazamiento positivo son reciprocantés y rotatorias, y las dinámicas: centrifugas, periféricas y especiales.
La clasificación anterior nos permite apreciar la gran diversidad de tipos que existen agregamos las especificaciones de construcción.
a) Materiales de construcción:
1.-Aditamientos de bronce
2.-Toda de bronce
3.-Toda de fierro
5.-Con aditamento de acero inoxidable
6.- Toda de acero inoxidable
b) Altura de elevación
1.-Bombas de baja presión hasta 15 mts
2.-Bombas de media presión de 15 a 40 mts
3.-Bombas de alta presión de 40 mts en adelante
c) Entrada del fluido al rodete                                                                                                                                                                            1.-Bomba de admisión unilateral, el fluido entra por un solo lado                                          2.-Bomba de admisión bilateral, el fluido entra por ambos lado
d) Posición del eje                                                                                                         1.-Bombas de eje horizontal                                                                                    2.- Bombas de eje vertical
Las partes constituyentes  más importantes de una bomba centrifuga en forma general son las siguientes:
1.-Rodete o impulsor                                                                                               2.- Corona directriz                                                                                                          3.-Caja espiral                                                                                                          4.-.Tubo difusor troncocónico
1.-El rodete impulsor: Es el corazón de la bomba y gira solidario con el eje de la maquinaria y consta de un cierto número de alabes que imparten energía al fluido en forma de energía de presión y cinética
2.-Corona directriz: Estos recogen el liquido del rodete y transforman la energía cinética, comunicada por el rodete en energía de presión
3.-Caja espiral: transforma también la energía de presión y recoge adamas con perdidas mínimas de energía el fluido que  sale del rodete conduciéndolo hasta la tubería de salida o de impulsión.
4.-Tubo difusor troncocónico: Realiza una tercera parte de difusión ósea de transformación de energía dinámica en energía de presión
Aplicación de bombas en plantas termoeléctricas
En las plantas termoeléctricas  las bombas son de gran importancia pues ellas hacen más eficiente el ciclo básico que se cumple en el corazón de la planta en la producción de energía eléctrica; viene a ser la de mayor importancia:
a) Bombas de condensado                                                                                    b)Bombas de circulación                                                                                       c)Bombas de alimentación
Aplicación de bombas en plantas termonucleares
Las características principales en las bombas usadas en plantas nucleares es la máxima reducción de fugas para evitar cualquier contaminación  con materiales radiactivos. Para cumplir los requisitos del servicio se han diseñado los distintos tipos de bombas:
a)Bombas de motor de sierre hermético                                                              b)bombas de motor sumergido                                                                           c)bombas de motor de atmosferas de gas                                                         d)bomba de motor en aceite                                                                                   e)bomba con fuga controlada                                                                                 f)bomba eléctrica                                                                                                  g)bomba de diafragma especial
Aplicación de bombas en maquinas de combustión interna
En maquinas de diesel y gasolina, usan bombas para diferentes serviciosa de gasolina generalmente son bombas centrifugas de simple succion con impulsor abierto o semi abierto y algunas son:
a) Tipo de lóbulos                                                                                                           b) tipo de engranes


MANOMETROS
La mayoría de los medidores de presión, o manómetros, miden la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local. Para pequeñas diferencias de presión se emplea un nanómetro que consiste en un tubo en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo abierto a la atmosfera. El tubo contiene un líquido, como el agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre los niveles del líquido en ambas ramas

TERMOMETROS
Termómetro, instrumento empleado para medir la temperatura. El más utilizado es el de mercurio, formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto esta sellado para mantener un vacio parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura se puede leer en una escala junto al capilar, es muy utilizado para medir temperaturas ordinarias, también se emplean otros líquidos como alcohol o éter .
Temperatura, propiedad de los sistemas que determinan si están en equilibrio térmico. El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición.
Los términos de temperatura y calor, se refieren a conceptos diferentes: la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas.
Los cambios de temperatura tienen que medirse a partir de otros cambios en las propiedades de una sustancia. Si se suministra calor a un gas ideal contenido en un recipiente de volumen constante, la presión aumenta, y el cambio de temperatura puede determinarse a partir del cambio en la presión, siempre que la temperatura se exprese en la escala absoluta.
Válvula de control:
La válvula automática de control generalmente constituye el ultimo elemento en un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comporta como un orificio cuya sección de paso varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada.
La válvula de control consta básicamente de dos partes que son: la parte motriz o acuador  y el cuerpo.
Acuador: el acudor  también llamado accionador o motor, puede ser neumático, eléctrico o hidráulico, pero los mas utilizados son los dos primeros, por ser las mas sencillas y de rápida actuaciones.
Cuerpo de la válvula: este esta provisto de un obturador o tapón, los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas directamente ala misma. 

Válvula de compuerta:
 La válvula  de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento.
Recomendada para :
a)servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación.
b)Para uso poco frecuente.
c) Para resistencia mínima ala circulación.
d) Para minimas  cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería.
Ventejas:                                                        Desventajas:
Alta capacidad.                                 Control deficiente dela circulación.
Cierre hermetico.                             Se requiere mucha fuerza para accionarla.
Bajo costo.                                        Produce cavitación con baja caída de presión.
Diseño y funcionamiento sencillo.    Debe estar cubierta o cerrada por completo.
Poca resistencia ala circulación.     La posición para estrangulación producirá                 
                                                         erosión del asiento y del disco.

Válvula de macho:
La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta ala cerrada mediante un giro de 90°.
Ventajas:                                                Desventajas:
Alta capacidad.                                 Requiere alta torsión (par) para accionar.
Cierre hermético.                                Desgaste del asiento.
Funcionamiento rápido.                     Cavitación con baja caída de presión.
Bajo costo.

Válvulas de globo:
Una valvula de globo es de válvulas multiples, en el cual el cierre se logra por medio de un disco o tapon que cierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele cestar paralelo con la circulación en la tubería.
Desventajas:
Gran caída de presión.
Costo relativo elevado.
Ventajas:
Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento.
Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete.
Control preciso de la circulación.
Disponible con orificios multiples.

Valvulas de bola:
Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90°y cierra el conducto.
Ventajas:                                           Desventajas:
Bajo costo.                             Características deficientes para estrangulación.
Alta capacidad.                   Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras.
Corte bidireccional.
Pocas fugas.
Valvulas de mariposa:
Las valvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular o el eje de su orificio en angulos de rectos con el sentido de la circulación.
Ventajas:
Ligera de peso, compacta, bajo costo.
Requiere poco mantenimiento.
Numero minimo de piezas móviles.
Deventajas:
Alta torsión(par) para accionarla.
Capacidad limitada para caída de presión.
Propensa ala cavitación.

Válvula de diafragma:
La válvula de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor.
Desventajas:
Diafragma susceptible de desgaste.
Elevada torsión al cerrar con la tubería llena.
Ventajas:
Bajo costo.
Inmunerable a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los productos que circulan.

Válvula de apriete:
La valvula de apriete es de vueltas  múltiples y  efectúa el cierre por medio de uno o mas elementos flexibles como diafragmas o tubos de caucho que se pueden apretar u oprimir entre si para cortar la circulación.
Ventajas:
Poco mantenimiento.
Diseño sencillo.
Desventajas:
Aplicación limitada para vacio.
Dificil de determinar el tamaño.

Valvulas de retención de elevación:
Una valvula de retención de elevación es similar ala de globo, excepto que el disco se eleva con la presión normal e la tubería y se cierra por gravedad y la circulación inversal.
Ventajas:
Recorrido minimo del disco a la posición de apertura total.
   
Válvulas de retención de mariposa.
Una válvula de retención de mariposa tiene un disco dividido envisagrado en un eje en el centro del disco, de modo que un sello flexible sujeto al disco este a 45° con el cuerpo de la válvula, cuando esta  se encuentra cerrada. Luego, el disco sol se mueve una distancia corta desde el cuerpo hacia el centro de la válvula para abrir por completo-
Recomendada para:
a)    Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación en la tubería-
b)    Cuando hay cambios frecuentes en el sentido de la circulación
c)    Para uso con las válvulas de mariposa, macho, bola, diafragma o de apriete.
Aplicaciones:
Sirve para líquidos o gases.



Ventajas:
El diseño del cuerpo se presenta para la instalación de diversos tipos de camisas de asiento
Menos costosa cuando se necesita resistencia a la corrosión
Funcionamiento rápido.
La  sencillez del diseño permite construirlas con diámetros grandes-
Se puede instalar virtualmente en cualquier posición.

Válvulas de desahogo (alivio)
Una válvula de desahogo es de acción automática para tener regulación automática de la presión. El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre con lentitud conforme aumenta la presión, para regularla.
La válvula de seguridad es similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con un “salto” para descargar la presión excesiva ocasionada por gases o líquidos comprimibles.
El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se determina mediante formulas especificas.
Recomendada para:
a)    Sistemas en donde se necesita una gama predeterminada de presiones.
b)    Aplicaciones
c)    Agua caliente, vapor de agua, gases y vapores.

Ventajas:
Bajo costo.
No se requiere potencia auxiliar para la operación.


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