Evaluación de un sistema de aireación externo en la fermentación con Lactococcus lactis

Abstract

En fermentaciones aerobias uno de los nutrientes que se constituye en limitante es el oxígeno, del cual la transferencia esta afectada por variables como el tamaño de burbuja, la temperatura, la presión, las propiedades del medio líquido, la concentración de oxígeno en el gas, la potencia transferida por la agitación, entre otras. En este trabajo se diseño, construyó y evaluó un aireador externo acoplado a fermentadores del tipo tanque agitado. Se empleó como modelo biológico una fermentación aeróbica con un Lactococcus sp que presenta extrema limitación de oxígeno. El sistema de aireación externo emplea un microburbujeador de acero sinterizado y recirculación de medio de cultivo, aumentando la presión y disminuyendo el diámetro de la burbuja. La caracterización mediante análisis dimensional de éste dispositivo permite su implementación en otros cultivos con microorganismos aerobios con alta demanda de oxígeno o células de mamíferos de alta sensibilidad a esfuerzos de corte. Se determina que las variables que tienen efecto significativo sobre el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno-kLa- son la agitación y el flujo de recirculación, aumentando el kLa desde valores de 20.16(h-1) en el fermentador convencional con aireación interna, hasta valores de kLa de 90 (h-1) con el aireador externo. Se comprueba que el dispositivo es un sistema de alta tasa de transferencia de oxígeno. El estudio incluye las cinéticas de crecimiento y los valores de kLa medidos por la técnica dinámica durante la fase exponencial, para diferentes condiciones de operación, encontrando una condición base donde se elimina la limitación de oxigeno. Además presenta un análisis adimensional de las variables y su correlación con los datos experimentales. / Abstract. The aerobic fermentations usually have oxygen limitation. The oxygen transfer is affected by variables such as bubble size, temperature, pressure, culture medium properties, the concentration of oxygen, agitation rate, and others. This work is oriented to design, built and evaluates an external aerator in stirred tank fermenters. Lactococcus sp was used as biological model an aerobic fermentation, which has extreme oxygen limitation. The system uses an external sintered steel microbubbles diffuser and medium recirculation, it increase pressure and decrease bubble diameter. The characterization by dimensional analysis allows system implementation in other aerobic culture with high oxygen demand or high shear stress sensitive cells like mammalian cells. The highest effect on the volumetric oxygen transfer coefficient -kLa-is caused by agitation rate and recirculation flow, increasing the values of kLa from 20.16 (h-1) in the fermenter conventional with internal aeration until kLa values of 90 (h-1) with external aerator. It is verified that the device is a high rate oxygen transfer system. The study includes the kinetics of growth and kLa values measured by the dynamic technique during the exponential phase, for different operating conditions, finding a base condition which removes the limitation of oxygen. Also presents a dimensionless analysis of the variables and their correlation with experimental data.