I cicli dei bioreattori pilota aerobi e anaerobi differiscono sia nell'allocazione del carbonio che nelle richieste di trasferimento di gas. In un ciclo aerobico, circa il 50% del carbonio del substrato può essere incorporato nella biomassa, mentre il resto viene ossidato per fornire energia cellulare, con l'ossigeno che funge da accettore finale di elettroni. In un ciclo anaerobico, meno del 30% può trasformarsi in biomassa, mentre una quota maggiore è diretta verso prodotti di fermentazione ridotti, sebbene la distribuzione esatta dipenda dall'organismo, dal substrato e dal percorso metabolico.
I processi aerobi sono limitati principalmente dal trasferimento di ossigeno e spesso favoriscono la formazione di biomassa; i processi anaerobi escludono l'ossigeno molecolare e tipicamente dirigono una maggiore quantità di carbonio del substrato verso i prodotti metabolici. L'operazione su scala pilota deve quindi passare dalla massimizzazione del trasferimento di ossigeno al mantenimento di condizioni anossiche affidabili e al controllo del metabolismo che produce il prodotto.
Come viene allocato il carbonio
I cicli aerobi favoriscono la crescita ossidativa
Gli organismi aerobi utilizzano l'ossigeno per ossidare parte del substrato di carbonio e generare energia. Il carbonio rimanente può essere incorporato nel nuovo materiale cellulare.
Come stima operativa generale basata sui riferimenti, circa metà del carbonio del substrato entra nella biomassa durante la crescita aerobica, mentre l'altra metà viene ossidata per produrre energia e rilasciata principalmente come anidride carbonica.
La resa effettiva in biomassa può differire sostanzialmente in base all'organismo, al substrato, al tasso di crescita, alla domanda di mantenimento e alla disponibilità di ossigeno. La cifra del 50% è quindi un utile punto di riferimento concettuale piuttosto che una costante di processo universale.
I cicli anaerobi favoriscono la formazione di prodotti
Gli organismi anaerobi generano energia senza ossigeno molecolare, comunemente trasferendo elettroni a intermedi metabolici prodotti internamente o ad altri accettori non ossigenati. Ciò porta spesso alla formazione di alcoli, acidi organici, gas o altri prodotti ridotti.
Nel confronto tra impianti pilota citato, meno del 30% del carbonio del substrato viene convertito in biomassa in condizioni anaerobiche. Una frazione maggiore viene indirizzata verso i prodotti target e i relativi sottoprodotti.
Ciò non significa che tutto il carbonio rimanente diventi il prodotto desiderato. Il carbonio può anche essere distribuito tra anidride carbonica, prodotti alternativi, substrato residuo e biomassa.
L'allocazione del carbonio è una variabile di processo
La ripartizione del carbonio dipende dal percorso metabolico dell'organismo e dalle condizioni operative selezionate. pH, temperatura, concentrazione del substrato, velocità di alimentazione, stato redox e inibizione del prodotto possono tutti modificare l'equilibrio tra crescita e formazione del prodotto.
Per i cicli pilota, gli operatori dovrebbero misurare gli input e gli output di carbonio piuttosto che presumere che una percentuale fissa si applichi a ogni fermentazione.
Perché i requisiti di ossigeno cambiano
I cicli aerobi richiedono un apporto continuo di ossigeno
Le colture aerobiche richiedono una fornitura continua di ossigeno gassoso perché l'ossigeno disciolto è scarsamente solubile nei mezzi acquosi. L'ossigeno deve essere trasferito dalla fase gassosa al liquido e quindi consumato dalle cellule.
Il bioreattore pilota deve quindi fornire un tasso di trasferimento di ossigeno (OTR) sufficiente a soddisfare il tasso di assorbimento di ossigeno (OUR) della coltura. Gli operatori regolano comunemente il flusso di gas, l'arricchimento di ossigeno, l'agitazione, la pressione e le prestazioni dello sparger per mantenere il livello di ossigeno disciolto target.
I cicli anaerobi richiedono l'esclusione dell'ossigeno
Le colture anaerobiche non richiedono ossigeno come accettore finale di elettroni. Gli anaerobi stretti possono essere inibiti o danneggiati dall'esposizione all'ossigeno, quindi l'obiettivo operativo è impedire l'ingresso di ossigeno e rimuovere l'ossigeno disciolto o presente nello spazio di testa residuo.
I sistemi pilota possono utilizzare spurgo con gas inerte, recipienti sigillati, alimentazioni prive di ossigeno e raccolta controllata dei gas. Il sistema del gas rimane importante, ma il suo scopo cambia dal fornire ossigeno alla protezione anossica e alla gestione dei gas evoluti.
Anaerobico non significa assenza di controllo dei gas
La fermentazione anaerobica può generare anidride carbonica, idrogeno, metano o prodotti volatili, a seconda del processo. Questi gas devono essere sfiatati, raccolti, misurati o trattati in sicurezza.
Un reattore anaerobico ha quindi requisiti di trasferimento di ossigeno inferiori, ma potrebbe comunque necessitare di un controllo preciso della pressione del gas, del flusso, della composizione e del tempo di residenza.
In che modo il tipo di substrato influisce sulla domanda di ossigeno aerobico
I substrati ridotti richiedono più ossigeno
I substrati altamente ridotti, come gli n-alcani o il metano, contengono più elettroni disponibili per unità di carbonio rispetto ai substrati parzialmente ossidati come il glucosio. La loro completa ossidazione aerobica richiede quindi più ossigeno.
Ciò può aumentare il consumo specifico di ossigeno della coltura e aumentare la capacità richiesta di kLa e OTR del bioreattore pilota.
Una maggiore domanda di ossigeno può ridurre la resa basata sull'ossigeno
Un substrato ridotto può offrire un'elevata resa teorica di biomassa per grammo di substrato, ma generalmente fornisce meno biomassa per unità di ossigeno consumato. In termini pratici, il processo può avere abbondanza di carbonio pur essendo limitato dalla capacità del reattore di fornire ossigeno.
Ecco perché la selezione del substrato e la progettazione del trasferimento di ossigeno devono essere considerate insieme.
La domanda di ossigeno crea anche calore
L'ossidazione aerobica trasferisce elettroni all'ossigeno e rilascia energia metabolica sotto forma di calore. I substrati più ridotti possono quindi creare un carico termico maggiore per unità di biomassa prodotta.
Le apparecchiature pilota potrebbero necessitare di una maggiore superficie di scambio termico, un flusso di refrigerante più elevato o una capacità di raffreddamento aggiuntiva per mantenere una temperatura di coltura stabile.
Cosa devono controllare le apparecchiature su scala pilota
Le apparecchiature aerobiche danno priorità al trasferimento di massa multifase
I bioreattori pilota aerobi devono gestire la miscelazione gas-liquido-solido, le prestazioni dello sparger, la dispersione delle bolle, l'agitazione e la misurazione dell'ossigeno disciolto. Questi fattori determinano se l'ossigeno raggiunge le cellule abbastanza rapidamente da sostenere il tasso di crescita previsto.
Una sequenza di controllo comune consiste nel mantenere l'ossigeno disciolto aumentando prima l'agitazione, poi il flusso di gas o l'arricchimento di ossigeno, se necessario. La sequenza esatta dipende dai limiti dell'attrezzatura e dagli obiettivi del processo.
Le apparecchiature anaerobiche danno priorità all'integrità anossica
I sistemi anaerobici si concentrano sull'esclusione dell'ossigeno, sulla sigillatura affidabile, sullo spurgo con gas inerte e sul controllo costante della temperatura e del pH. Le configurazioni a miscelazione completa sono comunemente utilizzate per mantenere condizioni uniformi in tutto il recipiente.
La raccolta e il monitoraggio dei gas diventano importanti anche quando il processo produce gas combustibili, tossici o corrosivi.
Entrambe le configurazioni necessitano di un controllo di base solido
Nessuna modalità operativa elimina la necessità di un controllo robusto di temperatura, pH, miscelazione, alimentazione, campionamento e pressione. La differenza sta in quale limitazione di trasporto domina.
I cicli aerobici sono comunemente limitati dal trasferimento di ossigeno e dalla rimozione del calore. I cicli anaerobici sono comunemente limitati dall'ingresso di ossigeno, dal controllo redox, dall'accumulo di prodotto e dalla gestione dei gas.
Comprendere i compromessi
La resa in biomassa non è uguale alla resa in prodotto
L'operazione aerobica può dirigere una frazione maggiore di carbonio verso la biomassa, il che è utile quando l'obiettivo è la produzione cellulare o la sintesi associata alla crescita. Tuttavia, un'elevata disponibilità di ossigeno non massimizza automaticamente il prodotto desiderato.
L'operazione anaerobica può dirigere più carbonio verso i prodotti, ma miscele di prodotti, tassi di crescita inferiori e una ridotta robustezza fisiologica possono complicare la lavorazione a valle.
La limitazione dell'ossigeno può modificare il metabolismo previsto
Un processo aerobico che non riesce a trasferire abbastanza ossigeno può alterare il metabolismo, ridurre la crescita, aumentare i sottoprodotti indesiderati o produrre risultati incoerenti. Aumentare il solo flusso d'aria potrebbe non risolvere il problema se l'agitazione, la capacità dello sparger, la pressione o il raffreddamento sono limitanti.
Il controllo di progettazione pertinente consiste nel verificare se l'intero sistema del reattore può soddisfare l'OUR di picco mantenendo la temperatura e condizioni di taglio accettabili.
L'esclusione dell'ossigeno può essere difficile su scala pilota
L'operazione anaerobica non si ottiene semplicemente interrompendo l'aerazione. L'ossigeno può entrare attraverso alimentazioni, guarnizioni, porte di campionamento, perdite e apparecchiature non sufficientemente spurgate.
I protocolli pilota dovrebbero definire le condizioni di spurgo, i punti di monitoraggio dell'ossigeno, le procedure di trasferimento e le risposte ai guasti delle condizioni anossiche.
Le percentuali di carbonio non dovrebbero essere utilizzate come garanzie di progettazione
L'allocazione approssimativa del 50% di biomassa aerobica e inferiore al 30% di biomassa anaerobica è utile per spiegare il contrasto, ma non sostituisce le rese misurate.
La progettazione e lo scale-up dovrebbero utilizzare valori specifici dell'organismo per resa in biomassa, resa in prodotto, assorbimento di ossigeno, evoluzione di anidride carbonica, generazione di calore e requisiti di mantenimento.
Fare la scelta giusta per il proprio obiettivo
La modalità operativa dovrebbe essere selezionata in base alla destinazione del carbonio desiderata e alle capacità di controllo dell'impianto pilota.
- Se il tuo obiettivo principale è la produzione di biomassa: Prediligi una configurazione aerobica con adeguato sparging, agitazione, controllo dell'ossigeno disciolto e capacità di raffreddamento per supportare una crescita ossidativa sostenuta.
- Se il tuo obiettivo principale è la formazione di prodotti anaerobici: Utilizza un sistema sigillato o efficacemente spurgato che escluda l'ossigeno fornendo al contempo un controllo preciso di temperatura, pH, alimentazione e gas di prodotto.
- Se il tuo obiettivo principale sono i substrati altamente ridotti: Dimensiona i sistemi di trasferimento di gas e raffreddamento aerobici per una maggiore domanda di ossigeno e generazione di calore metabolico.
- Se il tuo obiettivo principale è la comparabilità su scala pilota: Traccia i bilanci del carbonio, la resa in biomassa, la resa in prodotto, l'OUR, la composizione del gas e il carico termico per ogni ciclo invece di affidarti a percentuali di allocazione generiche.
La decisione ingegneristica centrale è se il processo debba massimizzare la formazione di biomassa ossidativa o la formazione di prodotti senza ossigeno, quindi fornire l'infrastruttura di trasferimento di gas e controllo che corrisponde a tale obiettivo.
Tabella riassuntiva:
| Aspetto | Cicli aerobi | Cicli anaerobi |
|---|---|---|
| Allocazione tipica del carbonio | Circa il 50% può sostenere la biomassa; gran parte del resto viene ossidato per energia | Meno del 30% può diventare biomassa; solitamente più carbonio forma prodotti e sottoprodotti |
| Requisito di gas | Fornitura continua di ossigeno per soddisfare il tasso di assorbimento di ossigeno (OUR) | Esclusione dell'ossigeno tramite spurgo, sigillatura e alimentazioni prive di ossigeno |
| Focus principale della progettazione | Tasso di trasferimento di ossigeno (OTR), kLa, agitazione, sparging e raffreddamento | Integrità anossica, controllo redox, raccolta dei gas e sfiato sicuro |
| Risultato metabolico comune | Maggiore enfasi sulla crescita ossidativa e sulla formazione di biomassa | Maggiore enfasi sui prodotti di fermentazione, gas e composti ridotti |
| Rischi chiave | Limitazione dell'ossigeno, sottoprodotti indesiderati e accumulo di calore | Ingresso di ossigeno, inibizione del prodotto e generazione incontrollata di gas |
| Misurazioni raccomandate | Resa in biomassa, OUR, OTR, anidride carbonica, temperatura e carico termico | Bilancio del carbonio, resa in prodotto, ossigeno disciolto, composizione del gas e ingresso di ossigeno |
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