Mezcla y Distribución Espacial en Biorreactores.
Durante estos primeros estudios, se investigaron los conceptos básicos de los fenómenos de mezcla y distribución espacial en biorreactores. Oosterhuis y Kossen caracterizaron el impacto en diferentes parámetros de ingeniería, como la entrada de energía, la transferencia de oxígeno mediante un modelo de dos compartimentos y un modelo de cinco compartimentos para efectos de escalado, respectivamente.
Este último mostró claramente que la tasa de transferencia de oxígeno difiere en varias partes de un reactor. Se proporcionaron datos sobre la dependencia de la tasa de transferencia de oxígeno, la retención de gas y la velocidad del agitador. La circulación del líquido y el tiempo de mezcla se determinaron con una radiopíldora en el mismo biorreactor de 19 m3 en un estudio posterior.
La circulación del líquido y el tiempo de mezcla se determinaron con una radiopíldora en el mismo biorreactor de 19 m3 en un estudio posterior. A partir de los experimentos, que se realizaron en agua, se desarrolló un primer modelo que describía la circulación del líquido por diferentes compartimentos del biorreactor.
El tiempo de circulación estuvo fuertemente influenciado por la tasa de aireación y difería en varias regiones del biorreactor. Estos estudios proporcionaron una buena base experimental y teórica de que los microorganismos en cultivos a gran escala podrían estar expuestos a condiciones ambientales cambiantes. Paralelamente, Sweere et al. realizaron experimentos a pequeña escala, a los que se les aplicaron oscilaciones de oxígeno.
Proporcionaron evidencia de mezcla y distribución espacial en biorreactores de que los microorganismos responden a tales fluctuaciones con la levadura como ejemplo. Estos estudios también proporcionaron los primeros datos sobre la respuesta de la levadura en función de la duración del ciclo, es decir, el intervalo de tiempo de las fluctuaciones para la producción de biomasa y varios metabolitos (etanol, ácido acético, glicerol).
Se observaron distintas respuestas cuando las fases de limitación de oxígeno duraron más de 7,5 s con un tiempo de ciclo total de 30 a 60 s. Swere et al. estudiaron los efectos de una zona de alimentación de glucosa en el metabolismo de la levadura en un simulador a pequeña escala.
Por lo tanto, se utilizó un sistema de dos compartimentos que constaba de dos reactores de tanque de acero agitado. Los autores examinaron la respuesta en varios tiempos de circulación.
Ya un tiempo de circulación de 1 min redujo el rendimiento de biomasa en un 10% y mostró claramente la acumulación de etanol. Estos estudios provocaron la conclusión de que la cinética de respuesta y relajación del sistema biológico sería un parámetro clave para describir el comportamiento del proceso.
Un importante estudio, de mezcla y distribución espacial en biorreactores, de esa época descrito por Vardar y Lilly mostró que las concentraciones de oxígeno en ciclos reducen la tasa de formación del producto de penicilina en Penicillium sp. cultivos.
Si la tasa de respiración se reduce al 90% del valor máximo, no se forma ningún producto. Los autores demostraron que las oscilaciones de la tensión de oxígeno disuelto en torno al valor crítico y la falta de oxígeno durante 16 min dieron como resultado una reducción irreversible de la tasa de consumo de oxígeno (OUR) y la producción de penicilina.
Estos estudios implicaron estudios fisiológicos detallados, que investigaron el efecto de las adiciones discontinuas o cíclicas de alimentos en la dinámica de los cultivos microbianos.
Tales investigaciones se realizaron con la mayoría de los organismos, que generalmente se aplican en la producción a gran escala, incluidos Penicillium chrysogenum, cepas de Streptomyces, levadura de panadería, Gluconobacter oxydans para la fermentación de ácido glucónico e incluso butanol. producción por Clostridium sp.
También se realizó un interesante estudio, mezcla y distribución espacial en biorreactores, sobre la degradación de la parafina por levaduras además de la desulfuración del carbón y el tratamiento de aguas residuales.
Todos los estudios de este período describen preferentemente perturbaciones de aireación o alimentación.
Sin embargo, las primeras ideas surgieron al utilizar reactores de flujo pistón o de bucle para separar las diferentes zonas en un sistema de biorreactor y estudiar la cinética de respuesta microbiana en detalle.
Además de Katinger, Gschwend et al. utilizaron un modelo de dos compartimentos de un biorreactor de circuito único (100 l torus) con un agitador integrado.
Se detectaron diferentes concentraciones de NADH mediante determinación de fluorescencia en línea a 460 nm en un cultivo de quimiostato continuo en las dos partes diferentes del reactor de escala reducida.
Por lo tanto, se demostró una respuesta fisiológica oscilatoria de la levadura estrictamente aeróbica Trichosporon cutaneum.
Otro sistema de circulación fue aplicado por Larson y Enfors, quienes utilizaron un reactor de tanque agitado con un circuito externo.
Su sistema fue más fácil de implementar en sistemas de biorreactor de laboratorio estándar.
Por lo tanto, se aplicó en estudios posteriores, sin embargo, con varias modificaciones.
Paralelamente a la pregunta de cómo los microorganismos responden a ciertas zonas en un biorreactor grande, surgió la pregunta de qué parámetros podrían probar tal respuesta.
Si bien la relación NAD+/NADH fue adecuada para seguir las respuestas a la limitación de oxígeno, se propuso que es probable que la zona de alimentación de los biorreactores a gran escala provoque actividades metabólicas altas y, en consecuencia, cause limitación de oxígeno.
Cleland y Enfors propusieron medir H2 como un metabolito anaeróbico además de la relación NAD+/NADH en cultivos de Escherichia coli.