Guida tecnica — MCA Strumentazione Industriale
kLa e agitatori per fermentatori e bioreattori
Come correlare trasferimento di ossigeno, potenza specifica e scelta della girante per bioprocessi industriali
Guida tecnica — MCA Strumentazione Industriale
Come correlare trasferimento di ossigeno, potenza specifica e scelta della girante per bioprocessi industriali
Guida tecnica — bioprocesso
Nei bioreattori aerobici (antibiotici, insulina, anticorpi monoclonali, lieviti industriali) il parametro critico NON è la potenza di agitazione — è il coefficiente volumetrico di trasferimento ossigeno kLa. Deve essere abbastanza alto da garantire che l'ossigeno disciolto non scenda sotto il limite critico durante la crescita microbica. Sotto questo limite, il microrganismo muore o modifica il metabolismo e il batch è perso.
Il coefficiente kLa rappresenta la velocità con cui l'ossigeno può passare dalla fase gas (bolle di aria) alla fase liquida (brodo di fermentazione). La velocità di trasferimento di ossigeno OTR è:
dove C* è la concentrazione di saturazione (~7 mg/L a 25°C per aria) e C è la concentrazione attuale. Il microrganismo consuma ossigeno a velocità OUR (Oxygen Uptake Rate) proporzionale alla sua biomassa e al metabolismo. Se OTR < OUR, l'ossigeno disciolto crolla e il processo si blocca.
La correlazione più utilizzata per stimare kLa in fermentatori aerati con turbine Rushton è quella di Van't Riet (1979):
La correlazione è valida per acqua e brodi acquosi in fermentatori standard. Per brodi viscosi (fermentazioni fungine, miceliali) la correzione è kLa × (μ/μ_acqua)^(−0,5).
| Bioprocesso | kLa target (h⁻¹) | P/V (kW/m³) | Note |
|---|---|---|---|
| Fermentazione batterica aerobica | 100 – 500 | 1 – 5 | E. coli, Bacillus, Corynebacterium |
| Fermentazione di lievito (biomassa) | 200 – 400 | 2 – 4 | Saccharomyces, Pichia |
| Fermentazione fungina / miceliale | 50 – 200 | 2 – 6 | Penicillium, Aspergillus — brodo viscoso |
| Produzione anticorpi monoclonali | 10 – 100 | 0,05 – 0,5 | CHO, NS0 — basso shear obbligatorio |
| Digestione anaerobica (biogas) | n/a | 0,005 – 0,05 | Nessuna aerazione — solo miscelazione |
Standard storico per batteri e lieviti. Eccellente dispersione del gas. Shear elevato — dannoso per cellule fragili. Np = 5,0. Posizione multiple in fermentatori alti (altezza/diametro > 1,5).
Giranti a basso shear per colture cellulari mammifere. Flusso assiale, potenza minore della Rushton a parità di Njs. Non ottimali per dispersione gas → spesso abbinate a Rushton sul fondo.
Per fermentatori alti (H/T > 2) si usano 2-3 giranti sovrapposte sullo stesso albero. Configurazione tipica: Rushton sul fondo (dispersione gas) + pale inclinate sopra (ricircolo).
Un agitatore per fermentatore farmaceutico deve rispettare requisiti costruttivi molto severi, che impattano sia il costo sia il tempo di fornitura:
Menarini, Chiesi, Alfasigma, Zambon, IBSA, Fidia, Molteni, Altergon, Recordati, Bracco, DOC Generici. Impianti biofarmaceutici in Lazio, Toscana, Lombardia, Emilia-Romagna, Veneto. Investimenti annui in espansione capacità fermentativa.
Per il passaggio da fermentatore pilota a produzione, il criterio di scale-up è kLa costante. Vedi la guida allo scale-up.
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kLa è il coefficiente volumetrico di trasferimento di ossigeno dalla fase gas alla fase liquida. Si esprime in h⁻¹ e determina la velocità massima di consumo di ossigeno sostenibile dal microrganismo. Per fermentazioni batteriche aerobiche kLa tipico è 100-500 h⁻¹, per funghi 50-200 h⁻¹, per colture cellulari mammifere 10-100 h⁻¹.
Per colture cellulari mammifere (CHO, NS0 per anticorpi monoclonali) si usano giranti a basso shear come A310/A315 Lightnin, Maxflo o elica marina con angolo basso. La turbina Rushton, pur efficace nel trasferimento ossigeno, produce shear troppo elevato e danneggia le cellule.
È la correlazione sperimentale più usata per stimare kLa in fermentatori aerati con turbine Rushton: kLa = 0,026 × (P/V)^0,4 × (vs)^0,5. P/V è la potenza specifica in W/m³, vs è la velocità superficiale del gas in m/s. Valida per fermentatori industriali standard con aria disciolta.
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