OTTIMIZZARE LA FERMENTAZIONE

Il tasso volumetrico di trasferimento dell’ossigeno (OTR) è definito dal coefficiente volumetrico di trasferimento kLa, dalla solubilità dell’ossigeno nel brodo di fermentazione c* e dal consumo volumetrico di ossigeno da parte dei microrganismi. Tra l’apporto e il consumo di ossigeno nel brodo di fermentazione si stabilisce un equilibrio dinamico che determina la concentrazione di ossigeno disciolto cL nella fase liquida, in base alla formula: Fattori quali la pressione (pressione operativa e altezza statica del punto di alimentazione) e temperatura ma anche la concentrazione dei componenti disciolti nel brodo di fermentazione, come agenti antischiuma e sali nutritivi, influenzano la solubilità dell’ossigeno c*. I diversi tipi di microrganismi raggiungono la massima capacità metabolica se la concentrazione di ossigeno disciolto cL non scende al di sotto di un limite critico tipico per ciascun organismo. Perciò è importante che questo valore sia mantenuto all’interno dell’intero reattore. Il consumo specifico di ossigeno da parte dei microrganismi viene solitamente acquisito mediante test o dati pilota da reattori esistenti.
Al fine di raggiungere il valore OTR necessario, il sistema di agitazione e dispersione gas deve essere in grado di raggiungere un valore kLa sufficientemente elevato. Il valore kLa, in un dato sistema materiali, è influenzato principalmente dall’apporto specifico di energia delle giranti (P/V) e dalla velocità superficiale del gas vsg, secondo la formula: La costante k combina le proprietà materiali specifiche del gas e del liquido con quelle del sistema di dispersione gas. Gli esponenti α e β sono costanti adatte a un vasto range operativo per ogni sistema dato, tuttavia il loro valore dipende strettamente dal comportamento di coalescenza della fase continua. Se le costanti α e β non sono note da sistemi simili, è possibile determinarle per il sistema specifico mediante appositi test pilota. Il calore metabolico dei microrganismi è di circa 500 kJ per mole di ossigeno. L’impianto deve essere progettato per il relativo trasferimento di calore, a tal proposito deve essere considerato che il rapporto tra la superficie di scambio termico della parete del serbatoio A e il volume del fermentatore V (con valori crescenti) tende a diminuire (A/V ∼ 1/d).

Per sfruttare in modo più efficiente il concetto della “economia di scala”, si registra una tendenza verso un costante aumento della capacità degli impianti. Pertanto, il trasferimento di calore dal fermentatore assume sempre più importanza. I brodi di fermentazione caratterizzati da una maggiore viscosità η, come nel caso della produzione di antibiotici, rappresentano una sfida ancora più grande, poiché il coefficiente di trasferimento del calore per la parte di agitazione diminuisce a una viscosità corrispondente a αi ∼ η^-1/3.
L’incremento di αi grazie ad aumentate prestazioni di agitazione non si rivela necessariamente utile, dal momento che la potenza all’albero viene sempre convertita in calore, con ripercussioni sul brodo di fermentazione. Per questa ragione, sussiste un limite relativo all’equilibrio termico all’interno del fermentatore oltre il quale l’energia indotta, generata dal metabolismo dei microrganismi e dall’apporto energetico delle giranti, produce calore in una quantità tale da non poter essere rimossa solo dalle pareti del serbatoio.
In questi casi, il fermentatore deve essere dotato di apposite serpentine di raffreddamento. Il dimensionamento delle giranti riveste un ruolo di primaria importanza in relazione al trasferimento del calore, in particolare per i fluidi non newtoniani.

I fermentatori industriali utilizzano solitamente turbine a disco multistadio con pale piane, aventi rapporto tra il diametro della turbina e il diametro del serbatoio pari a d2/d1 ~ 0,3-0,5. Tuttavia, in presenza di turbine a disco multistadio con pale piane, si verifica generalmente la formazione di compartimenti all’interno del serbatoio: attorno ad ogni stadio di girante si viene a creare una zona ben miscelata, con due vortici ad anello stabili. Tuttavia, tra i singoli compartimenti si verifica un trasferimento di massa relativamente limitato. Di conseguenza, il tempo di miscelazione per l’intero reattore aumenta sensibilmente nel caso di serbatoi stretti ed alti. Ad esempio, con questo tipo di serbatoi possono insorgere delle notevoli disomogeneità in termini di pH o di distribuzione delle sostanze nutritive, con ripercussioni sui trend di controllo. Con turbine a disco con pale piane, il trasferimento di potenza cala fortemente in presenza di gas. Il motore deve però essere dimensionato per assicurare l’apporto di energia in assenza di gas, il che comporta un fattore di sicurezza meccanico superfluo ai fini del processo e un conseguente aumento dei costi. In alternativa, si deve prevedere un variatore di frequenza o un motore a polarità variabile. A velocità fisse, il consumo di energia varia considerevolmente durante il ciclo di produzione di ciascun lotto a causa delle diverse condizioni di distribuzione del gas; dunque, è molto difficile giungere a un design ottimale in termini di OTR. Inoltre, con l’aumentare delle portate di alimentazione del gas con le turbine a pale piane il punto di flooding viene raggiunto in tempi relativamente brevi, dopodiché l’aria non si disperde più totalmente ma sale lungo l’albero sotto forma di bolle di dimensioni relativamente grandi. Questa eventualità deve essere evitata, poiché la formula relativa a kL a precedentemente illustrata non sarebbe più valida. L’aria alimentata oltre il punto di flooding non contribuisce significativamente al trasferimento di massa, comportando anzi uno spreco di potenza al compressore.
Miscelazione radiale e assiale combinate
La combinazione tra un dispersore principale per il gas alimentato con miscelazione radiale (EKATO PHASEJET) e una girante secondaria assiale (EKATO COMBIJET) minimizza i punti deboli delle turbine a disco tradizionali. Entrambe le giranti sono di tipo concavo, tipologia nota per la stabilità operativa in termini di consumi energetici. In molti casi, l’agitatore può essere progettato con velocità fissa per esercizio senza dispersione o con diverse situazioni di dispersione di gas. Ciò rappresenta un vantaggio dal punto di vista dell’investimento in quanto il limite di flooding di PHASEJET consente una portata di gas considerevolmente maggiore, con un potenziale di incremento della capacità rispetto alle turbine a disco a pale piane. Per prima cosa COMBIJET crea componenti di flusso assiali, i quali comportano un trasferimento convettivo di massa più rapido tra i singoli stadi delle giranti. I tempi di miscelazione possono essere ridotti di oltre la metà mantenendo lo stesso apporto di energia e lo stesso tasso di trasferimento dell’aria. La maggiore omogeneità ripaga, non solo con un controllo più stabile ma anche con una più uniforme distribuzione delle condizioni vitali per i microrganismi, che consente di incrementare la produttività e ridurre la gamma dei sottoprodotti.

La combinazione tra un dispersore principale per il gas alimentato con miscelazione radiale (EKATO PHASEJET) e una girante secondaria assiale (EKATO COMBIJET) minimizza i punti deboli delle turbine a disco tradizionali. Entrambe le giranti sono di tipo concavo, tipologia nota per la stabilità operativa in termini di consumi energetici. In molti casi, l’agitatore può essere progettato con velocità fissa per esercizio senza dispersione o con diverse situazioni di dispersione di gas. Ciò rappresenta un vantaggio dal punto di vista dell’investimento in quanto il limite di flooding di PHASEJET consente una portata di gas considerevolmente maggiore, con un potenziale di incremento della capacità rispetto alle turbine a disco a pale piane. Per prima cosa COMBIJET crea componenti di flusso assiali, i quali comportano un trasferimento convettivo di massa più rapido tra i singoli stadi delle giranti.
I tempi di miscelazione possono essere ridotti di oltre la metà mantenendo lo stesso apporto di energia e lo stesso tasso di trasferimento dell’aria.
La maggiore omogeneità ripaga, non solo con un controllo più stabile ma anche con una più uniforme distribuzione delle condizioni vitali per i microrganismi, che consente di incrementare la produttività e ridurre la gamma dei sottoprodotti.

Il sistema di agitazione con EKATO PHASEJET e COMBIJET offre molti vantaggi in termini di tecnologia di processo. Inoltre le spinte idrauliche radiali sono inferiori rispetto a quelle delle turbine a disco con pale piane; pertanto, grazie al numero di potenza inferiore si ottiene un minore trasferimento di coppia a pari potenza all’albero e maggiore velocità. Entrambi i fattori conducono a vantaggi economici, dal momento che risultano necessarie dimensioni inferiori per albero, tenuta meccanica e riduttore. Spesso, in fase di progettazione, molti utenti sottovalutano le sollecitazioni meccaniche del fermentatore, che consiste in serbatoio, agitatore e componenti interni quali frangiflutti, scambiatore di calore e dispositivi di alimentazione del gas. La pressione di progetto è normalmente di circa 3 bar, e occorre considerare anche il peso dell’agitatore. In queste condizioni di carico, il calcolo statico richiederebbe pareti molto sottili, tuttavia è necessario tenere conto delle sollecitazioni dinamiche trasmesse al fondo superiore del serbatoio dall’albero e dalla lanterna dell’agitatore e che possono generare livelli di vibrazioni insopportabili con conseguente formazione di cricche. Persino i componenti interni, come lo scambiatore di calore, sono esposti a elevate sollecitazioni dinamiche causate dal flusso turbolento all’interno del serbatoio dato che la potenza specifica di miscelazione nei fermentatori è compresa tra 1 e 8 kW/m3. Oltre al carico derivante dalla pressione sulle parti citate, si deve anche considerare che le serpentine di riscaldamento/ raffreddamento generano una propria frequenza naturale causata dal distacco dei vortici: ciò determina vibrazioni di risonanza, con danni che si verificano solitamente in breve tempo. I costi che ne conseguono non si limitano a quelli di riparazioni e modiche. Le perdite di prodotto e i costi di fermo impianto possono superare i primi di gran lunga. Anche l’intero serbatoio con la struttura di supporto rappresenta un sistema che può essere soggetto a vibrazioni indotte dalla propria frequenza naturale.

Solo un approccio olistico è in grado di garantire il funzionamento sicuro del sistema di agitazione. Questo comprende i carichi dinamici e idraulici sulle giranti, sull’albero e su tutti i componenti interni. Conoscere le velocità di flusso locali consente di determinare le frequenze di sollecitazione generate dai componenti. Questi dati, utilizzati nelle analisi modali e agli elementi finiti, consentono di definire le sollecitazioni locali che agiscono su tutti i componenti critici e le loro frequenze naturali. Determinare le necessarie misure di progettazione sulla base di questi dati rappresenta l’ultima fase.
L’approvvigionamento di agitatore e serbatoio da un’unica fonte non solo risparmia all’operatore la gestione dell’interfaccia, ma fa sì che l’implementazione dei requisiti di processo e delle relative soluzioni costruttive si traduca in un impianto economico e sicuro dal punto di vista operativo.

Articolo pubblicato su ICP Magazine N. 2 2026
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