comportarea reologica

161

Comportarea reologică a lichidelor de fermentaţie

C. ONISCU*, ANCA-IRINA GALACTION**, DAN CAŞCAVAL*

* Universitatea Tehnică "Gh. Asachi" Iaşi, Facultatea de Chimie Industrială,Catedra: Industrii Organice şi Biotehnologie** Universitatea de Medicină şi Farmacie "Gr.T.Popa" Iaşi, Facultatea de Bioinginerie Medicală,Catedra: Substanţe Bioactive şi Biotehnologii Medicale

1. Tipuri de comportări reologice ale lichidelor de fermentaţie

Procesele de fermentaţie, în general, pe lîngă particularităţile pe care leprezintă comparativ cu procesele chimice, sunt caracterizate de comportărireologice specifice şi de modificarea caracteristicilor reologice în timp.Cunoaşterea modului de curgere a acestor lichide, precum şi evoluţia acestuia întimpul fermentaţiei reprezintă o condiţie esenţială pentru conducerea la parametriioptimi a procesului de biosinteză respectiv.

În afara unor valori ridicate ale vîscozităţii lichidelor de fermentaţie, valoriatinse în industria chimică doar în cazul prelucrării unor soluţii sau topituri depolimeri, proceselor de fermentaţie le mai este caracteristică modificarea tipului decurgere a lichidelor prelucrate, ca rezultat al acumulării biomasei sau a unorproduse de biosinteză cu masă moleculară ridicată (polizaharide extracelulare,proteine, enzime) în sistem, precum şi datorită consumării substratului. Din acestmotiv, valorile caracteristicilor reologice ale unui lichid de fermentaţie (vîscozitate,tensiune de forfecare, viteză de forfecare, indice de curgere, indice de consistenţăetc.) atinse la un moment dat constituie un indicator al stadiului în care se găseşteprocesul de biosinteză, fiind un element de control al evoluţiei acestuia.

Lichidele de fermentaţie ale diferitelor tipuri de microorganisme cultivateposedă, în principal, următoarele tipuri de comportări reologice:

• lichide newtoniene (ideale)• lichide nenewtoniene (reale), care, la rîndul lor, pot fi:

- lichide nenewtoniene independente de timp- lichide nenewtoniene dependente de timp- lichide nenewtoniene cu comportări multiple.

Fiecărei culturi microbiene îi este caracteristică o anumită comportarereologică predominantă, însă, în funcţie de condiţiile de biosinteză, pot apăreaaspecte specifice altui tip de curgere.

Caracteristicile reologice ale lichidelor de fermentaţie exercită o influenţădecisivă asupra performanţelor procesului de biosinteză respectiv, controlînd vitezatransferului de masă şi de căldură, condiţiile în care se realizează amestecareamediului de cultură, aeraţia, precum şi operaţiile ulterioare de separare (filtrare,extracţie etc.).

C. Oniscu, Anca-Irina Galaction, D. Caşcaval

162

1.1. Comportarea reologică a lichidelor de fermentaţie newtoniene

Pentru caracterizarea comportării reologice a unui lichid oarecare, seutilizează o serie de mărimi specifice:

• vîscozitatea dinamică, ηηηη, care reprezintă capacitatea lichidului de a seopune curgerii şi este rezultatul interacţiunilor şi a forţelor de frecarecare apar între moleculele lichidului

• tensiunea de forfecare, ττττ, care reprezintă raportul între forţa aplicatălichidului respectiv, care determină curgerea acestuia, şi suprafaţa pecare este aplicată această forţă

• viteza de forfecare (de deformare), γγγγ, care reprezintă variaţia vitezeide curgere a lichidului în stratul de lichid

Curgerea lichidelor newtoniene este descrisă de legea lui Newton, careindică faptul că lichidele newtoniene sunt acele lichide la care între tensiunea deforfecare şi viteza de forfecare există o proporţionalitate directă, redată prinecuaţia:

τ η γ= ⋅ (1.1)O caracteristică a acestor lichide este aceea că vîscozitatea lichidelor

newtoniene rămîne constantă pentru orice valoare a tensiunii sau a vitezei deforfecare, reprezentînd panta dreptei trasate în coordonatele τ - γ (figura 1.1).

Datorită forţelor de frecare transmise perpendicular pe direcţia de curgere,lichidul va curge în acelaşi sens, dar cu o viteză mai mică, viteză care poate atingevaloarea 0 în vecinătatea unei suprafeţe solide imobile. Din acest motiv, ecuaţia(1.1) poate fi scrisă:

τ η γ= − ⋅ (1.2)expresie care constituie legea de frecare a lui Newton, valabilă pentru curgerealaminară.

Figura 1.1. Variaţia tensiunii de forfecare şi a vîscozităţii în funcţie de viteza de forfecarepentru un lichid de fermentaţie newtonian.

η b

γ

τ a

γ


163

Profilul curgerii lichidelor newtoniene depinde de viteza acestora,respectiv de regimul de curgere. Astfel, la curgerea unui lichid de fermentaţienewtonian în regim laminar printr-o conductă cu secţiune circulară, profilul esteparabolic (figura 1.2).

vmaxim

Figura 1.2. Profilul curgerii laminare a unui lichid de fermentaţie newtonian.

Valoarea vitezei de curgere variază între 0, în vecinătatea peretelui, şivaloarea maximă, vmaxim, în centrul conductei.

Profilul de curgere în conducte cu secţiune circulară este asemănător celuipentru curgerea laminară, dar mai aplatizat (figura 1.3).

vmaxim

Figura 1.3. Profilul curgerii turbulente a unui lichid de fermentaţie newtonian.

Din categoria fluidelor cu comportare newtoniană (ideală) fac parte, lamodul general: gazele, apa, dispersii de gaze în apă, lichide cu masă molecularămică, soluţii apoase ale unor componenţi cu masă moleculară redusă, unele soluţiidiluate.

Informaţiile existente în literatura de specialitate indică faptul că lichidelede fermentaţie care conţin fie microorganisme, fie substrat cu o formă relativsferică a particulelor (masă celulară, substrat), iar aceste particule se găsesc într-odiluţie relativ ridicată, au o comportare newtoniană.

Acest tip de curgere se întîlneşte, în special, în cazul lichidelor defermentaţie ale bacteriilor şi drojdiilor, dar comportarea acestora depindeputernic de mărimea şi de concentraţia masei celulare. Însă, vîscozitatea lichidelorde fermentaţie newtoniene creşte puternic odată cu acumularea biomasei, evoluţiecare poate determina şi modificarea comportării reologice (figura 1.4).


164

Figura 1.4. Variaţia vîscozităţii suspensiilor de drojdii în funcţie de concentraţia biomasei.

Pentru suspensiile de biomasă cu comportare newtoniană, corelaţia dintrevîscozitate, ηS, mărimea, respectiv fracţia volumică, φ, a microorganismului estedescrisă de ecuaţia generală următoare:

[ ]η η φS L fe= ⋅ +1 (, ) (1.3)

în care: ηL - vîscozitatea lichidului în care sunt suspendate celulele e - raportul dintre lungimea şi diametrul celulei (în cazul particulelor sferice, e = 1).

Expresia generală capătă forme particulare, în funcţie de concentraţiamicroorganismelor din lichid. Astfel, pentru suspensii de drojdii cu o fracţievolumică redusă, se poate aplica relaţia lui Einstein:

( )η η φS L= ⋅ +1 25,

Pentru suspensii de drojdii şi spori cu φ > 14%, se utilizează ecuaţia lui Vand:

( )η η φ φS L= ⋅ + +1 25 725 2, , .

Pentru φ < 5%, vîscozitatea suspensiilor de Saccharomyces cerevisiae secalculează cu o relaţie specifică:

η θ η φS L= − ⋅ +202

1136

,,

0

2

4

6

70 80 90 100

Cx, g drojdie/100

η.10-3 , cP


165

De asemenea, culturile unor actinomicete manifestă o comportarenewtoniană, deşi acestor lichide de fermentaţie nu le este caracteristic acest tip decurgere (posedînd, în general, o curgere pseudoplastică). Un exemplu în acest sensîl constituie lichidele de fermentaţie ale Streptomyces noursei, microorganism carebiosintetizează nistatina. După cum a fost admis în literatura de specialitate,fenomenul este rezultatul, probabil, al lipsei structurii micelare a micro-organismului, spre deosebire de celelalte specii de actinomicetele.

Comportare ideală prezintă şi alte lichide de fermentaţie, fie pe totparcursul procesului de biosinteză, fie în anumite etape ale acestuia. Astfel, cătresfîrşitul perioadei de fermentaţie, mediul de cultură al Streptomyces griseusmanifestă o comportare newtoniană. În acelaşi context, după cum a demonstratstudiul efectuat de Oniscu ş.a. (1996), lichidele de fermentaţie alemicroorganismului Penicillium chrysogenum, microorganism din clasa fungilor, secomportă ideal pînă la o valoarea a vîscozităţii de 2,14 cP, după care devine de tipvîscoplastic.

Nu în toate cazurile creşterea vîscozităţii lichidelor de fermentaţie odată cuavansarea procesului, respectiv cu acumularea biomasei, determină modificareacomportării reologice a acestora. Astfel, în timpul biosintezei nistatinei de cătreStreptomyces noursei, deşi vîscozitatea creşte continuu cu timpul de fermentaţie,curgerea lichidului rămîne newtoniană pe toată durata procesului (figura 1.5).

După cum a fost menţionat anterior, fenomenul poate fi explicat prinmorfologia microorganismului, respectiv a lipsei unei structuri puternicfilamentoase a acestuia, comparativ cu celelalte actinomicete.

Figura 1.5. Evoluţia vîscozităţii şi a comportării reologice a culturilor de S. noursei întimpul biosintezei nistatinei

η1 > η2 > η3.

0

5

10

0 10 20 30dγ/dt, s-1

τ, g/cm. 1

2

3

96

48 h

24 h


166

1.2. Comportarea reologică a lichidelor de fermentaţie nenewtoniene

În puţine situaţii, în cadrul proceselor biotehnologice, se întîlnesc lichidede fermentaţie cu o comportare reologică newtoniană. În general, curgerealichidelor de fermentaţie este complexă şi se abate puternic de la comportareaideală. În categoria acestor lichide sunt incluse: medii nutritive, soluţii şi suspensiide proteine, soluţii de amidon, suspensii de masă celulară, soluţii de polizaharideextracelulare etc.

Pentru aceste lichide, variaţia tensiunii de forfecare cu viteza de forfecarenu mai este liniară, iar vîscozitatea nu mai are o valoare constantă, fiind o funcţiede tensiunea sau de viteza de forfecare.

Pentru descrierea comportării nenewtoniene, a fost definită vîscozitateaaparentă, ηa:

ητγa = 1.4)

Devierea de la comportarea ideală este atît rezultatul dependenţeivîscozităţii de parametrii solicitării, cît şi al modificării în timp a vîscozităţii latensiune şi viteză de forfecare constante.

Lichidele nenewtoniene se împart în trei categorii principale:a. lichide nenewtoniene independente de timp, la care viteza de forfecare

depinde exclusiv de solicitările la care este supus lichidul;b. lichide nenewtoniene dependente de timp, la care viteza de forfecare

depinde atît de magnitudinea solicitării, cît şi de durata de aplicare a tensiunii;c. lichide nenewtoniene cu comportări multiple, care combină diferitele

tipuri de curgere, posedînd o comportare parţial vîscoasă, parţial elastică sau parţialplastică. În categoria lichidelor independente de timp sunt incluse lichidelepseudoplastice şi cele dilatante, iar în cea a lichidelor cu proprietăţi multiplelichidele vîscoplastice şi vîscoelastice, aceste comportări fiind predominantîntîlnite în procesele biotehnologice. Trebuie menţionat faptul că acestor lichide nule este caracteristic doar un anumit timp de curgere, pe lîngă comportarea reologicăspecifică, manifestîndu-se, în anumite condiţii, şi comportări diferite.

1.2.1. Lichide de fermentaţie nenewtoniene independente de timp

O mare parte dintre lichidele de fermentaţie prelucrate în proceselebiotehnologice posedă o comportare de lichid nenewtonian independent de timp.Aceste lichide sunt afectate de variaţia parametrilor solicitării (viteza de forfecare,tensiunea de forfecare), comportarea lor fiind descrisă prin reogramele din figura1.6.


167

τ 2 ηa 11 3 2

3 γ γ

Figura 1.6. Variaţia tensiunii de forfecare şi a vîscozităţii în funcţie de viteza de forfecarepentru lichidele de fermentaţie nenewtoniene independente de timp(1 - lichid newtonian, 2 - lichid pseudoplastic, 3 - lichid dilatant).

Începînd din origine, aceste curbe au o porţiune liniară a cărei pantă estedependentă de modul de curgere. Astfel, în funcţie de valoarea pantei în coordonatelogaritmice, lichidele nenewtoniene independente de timp pot fi:

a. lichide newtoniene, dacă panta este egală cu 1;b. lichide nenewtoniene: - pseudoplastice, dacă panta este < 1 şi > 0;

- dilatante, dacă panta este > 1.Panta acestor curbe reprezintă indicele de curgere, n, şi reprezintă un

criteriu cantitativ prin care este descrisă comportarea lichidului respectiv. Deasemenea, comportarea reologică nenewtoniană poate fi diferenţiată şi prin sensulde variaţie a vîscozităţii aparente:

• lichidele pseudoplastice manifestă tendinţa de fluidificare, vîscozitateafiind o funcţie descrescătoare de parametrii solicitării (dηa/dγ < 0);

• lichidele dilatante prezintă fenomenul de îngroşare, vîscozitatea crescîndodată cu viteza de forfecare (dηa/dγ > 0).

Aceste diferenţe sunt rezultatul mecanismelor care generează comportareanenewtoniană. În acest sens, in cazul unui lichid pseudoplastic, asupra elementelorde curgere acţionează mişcarea browniană şi forţele de forfecare cu efecte contrare.În timp ce mişcarea browniană produce dezordine, forfecarea permite ordonarea şiorientarea particulelor. Astfel, la viteze reduse de forfecare predomină mişcareabrowniană, curgerea fiind îngreunată datorită vîscozităţii mai ridicate. La viteze deforfecare mai mari, elementele de curgere sunt orientate pe direcţia de curgere,alunecarea se produce mai uşor iar vîscozitatea este mai mică. După încheiereaprocesului de orientare a tuturor moleculelor, curgerea redevine newtoniană,vîscozitatea nemaifiind influenţată de viteza de forfecare.

În cadrul lichidelor cu o comportare pseudoplastică sunt incluse: soluţii decauciuc, adezivi, soluţii de polimeri, adezivi, unele topituri, unele grăsimi, lacuri,suspensii de amidon, soluţii de acetat de celuloză, maioneza, unele soluţii de săpunşi detergenţi, unele paste de hîrtie etc.


168

Comportarea dilatantă este specifică, în general, suspensiilor cu unconţinut ridicat de fază solidă. Această comportare este rezultatul formării unorasociaţii de particule solide, sub acţiunea forfecării. În acest mod, se măreştenumărul punctelor de contact dintre particulele solide, crescînd forţele de frecaredintre acestea şi, în concluzie, vîscozitatea lichidului.

La modul general, lichidele dilatante sunt reprezentate de: unele soluţii dezahăr, extracte de porumb, suspensii de amidon, suspensii de nisip, unele suspensiide pulbere de fier, suspensii concentrate de bioxid de titan, guma rabică, noroaielede argilă, suspensiile concentrate de pigmenţi etc.

Descrierea matematică a comportării lichidelor nenewtoniene independentede timp s-a realizat cu ajutorul diferitelor ecuaţii reologice, cu diferite limite deaplicabilitate. Dintre aceste ecuaţii, cea mai utilizată este relaţia lui Ostwald deWaele, denumită şi legea puterii:

τ γ= ⋅k n (1.5)

în care: k - indice de consistenţă, independent de viteza de forfecare, care aredimensiunile unei vîscozităţi;

n - indice de curgere.Pentru aceste lichide, prin combinarea expresiilor (1.4) şi (1.5), se obţine o

altă formă a relaţiei de calcul a vîscozităţii aparente:

η γank= ⋅ −1 (1.6)

În afara acestui model matematic, pentru redarea comportăriinenewtoniene independente de timp s-au mai folosit relaţiile propuse de Cross,Carreau, Sisko, care sunt modele derivate şi cu o aplicabilitate mai restrînsă.

Curgerea acestor lichide de fermentaţie prin conducte cu secţiune circularăconduce la obţinerea unui profil diferit de cel al lichidelor ideale. În figura 1.7 esteredat profilul curgerii unui lichid pseudoplastic.

1 2

Figura 1.7. Profilul curgerii unui lichid de fermentaţie pseudoplastic (1) şi a unuianewtonian (2).


169

Se poate constata că, în comparaţie cu lichidul ideal, profilul curgeriiacestui lichid prezintă o turtire pronunţată la centrul conductei, viteza de forfecareacrescînd puternic în vecinătatea peretelui solid, fiind foarte scăzută în rest. Efectulconstă în apariţia unei vîscozităţi aparente reduse în apropierea peretelui şi mairidicate în restul lichidului, fenomen cu o influenţă semnificativă atît asupratransferului de masă, cît şi asupra transferului termic.

Acest fenomen a fost observat şi în bioreactoarele cu amestecare mecanică,respectiv viteza de forfecare atinge valori foarte mari în apropierea agitatorului,regiune în care vîscozitatea lichidului este mică (figura 1.8).

Din acest motiv, în cazul aerării lichidelor de fermentaţie, aerul se vadeplasa ascendent pe traseele care opun cea mai mică rezistenţă la curgere,respectiv prin apropierea agitatorului, ceea ce poate crea dezavantajul unor regiunidin bioreactor aerate insuficient.

Lichidele de fermentaţie cu comportare nenewtoniană independentă detimp cele mai întîlnite sunt cele pseudoplastice, în special în cazul culturilor unoractinomicete (Streptomyces), levuri (Saccharomyces, Candida), bacterii şi, mairar, fungi (Penicillium, Aspergillus).

Figura 1.8. Variaţia vitezei de forfecare funcţie de turaţia agitatorului, la diferite distanţe de acesta1 - agitator tip turbină

L2 < L3 < L4L - distanţa de la agitator.

0

40

80

120

160

200

0 100 200 300 400tura]ie, rot/m in

d γ/dt, s

-1

1

2

3

4

turaţie


170

Uneori, pe măsura avansării procesului de biosinteză sau în funcţie decondiţiile de lucru sunt posibile modificări ale comportării reologice dominante.Astfel, s-a constatat că lichidul de fermentaţie al Streptomyces griseus (pentruobţinerea streptomicinei) are iniţial o comportare pseudoplastică, dar, în condiţiileunei amestecări mai intense, la viteze de forfecare mai mari decît 5 s-1, devine detip plastic Bingham (figura 1.9).

Figura 1.9. Comportarea reologicăa mediului de cultură a S. griseus(τ0 - prag de tensiune, sau prag decurgere).

Un alt exemplu îl constituie mediul de cultură al actinomicetuluiStreptomyces aureofaciens (pentru obţinerea tetraciclinei), care posedă la începutulprocesului de fermentaţie o comportare pseudoplastică, în principal datorităconcentraţiei ridicate a amidonului, utilizat ca substrat. În primele 20 - 24 ore,odată cu hidroliza enzimatică şi consumul amidonului din mediu, comportareadevine newtoniană. După circa 24 ore, acumularea biomasei în sistem induce, dinnou, o comportare pseudoplastică.

Lichidele de cultură care conţin polizaharide extracelulare de naturămicrobiană manifestă o comportare pseudoplastică, influenţată decisiv deconcentraţia şi caracteristicile structurale ale polizaharidelor. Mediul poateprezenta, de asemenea, diferite tipuri de curgere, în funcţie de naturapolizaharidului şi de etapa procesului de fermentaţie. Astfel, soluţiile de xanthansunt pseudoplastice, dar prezintă şi un prag de curgere, precum şi tixotropie.

De asemenea, şi alte medii care conţin polizaharide microbieneextracelulare posedă o comportare pseudoplastică, deşi nu toate respectă legeaputerii. În acest context, lichidele de cultură ale Pullularia pullulans şiAureobasidium pullulans sunt pseudoplastice, cu respectarea legii puterii, a cărorvîscozitate atinge un maxim după cîteva zile de la începutul procesului defermentaţie. Fenomenul este redat în figura 1.10 şi a fost explicat prin modificareamasei moleculare medii a polizaharidelor pe parcursul procesului, care atinge unmaxim, reducîndu-se, apoi, către final, datorită acţiunii depolimerazei prezente înmediu. Prezenţa unui prag de tensiune şi a unei comportări tixotrope a fostobservată şi în acest caz. În timpul fermentaţiei, indicele de curgere a atins ovaloare minimă (n = 0,28), corespunzătoare maximului vîscozităţii aparente.

τo

0

5

10

15

20

0 20 40 60dγ/dt

τ


171

Figura 1.10. Variaţia vîscozităţiiaparente şi a indicelui decurgere pentru culturi de P.pullulans.

În cazul lichidelor de fermentaţie ale bacteriei Xanthomonas campestris,producător al xanthanului, indicele k creşte continuu cu concentraţiapolizaharidului, iar indicele n scade pînă la valoarea 0,15, după care rămîneconstant. Pe lîngă comportarea pseudoplastică predominantă, mediul de cultură amanifestat şi o comportare vîscoplastică, curgerea putînd fi descrisă de ecuaţia:

τ γ τ= ⋅ +k n0 (1.7)

O particularitate a lichidelor de fermentaţie care conţin polizaharideextracelulare o constituie vîscozitatea extrem de ridicată, chiar în condiţiile unorconcentraţii reduse ale polimerului. De exemplu, dintr-o soluţie care conţine5% glucoză se obţine, după circa 100 ore de fermentaţie, o soluţie 3% xanthan, cuo vîscozitate de 12.000 cP (vîscozitatea apei este de 1 cP).

Comportare pseudoplastică mai posedă lichidele de fermentaţie ale unorfungi din clasa Endomyces, care sunt caracterizate de un indice de curgere n = 0,3 -0,9 şi de consistenţă k = 2.10-3 - 35.10-3 N/m2s. De asemenea, suspensiile deSaccharomyces cerevisiae, cu o fracţie volumică a fazei solide mai mare de 10%,prezintă o comportare pseudoplastică, cu respectarea legii puterii, parametriireologici avînd valorile: n = 0,6 - 0,9, respectiv k = 8 - 43.

Comportarea dilatantă este mai puţin întîlnită în biotehnologie. Literaturade specialitate indică faptul că suspensiile de drojdii şi bacterii cu o concentraţiefoarte ridicată a fazei solide (CX = 150 - 300 g/l s.u.) manifestă o curgere dilatantă,dar acest nivel al concentraţiei biomasei nu se atinge în timpul unui proces defermentaţie.

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12tim p, zile

η a.10-

3 , cP

0

0.5

1

n

ηa

n


172

1.2.2. Lichide de fermentaţie nenewtoniene cu comportări multiple

Aceste lichide manifestă concomitent, în diferite proporţii, proprietăţile debază care descriu curgerea materialelor: vîscozitate, plasticitate şi elasticitate,rezultînd: curgere vîscoplastică, curgere vîscoelastică, curgere elastoplastică,curgere vîscoelastoplastică. Dintre acestea, lichidele de fermentaţie posedă, înprincipal, comportare vîscoplastică şi vîscoelastică, cel mai frecvent tip de curgereîntîlnit în biotehnologie fiind plasticul Bingham (comportare vîscoplastică).

Lichidele vîscoplastice (denumite, în literatura de specialitate, plastice saulichide cu prag de curgere sau prag de tensiune) au o comportare preponderentlichidă şi, pînă la o valoare a tensiunii de forfecare se comportă ca un solid rigid.Curgerea lor începe în momentul în care tensiunea de forfecare a atins o anumităvaloare, τ0, denumită prag de curgere (prag de tensiune) (figura 1.11).

2

τ 1 ηa

3 1, 2 τ0

lichid newtonian

γ γ

Figura 1.11. Variaţia tensiunii de forfecare şi a vîscozităţii în funcţie deviteza de forfecare pentru lichidele de fermentaţie cu comportări multiple

(1 - plastic Bingham, 2 - fluid Casson).

După cum se observă din figurile de mai sus, pentru τ < τ0 lichidul secomportă asemeni unui corp solid, fără să curgă, iar pentru τ ≥ τ0 curgerea estevîscoasă (newtoniană) sau pseudoplastică. În lipsa forfecării, aceste lichide au uncaracter solid, explicat prin existenţa unor asociaţii între particule, ca rezultat alunor interacţii interne, structura fiind tridimensională. În momentul în care forţaexterioară aplicată lichidului depăşeşte aceste forţe interne, structura este distrusă şilichidul devine din solid vîscos, cu o vîscozitate dependentă de parametriisolicitării.

Dintre comportările reologice vîscoplastice, în procesele biotehnologicecele mai întîlnite sunt plasticul Bingham şi fluidul Casson. Astfel, dreapta 1, din


173

τ > τ0

figura 1.11, descrie comportarea plasticului Bingham. Acest lichid manifestă ocurgere newtoniană pentru τ ≥ τ0. Pentru redarea acestui tip de curgere a fostpropus următorul model matematic:

γ = 0 pentru τyx < τ0 (1.8)

τ τ γ= + ⋅0 k pentru τyx ≥ τ0

( k - constantă de material, vîscozitate plastică).

La curgerea unui lichid de fermentaţie cu o comportare de tip plasticBingham printr-o conductă profilul vitezei va fi relativ similar celui pentrulichidele pseudoplastice, dar cu unele particularităţi. În acest sens, din figura 1.12se poate observa existenţa unei regiuni centrale în care lichidul are comportareaunui solid, curgerea fiind de tip piston, fără forfecare. Această regiune estecuprinsă între centrul conductei şi punctul în care este depăşit pragul de tensiune.

τ > τ0

τ < τ0

Figura 1.12. Profilul curgerii unui lichid de fermentaţie tip plastic Bingham.

Exemple de lichide cu comportare tip plastic Bigham sunt: topituri ale unormateriale plastice, margarina, unele grăsimi, ciocolata, mierea de albine, pastade dinţi, unele soluţii de săpun şi detergenţi, unele paste de hîrtie etc.

Un alt lichid cu o comportare reologică de tip vîscoplastic frecvent întîlnitîn biotehnologie este lichidul tip Casson. Acest lichid îmbină curgerea plasticuluiBingham cu cea a lichidelor pseudoplastice, după cum se observă din figura 1.12,variaţia 2. Vîscozitatea aparentă scade cu creşterea vitezei de forfecare. Modelulmatematic care descrie această comportare reologică este:

γ = 0 pentru τyx < τ0 (1.9)

τ τ γ0 500 5 0 5, , ,= + ⋅k pentru τyx ≥ τ0

La modul general, în categoria fluidelor Casson sunt incluse: sîngele, pastade roşii, maioneza, sucul de portocale, ciocolata topită, cerneala tipografică etc.


174

Lichidele de fermentaţie care manifestă o comportare predominantvîscoplastică sunt, în special, lichidele de fermentaţie ale fungilor din clasaPenicillium şi Aspergillus, dar şi ale unor actinomicete, cum ar fi Streptomyces,sau drojdii (Candida).

Pentru toate mediile de cultură care conţin biomasă miceliană cu ocomportare vîscoplastică s-a constatat reducerea vîscozităţii aparente odată cucreşterea vitezei de forfecare, indiferent de valoarea constantei de material, k(figura 1.13).

Figura 1.13. Efectul vitezei de forfecare asupra vîscozităţii aparente a lichidelor de fermentaţie care conţin miceliu, pentru diferite valori ale constantei k.

Studiile reologice efectuate pe culturi de Penicillium chrysogenum auindicat faprtul că acestea au o comportare tip plastic Bingham, constatîndu-se căatît pragul de tensiune, cît şi vîscozitatea aparentă cresc cu timpul de fermentaţie,ca urmare a acumulării miceliului în sistem. În acest sens, Oniscu ş.a. (1996) austudiat comportarea reologică a acestor suspensii, pentru diferite concentraţii alebiomasei. În acest sens, utilizîndu-se metoda propusă de Whorlow (1980) pentrustabilirea comportării reologice a lichidelor de fermentaţie, cu ajutorul unuivîscozimetru Ostwald de construcţie adecvată, au fost obţinute dreptele din figura1.14.

0.1 1 10 100 1000

γ, s-1

ηa, cP

1

10

102

102

104

105

k = 0

k = 1

k =


175

-800

-500

-200

100

400

700

1000

2 4 6 8 10

τP, Pa

V/t πr

3

5 g/l

7 g/l

10 g/l

12 g/l

14 g/l

17 g/l

CX

Figura 1.14. Stabilirea comportării reologice a suspensiei de Penicillium chrysogenum la diferite concentraţii ale masei celulare.

Poziţia dreptelor a indicat că pînă la o concentraţie a masei celulare dePenicillium chrysogenum, CX, de 5 g/l s.u., deşi vîscozitatea suspensiei sedublează, comportarea reologică rămîne newtoniană. Peste această concentraţie abiomasei, comportarea devine de tip plastic Bingham, caracterul nenewtonianaccentuîndu-se pe măsura creşterii concentraţiei.

Pe baza datelor experimentale, autorii au propus următoarea corelaţie întrepragul de tensiune, τ0, şi concentraţia miceliului, CX:

τ0 021= ⋅, Cx (1.10)

De asemenea, suspensia de Aspergillus niger are o comportarevîscoplastică, de tip plastic Bingham, constanta de material k din ecuaţia (1.8),putîndu-se calcula în funcţie de concentraţia biomasei, Cx, cu relaţia:

k Cx= ⋅265, lg (1.11)


176

Unii autori au admis că, pentru aceleaşi microorganisme, respectiv fungidin clasele Penicillium şi Aspergillus, curgerea lichidelor de fermentaţie este de tipCasson, afirmîndu-se că acest model este mai apropiat de realitate, comparativ cumodelul plasticului Bingham.

În unele procese de biosinteză, lichidele de fermentaţie pot manifesta, înanumite etape ale procesului respectiv, o comportare vîscoplastică. De exemplu,mediile de cultură ale microorganismului Streptomyces griseus au o comportare tipplastic Bingham în primele 24 ore ale procesului de fermentaţie, deşi nu le estecaracteristic acest tip de curgere. Aceste lichide de fermentaţie devin, apoi, lichidenewtoniene, iar după 48 - 96 ore de la începului procesului lichide pseudoplastice.Vîscozitatea lichidului cu comportare newtoniană creşte cu timpul de fermentaţie, fărăsă depăşească, însă, valoarea vîscozităţii aparente corespunzătoare curgeriivîscoplastice.

De asemenea, mediul de cultură utilizat pentru biosinteza kanamicinei decătre Streptomyces kanamyceticus prezintă o comportare de tip plastic Bingham. Încazul culturilor de Candida hellebori, doar în primul şi ultimul stadiu al procesului defermentaţie comportarea este de tip plastic Bingham, în rest fiind pseudoplastică.

În puţine cazuri, lichidele vîscoplastice sunt dependente de timp,prezentînd fenomenul de tixotropie (figura 1.11, curba 3). La aceste lichide,valoarea iniţială a pragului de tensiune se reface numai după un timp îndelungat.

Lichidele de fermentaţie cu o comportare vîscoelastică sunt mai puţinfrecvente. Caracteristica acestor lichide constă în aceea că ele disipează numai oparte din energia care li se furnizează (componenta vîscoasă), o parte fiindconservată şi recuperată după îndepărtarea solicitării (componenta elastică).Această curgere se întîlneşte în cazul soluţiilor de polimeri cu masă molecularăridicată, cum ar fi polizaharidele extracelulare de natură microbiană.

2. Factori care influenţează comportarea reologică a lichidelorde fermentaţie

Complexitatea comportării reologice a lichidelor de fermentaţie,comparativ cu lichidele întîlnite în alte domenii ale activităţii umane, rezultă şi dinmultitudinea factorilor care influenţează valorile parametrilor reologici, precum şicomportarea lor reologică. Aceaşti factori pot fi grupaţi în două categorii:

a. condiţiile de fermentaţie:- temperatura

- timp (durata procesului de biosinteză) - aeraţia (concentraţia oxigenului solvit) - pH-ul mediului de cultură - intensitatea amestecării (forţele de forfecare) - concentraţia constituenţilor mediului de cultură


177

b. tipul microorganismului:- concentraţia şi morfologia biomasei acumulate- natura şi concentraţia produsului biosintetizat.

Practic, modificarea parametrilor incluşi în prima categorie poatedetermina modificarea celor din a doua categorie de factori şi, implicit,comportarea reologică a lichidului de fermentaţie respectiv.

2.1. Influenţa condiţiilor de fermentaţie

2.1.1. Influenţa temperaturii

Creşterea temperaturii lichidelor de fermentaţie determină, în general,reducerea vîscozităţii acestora. Există situaţii în care prezenţa în mediu a unorcomponenţi care prin încălzire coagulează (molecule proteice) poate cauza ocreştere a vîscozităţii mediului. Deoarece procesele de biosinteză decurg, îngeneral, la temperaturi cuprinse între 25 şi 40oC, acest caz prezintă mai mult oimportanţă teoretică.

În cazul culturilor de fungi, datele experimentale existente în literatura despecialitate au indicat faptul că între vîscozitatea aparentă a mediului şitemperatura există o relaţie de tip Arrhenius:

ηaE

RTA e= ⋅ (2.1)

în care: ηa - vîscozitatea aparentă, fluidul avînd o comportare de plastic BighamA - constanta empirică

E - energia de activare T - temperatură, K

R - constanta universală a gazelor.Stabilirea valorii energiei de activare şi a factorului preexponenţial se face

prin logaritmarea acestei expresii, obţinîndu-se ecuaţia unei drepte cu panta E/R:

ln lnηa AE

R T= + ⋅

1(2.2)

Această relaţie sugerează inversa proporţionalitate dintre vîscozitatea aparentăşi temperatură. Această dependenţa liniară dintre lnηa şi 1/T este exemplificată înfigura 2.1 pentru culturi de Penicillium chrysogenum (Oniscu ş.a. (1996)).

Din această figură, se observă că valoarea energiei de activare rămîneconstantă (7,5 kJ/mol) pentru un anumit interval al concentraţiei biomasei, crescîndapoi cu concentraţia miceliului de Penicillium chrysogenum. Contrar aceasteievoluţii, factorul preexponenţial A creşte continuu cu concentraţia biomasei.Rezultate similare au fost obţinute şi pentru culturi de Streptomyces kanamyceticus.


178

Figura 2.1. Variaţia lnηafuncţie de 1/T pentru suspensii deP. chrysogenum la diferiteconcentraţii ale miceliului

1 - Cx = 17 g/l s.u.2 - Cx = 14 g/l s.u.3 - Cx = 10 g/l s.u.4 - Cx = 5 g/l s.u.

Temperatura influenţează şi ceilalţi parametrii reologici care descriucurgerea unui lichid de fermentaţie. Astfel, în cazul suspensiilor de drojdii(Saccharomyces cerevisiae) cu o concentraţie a celulelor φ > 10%, suspensii careposedă o comportare pseudoplastică, indicele de curgere, n, a crescut cutemperatura. Similar, indicele de consistenţă, k, a avut o variaţie similară, însăcreşterea a fost mult mai lentă, după cum se constată din tabelul 2.1.

Tabel 2.1. Variaţia indicilor de curgere şi de consistenţă cu temperatura,

pentru suspensii de S. cerevisiae.

φφφφ, % Temperatură, oC n k

18 25 0,68 3335 0,68 3455 0,95 35

Pentru aceeaşi concentraţie a masei celulare, vîscozitatea aparentă asuspensiei a scăzut cu temperatura.

O evoluţie particulară a vîscozităţii cu temperatura o manifestă soluţiilecare conţin polizaharide extracelulare, soluţii cu comportare pseudoplastică.Astfel, după cum se constată din figura 2.2, vîscozitatea aparentă a soluţieiprezintă un minim şi un maxim, pentru intervalul de temperatură 0 - 100oC.

-8

-7

-6

3 3.1 3.2 3.3 3.4

1/T.103, K-1

ln η

a 1 2

3

4


179

Figura 2.2. Efectul temperaturii asupra vîscozităţii aparente a soluţiilor de xanthan.

Variaţia vîscozităţii aparente în funcţie de temperatură este similară pentrudiferite concentraţii ale xanthanului, minimul şi maximul acestui parametruaparente fiind situat în jurul aceloraşi valori ale temperaturii. Prin adăugarea însoluţie a unor electroliţi, evoluţia vîscozităţii se modifică semnificativ. În acestsens, în prezenţa a 0,1 - 1,0 % KCl, vîscozitatea aparentă scade monoton cutemperatura, respectiv rămîne la o valoare constantă dacă se adaugă în soluţie 0,1%NaCl.

2.1.2. Influenţa duratei procesului de fermentaţie

Influenţa timpului scurs de la începutul procesului de biosinteză semanifestă, practic, prin intermediul transformărilor care au avut loc în lichidul defermentaţie, respectiv:

- consumarea unor elemente nutritive - acumularea de masă celulară - acumularea unor produşi etc.

Odată cu avansarea procesului de fermentaţie, vîscozitatea aparentă alichidelor de cultură ale microorganismelor din clasa actinomicetelor(Streptomyces), bacteriilor (Corynebacterium) creşte cu timpul de fermentaţie şiatinge o valoare maximă. Valoarea maximă a acestui parametru corespunde

0

1

2

3

4

0 25 50 75 100temp, oC

η α.10-3 , cP

1% Xanthan0.1-1% KCl

0.1% KCl

0.1% Xantha

0.1% NaC


180

concentraţiei maxime a biomasei, în cazul Streptomyces, sau concentraţiei maximea produsului biosintetizat (polizaharide extracelulare), în cazul bacteriilorCorynebacterium hydrocarboclastus, X. campestris, Pullularia pullulans etc.Reducerea vîscozităţii acestor lichide după atingerea valorii maxime este rezultatulfie al lizei masei celulare (actinomicete), fie al acţiunii depolimerazei, care reducemasa moleculară medie degradînd polizaharidele biosintetizate de bacterii.

Pe parcursul desfăşurării procesului de fermentaţie se modifică, deasemenea, şi valorile parametrilor reologici care descriu curgerea culturilor defungi. În acest sens, pentru lichide de fermentaţie care conţin miceliu şi au ocomportare vîscoplastică, parametrul k, creşte până la o valoare maximă, situată, îngeneral, în jurul a 90 ore, reducându-se apoi (figura 2.3).

Figura 2.3. Variaţia parametrului k în timpul fermentaţiei fungilor.

În schimb, indicele de curgere, n, a acestor lichide de fermentaţie se reduceîn timp, după cum se observă din figura 2.4.

Figura 2.4. Variaţia indicelui de curgere în timpul fermentaţiei fungilor.

0

2

4

6

0 50 100 150tim p, h

k, N.s

n/m

2

0

0.5

1

0 50 100 150tim p, h

n


181

Explicaţia acestei evoluţii, valabilă şi pentru culturi de actinomicete, constă înaceea că la începutul procesului de fermentaţie, cînd concentraţia biomasei este redusă,comportarea mediului este newtoniană şi n = 1. Odată cu avansarea procesului defermentaţie, datorită acumulării biomasei, indicele de curgere scade puternic, atingînd,după circa 30 ore o valoare constantă, cuprinsă, în general între 0,2 şi 0,6.

Durata procesului de biosinteză poate determina şi modificarea comportăriireologice a mediului. De exemplu, culturile de Streptomyces griseus manifestăiniţial o comportare vîscoplastică, devenind, ulterior, newtoniană şi, în final,pseudoplastică. De asemenea, culturile de Streptomyces aureofaciens sunt iniţialpseudoplastice, datorită amidonului utilizat ca substrat, apoi, în urma consumăriisubstratului, devin newtoniene, şi iarăşi pseudoplastice, ca urmare a acumulăriimasei celulare.

Pe parcursul biosintezei polizaharidelor extracelulare (xanthan, pululan),comportarea reologică a lichidelor de fermentaţie se modifică, fiind predominantpseudoplastice, dar şi de tip plastic Bingham sau tixotrope.

Culturile de Candida hellebori au o comportare vîscoplastică, respectivplastic Bingham, în primele şi ultimele ore ale procesului de fermentaţie, şipseudoplastică în celelalte etape ale procesului.

În timpul fermentaţiei se poate produce şi modificarea indicilor careintervin în ecuaţiile reologice care descriu curgerea mediului respectiv, cu sau fărămodificarea comportării reologice. În acest sens, indicele de curgere al culturilor deStreptomyces aureofaciens are, după circa 22 ore, o valoare maximă,corespunzătoare unei valori minime a indicelui de consistenţă, moment în care seproduce trecerea de la curgerea newtoniană la cea pseudoplastică. Evoluţia acestorparametri este contrară pe toată durata fermentaţiei. Această evoluţie estecaracteristică şi altor lichide de cultură ale microorganismelor din clasaStreptomyces.

Pentru lichidele de fermentaţie ale Pullularia pullulans indicele de curgereatinge un minim, vîscozitatea aparentă fiind maximă, după circa 4 zile defermentaţie, fiind rezultatul acumulării pullulanului în mediu. Acest fenomen nueste caracteristic tuturor culturilor de bacterii producătoare de polizaharideextracelulare. Astfel, pentru lichidele de fermentaţie ale bacteriei Xanthomonascampestris, s-a observat o creştere continuă a indicelui de consistenţă şi o reducerea celui de curgere pînă la o valoare de la care rămîne constant.

2.1.3. Influenţa concentraţiei oxigenului solvit în mediu

Efectul oxigenului solvit în mediul de cultură se manifestă indirect, prinintermediul morfologiei microorganismelor cultivate (morfologie dependentă, înspecial în cazul fungilor, de cantitatea de oxigen din mediu), viteza de transfer demasă a oxigenului influenţînd viteza de creştere a biomasei şi organizareamorfologică a acesteia.

Datele experimentale obţinute prin analiza influenţei aeraţiei asupraculturilor de Aspergillus niger au evidenţiat faptul că valoarea indicelui deconsistenţă este dependentă de concentraţia oxigenului solvit. Astfel, pentru


182

concentraţii ale oxigenului mai mari de 10% din concentraţia de saturaţie, indicelede consistenţă k creşte cu viteza de acumulare a biomasei, evoluţie contrară celeiobservate pentru concentraţii sub 10%.

Influenţa aeraţiei asupra morfologiei microorganismelor şi, implicit, asupracomportării reologice a lichidelor de fermentaţie, a fost explicată în diferitemoduri. De exemplu, în cazul culturilor de Streptomyces tendal valoareaconcentraţiei oxigenului dizolvat în mediu afectează hidrofobicitatea pereteluicelular. Operarea în condiţiile unei concentraţii limită a oxigenului duce lamicşorarea dimensiunii agregatelor celulare (denumite şi peleţi) formate în timpulfermentaţiei, spre deosebire de situaţia în care oxigenul se găseşte într-oconcentraţie suficientă şi dimensiunea peleţilor este mai mare. Reducereaconcentraţiei oxigenului a condus la creşterea vîscozităţii lichidului, în principaldatorită creşterii rugozităţii agregatelor celulare, dar şi a formării unora mai puţincompacte, biomasa căpătînd o structură filamentoasă.

Intre conţinutul de oxigen şi caracteristicile reologice ale lichidului decultură există o relaţie de dependenţă biunivocă, creşterea vîscozităţii sau aindicelui de consistenţă cauzînd reducerea vitezei transferului de masă aloxigenului din faza gazoază în faza lichidă, respectiv a concentraţiei oxigenuluidizolvat. La rîndul său, reducerea concentraţiei oxigenului solvit duce la creştereasuplimentară a indicelui de consistenţă, chiar în condiţiile menţinerii constante aconcentraţiei biomasei. La viteze mici de acumulare a biomasei, o modificare denumai 2% a conţinutului de oxigen poate determina variaţia cu 25% a indicelui k,fenomen observat în bioreactoarele continue.

Pentru procesele continue de biosinteză, s-a constatat că la valori mai miciale concentraţiei oxigenului influenţa acestui factor este mai puternică, efectulmanfestîndu-se în jurul concentraţiei de circa 10% din cea de saturaţie.

Influenţa aeraţiei face dificilă atingerea condiţiilor de staţionaritate înbioreactorul continuu. În figura 2.5 este redat un exemplu de �oscilare� a uneiculturi de Aspergillus niger între condiţiile în care oxigenul devine substratlimitativ şi în care este în exces.

Figura 2.5 Oscilaţiile înregistrate în procesul de fermentaţie continuă aAspergillus niger (viteză de diluţie 0,75 h-1).

k, N.s

n/m

2

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90tim p, h

Cx, g/l

Coxigen, mmoli/

0

1

2

3

4

5

k

Coxigen

CX


183

Se poate observa că atunci cînd oxigenul este în exces, indicele deconsistenţă, k, şi concentraţia biomasei, Cx, cresc. Această evoluţie determinăreducerea cantităţii de oxigen dizolvat în lichidul de fermentaţie, creîndu-secondiţiile în care oxigenul devine substrat limitativ. Efectul ulterior constă înscăderea cantităţii de biomasă. Apoi, datorită micşorării cantităţii de biomasă,conţinutul de oxigen dizolvat creşte, scade indicele de consistenţă, atît timp cîtoxigenul reprezintă substratul limitativ. În momentul în care oxigenul atinge, dinnou, o concentraţie în exces, va începe creşterea indicelui de consistenţă.

Influenţa concentraţiei oxigenului trebuie corelată şi cu situaţiile în careazotul constituie sau nu substratul limitativ, în special pentru culturi de fungi. Dacăazotul reprezintă substratul limitativ, indicele de consistenţă scade cu creştereaconcentraţiei oxigenului solvit, iar pentru culturile în care numai oxigenul estesubstratul limitativ, evoluţia indicelui de consistenţă este contrară.

2.1.4. Influenţa valorii pH-ului mediului de cultură

Studiile privind influenţa pH-ului mediului de cultură asupracaracteristicilor reologice ale acestora au doar o importanţă teoretică, deoarece, îngeneral, procesele de biosinteză se desfăşoară într-un interval îngust de valori alepH-ului (variaţie de maxim 2 unităţi), interval în care efectele sunt neglijabile.

Rezultatele obţinute în cazul unor variaţii mai mari ale pH-ului au indicatfaptul că vîscozitatea lichidelor de fermentaţie se poate modifica semnificativ. Înacest context, efectul valorii pH-ului asupra vîscozităţii aparente a lichidelor defermentaţie care conţin 0,5% xanthan, produs Xanthomonas campestris, este redatîn figura 2.6.

Figura 2.6. Influenţa valorii pH-ului asupra vîscozităţii aparente a soluţiilor de xanthan.

4

8

12

16

20

0 2 4 6 8 10 12 14

pH

η a10-2 , cP 0.5% xantha

1% xanthan

+0.1% NaCl


184

Similar variaţiei vîscozităţii aparente a acestor lichide cu temperatura,prezenţa unor electroliţi, chiar în cantităţi reduse (0,1% NaCl), conduce lareducerea, pînă la anulare, a influenţei valorii pH-ului.

O variaţie opusă celei prezentate anterior o manifestă mediul de cultură albacteriei Erwinia tahitica, producătorul unui heteropolizaharid. Astfel, după cumse constată din figura 2.7, vîscozitatea aparentă a mediului creşte cu valoareapH-ului, atinge un palier maxim, după care se reduce.

Figura 2.7. Efectul valorii pH-ului asupra soluţiilor de heteropolizaharide.

Evoluţiile contrare constatate în comportarea soluţiilor de polizaharide suntrezultatul structurii chimice diferiteale acestor polimeri, care, prin modificareavalorii pH-ului, conduc la formarea unor produşi de asociere dintre moleculediferiţi. Produşii formaţi conferă soluţiilor vîscozităţi diferite.

2.1.5. Influenţa intensităţii amestecării mediului

Amestecarea mediilor de fermentaţie poate determina distrugerea pereţilorcelulari (liza mecanică), modificarea structurii morfologice a microorganismului şi,în consecinţă, a reologiei lichidului respectiv. Deşi pentru lichidele pseudoplasticeşi vîscoplastice, comportări reologice manifestate de majoritatea lichidelor defermentaţie, s-a observat că mărirea puterii specifice (puterea consumată pe unitatede volum de mediu de cultură) determină reducerea vîscozităţii aparente, totuşi,influenţa favorabilă a amestecării asupra proceselor de transfer de masă şi decăldură trebuie corelată cu efectul asupra microorganismelor.

Astfel, creşterea intensităţii amestecării culturilor de fungi din claselePenicillium şi Aspergillus a condus la reducerea lungimii hifelor masei celularesau, în funcţie de microorganism, la apariţia unor aglomerări de hife, puternicramificate, răsucite şi mai segmentate (septate). Orice modificare a structurii

6

10

14

18

22

0 2 4 6 8 10 12 14pH

η a10-2 , cP


185

morfologice conduce, în mod inevitabil, la modificarea valorii caracteristicilorreologice, şi, chiar, la modificarea tipului de curgere.

Reducerea vîscozităţii aparente a culturilor de fungi cu structurăfilamentoasă cu creşterea turaţiei agitatorului a fost explicată prin modificareainteracţiunilor dintre hife, respectiv a structurii miceliului.

Efectul amestecării trebuie corelat, însă, şi cu condiţiile de desfăşurare aprocesului de fermentaţie. În cazul culturilor în care substratul limitativ esteoxigenul, mărirea turaţiei induce un aport suplimentar de oxigen în mediu şi,implicit, o acumulare suplimentară de masă celulară. În final, se produce o creşterea vîscozităţii aparente, respectiv a indicelui de consistenţă. Dacă substratul limitativeste azotul, intensificarea amestecării duce doar la o uşoară creştere a vîscozităţiiaparente.

În concluzie, efectul forţelor de forfecare depinde de naturamicroorganismului cultivat, în corelaţie cu ceilalţi factori de mediu, ca rezultat alrăspunsului celulei microbiene la creşterea gradului de amestecare a lichidului decultură.

2.1.6. Influenţa concentraţiei componenţilor mediului de cultură

Acest factor prezintă importanţă în primele etape ale procesului defermentaţie, deoarece este evident faptul că, cel puţin în prima fază a procesului debiosinteză, cantităţile ridicate în care se găsesc componenţii mediului nutritiv vordetermina vîscozitatea şi reologia acestuia.

În cazul în care substratul folosit are o structură polimeră, cu o masămoleculară medie ridicată (amidon, xanthan), vîscozitatea iniţială a mediului decultură este ridicată, curgerea acestuia fiind, în general, pseudoplastică. Aceastecaracteristici se vor modifica odată cu consumarea substratului.

În aceslaşi timp, utilizarea ca substrat a fracţiilor petroliere (motorină,n-parafine) sau a alcoolilor conferă mediului de cultură iniţial o vîscozitate diferităde a apei, care se va modifica prin consumarea lor de către microorganisme.

În situaţia în care mediul de cultură conţine diferiţi componenţinutritivi, însă în cantităţi relativ reduse, consumul lor nu va determina modificareasensibilă a vîscozităţii, variaţia acestei mărimi fiind rezultatul acumulării biomaseisau a produsului biosintetizat.

După cum a fost prezentat anterior, un fenomen interesant a fost observatîn cazul lichidelor de fermentaţie care conţin polizaharide extracelulare, a cărorvîscozitate aparentă variază total diferit în prezenţa unor săruri, faţă de situaţiaabsenţei acestora. După cum se poate constata din figura 2.8, alura curbelorobţinute depinde de tipul microorganismului producător, respectiv de polizaharidulbiosintetizat, precum şi de natura electrolitului adăugat în mediul de cultură.

Adăugarea unor săruri reduce vîscozitatea suspensiilor de particule solidecare posedă sarcină electrică superficială. De exemplu, sărurile de sodiu reduc


186

considerabil vîscozitatea culturilor de Penicillium chrysogenum. Tăria ionică alichidului de fermentaţie influenţează interacţiile dintre celule, deoarecemajoritatea celulelor posedă o sarcină superficială negativă la o valoare a pH-uluipeste 5,5. De aceea, adăugarea unor cationi cu sarcină multiplă conduce, în general,la aglomerarea masei celulare, cu reducerea vîscozităţii lichidului, în timp deadăugarea anionilor inhibă acest proces. Un astfel de cation este Ca2+, care poatecauza aglomerarea biomaselor filamentoase, efectul său depinzînd şi de numărulgrupărilor negative de la suprafaţa celulei, precum şi de accesibilitatea la acestea.

Figura 2.8. Influenţa electroliţilor asupra vîscozităţii aparente a soluţiilor de polizaharideproduse de: 1 - Hansenula holstii 2 - Xanthomonas campestris.

Un alt component al lichidului de fermentaţie îl reprezintă dioxidul decarbon, rezultat în urma proceselor metabolice ale microorganismelor. Acestapoate influenţa organizarea morfologică a biomasei şi, respectiv, caracteristicilereologice ale lichidului de fermentaţie. Prin adăugarea dioxidului de carbon înmediile de cultură ale unor fungi producători de penicilină, s-a observat ointensificare a ramificării hifelor şi o creştere a vitezei de formare a peleţilor, cuefecte asupra reologiei lichidului.

2.2. Influenţa tipului de microorganism cultivat

Această categorie de factori exercită o influenţă decisivă asupra reologieilichidelor de fermentaţie, iar efectul generat trebuie analizat ţinîndu-se cont decorelaţia existentă între natura microorganismului, concentraţia masei celulare şi

0

2

4

6

8

0 0.1 0.3 0.5 1 2 4

conc. s\rii, %

η a10-3 , cP Na

2B

4O

7.10H

2O

Na2B

4O

7.10H

2O, KCl

KCl

1

2

1

conc. sării %


187

morfologia acesteia. În acelaşi timp, nu trebuie omis faptul că între comportareareologică şi concentraţia şi morfologia biomasei există o dependenţă biunivocă.

În general, tipul microorganismului cultivat influenţează caracteristicilereologice ale mediului de cultură prin intermediul a doi factori principali:

• concentraţia şi morfologia masei celulare• natura şi cantitatea produsului biosintetizat.

2.2.1. Influenţa concentraţiei şi a morfologiei masei celulare

Indiferent de tipul microorganismului cultivat, vîscozitatea aparentă amediului de cultură creşte cu concentraţia biomasei. Totuşi, evoluţia acesteimărimi, precum şi a celorlalţi parametrii reologici, prezintă unele particularităţi înfuncţie de natura microorganismelor, trebuind să fie analizate distinct.

1. Comparativ cu celelalte microorganisme, masa bacteriană acumulată întimpul proceselor de fermentaţie are o influenţă redusă asupra vîscozităţii mediuluide cultură. Această influenţă devine neglijabilă în cazul lichidelor de fermentaţieale bacteriilor producătoare de polizaharide extracelulare.

După cum se observă din figura 2.9, îndepărtarea celulelor deXanthomonas campestris din lichidul de fermentaţie pentru obţinerea xanthanului,prin filtrare, nu a condus, practic, nici la modificarea vîscozităţii aparente, nici acomportării reologice.

Figura 2.9. Efectul biomseimasei bacteriene asupra caracteristicilor reologice alelichidelor de fermentaţie care conţin xanthan

1 - mediul nefiltrat 2 - mediul filtrat.

3

12

21

30

1 2 3 4 5 6 7 8 9dγ/dt, s-1

η a10

-2 , cP

1

2


188

Fenomenul se explică prin vîscozitatea extrem de ridicată a soluţiilor depolizaharide extracelulare atinsă chiar în condiţiile unor concentraţii reduse înmediu, concentraţia polizaharidului fiind factorul determinant al comportăriireologice a lichidului respectiv.

2. Vîscozitatea suspensiilor de drojdii creşte continuu cu cantitatea demasă celulară din mediu (figura 2.10) şi poate fi corelată cu fracţia volumică şi cudimensiunea celulelor printr-o relaţie de forma generală:

( )[ ]η η φS L fe= +1 , (2.3)

particularizată, după cum a fost prezentat anterior (ecuaţiile lui Vand, Einstein etc.)pentru diferitele tipuri de drojdii.

η

Figura 2.10. Variaţia vîscozităţii suspensiilorde drojdii funcţie de concentraţia maseicelulare.

ϕ

15% 50%

Figura 2.9 evidenţiază existenţa a două regiuni de variaţie a vîscozităţiiaparente a acestor lichide de fermentaţie: la concentraţii mai mici ale maseicelulare, vîscozitatea creşte mai lent cu aceasta, creşterea concentraţiei drojdieiconducînd la creşterea puternică a vîscozităţii. De exemplu, pentru Saccharomycescerevisiae s-a constatat că vîscozitatea aparentă a mediului de cultură variază lentcu concentraţia biomasei în domeniul fracţiilor volumice φ < 15%, apoi creşteputernic pînă la φ = 50%, după care rămîne la o valoare constantă. Această evoluţiesugerează ideea că la fracţii volumice ale biomasei de peste 50% suspensia devineo masă compactă. În fermentaţiile industriale, însă, concentraţia masei celulare adrojdiilor este de circa 5 - 10%, ceea ce corespunde domeniului de creştere mailentă a vîscozităţii aparente.

În cazul lichidelor de fermentaţie ale drojdiilor cu comportare reologică detip plastic Bingham, s-a constatat că valoarea pragului de tensiune, τ0, este direct


189

proporţională cu fracţia volumică a biomasei şi invers proporţională cu diametrulparticulei solide, dp. Intre aceste două mărimi există o corelaţie de forma:

τφ

0

3

2= ⋅Adp

(2.4)

relaţie valabilă doar pentru particule sferice (A - factor de proporţionalitate).3. Vîscozitatea aparentă şi indicele de consistenţă ale culturilor de

actinomicete cresc cu concentraţia biomasei, evoluţie contrară indicelui decurgere. Pentru o aceeaşi concentraţie a biomasei, odată cu creşterea turaţieiagitatorului, s-a constatat că indicele de curgere creşte, în paralel cu reducereaindicelui de consistenţă, curgerea rămînînd pseudoplastică.

4. Pentru lichidele de fermentaţie ale fungilor, concentraţia şi morfologiamicroorganismelor exercită o influenţă decisivă asupra reologiei acestora.

În funcţie de suşa cultivată şi de condiţiile de operare (aeraţie, intensitateaamestecării, compoziţia şi concentraţia mediului nutritiv), fungii pot exista înlichidul de fermentaţie sub două forme morfologice:

- biomasă filamentoasă- biomasă aglomerată sau peleţi.

Dezvoltarea microorganismelor într-una sau alta dintre aceste structurimorfologice influenţează caracteristicile reologice ale mediului de cultură. În plus,indiferent de morfologie, acumularea miceliului determină modificareasemnificativă a valorii parametrilor curgerii sau chiar a tipului de curgere. Dupăcum este redat în figurile 2.11 şi 2.12, vîscozitatea aparentă a culturilor de fungicreşte semnificativ în perioada de acumulare a masei celulare.

Figura 2.11. Variaţia vîscozităţii aparente a unei suspensii de Penicillium chrysogenum în funcţie de concentraţia biomasei.

0

10

20

30

40

0 5 10 15 20C

x, g s.u

η a, cP


190

Figura 2.12. Influenţa concentraţiei biomasei de Aspergillus niger asupra vîscozităţiiaparente a lichidelor de fermentaţie.

Pe baza acestor variaţii, literatura de specialitate a indicat faptul că se poatescrie următoarea corelaţie între vîscozitatea aparentă şi concentraţia miceliului:

ηa xC≈ 11, (2.5)

Influenţa concentraţiei biomasei acumulate asupra caracteristicilorreologice ale lichidelor de fermentaţie ale fungilor este descrisă de o serie derelaţii, stabilite pentru curgerea vîscoplastică, însă fără a ţine cont de structuramorfologică a microorganismului cultivat. Dintre aceste corelaţii, pot fi amintite:

P. chrysogenum τ0 23 25= −fCx( ), , Deindorfer şi Gaden (2.6)

P. chrysogenum τ0 25=Cx, Solomon şi West (2.7)

P. chrysogenum τ0 021= ⋅, Cx Oniscu ş.a. (2.8)

P. chrysogenum k C x= ⋅ ⋅−36 10 3 25, , (2.9)

A. niger k Cx= ⋅ ⋅−43 10 4 33, , (2.10)

A. niger n Cx= 265, (comportare pseudoplastică) (2.11)

S. levoris τ0 07027= ⋅, ,Cx (2.12)

0

1

2

3

4

5

1 2 3lnC

x

lnηa


191

Se poate constata că, indiferent de modelul care descrie curgerea, respectivplastic Bigham sau fluid Casson, valoarea pragului de tensiune, τ0, creşte cuconcentraţia fungilor, corelaţia generală fiind de forma:

τ 0 = ⋅a C xb (2.13)

Pentru lichidele de fermentaţie ale fungilor care respectă legea puterii, s-ademonstrat că indicele de consistenţă, k, creşte cu concentraţia miceliului, iarindicele de curgere, n, variază după o expresie generală

n m C xp= ⋅ (2.14)

exponentul p avînd valori mai mari, sau mai mici decît 0, variaţie care indicănecesitatea luării în calcul şi a altor factori, cum ar fi morfologia sau viteza decreştere a fungilor.

Pentru redarea influenţei acestor factori, Roels (1974) a introdusnoţiunea de � factor morfologic �, δ, propunînd următoarea corelaţie generală întrepragul de tensiune şi concentraţia biomasei:

τ δ0 = ⋅C xa a = 2,0 - 2,5 (2.15)

O expresie asemănătoare celor anterioare, dar care ia în calcul şi lungimeahifelor de Penicillium chrysogenum, L, este:

τ 0 4 25 02167 10= ⋅ ⋅ ⋅−, , ,C Lx (2.16)

În scopul stabilirii unor modele care să descrie influenţa morfologieifungilor asupra caracteriticilor reologice ale lichidelor de fermentaţie, uniicercetători au asimilat forma miceliană filamentoasă a acestor microorganisme cuun lanţ polimer răsucit, obţinînd, pentru o curgere Casson, următoarea dependenţăîntre tensiunea de forfecare şi concentraţia biomasei:

( )[ ]τ α α γ05 05 051, , ,,= ⋅ ⋅ + ⋅C f Cx x (2.17)

în care: α - raportul dintre lungimea şi diametrul hifei f(α,Cx) - funcţie de α şi Cx.

Relaţiile dintre parametrii care caracterizează curgerea mediilor de culturăale fungilor şi concentraţia biomasei depind şi de condiţiile de operare dinbioreactor, prin intermediul structurii morfologice generate de acestea, fenomenobservat în culturile de Penicillium, Aspergillus şi chiar Streptomyces. Astfel,pentru culturi de Aspergillus niger care respectă legeea puterii, au fost obţinuteurmătoarele variaţii ale indicilor care intervin în ecuaţia de Waele, în timpulfermentaţiei citrice (figurile 2.13 şi 2.14):


192

Figura 2.13 Variaţia indicelui de consistenţă cu cantitatea de miceliude Aspergillus niger acumulată în timpul fermentaţiei citrice

1,2,3 - bioreactor cu amestecare N1 < N2 < N3 N - turaţie 4,5 - bioreactor tip coloană cu barbotare 4 - regiunea inferioară 5 - regiunea superioară.

Figura 2.14 Variaţia indicelui de curgere cu cantitatea de miceliu de Aspergillus nigeracumulată în timpul fermentaţiei citrice

1 - bioreactor cu amestecare; 2,3 - bioreactor tip coloană cu barbotare;2 - regiunea inferioară;3 - regiunea superioară.

0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

2 6 10 14 18C

x, g s.u

k 21 4

5

3

0

0.25

0.5

0.75

1

2 4 6 8 10 12 14 16C

x, g s.u

n

2

1

3


193

Datele obţinute în cadrul acestor studii au condus la stabilirea unei relaţiigenerale de calcul a indicelui de consistenţă, de forma:

k a Cxb= ⋅ (2.18)

Valorile coeficientului a şi a exponentului b depind de tipul bioreactorului,de modalitatea de amestecare a mediului, de turaţia agitatorului, de zona deamestecare din bioreactor şi sunt prezentate în tabelul 2.2, pentru sistemediscontinue de fermentaţie.

Introducerea condiţiilor de fermentaţie în expresiile de calcul ale diferiţilorparametrii reologici constituie o necesitate. În figura 2.15 este trasată variaţiaindicelui de consistenţă funcţie de concentraţia biomasei, pentru sistemediscontinue şi semicontinue de fermentaţie (sistemele continue de fermentaţiediferă prin viteza de consum a substratului, µS, şi prin conţinutul de oxigen solvit,CO2).

Tabel 2.2.Valorile constantelor empirice a şi b din expresia (2.18).

Tipul bioreactorului Turaţie, rot/min a b

300 6,0.10-3 2,47

400 1,2.10-2 2,00Bioreactor cu amestecaremecanică

600 8,1.10-5 3,25

regiune inferioară 4,7.10-4 2,80Bioreactor cu amestecarepneumatică

regiune superioară 1,9.10-8 6,40

Figura 2.15. Variaţia indicelui de consistenţă funcţie de concentraţia biomasei1 - culturi discontinue; 2,3,4 - culturi semicontinue.

0

1

2

3

4

5

0 3 6 9 12 15C

x, g s.u

k

2

1

4

3


194

Se constată că numai corelarea vîscozităţii aparente a lichidului defermentaţie cu concentraţia miceliului nu este suficientă, deoarece, după cum auarătat Ju ş.a. (1991), modificarea condiţiilor de operare determină modificarearelaţiilor existente între aceste mărimi.

Pentru mărirea exactităţii expresiilor anterioare trebuie să se ţină cont şi deorganizarea morfologică a masei celulare. Astfel, apariţia peleţilor determină, îngeneral, reducerea vîscozităţii aparente a mediului de cultură.

De exemplu, pentru Aspergillus niger, indiferent de organizareamorfologică, vîscozitatea aparentă a crescut odată cu acumularea de biomasă, însă,în cazul formării peleţilor vîscozitatea a fost mai mică, la aceleaşi valori aleconcentraţiei miceliului (figura 2.16). De asemenea, pentru acelaşi microorganism,s-a observat că în bioreactorul cu amestecare pneumatică caracteristicile reologicevariază pe înălţimea utilajului (figurile 2.13 şi 2.14). Acest fenomen se datoreazămorfologiei fungului respectiv, care diferă în cele două regiuni, după cum urmează:

- regiunea superioară (H = 3 m): peleţi cu hife periferice lungi- regiunea inferioară (H = 1,5 m): peleţi cu hife leterale scurte.Formarea asociaţiilor miceliene (peleţi) în cazul lichidelor de fermentaţie

nenewtoniene care respectă legea puterii conduce la modificarea semnificativă aevoluţiei indicilor de curgere şi de consistenţă, comparativ cu mediile care conţinbiomasă filamentoasă (figura 2.17).

Figura 2.16. Efectul morfologiei A. niger asupra vîscozităţii aparente, la diferite momente ale fermentaţiei

1,2,3,4 - miceliu filamentost1 < t2 < t3 < t4

5 - peleţi; t - timp de fermentaţie.

0

50

100

150

0 0.5 1C

x, g s.u

η a, cP

12

4

5

3


195

Datele experimentale au evidenţiat faptul că, deşi modificarea indicilor nşi k a decurs în acelaşi sens odată cu acumularea biomasei, procesul a fost mai lentpentru mediile de fermentaţie care conţin peleţi.

Figura 2.17. Variaţia indicilor din legea puterii funcţie de concentraţia şi structuramorfologică a miceliului de Penicillium chrysogenum şi Aspergillus niger

1 - miceliu filamentos; 2 - peleţi.

Indicii din legea puterii pot fi calculaţi în funcţie de concentraţia miceliilorstructurate sub formă de peleţi, avînd diametrul mediu dp, cu ajutorul expresiilor:

k C dx p= ⋅ ⋅03 03 02, , , (2.19)

n C dx p= ⋅ ⋅− −05 006 008, , , (2.20)

Pentru suspensii de fungi cu comportare de plastic Bingham, în carebiomasa este organizată sub formă de peleţi sferici, valoarea pragului de tensiunese poate calcula cu expresia:

τφ

0

3

2= ⋅Adp

(2.21)

unde: φ - fracţia volumică a peleţilor din lichidul de fermentaţiedp - diametrul mediul al peleţilorA - factor de proporţionalitate.

Deşi formarea peleţilor uşurează, în general, curgerea din bioreactoare,reducînd influenţa defavorabilă a vîscozităţii şi a caracterului nenewtonian alcurgerii asupra transferului de masă şi de căldură, în aceste sisteme apar o serie deprobleme legate de difuzia şi consumul substratului în interiorul peleţilor. Deaceea, nu întotdeauna este recomandată conducerea procesului de biosinteză însensul formării peleţilor. Righelato (1979), analizînd toate aceste aspecte, a afirmat

0

0.5

1

0 20 40 60Cx, g/kg

n1

2

0.01

10

0 20 40 60C

x, g/kg

k1

2


196

că cea mai avantajoasă structură morfologică este cea cu hife scurte, care reducrezistenţa la transferul de masă al substratului, comparativ cu peleţii, şi vîscozitateamediului de cultură, comparativ cu hifele lungi.

O descriere mai completă a influenţei concentraţiei şi morfologiei biomaseitrebuie să ţină cont şi de condiţiile de operare din bioreactor, deoarece modificareacondiţiilor de operare atrage după sine modificarea relaţiilor existente.

În cazul fermentaţiilor continue, viteza de diluţie reprezintă un factor caretrebuie luat în calcul la stabilirea unor corelaţii matematice între parametriireologice şi caracteristicile miceliului. Olsvik şi Kristiansen (1992) au introdus aşa-numitul � index morfologic �, k/Cx, în scopul stabilirii influenţei exacte a vitezei dediluţie, a concentraţiei oxigenului solvit şi a vitezei de creştere a biomasei pentrulichidele de cultură ale microorganismului A. niger.

Rezultatele obţinute au dovedit faptul că indicele de consistenţă creşte cuviteza volumică, concentraţia oxigenului avînd o influenţă mai puternică la vitezereduse de creştere a biomasei. Aceste informaţii au fost prelucrate, stabilindu-se oserie de dependenţe liniare între mărimile implicate:

- sisteme continue:

k R Cx= − + ⋅ ⋅095 00021 17, , , (2.22)

- sisteme continue cu recirculare:

k R C x= + ⋅ ⋅ ⋅−038 48 10 5 29, , , (2.23)

unde R reprezintă un factor de rugozitate al peleţilor.

Indicele de consistenţă depinde, prin intermediul factorului de rugozitate,şi de viteza specifică de creştere a biomasei. Astfel, R scade cu mărirea vitezeispecifice de creştere, datorită timpului mai mare de staţionare a biomasei înbioreactor şi, deci, a vîrstei mai ridicate a acesteia, ceea ce determină fragmentareamiceliului.

Rugozitatea peleţilor este influenţată şi de concentraţia oxigenului dizolvatîn mediu. Răspunsul celulei la variaţia presiunii parţiale a oxigenului rămîne, încăincomplet elucidat. Totuşi, se poate afirma că interacţiunile dintre hife, cu variaţiiale suprafeţei peleţilor, ale rigidităţii pereţilor celulari, cauzate de existenţaoxigenului solvit în diferite proporţii, induc modificări ale rugozităţii peleţilor.

Pentru sistemele continue de fermentaţie ale A. niger, în care concentraţiaoxigenului a variat pe parcursul procesului, relaţia (2.23) devine:

k R Cx= − + ⋅ ⋅056 00018 17, , , (2.24)

Corelaţiile anterioare nu pot fi utilizate şi pentru culturi de Penicilliumchrysogenum, probabil datorită diferenţelor existente în structura miceliului. Pentruaceste lichide de fermentaţie, în condiţiile unei curgeri tip Casson, au fost stabilite


197

corelaţii între pragul de tensiune, respectiv parametrul k, şi lungimea hifelor, L,respectiv lungimea unităţilor de creştere a hifelor, Lu:

τ 0 4 2 5 0 8167 10= ⋅ ⋅ ⋅−, , ,C Lx (2.25)

k C Lx u= ⋅ ⋅5454 06, , (2.26)Aceaste expresii oferă o bună concordanţă cu datele experimentale

obţinute în sistemele discontinue, dar sunt inadecvate sistemelor continue.Explicaţia ar consta în diferenţa de flexibilitate a hifelor datorită condiţiilorspecifice de operare în cele două sisteme, ceea ce determină apariţia unorinteracţiuni specifice între hife. În acest context, van Sujidam (1987) a utilizatmărimea denumită �factor morfologic aparent�, MF, determinat cu relaţia:

( )MC

F Co x

x=

− ⋅→lim 01

ηη

(2.27)

η, ηo fiind vîscozitatea lichidului de fermentaţie, respectiv vîscozitatea apei.Această mărime nu poate fi măsurată direct, însă se determină cu ajutorul

informaţiilor despre vîscozitatea mediilor de cultură ale fungilor, diluate pînă laacea concentraţie la care interacţiunile dintre hife pot fi neglijate. Spre deosebire deMF, factorul morfologic introdus de Roels, δ, a fost calculat pentru lichide defermentaţie nediluate.

Un caz aparte al implicaţiilor acumulării biomasei asupra performanţelorproceselor de fermentaţie, prin intermediul creşterii vîscozităţii aparente, îlconstituie utilizarea bioreactoarelor cu membrane. Studiindu-se comparativfermentaţia alcoolică cu Streptomyces cerevisiae şi epurarea biologică a apelorreziduale cu Pseudomonas fluorescens, s-a constatat că acumularea biomasei (peste150 kg/m3 pentru drojdii şi 40 kg/m3 pentru bacterii), precum şi a compuşilorintracelulari eliberaţi în mediu prin liza celulelor, conduce la creşterea accentuată avîscozităţii lichidului, simultan cu reducerea fluxului de permeat prin membrană(figura 2.18).

Datorită îndepărtării prin ultrafiltrare a unor metaboliţi cu activitateinhibitorie, în bioreactoarele cu membrană pot fi atinse valori superioare aleconcentraţiei biomasei. În acest sens, rezultatele experimentale comparativeobţinute pentru fermentaţia alcoolică şi biosinteza proteinelor pe suport dehidrocarburi, în bioreactoare discontinue şi în bioreactoare cu membrană, auindicat faptul că necesarul de oxigen şi efectele termice ale proceselor metabolicesunt de circa 6 ori mai mari în bioreactoarele cu membrană, ca efect alconcentraţiei mai mare de masă celulară. Din acest motiv, performanţele procesuluide amestecare în astfel de bioreactoare sunt reduse şi conducerea biosintezei laparametrii optimi dificilă.


198

Figura 2.18. Efectul acumulării biomasei de S. cereviasiae asupra vîscozităţii aparente şi a fluxului de permeat prin membrană.

2.2.2. Influenţa naturii şi a concentraţiei produsului biosintetizat

Modificarea valorii parametrilor care caracterizează curgerea mediilor decultură cu creşterea cantităţii de produs biosintetizat se observă, în general, atuncicînd acesta are o structură polimeră cu o masă moleculară medie ridicată (moleculeproteice, polizaharide extracelulare).

Evident, cel mai tipic caz este cel al polizaharidelor extracelulare. Înaceste sisteme de fermentaţie, creşterea vîscozităţii aparente şi accentuareacaracterului nenewtonian al curgerii lichidului de fermentaţie este corelată cuacumularea polizaharidelor elaborate (figura 2.19). Creşterea vîscozităţii aparenteeste rezultatul creşterii cantităţii de polizaharid elaborat, CP, efectul acumulării demasă celulară fiind neglijabil.

Comportarea reologică a mediului de cultură se poate modifica odată cuacumularea produsului. Astfel, în fermentaţiile microorganismului Pullulariapullulans, mediul de cultură are iniţial o comportare newtoniană, care după 2 ziledevine pseudoplastică, indicii din legea puterii variind cu concentraţia pululanului.S-a constatat că valoarea maximă a vîscozităţii mediului care poate fi atinsă este de25.000 cP, scăzînd apoi către sfîrşitul procesului de fermentaţie, datorită acţiuniidepolimerazei.

0

50

100

150

200

0 100 200 300C

X, g/

Flux permeat, l/h.m

2.bar

0

25

50

η α.1

0−3, Pa.s

Flux de perme

ηa


199

Figura 2.19. Corelaţia dintre vîscozitatea aparentă a lichidului de fermentaţia alPullularia pullulans şi acumularea xanthanului.

În acelaşi timp, vîscozitatea lichidului poate varia şi în funcţie de naturapolizaharidului obţinut, chiar la aceleaşi concentraţii, ca rezultat al structurii şimasei moleculare diferite.

Similar, concentraţia proteinelor exercită o influenţă apreciabilă asupracaracteristicilor reologice ale mediului. După cum sugerează expresia următoare,indicele de curgere se reduce puternic cu cantitatea de proteine acumulate:

n expC12P= −

(2.28)

În cazul biosintezei antibioticelor, a aminoacizilor, a vitaminelor, aacizilor carboxilici, a alcoolilor etc., datorită masei moleculare reduse, comparativcu a polizaharidelor extracelulare, precum şi datorită concentraţiei finale mici,vîscozitatea mediului nu este influenţată sensibil de cantitatea de produs acumulatîn lichid.

3. Influenţa comportării reologice asupra performanţelor proceselorbiotehnologice

Vîscozitatea şi comportarea reologică a lichidelor de fermentaţie reprezintăfactorii decisivi care determină performanţele proceselor biotehnologice, atît aleprocesului biochimic propriu-zis (viteza transferului de masă, de căldură, viteza de

0 20 40 60 80 100 120tim p, h

η a, C P, C x

CX

CP

ηa


200

acumulare a biomasei, consumul de putere necesar amestecării lichidului etc.), cîtşi ale etapelor care urmează biosintezei (filtrare, extracţie etc.).

Din acest motiv, se impune abordarea problemelor specifice referitoare laefectele pe care le induce reologia lichidelor de fermentaţie asupra unui procesbiotehnologic în ansamblu.

3.1. Influenţa comportării reologice asupra transferului de masă în lichidul defermentaţie

Practic, primul efect al creşterii vîscozităţii lichidelor de fermentaţie, carezultat al acumulării biomasei sau a produsului biosintetizat, îl constituiereducerea gradului de turbulenţă atins în bioreactor, respectiv în reducerea valoriicriteriului Re:

Re=⋅ ⋅N d

a

2 ρη (3.1)

unde: N - turaţiad - diametrul agitatoruluiρ - densitatea lichidului de fermentaţieηa - vîscozitatea aparentă a lichidului de fermentaţie.

La modul general, efectul vîscozităţii asupra vitezei procesului de transferde masă se regăseşte în corelaţia generală între criteriile specifice transferului demasă:

Sh a Sck d

Da

D

N db cb

a

c

= ⋅ ⋅ ⇒⋅

= ⋅

⋅

⋅ ⋅

Re

ν ρη

2(3.2)

în care: k - coeficient individual de transfer de masă D - coeficient de difuziune ν - vîscozitatea cinematică a lichidului de fermentaţie

a, b, c - constante empirice specifice sistemului de fermentaţie.

Însă, efectele asupra proceselor de transfer de masă sunt mult maicomplexe, datorită condiţiilor particulare în care se desfăşoară transferul de masă însistemele de fermentaţie.

Numeroase procese de fermentaţie industriale sunt aerobe, ceea ce implicăo succesiune de etape care intervin în transferul oxigenului din faza gazoasă cătremicroorganisme. Majoritatea acestor etape depinde semnificatic de parametriireologici ai mediului.

Vîscozitatea lichidului de fermentaţie afectează puternic solubilitateaoxigenului în mediu. După cum a fost prezentat anterior, vîscozitatea mediuluicreşte puternic odată cu acumularea biomasei. De exemplu, după cum se constată


201

din figura 3.1, în prezenţa a 3% s.u. miceliu de Penicilium chrysogenum,solubilitatea oxigenului se reduce cu circa 90 % faţă de valoarea iniţială.

În plus, odată cu acumularea biomasei, comportarea vîscoplastică alichidului se accentuează, cu efecte negative asupra transferului de masă aloxigenului.

Coeficienţii de transfer de masă ai oxigenului sau ai altor substraturi înlichidul de fermentaţie, la aceleaşi valori ale consumului specific de putere necesaramestecării mediului, sunt mai mici pentru lichidele nenewtoniene comparativ cucele newtoniene.

Figura 3.1. Reducereaconcentraţiei oxigenuluisolvit în culturile dePenicillium chrysogenumodată cu creştereavîscozităţii.

În acest sens, Deidorfer şi Gaden (1955) au afirmat că odată cu acumulareabiomasei, coeficientul volumic de transfer de masă al oxigenului, kla, se poatereduce cu pînă la 85%, în paralel cu dublarea valorii vîscozităţii aparente. Efectuleste mai redus atunci cînd în lichidul de fermentaţie se formează asociaţiimicrobiene.

Astfel, în figura 3.2 şi tabelul 3.1 sunt prezentate cîteva exemple aleinfluenţei vîscozităţii şi a comportării reologice asupra vitezei de transfer şiconsum ale oxigenului în procese de biosinteză.

Figura 3.2. Influenţa vîscozităţiilichidului de fermentaţie şi aturaţiei asupra transferuluioxigenului, pentru comportarenewtoniană

η1 < η2 < η3 < η4.

0

10

20

30

40

0 10 20 30

CX, g s.u

η, cP

0

25

50

75

100

CS, % C sa

turati

CS

η

tura]ie

vitez\ consum ox 1

2

3

4

turaţie


202

Efectele vîscozităţii asupra transferului de masă al oxigenului se manifestăşi în culturile unor microorganisme a căror acumulare în mediu are o influenţă mairedusă asupra caracteristicilor reologice, cum ar fi culturile de bacterii. Deexemplu, după cum au constatat Taga ş.a. (1997), în cazul Alcaligenes eutrophus(obţinerea acidului poli-D-3-hidroxibutiric) cultivată într-un bioreactor tip air-lift,viteza de transfer a oxigenului creşte iniţial cu vîscozitatea mediului, atinge unmaxim, după care se reduce (figura 3.3). Explicaţia constă în aceea că odată cuacumularea biomasei, chiar în condiţiile creşterii vîscozităţii mediului,microorganismul elaborează în lichid o serie de compuşi tensioactivi carefavorizează transferul oxigenului şi consumul acestuia.

Tabel 3.1.Variaţia vitezei de transfer de masă a oxigenului pentru culturi de Penicillium

chrysogenum (putere specifică P/V = 0,7 W/l, CX = 0,3 g s.u./l).

Comportare reologicăMorfologie

model n k, cP

Viteză transf.

O2, mol/l.h

Peleţi legea puterii 0,4 500 15,0

Peleţi şi hife filamentoase plastic Bingham 0,2 700 11,0

Filamente plastic Bingham 0 4100 5,9

Figura 3.3. Efectul vîscozităţii asupra transferului de masă al oxigenului în culturi de Alcaligenes eutrophus.

200

300

400

0 25 50 75 100ηa, cP

Kla, h-1


203

Insă, pe măsura creşterii cantităţii de masă celulară, efectul negativ alvîscozităţii devine predominant.

Influenţa parametrilor reologici se regăseşte în ecuaţiile care permitcalculul coeficienţilor de transfer de masă ai oxigenului în lichidele de fermentaţie.Una dintre cele mai utilizate expresii, care ţine cont de efectul negativ alvîscozităţii aparente, este următoarea:

K a c vP

Vl S a= ⋅ ⋅

⋅αβ

γη (3.3)

în care, cele mai uzuale valori ale exponenţilor sunt: α = 0,4 β = 0,6 γ = - 0,7,acestea depinzînd atît de vîscozitate, cît şi de comportarea reologică a lichidului.

În expresia (3.30): vS - viteza superficială a aerului(P/V) - puterea specificăP - puterea necesară amestecării lichiduluiV - volumul lichidului din bioreactor.

În funcţie de particularităţile procesului de fermentaţie, pot fi obţinute şiutilizate expresii derivate. Astfel, în procesul de obţinere a acidului gluconic decătre Aspregillus niger, pe lîngă acumularea biomasei, creşterea vîscozităţii estecauzată şi de concentraţiile ridicate ale zahărului şi a acidului gluconic din mediu(> 300 g/l). Acest fapt determină reducerea valorii coeficientului de difuzie aloxigenului, relaţia (3.3) devenind:

K a vP

Vl S= ⋅ ⋅ ⋅

−3 10 3 0307

,,

(3.4)

valabilă pentru valori mici ale vîscozităţii.Pe măsura modificării comportării reologice, efectele asupra transferului

de masă devin tot mai pronunţate, expresiile de calcul ale coeficienţilor de transferde masă complicîndu-se. De exemplu, pentru culturi de Penicillium chrysogenum şiAspergillus niger cu compoartare vîscoplastică se poate folosi relaţia următoare:

( )K a

V

DSc

P

D g

la

a

⋅ ⋅ = ⋅

⋅ ⋅ ⋅

032

3

, α

ρ ν

β

(3.5)

unde: Da - debit de aer barbotatα, β - constante empirice care depind de sistemul de fermentaţie.

Kawase şi Moo-Young (1988) au obţinut o corelaţie între caracteristicilereologice şi transferul de masă al substratului valabilă pentru orice tip de curgerecare respectă legea puterii, tinînd cont de particularităţile fiecărui proces defermentaţie:


204

( )

( )k a D

P

V

k

v

vl a

n

n

ns

a

a

ap= ⋅ ⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

+ ⋅⋅ +

+

−0

3

5

9 4

10 1

1

23

5

1

2

1

4,675

\

ρ

ρ σ

ηη (3.6)

în care: n - indicele de curgere al lichidului de fermentaţiek - indicele de consistenţă al lichidului de fermentaţievS - viteza superficială a aeruluiva - viteza ascendentă a aeruluiηapă - vîscozitatea apei în condiţiile de fermentaţieσ - tensiunea superficială a lichidului de fermentaţie.

Însă, modele prezentate au o aplicabilitate relativ limitată şi, de asemenea,nu sunt suficient de exacte. Din acest motiv, pentru redarea mai exactă a influenţeicomportării reologice a lichidelor de fermentaţie asupra vitezei proceselor detransfer de masă au fost realizate studii pe diferite medii care simulează mediilereale, cu ajutorul unor soluţii de polimeri. Rezultatele au fost extinse şi completatepentru lichidele de fermentaţie reale.

Rezultatele obţinute în aceste studii au evidenţiat faptul că viteza detransfer a oxigenului creşte odată cu viteza superficială a aerului şi cu turaţiaagitatorului, pînă la atingerea unei valori maxime. Această evoluţie este influenţatăsemnificativ de acumularea masei celulare în sistem, respectiv de creştereavîscozităţii mediului.

După cum au demonstrat Gbewonyo ş.a. (1992), pentru procesele debiosinteză a novostatinei, efectele agitării şi aerării asupra vitezei de transfer aoxigenului sunt diminuate în culturile de fungi cu o structură filamentoasă. Înacelaşi timp, însă, a fost înregistrată o creştere a valorii coeficientului volumic detransfer de masă al oxigenului în aceste medii, comparativ cu alte lichide avîndaceiaşi parametrii reologici şi aceeaşi tensiune superficială.

Fenomenul observat este, probabil, rezultatul mai multor cauze, cum ar fi:- datorită utilizării oxigenului de către microorganisme se produce

creşterea gradientului de concentraţie al acestuia- elaborarea de către microorganisme a unor compuşi tensioactivi care

facilitează transportul substratului către celule- efectul pozitiv al tăriei ionice a lichidului.Separînd influenţele diferiţilor factori asupra transferului de masă al

oxigenului, pentru lichide de fermentaţie care respectă legea puterii (pseudoplasticeşi vîscoplastice), Olsvik ş.a. (1992-1995) au demonstrat că evoluţia generală acoeficientului volumic de transfer de masă, kla, este invers proporţională cuindicele de consistenţă, k (figura 3.4).


205

Figura 3.4. Efectul indicelui de consistenţă asupra transferului de masă al oxigenului.

Pentru valori ale indicelui k cuprinse între 2 şi 2,5 N.sn/m2, klaînregistrează o uşoară creştere, datorată, probabil, modificării concentraţieibiomasei acumulate, a vitezei de creştere sau a proprietăţilor fizice a lichidului defermentaţie, toate ca rezultat al activităţii metabolice a microorganismelor.

Pentru eliminarea influenţei concentraţiei biomasei, autorii au utilizatraportul kla/CX, studiile realizîndu-se în sisteme continue de fermentaţie. Efectulindicelui de consistenţă asupra acestui raport este redat în figura 3.5. Se constatăcă prezenţa biomasei influenţează pozitiv valoarea coeficientului de transfer aloxigenului.

Figura 3.5. Influenţa indicelui de consistenţă asupra raportului kla/CX.

0

25

50

75

100

0 1 2 3 4

k, N.sN/m 2

Kla, h-1

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4

k, N.sN/m 2

Kla/CXX


206

Studiile întreprinse asupra proceselor continue de fermentaţie a fungilor auindicat faptul că indicele de consistenţă creşte cu viteza de diluţie, dacă oxigenul segăseşte în exces, şi scade cu viteza de diluţie, dacă oxigenul este factorul limitativ(figura 3.6). Valoarea factorului kla/CX creşte cu viteza de diluţie, indiferent deevoluţia indicelui de consistenţă. Cauza acestei variaţii o constituie elaborarea decătre celule a unor compuşi tensioactivi care intensifică transferul de masă aloxigenului în lichidul de fermentaţie.

Figura 3.6. Influenţa vitezei de diluţie asupra indicelui de consistenţă (1) şi asupraraportului kla/CX (2), pentru diferite concentraţii ale oxigenului solvit în mediu

( oxigenul este substratul limitativ; oxigen în exces).

În analiza efectelor comportării reologice asupra transferului de masă, înbioreactoarele prevăzute cu amestecare mecanică, trebuie menţionate funcţiilediferite pe care le deţine agitarea mecanică în cazul lichidelor de fermentaţienewtoniene şi în cazul celor nenewtoniene. Diferenţa principală constă în aceea căîn lichidele newtoniene rolul agitatorului este de a preveni coalescenţa bulelor deaer şi de a uşura formarea acestor bule. În lichidele nenewtoniene, tendinţa decoalescenţă a bulelor este redusă, funcţia principală a agitatorului fiind aceea de aproduce bule cu dimensiuni cît mai reduse, în regiunile cu viteze de forfecareridicate.

Un alt fenomen apărut în lichidele de fermentaţie cu vîscozitate ridicatesau cu comportare nenewtoniană îl constituie apariţia zonelor moarte (stagnante),în care elementele nutritive se găsesc într-o cantitate insuficientă pentru asigurareanecesităţilor microorganismelor. De exemplu, în culturile de Streptomyces niveus,cu o comportare pseudoplastică, vîscozitatea aparentă se va reduce cu creşterea

0

5

10

15

20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

k,

N.sN/m 2

k la/CX

0

1

2

3

4

vitez\ de dilu-1

1

1

2

2

viteză de diluţie, h-1


207

vitezei de forfecare, însă va creşte cu distanţa de la agitator. Aerul barbotat prezintătendinţa se să deplaseze ascendent pe traseul de rezistenţă minimă, respectiv prinzonele cu vîscozitatea cea mai mică. Din acest motiv, mediul de cultură va fi maibogat în oxigen în regiunea din apropierea agitatorului, în bioreactor apărînd zonestagnante odată cu creşterea distanţei de la agitator.

Pentru diminuarea efectelor negative create de creşterea vîscozităţiilichidelor de fermentaţie şi accentuarea caracterului nenewtonian al curgeriiacestora, se poate mări turaţia agitatorului. Insă, trebuie să se ţină seama derezistenţa microorganismelor la forţele de forfecare create de agitarea mecanică,pentru a se evita liza mecanică a acestora. Din acest motiv, au fost utilizate şi alteprocedee de intensificare a transferului de masă al substratului.

Astfel, Legrys şi Solomons (1977) au propus, pentru culturi de biomasămiceliană cu vîscozitate ridicată, montarea pe acelaşi ax a unui agitator inferior tipturbină, care generează un grad înalt de turbulenţă, şi a unui agitator superior cupalete curbate, care produce viteze ridicate de curgere. Astfel, biomasa va circulaprin zona în care oxigenul se găseşte într-o concentraţie corespunzătoare,scurtîndu-se traseele de curgere prin zonele cu concentraţii reduse (regiunistagnante).

Unii cercetători au indicat înlocuirea unei porţiuni din mediul de cultură, laatingerea concentraţiei critice a oxigenului, cu mediu de cultură proaspăt (metodadiluţiei). Operaţia poate fi repetată programat, în funcţie de perioadele în careconcentraţia oxigenului scade puternic sau creşte vîscozitatea mediului.

Influenţa vîscozităţii lichidelor de fermentaţie şi a comportării reologice aacestora este mai pronunţată în cazul realizării procesului de biosinteză înbioreactoare tip coloană cu agitare pneumatică (figura 3.7).

Din această figură, se poate observa că valoarea coeficienţilor de transferde masă ai oxigenului se reduc, în bioreactoarele prevăzute cu amestecaremecanică, numai pentru vîscozităţi mai mari de 100 cP, ca rezultat al efectuluifavorabil indus de agitare.

După cum au arătat van't Riet şi Tramper (1991), pentru lichidele defermentaţie prelucrate în bioreactoare pneumatice tip coloană, între coeficientulvolumic de transfer de masă al oxigenului şi vîscozitate există o relaţie de inversăproporţionalitate, de forma:

k al = ⋅ −α η 084, (3.7)în care α reprezintă o constată specifică sistemului de fermentaţie studiat. În acestesisteme, pentru o vîscozitate de 100 cP, viteza de transfer a oxigenului se reduce decirca 50 de ori comparativ cu valoarea atinsă în apă. Din acest motiv, valoarea de100 cP este considerată nivelul maxim al vîscozităţii lichidelor de fermentaţie carepot fi prelucrate în acest tip de bioreactoare.


208

Figura 3.7. Comparaţie între eficienţa transferului de masă al oxigenului în diferite tipuri de bioreactoare.

În afara acestor influenţe, trebuie subliniat faptul că vîscozitatea şicompoatarea reologică a lichidelor de fermentaţie influenţează şi viteza dedesorbţie a dioxidului de carbon, produs în urma activităţii microbiene, din mediu.Formarea abundentă a dioxidului de carbon, în special în etapa de dezvoltareexponenţială a microorganismelor, determină creşterea progresivă a acidităţiimediului de cultură, cu efecte negative asupra activităţii microbiene.

Desorbţia CO2 se realizează prin difuzia sa din celulă în lichid şi, apoi, înfaza gazoasă care părăseşte bioreactorul. Procesul de transfer de masă este descrisde ecuaţia:

n K a CCO l CO2 2= ⋅ ∆ (3.8)

unde: nCO2 - fluxul masic al dioxidului de carbon∆CCO2 - forţa motrice a transferului de masă al dioxidului de carbon.

Coeficientul volumic total Kla este influenţat, în principal, de vîscozitateamediului de fermentaţie. De exemplu, pentru o cultură de Penicilliumchrysogenum, cu vîscozitatea aparentă cuprinsă între 50 şi 300 cP, cele douămărimi sunt corelate într-o expresie de forma:

K al a= −η 086, (3.9)

1 10 100 1000 ηa, cP

Kla,

s-110-1

10-3

10-4

10-2

10-1

bioreactor cu amestecare mecanica

bioreactor coloana tip air-lift


209

Solubilitatea CO2 este mult mai ridicată decît a oxigenului (de exemplu, la37oC, solubilitatea CO2 este de 35 ori mai mare decît a oxigenului). Acest fenomenare un efect negativ asupra transferului oxigenului către celule, deoarece degajareaCO2 din lichid antrenează şi oxigen. Astfel, se reduce conţinutul de oxigen allichidului. Pentru compensarea acestui neajuns, în etapa de creştere exponenţială abiomasei, cînd are loc o degajare puternică de CO2, se impune intensificareaaerării.

3.2. Influenţa comportării reologice asupra transferului de căldură în lichidulde fermentaţie

Comportarea reologică a mediului de cultură induce un efect puternicasupra proceselor de transfer, influenţa regăsindu-se în valorile coeficienţilortermici individuali şi globali.

Vîscozitatea lichidului generează principala influenţă, acţionînd pe douăcăi asupra transferului de căldură:

- similar efectului asupra transferului de masă, creşterea vîscozităţiiamplifică dificultatea atingerii unui regim turbulent de curgere a mediului, regimcare favorizează viteze ridicate de transfer termic

- uneori, vîscozitatea variază puternic cu temperatura, astfel că valoarea saîn filmul de lichid din vecinătatea suprafeţei de transfer de căldură este multdiferită de valoarea din masa lichidului. În acest caz, calculul coeficientului α estecomplicat, iar rezultatele obţinute se pot abate mult de la situaţia reală, conducîndla o operare a bioreactorului departe de condiţiile optime (în general, în calcule seutilizează o valoare medie a vîscozităţii mediului, la o temperatură medie între ceaa peretelui şi cea a lichidului).

Influenţa vîscozităţii este sugerată de realţiile de calcul ale criteriului Nu,respectiv al coeficienţilor individuali de transfer de căldură. Astfel, pentruprocesele de fermentaţie desfăşurate în bioreactoare cu amestecare mecanică, seutilizează relaţia:

NuD

k Re Pragp

=⋅

= ⋅ ⋅ ⋅

αλ

ηη

2 3 1 3014

/ /,

(3.10)

în care: α - coeficient individual de transfer de căldurăD - diametrul bioreactoruluiη, ηP - vîscozitatea lichidului de fermentaţie, respectiv în vecinătatea

suprafeţei de transfer termick - constantă de proporţionalitate specifică sistemului de fermentaţie respectiv.

Pentru bioreactoarele tip air-lift, cu circulaţie periferică a mediului în utilaj,dependenţa dintre coeficientul de transfer termic şi vîscozitate reiese din relaţia luiChakravarty:


210

αη

λ= ⋅ ⋅

⋅

⋅

−

871 022025 05

, ,, ,

vA

A

cg

a

d

p(3.11)

în care Aa, Ad reprezintă ariile secţiunii transversale a zonei de deplasareascendentă şi descendentă a lichidului de fermentaţie.

În bioreactoarele tip coloană cu amestecare pneumatică, viteza de circulaţiea lichidului este dependentă de viteza superficială a aerului, astfel că transferultermic va fi influenţat de acest parametru, precum şi de caracteristicile reologiceale mediului. Luînd în calcul aceste influenţe, Hejnen şi van^t Riet (1984) auobţinut următoarea expresie de calcul a coeficientului individual α:

αη

η= ⋅ ⋅ ′ ⋅

9391 103 025035

, ,,

vgapa

, W/m2.oC (3.12)

unde: v'g - viteza superficială a aerului la presiunea de lucru.Această corelaţie este aplicabilă pentru lichidele de fermentaţie a căror

vîscozitate variază între 10-3 şi 5.10-2 Pa.s.Astfel, după cum au indicat realţiile anterioare, creşterea vîscozităţii

lichidului de fermentaţie, asociată cu modificarea comportării reologice, determinăreducerea semnificativă a coeficienţilor de transfer termic, fenomen redat întabelul 3.2.

Tabel 3.2.Variaţia valorii coeficientului individual şi total de transfer de căldură

pentru diferite medii de cultură.

Comportare reologică αααα, W/m2.grd K, W/m2.grd Exemple

vîscozitate redusă,comportare newtoniană 2000 - 3000 800 - 1100 apă fără barbotare

vîscozitate redusă,comportare uşornenewtoniană

1000 - 1500 600 - 800Bacilus lycheniformis(obţinere bacitracină)

vîscozitate redusă,comportarenenewtoniană, biomasămiceliană

600 - 1000 300 - 700

Streptomyces rymosus(obţinere oxitetraciclină);

Streptomyces albus(obţinere salinomicină)

vîscozitate ridicată,comportare puternicnenewtoniană

100 - 300 100 - 200soluţii polizaharide

extracelulare


211

3.3. Influenţa comportării reologice asupra consumului de putere necesaramestecării mecanice a lichidelor de fermentaţie

Diminuarea efectelor negative datorate creşterii vîscozităţii şi modificareacomportării reologice alichidelor de fermentaţie pe parcursul desfăşurăriiprocesului de biosinteză se poate obţine, în principal, printr-o agitarecorespunzătoare, fără a se neglija, însă, efectul forţelor de forfecare asupramicroorganismelor cultivate.

Puterea necesară amestecării acestor lichide nu se mai poate calcula curelaţiile utilizate pentru lichidele newtoniene, în principal datorită faptului căvîscozitatea mediului nu mai este independentă de viteza de forfecare. Dar, şi încaest caz, puterea consumată devine independentă de criteriul Re şi de vîscozitateîn domeniul turbulent al curgerii, domeniu rar întîlnit în timpul fermentaţiilorindustriale.

Vîscozitatea ridicată a majorităţii mediilor de cultură, precum şisensibilitatea accentuată a microorganismelor la forţele de forfecare, fac extrem dedificilă, uneori imposibilă, atingerea unui regim turbulent de curgere. Curgereaacestor lichide în bioreactoarele cu agitare se încadrează în regimul de tranziţie,ceea ce impune corelarea puterii necesare cu parametrii procesului pentru fiecaretip de fermentaţie.

Variaţia vîscozităţii lichidelor nenewtoniene cu viteza de forfecare indicăneuniformitatea vîscozităţii în masa de lichid, ca rezultat al reducerii vitezei deforfecare cu distanţa de la agitator. Astfel, determinarea criteriului Re devinedificilă, nefiind cunoscută valoarea vîscozităţii reale a mediului.

O soluţie propusă constă în utilizarea unei viteze medii de forfecare, γ ,care este direct proporţională cu turaţia agitatorului:

γ = ⋅K N (3.13)unde: K = 4 - 13 şi reprezintă o constantă de proporţionalitate depinzînd decaracteristicile geometrice ale sistemului de agitare şi de natura lichidului defermentaţie. De exemplu:

• pentru lichidele pseudoplastice şi plasticul Bingham K = 10• pentru lichidele dilatante K se calculează cu expresia:

Kd

D= ⋅128, (3.14)

Pentru un calcul exact al puterii se impune determinarea valorii sale înfiecare caz, fiind necesară parcurgerea cîtorva etape:

1. calcularea vîscozităţii aparente medii a lichidului de fermentaţie cuajutorul vitezei medii de forfecare (dacă este valabilă legea puterii , atunci:


212

η γan nk k K N= ⋅ = ⋅ ⋅− −1 1

k - indice de consistenţă, n - indice de curgere);2. stabilirea mărimii criteriului Reag pentru fiecare valoare a turaţiei:

ReNd

aga

=2ρ

η3. trasarea curbei puterii, respectiv a dependenţei Eu = f(Reag):

Eu c Reaga= ⋅

valabilă şi pentru lichidele nenewtoniene, cu ajutorul căreia se va determinanecesarul de putere pentru agitarea mediului de cultură .

Deşi această metodă de calcul poate fi aplicată unui număr mare de sistemede fermentaţie, literatura de specialitate oferă o serie de relaţii specifice unuianumit tip de comportare reologică, în funcţie de regimul de curgere, decaracteristicile geometrice ale bioreactorului şi de natura microorganismuluiutilizat.

Pentru lichidele pseudoplastice în regim laminar se poate utiliza expresia:

Eud N

k

H

L DA

n nn= ⋅ ⋅ ⋅

⋅ +

⋅

− −−160

1

1

2 2 11ρ (3.15)

în care: k - indice de consistenţă n - indice de curgere N - turaţie H - înălţimea lichidului din bioreactor L - distanţa între agitator şi fundul bioreactorului

A - constantă empirică.

Pentru culturi de Endomyces cu comportare pseudoplastică s-a stabilit orelaţie care ţine cont şi de dependenţa dintre putere, indicii de curgere, n, şi deconsistenţă, k, ai lichidului (prin intermediul criteriului Re modificat) şidimensiunile geometrice ale sistemului de agitare:

Eu K Red

D

w

Daga

b c

= ⋅ ′ ⋅

⋅

(3.16)

unde: Reag′ - criteriul Reag modificat pentru curgerea pseudoplastic

Red N

k

n

nag

n n′ = ⋅ +

−ρ 2 2

01 6 2,

w - lăţimea paletei agitatoruluia, b, c - depind de valoarea Reag

′ K - constantă.


213

În general, pentru lichide nenewtoniene care respectă legea puterii pot fiutilizate următoarele corelaţii între puterea necesară amestecării şi caracteristicilereologice:

- regim laminar:

EuReag

= ′63, ( )Re

N dag

n

a

n′ = ⋅−

−ρη π2 2

14 (3.17)

- regim turbulent:( )

Euwld w

dct= ⋅

−=160

3. (3.18)

(l - lungimea paletei agitatorului), observîndu-se faptul că în regim turbulentefectul caracteristicilor reologice este neglijabil.

Cu ajutorul acestor relaţii, stabilite pentru mediile de cultură neaerate, sepoate calcula puterea necesară agitării lichidelor de fermentaţie aerate, funcţie deparametrii reologici ai acestora. Pentru aplicarea acestor relaţii lichidelornenewtoniene, trebuiesc respectate anumite restricţii impuse de modificărilereologice ale mediilor de cultură în timpul proceselor de fermentaţie. De aceea, sepreferă utilizarea unor relaţii specifice unui anumit tip de comportare reologică saumicroorganism.

De exemplu, pentru culturi cu comportare pseudoplastică puterea necesarăse calculează cu următoarele expresii:

- pentru Reag′ ≤ 50 P K

P Nd

Va

a= ′ ⋅

2 3

056

027

,

,

(3.19)

- pentru Reag′ ≥ 50 P K

P Nd

Va

a= ′′ ⋅

2 3

056

045

,

,

similare cu cele pentru lichidele newtoniene.Comparîndu-se consumul de putere pentru lichidele nenewtoniene aerate

cu cel pentru lichidele newtoniene aerate, s-a constatat că:- pentru medii de cultură cu vîscozitate redusă, diametrul agitatorului

influenţează puţin valoarea raportului Pa/P, acesta reducîndu-se apreciabil numai îndomeniul Reag�> 400;

- pentru medii de cultură puternic vîscoase, raportul Pa/P are valori foartemici începînd chiar cu Reag' = 200.

În lichidele nenewtoniene neaerate, zona cu amestecare intensă estelocalizată adesea, la turaţii reduse ale agitatorului, în jurul acestuia, regimul decurgere fiind laminar. Aerarea poate determina extinderea acestei zone, cauzînd ocreştere a consumului de putere. Totuşi, prin aerare se reduce densitatea şi


214

vîscozitatea, putîndu-se reduce, astfel, puterea necesară agitării. Coexistenţa celordouă fenomene generează o scădere a influenţei aerării asupra consumului deputere pentru lichidele de fermentaţie nenewtoniene. În plus, în vecinătatea bulelorde aer se va modifica curgerea lichidului, ceea ce va afecta consumul de putere.

Studiindu-se fermentaţia microorganismului Endomycopsis pentru obţi-nerea glucoamilazei, s-a demonstrat valabilitatea relaţiei (3.19) pentru regimulturbulent de curgere, nefiind, însă, aplicabilă pentru curgerea laminară sau tranzitorie.De asemenea, relaţia nu este valabilă pentru vîscozităţi mai mari de 300 cP.

În figura 3.8 s-a reprezentat variaţia raportului Pa/P, tot pentru culturi deEndomycopsis, funcţie de criteriul aeraţiei. Valoarea raportului Pa/P se reduce atîtcu creşterea valorii criteriului aeraţiei, cît şi a vîscozităţii mediului, devenindconstant pentru Na ≥ 0,04, indiferent de vîscozitate.

Figura 3.8. Variaţia Pa/P funcţie de criteriul aeraţiei, Na, pentru lichidul de cultură al Endomycompsis (Re = 400).

Ecuaţiile anterioare nu reprezintă, totuşi, o corelaţie exactă între putereanecesară amestecării unui lichid de fermentaţie şi caracteristicile acestuia,indiferent de regimul de aeraţie, datorită complexităţii factorilor implicaţi înproces.

În funcţie de valoarea vîscozităţii şi a necesarului de oxigen al culturiirespective, pentru sistemele de fermentaţie prevăzute cu amestecare mecanică, sepot distinge patru cazuri de corelare optimă a aerării cu puterea introdusă:

1. vîscozitate redusă, consum redus de oxigen: se poate obţine un transferde masă eficient al oxigenului cu un consum redus de putere şi la debite mici de aer

P = 1,2 - 1,6 kW/m3 mediu de culturăDa = 0,3 - 0,5 m3aer/m3mediu.min

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 4 8 12 16

Na.102

Pa/P

100 cP

210 cP


215

2. vîscozitate redusă, consum ridicat de oxigen: este necesar un consumredus de energie şi un debit ridicat de aer barbotat


3. vîscozitate ridicată, consum redus de oxigen: se impune un consumridicat de energie, la debite reduse de aer


4. vîscozitate ridicată, consum ridicat de oxigen: consum energetic mare şidebite mari de aer

P = 2,5 - 3,5 kW/m3 mediu de culturăDa = 0,8 - 1,2 m3aer/m3mediu.min.

Redarea cantitativă a eficienţei amestecării, respectiv a influenţeicaracteristicilor reologice ale lichidelor de fermentaţie asupra performanţelorprocesului de amestecare din bioreactoare, se realizează prin intermediul timpuluide amestecare. Acest parametru reprezintă timpul necesar atingerii uneiconcentraţii uniforme în întreg volumul lichidului de cultură. Creşterea vîscozităţiişi accentuarea comportării reologice nenewtoniene a lichidului de fermentaţiesupus amestecării conduce la creşterea semnificativă a valorii timpului deamestecare.

Efectul caracteristicilor reologice asupra timpului de amestecare seregăseşte în expresiile de calcul alr acestui parametru. În acest sens, una dintre celemai utilizate relaţii de calcul, aplicabilă şi lichidelor nenewtoniene, esteurmătoarea:

t r

Ad

D

NV

V

a ia

a

l= ⋅

⋅

⋅ +

⋅

∏

−2820032

1 18

,

,

( ,

ηη

(3.20)

unde: A - constantă dependentă de reologia lichidului de fermentaţie (A = 80 - 140)ηl - vîscozitatea iniţială a lichidului de fermentaţieηa - vîscozitatea aparentă a lichidului de fermentaţieVa - debide aer barbotatV - volum mediu de cultură.Din analiza comparativă a datelor privind acumularea biomasei şi a

produselor obţinute în bioreactoare cu diferite intensităţi ale agitării, s-a constatatcă timpul de amestecare este situat în jurul a 2 minute, în perioada vîscozităţiimaxime a lichidului de cultură.

Cunoaşterea valorilor timpului de amestecare, într-un ciclu completde fermentaţie permite programarea regimului de agitare în funcţie decreşterea vîscozităţii, mărindu-se, astfel, performanţa procesului de biosinteză.


216

3.4. Influenţa globală a comportării reologice asupra proceselor de biosinteză

După cum a fost menţionat anterior, comportarea reologică a lichidelor defermentaţie are un rol determinant asupra performanţelor proceselor de biosinteză,prin efectele sale asupra transferului de masă şi de căldură. Din acest motiv, seimpune abordarea în ansamblu a acestor efecte, reflectate în randament şiproductivitate, atît în sistemele de biosinteză discontinue, cît şi cele continue.

3.4.1. Procese discontinue de biosinteză

În general, efectele unei comportări nenewtoniene a lichidului defermentaţie, cumulată cu o amestecare ineficientă, constau în:

• randamente de biosinteză scăzute• imposibilitatea analizării sistemului de fermentaţie• control ineficient al procesului• costuri ridicate• proiectare complexă a sistemului de biosinteză.

În timpul amestecării unui mediu de cultură cu vîscozitate ridicată asociatăcu o comportare nenewtoniană, în jurul agitatorului apare o zonă cu amestecareintensă, denumită � cavernă �, unde vitezele de forfecare sunt mult mai mari decîtîn restul lichidului (figura 3.9).

zonă stagnantă

Figura 3.9. Zonele deamestecare ale lichidelor defermentaţie cu comportarepseudoplastică.

microamestecare

macroamestecare

Pe măsura îndepărtării de această zonă, eficienţa amestecării sereduce, apărînd regiuni diferit amestecate. Tendinţa de apariţie a acestor regiunieste mai pregnantă la mediile pseudoplastice puternic vîscoase, cum ar fi înbiosinteza xanthanului, cînd disting trei regiuni:


217

- o regiune cu circulaţie intensă (macroamestecare)- o regiune cu circulaţie redusă (microamestecare) - zone stagnante.

Volumul fiecărei zone de amestecare este corelat cu caracteristicileconstructive ale sistemului de agitare astfel:

( )V a N dmicrob= ⋅ ⋅ ( )V c N d wmacro

d= ⋅ ⋅ ⋅2 (3.21)

a, b, c, d depinzînd de caracteristicile reologice ale lichidului respectiv.

Pentru analizarea influenţei reologiei, se consideră modelul general al unuibioreactor discontinuu cu amestecare ineficientă, utilizat în fermentaţiile aerobe,prezentat în figura 3.10.

V1

Figura 3.10. Fermentatordiscontinuu cu agitare ineficientă.

V2

Se presupune că microorganismul cultivat este facultativ aerob,biosintetizînd produsul dorit A doar atunci cînd concentraţia oxigenului solvit(substratul limitativ) depăşeşte o anumită valoare, denumită concentraţie critică. Încazul în care concentraţia oxigenului este mai mică decît această valoare,microorganismul va elabora produsul B nedorit, cu următoarele caracteristici:

- are proprietăţi fizico-chimice similare cu ale produsului A- chiar în condiţii aerobe, inhibă biosinteza produsului A- are efect letal pentru microorganism la concentraţii mai mari de o

anumită valoare (în general, după cum s-a observat în procesele industriale debiosinteză, peste 2 %).

De asemenea, se mai presupune că:- modificarea metabolismului microorganismului către producerea lui B

este un proces ireversibil


218

- la concentraţii reduse ale oxigenului se produce mutaţia spontană amicroorganismului către o formă care nu mai elaborează nici produsul A, nici B,dar care consumă substrat mai repede decît tulpina - mamă

- tulpina - mamă nu poate suporta variaţii ale pH-ului sau temperaturii,chiar pentru perioade scurte de timp.

În acest bioreactor, în condiţiile unei agitări ineficiente şi a unui mediu defermentaţie nenewtonian, se disting două regiuni care diferă prin intensitateaamestecării: - V1: regiunea cu o amestecare optimă (regiune activă)

- V2: în care concentraţia oxigenului se găseşte sub valoarea critică (regiunea stagnantă).Premisele anterioare au fost observate în majoritatea proceselor industriale

de fermentaţie, conducînd la obţinerea unei productivităţi inferioare celei carecorespunde unei amestecări eficiente. Cauza o constituie producerea lui B înregiunea V2. Datorită consumării mai rapide a substratului în această regiune, vaapărea un gradient de concentraţie care va genera difuzia acestuia din regiunea V1în V2. Pe de altă parte, produsul B va difuza din regiunea V2 în V1, inhibînd, astfel,producerea lui A în V1. În acelaşi timp, prezenţa lui B în lichidul final defermentaţie duce la creşterea costului necesar operaţiei de separare şi purificare alui A şi va reduce randamentul global şi productivitatea procesului biotehnologic.

Deplasarea microorganismelor din V1 în V2 va cauza, de asemenea,pierderi în randament şi productivitate, deoarece acestea nu vor mai contribui labiosinteza produsului A, ci doar la consumul inutil al substratului cu obţinerea luiB, iar, după un timp, fără obţinerea nici a produsului A, nici a produsului B.Deplasarea microorganismelor din V1 în V2 poate determina:

- modificarea metabolismului sau chiar moartea microorganismelor, atuncicînd acestea nu se pot adapta suficient de repede noilor condiţii de mediu

- mutaţia genetică a microorganismelor.Indiferent de situaţie, la reîntoarcerea microorganismelor în regiunea

activă, acestea nu vor mai fi capabile pentru mult timp sau deloc să producă A. Deexemplu, s-a observat că la obţinerea xanthanului, în zona stagnantă V2, au existatconcentraţii ridicate ale mutanţilor neproducători.

Amestecarea slabă a lichidelor de biosinteză şi, implicit, viteza redusă aproceselor de transfer, contribuie la un control ineficient al procesului, conducîndla noi pierderi în randament şi productivitate. Urmărirea diferiţilor parametri (deexemplu, valoarea pH-ului, a temperaturii) se realizează prin intermediul unorsenzori. În situaţia prezentată, indicaţiile senzorului vor depinde decisiv de poziţiaacestuia în bioreactor, apărînd diferenţe între valorile parametrului respectivcorespunzătoare regiunilor V1 şi V2. În acelaşi timp, răspunsul sistemului laacţiunea de control şi reglare (modificarea valorii parametrilor urmăriţi) va fi mairapid în regiunea activă, decît în cea stagnantă. Astfel, reglarea parametrilor nu maieste posibilă, microorganismele neputînd să suporte, uneori, chiar variaţii mici, dezecimi de unităţi, ale acestora.


219

Posibilităţile de îmbunătăţire a performanţelor proceselor discontinue debiosinteză, care se confruntă cu problemele prezentate mai sus, pot fi grupate îndouă categorii:

a. proiectarea şi utilizarea unor sisteme de măsură şi control capabile sădescrie cu precizie orice modificare spaţială şi temporală a parametrilor urmăriţi;

b. proiectarea unor sisteme de amestecare mai eficiente.a. În primul rînd, elementele sensibile ar trebui montate în regiuni diferite

ale bioreactorului, datele oferite fiind corelate cu rezultatele altor analize efectuate.Insă, dacă amestecarea este slabă, rezultatul va consta doar într-un control maieficient al procesului şi mai puţin în creşterea productivităţii.

b. S-a sugerat faptul că agitatorul tip turbină nu este, probabil, celmai indicat pentru amestecare lichidelor de cultură nenewtoniene, deşi este folositpe scară largă în procesele industriale. Totuşi, eficienţa sa poate fi mărită prin unelemodificări, cum ar fi:

- turaţii mai mari, în limitele admise de rezistenţa celulelor - rapoarte D/d mici - utilizarea unor agitatoare multiple - montarea unui sistem de şicane sau modificarea şicanelor existente - recircularea mediului de cultură.

Pentru culturile de fungi, deşi au fost studiate intens aceste aspecte, nu aufost stabilite corelaţii cu caracter general, probabil datorită lipsei de informaţii înceea ce priveşte atît comportarea reologică a acestor lichide, cît şi efectul ei asupraproductivităţii procesului de biosinteză. Totuşi, s-a observat că un agitatormultiplu cu palete induce acelaşi efect ca şi unul tip turbină, însă cu consumuri deputere substanţial mai mici.

În schimb, pentru biosinteza polizaharidelor extracelulare, s-a constatat cămărirea productivităţii este posibilă chiar numai prin creşterea turaţiei agitatorului,dar cu un aport suplimentar de energie de circa 75 %.

În proiectarea unor noi tipuri de agitatoare, sau sisteme de amestecare, nutrebuie să se ia în calcul doar raportul performanţă/cost, ci şi modificarea peparcursul fermentaţiei a vîscozităţii sau a altor caracteristici reologice, precum şi ametabolismului microorganismelor, ceea ce atrage modificarea vitezei proceselorde transfer de masă şi căldură. Este puţin probabil ca un singur agitator să satisfacătoate necesităţile impuse de aceste modificări.

O soluţie ar fi utilizarea unui agitator a cărui configuraţie să poată fimodificată automat, însă rezolvarea problemei din punct de vedere mecanic estedificilă, sau realizarea procesului de biosinteză în mai multe stadii în bioreactoarediferite.

Uneori, atunci cînd caracteristicile reologice ale mediului de culturăproduc, la un moment dat, reducerea drastică a eficienţei amestecării, se recurge lametoda diluţiei, care constă în diluarea lichidului de fermentaţie cu apă sterilizatăsau cu mediu proaspăt, cu sau fără evacuarea unor porţiuni din acesta, în ideea


220

reducerii vîscozităţii. În biosinteza kanamicinei, diluarea cu 5 - 10 % a lichiduluidin bioreactor a dus la reducerea cu circa 50 % a vîscozităţii acestuia şi la creşterearandamentului cu 20 %.

Pentru culturi de Endomyces s-a obţinut o reducere cu 50 % a indiceluide consistenţă prin diluarea mediului cu 10 - 15 %. Coeficientul volumic detransfer al oxigenului a fost mărit, de asemenea, prin diluarea lichidelor defermentaţie a microorganismului Nocardia.

Diluarea culturilor de fungi duce, în anumite cazuri, doar la o reduceretemporară a vîscozităţii, durata acestei reduceri devenind tot mai scurtă pe măsuraavansării procesului de biosinteză, respectiv a acumulării biomasei. Diluareadetermină îmbunătăţirea proceselor de transfer şi, deci, creşterea vitezei deacumulare a biomasei, respectiv mărirea vîscozităţii.

Deşi este un procedeu simplu şi eficient, metoda diluţiei nu este aplicabilăîn cazul obţinerii polizaharidelor, deoarece pentru reducerea vîscozităţii cu 50 % seimpune o diluare în proporţie mult mai mare de 10 %, în special la concentraţiiridicate ale produsului. Chiar în aceste condiţii, comportarea reologică a mediului,redată de valoarea indicilor de curgere şi de consistenţă, nu se modificăsatisfăcător. O diluţie mai avansată va determina pierderi în randament şiproductivitate datorate etapei de separare, anulînd, astfel, efectele unei amestecărimai intense.

3.4.2. Procese continue de biosinteză

Din punct de vedere al influenţei caracteristicilor reologice ale mediului decultură, între procesele de biosinteză discontinue şi cele continue existăunele deosebiri, datorate, în principal, următoarelor cauze:

- ambiguitatea interpretării informaţiilor oferite de studiile asuprasistemelor continue;

- diferenţele existente între caracteristicile amestecării corespunzătoarecelor două tipuri de bioreactoare, discontinue şi continue;

- în procesele continue pot fi atinse, adesea, condiţiile unei amestecăriperfecte;

- caracteristicile reologice ale mediului de cultură se pot modifica puternic,în procesele continue, odată cu viteza de diluţie.

Şi în bioreactoarele continue pot apărea regiuni active şi regiuni stagnante,cu efecte similare cu cele menţionate. În aceste regiuni, viteza efectivă de diluţieeste mult mai redusă decît viteza medie de diluţie, generînd fenomene demutageneză a microorganismelor. În acelaşi timp, în regiunile active, vitezaefectivă de diluţie este mai mare decît viteza medie de diluţie, ceea ce duce, deasemenea, la o operare ineficientă a bioreactorului.

Pentru numeroase procese continue de biosinteză s-a observat ocomportare oscilatorie, constînd în interschimbări între regiunile active şi cele


221

stagnante, sau în modificări ale poziţiei regiunilor stagnante. Aceste fenomene suntrezultatul modificărilor condiţiilor de operare ale bioreactorului, fiind, deasemenea, efectul modificărilor intensităţii amestecării.

Influenţa caracteristicilor reologice asupra amestecării poate fianalizată prin intermediul timpului de staţionare, τ, al mediului de culturărespectiv în bioreactor. Funcţia de distribuţie a timpilor de staţionare, f(τ), sedefineşte cu expresia:

( )fC

Cτ τ=

0(3.22)

în care: Cτ - concentraţia în efluent la ieşirea din bioreactorC0 - concentraţia în efluent la intrarea în bioreactor.Această funcţie reprezintă fracţiunea din numărul de elemente de volum

ale mediului de cultură care au stat în bioreactor un timp t ≤ τ. Funcţia dedistribuţie poate fi determinată cu ajutorul trasorilor. Cu aceste date se traseazăvariaţia funcţiei de distribuţie cu vîscozitatea lichidului, de exemplu. Astfel, înfigura 3.11 este redată funcţia de distribuţie a timpilor de staţionare pentru diferitesoluţii de xanthan.

Figura 3.11. Distribuţia timpilor de staţionare, pentru diferite soluţii de xanthan1 - 0,5% xanthan; 2 - 0,2% xanthan; 3 - amestecare perfectă.

Odată cu acumularea xanthanului creşte vîscozitatea mediului defermentaţie, accentuîndu-se caracterul nenewtonian al acestuia. Diferenţeleputernice dintre comportarea reală şi cea ideală ( amestecare perfectă) constituiepremisa studiilor privind posibilităţile de îmbunătăţire a eficienţei amestecării.

Totuşi, aplicarea acestei metode de analiză fermentatoarelor continue careprelucrează medii de cultură nenewtoniene este dificilă, deoarece ar trebui ţinutcont simultan atît de aspectele referitoare la amestecare, cît şi de posibilitateavariaţiei în timp a vitezei transferului de masă şi a cineticii procesului biochimic.

0

0.5

1

0 1 2 3 4D, τ

f(τ)

1

2

3


222

3.5. Influenţa comportării reologice asupra proceselor de separare aleproduselor de biosinteză

Etapele de separare ale biomasei sau ale produselor obţinute în urmaproceselor biochimice deţin un loc extrem de important în biotehnologie. De celemai multe ori, aceste etape determină costul unui anumit produs.

Influenţa caracteristicilor reologice ale lichidelor de fermentaţie semanifestă atunci cînd, la încheierea procesului de biosinteză, lichidul este prelucratprintr-unul dintre procedeele: filtrare, ultrafiltrare, microfiltrare, extracţie directă,atomizare.

Separarea biomasei prin filtrare este o operaţie dificilă, pe de o parte,datorită naturii masei celulare (structură fibroasă, mucilaginoasă, sub formă depastă), iar pe de altă parte, datorită vîscozităţii şi a comportării reologigenenewtoniene a lichidului de fermentaţie. În general, în scopul măririi vitezei defiltrare şi a reducerii pierderilor, nu se optează pentru perfecţionareaechipamentului de filtrare, ci pentru modificarea caracteristicilor lichidelor defermentaţie prelucrate.

În acest sens, metodele de prelucrare prealabilă a lichidelor greu filtrabileinclud: coagularea termică şi acidă a particulelor coloidale, adăugarea de electroliţiîn scopul aglomerării biomasei, toate conducînd la micşorarea vîscozităţiilichidelor şi, implicit, la reducerea rezistenţei la filtrare.

În ultimul timp, se acordă un interes deosebit separării directe dinlichidele de fermentaţie, în timpul sau după terminarea proceselor de biosinteză, acompuşilor elaboraţi de către microorganisme sau rezultaţi în urma unortransformări enzimatice. Interesul manifestat este explicat prin aceea că numeroaseprocese de biosinteză sunt inhibate de acumularea produsului (inhibiţie de produs),în special în cazul sistemelor discontinue la care concentraţia finală a produsuluiatinge valori relativ ridicate. Inlăturarea sa din mediul de cultură pe măsură ce seformează determină creşterea productivităţii biosintezei respective.

Un procedeu răspîndit de separare directă îl reprezintă extracţia lichid-lichid. Acest procedeu cunoaşte două variante principale:

a. utilizarea unui extractor distinct, lichidul de fermentaţie fiind reintrodusîn bioreactor (extracţie ex-situ);

b. extracţia în interiorul bioreactorului (extracţie in-situ).În afara solventului, care trebuie să nu manifeste toxicitate faţă de

microorganismele cultivate, o problemă importantă pe care o pune utilizareaacestei tehnici de separare directă constă în alegerea şi proiectarea echipamentuluide extracţie adecvat, ţinîndu-se cont de particularităţile lichidului de fermentaţie:prezenţa unei faze solide (biomasa), vîscozitatea ridicată şi comportarea reologicănenewtoniană, prezenţa unor compuşi tensioactivi etc.

Indiferent de varianta de realizare a extracţiei directe, vîscozitatea ridicatăa lichidelor de fermentaţie prelucrate, precum şi comportarea nenewtoniană aacestora, afectează eficienţa separării, în principal datorită:


223

- reducerii turbulenţei care poate fi atinsă în sistemul de extracţie, ceea ceconduce la valori mici ale criteriului Re, respectiv la valori reduse ale vitezei detransfer de masă a produsului util între faza apoasă şi solvent

- formării unor trasee preferenţiale de curgere a solventului, în cazullichidelor de fermentaţie pseudoplastice şi vîscoplastice, prin regiunile cu forţe deforfecare ridicate, ceea ce afectează uniformitatea distribuţiei solventului în lichidulde cultură

- formării unor asociaţii de picături, care reduce suprafaţa diponibilă pentrutransferul de masă al produsului util între faza apoasă şi solvent

- formării unor emulsii stabile, ca efect al reducerii vitezei de coalescenţă apicăturilor de solvent în medii vîscoase şi nenewtoniene.

În acest context, un exemplu îl constituie extracţia in-situ a butanoluluidin lichidul de fermentaţie al microorganismului Clostridium acetobutylicum.Creşterea vîscozităţii lichidului de fermentaţie a determinat reducerea semnificativăa valorii coeficientului de transfer de masă al butanolului între faza apoasă şisolvent utilizat (dibutilftalat, alcool oleic, amestec de alcool oleic şi i-propilmiristat, 2-etil-hexanol, dodecanol, 1,2-dicloretan) (figura 3.12).

Figura 3.12. Variaţia coeficientului detransfer de masă funcţie de vîscozitatealichidului de fermentaţie dP1 < dP2 < dP3 < dP4 dP - diametrul picăturii de solvent.

Din acestă figură se poate observa că mărirea vîscozităţii fazei apoasedetermină reducerea puternică a vitezei de transfer de masă, efectul fiind maipronunţat pentru picături de dimensiuni mai mari, a căror viteză de deplasare estemai redusă şi, implicit, criteriul Re mai mic. Influenţa vîscozităţii lichidului de fermentaţie se regăseşte în ecuaţiile caredescriu procesul. Astfel, pentru extracţia directă a butanolului cu 1,2-dicloretan, aufost stabilite următoarele expresii de calcul a criteriului transferului de masă Sh, înfuncţie de vîscozitate (Caşcaval şi Oniscu (1996)):

Sh = 7,7.10-30 Re4.78 Sc6.79 pentru apă (1 cP) (3.23)

η

k

4

1

2

3


224

Sh = 7,7.10-30 Re3.1 Sc6.79 pentru lichid de fermentaţie cu 2,9 cP (3.24)Sh = 3.10-7 Re1.946 Sc1.667 pentru lichid de fermentaţie cu 5,7 cP (3.25)Sh = 3.10-7 Re1.44 Sc1.667 pentru lichid de fermentaţie cu 12,1 cP (3.26)Sh = 3.10-7 Re0.67 Sc1.667 pentru lichid de fermentaţie cu 44,6 cP (3.27)

Influenţa semnificativă a vîscozităţii şi a comportării nenewtoniene alichidului de fermentaţie este materializată în reducerea de circa 7 ori aexponentului criteriului Re de la apă la soluţia de 1% carboximetilceluloză.

Un alt exemplu îl constituie extracţia reactivă directă a penicilinei G cuAmberlite LA-2 în acetat de butil. Datele experimentale obţinute au evidenţiatfaptul că vîscozitatea lichidului de fermentaţie manifestă un puternic efect asuprafluxului masic al antibioticului dinspre faza apoasă spre faza organică, după cum seobservă din figurile 3.13 şi 3.14.

ηa

0

2

4

6

8

10

12

0 200 400 600 800 1000

Tura]ie, rot/min

n P.104 , kmol/m

2 .h

1 cP

2,35 cP

6,05 cP

7,30 cP

10,44 cP

13,85 cP

14,84 cP

Figura 3.13. Influenţa turaţiei asupra vitezei de transfer de masă a penicilinei G în procesul de extracţie reactivă directă cu Amberlite LA-2, pentru

diferite valori ale vîscozităţii fazei apoase.

Turatie


225

Astfel, în intervalul de vîscozităţi 1 -14,84 cP, fluxul masic al penicilinei Gse reduce cu circa 35%, pentru o turaţie de 600 rot/min. În acelaşi timp, evoluţiafluxului masic cu turaţia agitatoarelor indică creşterea rezistenţei la difuziaantibioticului din faza apoasă, odată cu creşterea vîscozităţii acestei faze. Astfel,pentru soluţii apoase pure, η = 1 cP, după depăşirea turaţiei de 900 rot/min, fluxulmasic specific rămîne constant, ceea ce sugerează faptul că, în acest domeniu deturaţii, reacţia chimică interfacială dintre penicilina G şi agentul de extracţie devineetapa limitativă. Insă, odată cu creşterea vîscozităţii aparente a soluţiei apoaseiniţiale, creşterea fluxului masic specific cu turaţia continuă şi după atingereavalorii de 900 rot/min, fenomen explicat prin accentuarea rezistenţei la transferulde masă al antibioticului în faza apoasă ca rezultat al creşterii vîscozităţii (difuziarămîne etapa care controlează procesul).

Pentru redarea influenţei vîscozităţii, au fost propuse diferite modelematematice care descriu procesul de extracţie directă a penicilinei G din lichidelede fermentaţie, prin intermediul fluxului masic sau al coeficienţilor de transfer demasă ai antibioticului. În acest sens, au fost stabilite, pentru diferite domenii devalori ale vîscozităţii aparente a fazei apoase, corelaţii matematice între fluxulmasic al antibioticului, nP, şi vîscozitate (Oniscu şi Caşcaval (1998, 1999)):

• pentru η = 1 cPn Np = ⋅ ⋅−0896 10 6 0393, , (3.28)• pentru ηa = 2,35 - 7,50 cP

n Np aa= ⋅ ⋅ ⋅− − ⋅45 10 3 477 017, , ,η η (3.29)

• pentru ηa = 7,30 - 14,84 cP

n Np aa= ⋅ ⋅ ⋅− − + ⋅64 10 2 625 0515 01, , , ,η η (3.30)

(N - turaţia agitatoarelor).

0

2

4

6

8

10

12

2 4 6 8 10 12 14ηa, cP

n P.1

04 , km

ol/m

2 .h

200rot/min300rot/min400 rotmin

500

Figura 3.14. Influenta vâscozitatii asupra fluxului masic al penicilinei G, pentru diferite turatii.

Figura 3.14. Influenţavâscozităţii asupra fluxuluimasic al Penicilinei G pentrudiferite turaţii


226

Efectul caracteristicilor reologice poate fi redat şi cu ajutorul coeficienţilorde transfer de masă. Pentru acest sistem de separare, au fost stabilite următoarelecorelaţii matematice:

• pentru η = 1 cP

K N

K N

a

o

= ⋅ ⋅

= ⋅ ⋅

−

−1666 10

5825 10

3 0995

5 112

,

,

,

, (3.31)

• pentru ηa = 2,35 - 7,30 cP

( )

( )K e N

K e N

a

o

a

a

= ⋅

= ⋅

− + ⋅ + ⋅

− + ⋅ + ⋅

665 039 0868 0072

961 0197 1128 011

, , , ,

, , , ,

η η

η η(3.32)

• pentru ηa = 7,30 -14,84 cP

( )

( )K e N

K e N

a a

o a

= ⋅

= ⋅

− + ⋅ + ⋅

− + ⋅ + ⋅

954 0207 1528 0020

114 0471 10452 0128

, , , ,

, , , ,

η η

η η(3.33)

Datele experimentale au indicat reducerea puternică a coeficienţilor globaliaparenţi de transfer de masă în intervalul 1 - 14,84 cP (de circa 3 ori, pentru oturaţie de 600 rot/min). Din expresiile anterioare se constată creşterea valoriiexponentului b cu creşterea vîscozităţii aparente, evoluţie care sugereazăaccentuarea efectului turaţiei asupra coeficienţilor aparenţi de transfer de masă aiantibioticului pentru ηa ≥ 2,35 cP. Acest fenomen este rezultatul creşteriiimportanţei relative a difuziei penicilinei G ca etapă limitativă a procesului globalde extracţie reactivă, datorită accentuării rezistenţei create de vîscozitatea ridicată afazei apoase.

Din analiza datelor oferite de literatura de specialitate, se poate afirma careologia lichidelor de fermentaţie reprezintă un factor hotărîtor al performanţelorunei biotehnologii, implicaţiile sale regăsindu-se atît în desfăşurarea procesuluibiochimic propriu-zis, cît şi în eficienţa etapelor ulterioare de separare şi purificarea produsului util. Din acest motiv, pentru atingerea unor condiţii optime derealizare a unui proces biotehnologic, trebuiesc cunoscute cu exactitatecaracteristicile reologice ale lichidelor de cultură şi stabilite corelaţii între evoluţiaacestora şi evoluţia procesului în ansamblu.

Această lucrare a fost realizată în cadrul Grantului CNFIS 41891/1999 - cod 213


227

Bibliografie

1. S. AIBA, A.E. HUMPHREY, N.F. MILLIS - Biochemical Engineering,Academic Press, New York, 1973.

2. S. AIBA, M. NAGATANI, H. FURUSE - J. Ferm. Technol. 1967, 45, 475.3. C. ANDERSON, G.A. LEGRYS, G.L. SOLOMONS - Biochem. Engn. 1982,

43.4. G.F. ANDREWS, J.P. FONTA, E. MARROTTA, P. STROEVE - Chem. Engn.

J. 1984, 29, B47.5. I. ANGHEL - Biologia şi tehnologia drojdiilor, vol.2, Ed. Tehnică, Bucureşti,

1991.6. B. ATKINSON, F. RAHMAN - Biotechnol. Bioengn. 1979, 21, 221.7. B. ATKINSON, F. MAVITUNA - Biochemical Engineering and

Biotechnological Handbook, The Nature Press, New York, 1985.8. J.E. BAILEY, D.F. OLLIS - Biochemical Engineering Fundamentals, McGraw

- Hill Chemical Engineering Series, New York, 1986.9. M.T. BELAMAR-BEINY, C.R. THOMAS - Biotechnol. Bioengn. 1991, 37,

456.10. G.H. BELL, M. GALLO - Process Biochem. 1971, 6(4), 33.11. M. BEROVIC, T. KOLOINI (Ed.) - Bioreactor Engineering Course Notes,

Tiskarna Plesko, Ljubliana, 1991.12. M. BEROVIC, T. KOLOINI (Ed.) - Bioreactor Engineering Courses Workshop

Notes, Island of Albarella, Italy, 1992.13. U. BJORKMAN - Biotechnol. Bioengn. 1987, 27, 101.14. N. BLAKEBROUGH, W.J. MANAMEY, K.R. TART - J. Appl. Chem.

Biotechnol. 1978, 28, 453.15. H.W. BLANCH, S.M. BHAVARAJU - Biotechnol. Bioengn. 1976, 18, 745.16. H. BLENKE - Adv. Biochem. Engn. 1979, 13, 121.17. J.J.T. BONGENAAR, N.W.F. KOSSEN, F.W. MOIJBOOM - Biotechnol.

Bioengn. 1973, 15, 201.18. H. BRAUER - Adv. Biochem. Engn. 1979, 13, 87.19. H. BRAUER (Ed.) - Biotechnology, vol.2, VCH Weinheim, 1985.20. B.C. BUCKLAND, K. GBEWONYO, D. DIMASI, G. HUNT, G.

WESTERFIELD, A.W. NIENOW - Biotechnol. Bioengn. 1987, 31,737.21. B.L.A. CARTER, A.T. BULL - J. Gen. Microbiol. 1971, 65, 265.22. D. CAŞCAVAL - Bioinginerie, Litografia U.T. Iaşi, 1999.23. D. CAŞCAVAL - Tehnici de separare şi concentrare specifice în ingineria

biochimică, Litografia U.T. Iaşi, 2000.24. D. CAŞCAVAL, C. ONISCU - Roum. Biotechnol. Lett. 1996, 1(2), 139.25. D. CAŞCAVAL, C. ONISCU, C. CAŞCAVAL - Rev. Roum. Chim. 1999,

44(4), 403.26. M. CHARLES - Adv. Biochem. Engn. 1978, 8, 1.


228

27. M.Y. CHRISTI, M. MOO-YOUNG - Biotechnol. Bioengn. 1988, 31, 487.28. Y.Q. CUI, R.G.J.M. VAN DER LANS, K.C.A.M. LUYBEN - Biotechnol.

Bioeng. 1997, 55(5), 715.29. A.L. CUKIERMAN, N.O. LEMCOFF - Chem. Engn. J. 1980, 19, 125.30. W.A. DARLINGTON - Biotechnol. Bioengn. 1964, 6, 241.31. D.W. DECKWER, K. NGUYEN-TIEN, A. SCHUMPE, Y. SERPEMEN -

Biotechnol. Bioengn. 1982, 24, 461.32. W.D. DECKWER - ACS Symposium Series 1981, 168, 213.33. W.D. DECKWER, A. SCHUMPE - Chem. Eng. Sci. 1993, 48, 889.34. F.H. DEINDORFER, E.L. GADEN - Appl. Microbiol. 1955, 3, 253.35. F.H. DEINDORFER, J.H. WEST - J. Biochem. Microbiol. 1960, 2, 165.36. A.G. EDWARDS, C.S. HO - Biotechnol. Bioengn. 1988, 32,1.37. H. EIKI, H. GUSHIMA, H. ISHIDA, Y. OKOSAITO, T. OSANO - J. Ferm.

Bioengn. 1989, 67, 345.38. H. ELMAYERGY, M. MOO-YOUNG - Adv. Microbiol. Engn. 1973, 1, 507.39. H. ENDO, K. SODE, I. KARUBE, H. MURAMATSU - Biotechnol. Bioengn.

1990, 36, 636.40. L.E. ERIKSON, I.G. MINKEVICH, V.V. EROSHIN - Biotechnol. Bioengn.

1978, 20, 1595.41. V.V. EROSHIN, I.S. UTKIN, S.V. LADYNICHEV, V.V. SAMOYLOV, V.D.

KURSCHINNIKOV, G.K. SKRYABIN - Biotechnol. Bioengn. 1976, 18, 289.42. I.A. FATILE - Biotechnol. Bioengn. 1985, 21, 60.43. W.W. FOREST, D.J. WALKER - Adv. Microbiol., Physiol. 1971, 5, 213.44. K. GBEWONYO, G. HUNT, B. BUCKLAND - Bioproc. Eng. 1992, 8, 1.45. N.P. GHILDYAL, M.S. THAKUR, S. SRIKANTA, S. JALEEL, S.G.

PRAPULLA, M.S. PRASAD, P.N. DEVI, B.K. LOUSANE - J. Chem. Tech.Biotechnol. 1987, 38, 221.

46. S.P. GODBOLE, A. SCHUMPE, Y.T. SHAH - A.I.Ch.E.J. 1984, 30, 2873.47. J. HECHT, J. VOIGT, K. SCHUEGERL - Chem. Eng. Sci. 1980, 35, 1325.48. J.J. HEIJEN, K. VAN'T RIET - Chem. Engn. J. 1984, 28, 21.49. H.J. HENZLER - Chem. Ing. Tech. 1982, 54, 461.50. L. HO - Biotechnol. Bioengn. 1979, 21(7), 1289.51. CH.S. HO, L.-K. JU, R.F. BADDOUR - Biotechnol. Bioengn. 1990, 36(11), 1110.52. D.J.D. HOCKENHULL (Ed.) - Progress in Industrial Microbiology, vol.3,

Heywood&Company Ltd., London, 1961.53. D.J.D. HOCKENHULL - Progress in Industrial Microbiology, vol.8, J&A.

Churchill Ltd., London, 1968.54. C.M. HOOJIMANS, S.G.M. GERAATS, K.CH.A.M. LUYBEN - Biotechnol.

Bioengn. 1990, 35(11), 1078.55. A. ISHIZAKI, K. TANAKA - L. Ferment. Bioeng. 1990, 69, 170.56. M. JOHNSON, G. ANDRE, C. CHAVARIE, J. ARCHAMBAULT -

Biotechnol. Bioengn. 1990, 35(1), 43.


229

57. L.-K. JU, C.S. HO, J.F. SHANAHAN - Biotechnol. Bioengn. 1991, 38, 1223.58. L.-K. JU, A. SUNDARARAJAN - Chem. Engn. J. 1994, 56, B15.59. Y. KAWASE, B. HALARD, M. MOO-YOUNG - Biotechnol. Bioengn. 1991,

39, 1133.60. Z. KEMBLOWSKI, B. KRISTIANSEN - Biotechnol. Bioengn. 1986, 28, 1474.61. M. KENNARD, M. JANEKEH - Biotechnol. Bioeng. 1991, 38, 1261.62. L.R. KING, H.J. PALMER - Appl. Biochem. Biotechnol. 1989, 20 - 21, 403.63. E.K. LEE, L. HUANG, Y.H. LEE - Biotechnol. Bioengn. 1990, 36(5), 530.64. J. MALINOWSKI, C. LAFFORGUE, G. GOMA - J. Ferment. Technol. 1987,

65, 319.65. B. METZ, N.W.F. KOSSEN, J.C. VAN SUIJDAM - Adv. Biochem. Engn.

1979, 11, 103.66. J. MOLLER, J. NIEHOFF, K. SCHUEGERL - Appl. Microbiol. Biotechnol.

1992, 37, 157.67. M. MOO-YOUNG, H.W. BLANCH - Adv. Biochem. Engn. 1981, 19, 1.68. M. MOO-YOUNG, B. HALARD, D.G. ALLEN, R. BURRELL, Y. KAWASE

- Biotechnol. Bioengn. 1987, 30, 746.69. M. MOO-YOUNG, CH.L. COONEY, A.E. HUMPHREY (Ed.) -

Comprehensive Biotechnology, vol.2, Pergamon Press, Oxford, 1985.70. K.B. MORRISON, R.G. RIGHELATO - J. Gen. Microbiol. 1974, 81, 517.71. T. OLMAN, H.W. BLANCH - Crit. Rev. Biotechnol. 1986, 4, 133.72. E.S. OLSVIK, B. KRISTIANSEN - Biotechnol. Bioengn. 1992, 40, 1293.73. E.S. OLSVIK, K.G. TUCKER, C.R. THOMAS, B. KRISTIANSEN -

Biotechnol. Bioengn. 1993, 42, 1046.74. E.S. OLSVIK, B. KRISTIANSEN - Biotechnol. Adv. 1994, 12,1.1. C. ONISCU - Tehnologia produselor de biosinteză, Ed. Tehnică, Bucureşti,

1978.76. C. ONISCU - Chimia şi tehnologia medicamentelor, Ed. Tehnică, Bucureşti,

1988.77. C. ONISCU, C. CAŞCAVAL, D. CAŞCAVAL - Rev. Chimie 1996, 47(6), 524.78. C. ONISCU, C. CAŞCAVAL, D. CAŞCAVAL - Roum. Biotechnol. Lett. 1997,

2(4), 305.79. C. ONISCU, C. CAŞCAVAL, D. CAŞCAVAL - Roum. Biotechnol. Lett 1998,

3(1), 31.80. C. ONISCU, D. CAŞCAVAL, A.-I. GALACTION - Procese biotehnologice.

Proteine şi enzime, Litografia U.M.F. Iaşi, 2000.81. H.J. REHM, G. REED, A. PUHLER, P. STADLER (Ed.) - Biotechnology,

vol.3, VCH Weinheim, 1993.82. M. REUSS, D. DEBUS, G. ZOLL - Chem. Engn. 1982, 381, 233.83. M. REUSS - Chem. Engn. Technol. 1988, 11, 178.84. K. VAN'T RIET, J. TRAMPER - Basic Bioreactor Design, M. Dekker Inc.,

New York, 1991.


230

85. J.A. ROELS, J.C. VAN SUIJDAM - Biotechnol. Bioengn. 1980, 22, 463.86. J.A. ROELS - Biotechnol. Bioengn. 1980, 22, 2457.87. J.L. ROLS, J.S. COUDORET, C. FONADE, G. GOMA - Biotechnol. Bioengn.

1990, 35(4), 427.88. D.Y. RUY, A.E. HUMPHREY - J. Ferm. Technol. 1972, 50, 424.89. K. SCHUEGERL - Adv. Biochem. Engn. 1981, 19, 71.90. A.H. SCRAGG - Biotechnology for Engineers, Ellis Horwood Ltd., London,

1988.91. R. SCRIBAN - Biotechnologie, Technique & Documentation, Lavoisier, Paris,

1993.92. J.E. SMITH, D.R. BERRY, B. KRISTIANSEN (Ed.) - The Filamentous Fungi,

vol.4 (Fungal Technology), Edward Arnold, London, 1983.93. J.J. SMITH, M.D. LILLY, R.I. FOX - Biotechnol. Bioengn. 1990, 35, 1011.94. P.F. STANBURY, A. WHITAKER - Principles of Fermentation Technology,

Pergamon Press, Oxford, 1986.95. I.S. SUH, A. SCHUMPE, W.D. DECKWER - Biotechnol. Bioeng. 1992, 39, 85.96. J.C. VAN SUIJDAM, B. METZ - Biotechnol. Bioengn. 1981, 23, 111.97. H. TANAKA, T. MIZZUGUCHI, K. UEDA - J. Ferm. Technol. 1975, 53, 35.98. H. TANAKA, K. UEDA - J. Ferm. Technol. 1975, 53, 27.99. K. TANAKA, A. ISHIZAKI - J. Ferment. Biotechnol. 1994, 77, 425.100. R.Z. TUDOSE, I. IBĂNESCU, M. VASILIU, A. STANCU, GH. CRISTIAN,

M. LUNGU - Procese, operaţii, utilaje în industria chimică, Ed. Didactică şiPedagogică, Bucureşti, 1977.

101. P. VERLAAN, J. TRAMPER, K. VAN'T RIET, K.CH.A.M. LUYBEN -Chem. Engn. J. 1986, 33, B43.

102. P. VERLAAN, J.C. VAS, K. VAN'T RIET - J. Chem. Technol. Biotechnol.1989, 45, 109.

103. G. ZARNEA, GH. MECINICOPSCHI, ŞT. BRĂGĂNEA - Bioingineriapreparatelor enzimatice, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1980.

104. D.I.C. WANG, CH.L. COONEY, A.L. DEMAIN, P. DUNNIL, A.E.HUMPHREY, M.L. LILLY - Fermentation and Enzyme Technology, J.Wiley&Sons Inc., New York, 1979.

105. H.Y. WANG, D.-G. MON, J.R. SWARTZ - Biotechnol. Bioengn. 1976,18(12), 1811.

106. F.C. WEBB - Biochemical Engineering, J.W. Arrowsmith Ltd., Bristol, 1964.107. A. WISEMAN (Ed.) - Topics in Enzyme and Fermentation Biotechnology, part

1, Ellis Horwood Ltd., London, 1977.108. H. YAGI, F. YOSHIDO - Biotechnol. Bioengn. 1975, 17, 1083.109. H.Y. YANG - Biotechnol. Bioengn. 1979, 21, 525.

comportarea reologica

Documents

Transcript of comportarea reologica