8/12/2019 Bioingenieria y Fermentacion

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Microbiological Process Discussion

B i o e n g i n e e r i n ga n d F e r m e n t a t i o n

E L M E RL . G A D E N ,J R .

D e p a r t m e n to f C h e e m i c a lE n g i n e e r i n g ,C o l u m b i aU n i v e r s i t y ,Ne w Y o r k , New Y o r k

R e c e i v e df o r p u b l i c a t i o nJ u n e 2 9 , 1 9 5 9

O n e t h i n g a t l e a s tc a n b e s a i dw i t h c e r t a i n t ya b o u t b i o e n g i n e e r i n go r b i o c h e m i c a l e n g i n e e r i n g -- i tm e a n sm a n y t h i n g st o m a n y p e o p l e .T h e o r i g i n so ft h e s e t e r m s a r e i n d e e d d i f f i c u l tt o t r a c e .W h a t e v e rt h e i re a r l i e s tu s e ,h o w e v e r ,o n e o f t h e f i r s ti m p o r t a n t ,p u b l i s h e d r e c o r d sw a s a n e d i t o r i a li n t h e p e r i o d i c a lC h e m i c a lE n g i n e e r i n gf o r M a y 1 9 4 7 ( A n o n . , 1 9 4 7 ) ,w h i c hs a i di n p a r t :

T h i s i s i n o ta p l e a f o ra n o t h e rb r a n c ho f e n g i n e e r i n g .T h e r ea r e t o o m a n y a l r e a d y .B t u tt h e r e i s an i m p o r t a n tn e e d i n t h ec h e m i c a l i n du s t r yt o d a y f o re n g i n e e r sw i t h s o m e w h a tb r o a d e rs c i e n t i f i ct r a i n i n g t h a n i n c h e m i s t r y ,p h y s i c sa n d m a t h e m a t i c s .A n d t h i sn e e dw i l lc o n t i n u et o g r o wa s we come n e a r e r t o u n d e r -s t a n d i n g a n d i n f l u e n c i n gt h e p r o c e s s e so f o u r v e r y e x i s t e n c e .We a r e r e f e r r i n g ,o f c o u r s e , t o t h e i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l eo f t h e b i o l o g i c a ls c i e n c e s .

I n t h e p a s t f i v ey e a r s t h e p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r i e sh a v ec o n t r i b u t e dmore t o c h e m i c a lp r o g r e s s , a n d i n t u r n h a v e b e e nb e n e f i t e d more b y c h e m ic a l e n gi n ee r in gp r o g r e s s , t h a n e v e rb e f o r e i n t h e i r l o n g h i s t o r y . . . . They h a v e drawn h e a v i l y o nt h e b e s t o fo u r t e c h n o l o g ya n d h a v eo f t e n s u r p r i s e dt h e m s e l v e sw i t h t h e r e s u l t a n t s a v i n g s i n t i m e , c o s t a n d q u a l i t y .Theywant n o w t o a p p l y t h e same m e t h o d sa n d e q u i p m e n tt o o t h e r

p r o d u c t s , b u t t h e y t e l l u s t h e y a r e h a n d i c a p p e db y l a c k o fe n g i n e e r i n gmanpower w i t h f u n d a m e n t a lk n o w l e d g ea n d e x -p e r i e n c e i n b i o l o g y - p a r t i c u l a r l yb a c t e r i o l o g ya n d b i o c h e m -i s t r y .

S h o r t l yt h e r e a f t e rt h eU n i v e r s i t yo f W i s c o n s i ng a v en o t i c et h a t i t h a d e s t a b l i s h e dan o p t i o n a lb i o c h e m i c a le n g i n e e r i n gc u r r i c u l u mw i t h i n i t s u n d e r g r a d u a t ec h e m -i c a le n g i n e e r i n gp r o g r a m( H o u g e n ,1 9 4 7 ) .A t a b o u t t h es a m e t i m e ,i n t e r e s ti n b i o c h e m i c a le n g i n e e r i n gwa sf u r t h e rs t i m u l a t e db y a n a r t i c l ee n t i t l e d A C a s eS t u d yi n B i o c h e m i c a lE n g i n e e r i n g ( K i r k p a t r i c k ,1 9 4 7 ) ,r e -p o r t i n gt h e 1 9 4 7 A w a r d f o r C h e m i c a lE n g i n e e r i n gA c h i e v e m e n tt o M e r c k C o . ,I n c . ,f o rt h e c o m m e r c i a ld e v e l o p m e n to f s t r e p t o m y c i n .

T wo t h i n g sa r e e v i d e n t h e r e .F i r s t ,b i o c h e m i c a le n -g i n e e r i n gw a s c o n s i d e r e db y i t s e a r l yp r o t a g o n i s t st ob e a v a r i a t i o n ,p u r e a n d s i m p l e ,o n t h e c h e m i c a le n -g i n e e r i n gt h e m e ; s e c o n d ,t h e s esame p e o p l ew e r ea p p a r e n t l yunaware o f t h e f a c t so f l i f ei n t h e f e r m e n t a -t i o ni n d u s t r y ,a t l e a s t .I n f a c t ,t h e s ep r o m o t i o n a le f f o r t s ,

l B a s e don a l e c t u r e p r e s e n t e da t t h e A n t i b i o t i c sS y m p o s i u m ,P r a g t u e ,C z e c h o s l o v a k i a .

h o w e v e rw e l li n t e n t i o n e d ,c r e a t e d m i s u n d e r s t a n d i n g sw h i c h ,u n f o r t u n a t e l y ,s t i l le x i s t .

W h a t e v e rt h e d i f f i c u l t i e si n d e f i n i n ga n d d e l i n e a t i n gb i o e n g i n e e r i n g ,o n e t h i n g a t l e a s ti s r e a s o n a b l yw e l la g r e e du p o n ; i t i s c l o s e l yr e l a t e dt o c h e m i c a le n g i n e e r -i n g . P e r h a p s a b e t t e r p i c t u r e o f t h e t r u e n a t u r e o fb i o e n g i n e e r i n gc a n t h e nb e g a i n e df r o ma c l o s e rl o o k a tt h e c h e m i c a le n g i n e e r i n g s i r e .

C h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n d B i o e n g i n e e r i n g

F i r s t ,i t s h o u l db e r e c o g n i z e dt h a t c h e m i c a le n g i n e e r -i n g - o r a n y b r a n c h o f e n g i n e e r i n gf o r t h a t m a t t e r -d o e s n o t c o m p r i s ea n y d i s t i n c tb o d yo f k n o w l e d g e ,l i k et h a t n o r m a l l ya s s o c i a t e dw i t h t h e v ar io us s c i e n c e s -p h y s i c s ,c h e m i s t r y ,o r b i o l o g y ,f o ri n s t a n c e .R a t h e r i te m b o d i e sa g en er al a t t i t u d ea n d a p p r o a c ht o p r a c t i c a lp r o b l e m sw h i c hr e c o g n i z e st h e n e e d f o rg e t t i n g s o m e -t h i n gd o n ew i t h r e a s o n a b l ee x p e d i t i o ne v e n i n t h e a b -s e n c e o f c o m p l e t ei n f o r m a t i o n .

E n g i n e e r i n g ,l i k em e d i c i n e ,i s a p r a c t i c a la r t . I t i sf i r m l yb a s e d o n t h e c o n s t a n t l ye x p a n d i n gp o o l o f s c i e n -

t i f i ck n o w l e d g ea n d , i n f a c t ,f r e q u e n t l y c o n t r i b u t e st ot h i s p o o lt h r o u g h i t s a s s o c i a t e dr e s e a r c h a c t i v i t i e s .N e v e r t h e l e s s ,t h e b a s i ce n g i n e e r i n gf u n c t i o n i s t o p r o -v i d e s o l u t i o n st o t h e p r a c t i c a lp r o b l e m so f t e c h n o l o g y .

To a c c o m p l i s ht h e s e e n d s ,e a c h b r a n c ho fe n g i n e e r i n gh as e v o l v e di t s own p e c u l i a r t e c h n i q u e s i t s b a g o ft r i c k s .T h e s em e t h o d sa r e f o rt h e m o s t p a r t e m p i r i c a l ,b a s e d o n r a t i o n a l i z a t i o nf r o m e x p e r i e n c e ( i n c l u d i n ge x p e r i m e n t s )a n d p r a c t i c er a t h e r t h a n o n t h e o r e t i c a lc o n s i d e r a t i o n s .T o b e s u r e ,t h e s e e m p i r i c a l t o o l sa r ec o n s t a n t l y r e f e r r e dt o a n d t e s t e df o rv a l i d i t ya g a i n s tf u n d a m e n t a lc o n c e p t s . F u r t h e r m o r e ,i n c r e a s e dg e n -e r a l i z a t i o nb a s e do n g r e a t e r u n d e r s t a n d i n gi s c o n s t a n t l y

s o u g h ta s a m e a n sf o rs i m p l i f y i n ge x i s t i n gm e t h o d sa n dm a k i n gt h e mm o r e r e a d i l yu s e f u l .T h i s i s p a r t i c u l a r l yt r u e o f c h e m i c a lp r o c e s s d e s i g n

a n d e v a l u a t i o n , ;t h e p r i m a r y b u s i n e s s o f c h e m i c a le n -g i n e e r s .W e a r es t i l lv e r y f a rf r o m a n a d e q u a t eu n d e r -s t a n d i n g o f m o s t o f t h e o p e r a t i o n s i n v o l v e da n d s om u s t d e p e n d o n l a r g e l ye m p i r i c a l a p p r o a c h e s . T h ed e s i g no f a g i t a t i o ns y s t e m s ,s o i m p o r t a n ti n f e r m e n t a -t i o n ,i s a n e x c e l l e n te x a m p l e .W i t hv i r t u a l l yn o d e t a i l e d

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8/12/2019 Bioingenieria y Fermentacion

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E . L . GADEN, J R .

k n o w l e d g eo f t h e m e c h a n i s m so f i m p e l l e rb e h a v i o ra n dt u r b u l e n c eg e n e r a t i o n ,e m p i r i c a lc o r r e l a t i o n sh a v eb e e ne s t a b l i s h e dw h i c h e n a b l e u s t o s i z ea g i t a t o r ss a t i s -f a c t o r i l y .

C o r r e l a t i o n s ,t h e m o s t f a m i l i a rt o o l s o fc h e m i c a le n g i n e e r s ,a r e r e a l l ys u b s t i t u t e sf o r k n o w l e d g e .T h e yp r o v i d ea m e a n sf o rs o l v i n gp r a c t i c a ld e s i g np r o b l e m sw i t h o u tk n o w i n gw h a t i s r e a l l yg o i n go n .E x a c t m a t h -e m a t i c a la n a l y s i si s o f t e ne i t h e ri m p o s s i b l e ,b e c a u s et h er e q u i r e dk n o w l e d g eo fm e c h a n i s m si s n o t a h a n d , o r t o oe x p e n s i v ea n d d i f f i c u l tt o c a r r y o u t . I t sd i r e c tr o l ei np r o c e s sd e s i g ni s t h e r e f o r el i m i t e d .

C h e m i c a le n g i n e e r sa r e ,b y d e f i n i t i o n ,t h e e n g i n e e r so f t h ec h e m i c a lp r o c e s si n d u s t r i e s ,w h a t e v e rt h e i ro r i g -i n a ld e g r e e s .A l o o ka t a n y s u c c e s s f u lc h e m i c a lp r o c e s sc o m p a n yw i l lg e n e r a l l yd e m o n s t r a t et h i sq u i t ec l e a r l y .T h o s ew h ob e s tf i l l t h e e n g i n e e r i n gf u n c t i o n ,p a r t i c u -l a r l yp r o c e s sd e v e l o p m e n ta n d d e s i g n ,a r e t h o s e wh oh a v e b e e n s e l e c t e da c c o r d i n gt o i n t e r e s ta n d a b i l i t y -n o t a c c o r d i n gt o d e g r e e s .O f c o u r s eo n e h o p e st h a tt h ec u r r i c u l u mf o l l o w e di n s c h o o l ,a n d h e n c et h e d e g r e eo b -t a i n e d ,w i l lr e a s o n a b l yr e f l e c ti n t e r e s ta n d a b i l i t yb u tw e c a n n o ta s s u m et h a t t h i si s a l w a y ss o .

T o e x t e n dt h i sc o n c e p t ,b i o e n g i n e e r i n gi s s i m p l yt h ea p p l i c a t i o no f t h e s es a m et e c h n i q u e s , p l u ss o m es p e c i a lo n e s ,t o t h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di n a p a r t i c u l a rg r o u po f c h e m i c a li n d u s t r i e s ,t h o s e d e a l i n gw i t h b i o c h e m i c a la n d m i c r o b i o l o g i c a lp r o c e s s e s .

C h e m i c a lp r o c e s s e sa r ec o n c e r n e dw i t h m a k i n gs u b -s t a n c e sf r o mo t h e rs u b s t a n c e sr a t h e rt h a n w i t h s h ap i n gs u b s t a n c e si n t ot h i n g s .T h eb i o c h e m i c a l - m i c r o b i o l o g i c a lp r o c e s si n d u s t r i e sa r e n o d i f f e r e n ti n p r i n c i p l e ;t h eo n l y r e a ld i s t i n c t i o ni s i n t h eo r i g i na n d n a t u r e o f t h em a t e r i a l sd e a l tw i t h .T h e i r m o s t common c h a r a c t e r i s -t i c i s m o l e c u l a rc o m p l e x i t ya n d t h e y a r e u s u a l l yo b -t a i n e df r o ms o m en a t u r a l s o u r c e r a t h e rt h a n b y d i r e c tc o n v e r s i o no r s y n t h e s i sf r o m s i m p l e r r a w m a t e r i a l s .E v e n t h i s d e l i n e a t i o ni s m o r e a m a t t e r o f p r a c t i c a lc o n v e n i e n c et h a n p r i n c i p l e ,v e r y much l i k e s i m i l a rd i v i s i o n sw h i c hh a v e g r o w nu p b e t w e e nt h e p l a s t i c s ,p e t r o c h e m i c a l ,n u c l e a r ,a n d o t h e r b r a n c h e so ft h e c h e m -i c a lp r o c e s si n d u s t r i e s .E a c h m a k e su s e o f t h e g e n e r a la p p r o a c h e st o p r o c e s s d e s i g na n d e v a l u a t i o n w h i c hh a v e b e e n d e v e l o p e d ,m o d i f i e dm o r eo r l e s st o m e e t i t s

p a r t i c u l a rr e q u i r e m e n t s .B i o e n g i n e e r i n ga n d F e r m e n t a t i o n

T h i s b i o e n g i n e e r i n ga p p r o a c hh a s b e e n m o s t f r u i t -f u l l ya p p l i e d t o m i c r o b i o l o g i c a lp r o c e s s e s - f e r m e n t a -t i o n .I n a n e x c e l l e n td i s c u s s i o no f t h e e n g i n e e r i n g v i e w -p o i n ti n f e r m e n t a t i o n , W a r n e r e t a l . ( 1 9 5 4 )h a v ee m p h a s i z e dt h e d o m i n a n tr o l eo f t h e b i oc h e m i s t - m i c ro -b i o l o g i s ti n e s t a b l i s h i n gt h e f u n d a m e n t a lc o m p o n e n t so f t h e f e r m e n t a t i o np r o c e s so r g a n i s m ,s u b s t r a t e ,a n dp r o c e s sc o n d i t i o n s .I n m a x i m i z i n gp r o c e s se f f i c i e n c ya n d

p r o v i d i n gf o ro p e r a t i o n a le c o n o m ya n d r e l i a b i l i t y ,t h ee n g i n e e r sc o n t r i b u t i o ni s s e c o n d a r yb u t v i t a l .

I n a n o t h e rp a p e r , G a d e n( 1 9 5 5 a )a n a l y z e sf e r m e n t a -t i o ni n t e r m s a n a l o g o u st o t h o s e c o m m o n l yu s e d f o ro t h e r c h e m i c a lp r o c e s s e s .T h e b a s i cc o n s i d e r a t i o ni np r o c e s sd e s i g n s t o i c h i o m e t r y ,e n e r g y r e l a t i o n s h i pk i n e t i c s ,a n d e q u i l i b r i u m a r e e q u a l l y a p p l i c a b l et of e r m e n t a t i o n ;u n f o r t u n a t e l yt h e y a r e n o t s oo f t e ne a s i l yi d e n t i f i e da n d e v a l u a t e d .S i m i l a rv i e w s h a v e b e e no f f e r e db y H a r t l e ya n d W a r n e r( 1 9 5 8 ) .

T h e b i o e n g i n e e r i n ga p p r o a c ht o f e r m e n t a t i o n h a sb e e n s i g n i f i c a n to n l y f o rt h e l a s t1 5 y e a r s o r s o .T o b es u r e ,e n g i n e e r sm o s t l y c h e m i c a l h a v e a l w a y s b e e ne n g a g e di n c o m m e r c i a lf e r m e n t a t i o no p e r a t i o n s .U n t i lt h e 1 9 4 0 s ,h o w e v e r ,t h e i rr o l ew a s l a r g e l yc o n f i n e dt ot h e p u r e l y m e c h a n i c a la s p e c t so f p l a n ta n d e q u i p m e n td e s i g na n d o p e r a t i o n .M a t t e r s o f p r o c e s s d e s i g n w e r ea l m o s t e x c l u s i v e l yt h e c o n c e r no f f e r m e n t a t i o nt e c h -n o l o g i s t s ,g e n e r a l l y m i c r o b i o l o g i s t so rb i o c h e m i s t s .

P e r h a p st h e e a s i e s twa y t o a s s e s sa n d i l l u s t r a t et h er o l eo fb i o e n g i n e e r i n gi n f e r m e n t at i o n t e c h n o l o g yi s t of i r s ts u m m a r i z ei t sc o n t r i b u t i o n so v e r t h el a s t2 d e c a d e s .T h e na s p e c i f i cp r o b l e m ,s c a l e - u po ff e r m e n t a t i o np r o c -e s s e s ,w i l lb e e x a m i n e di n d e t a i lt o i l l u s t r a t eb o t h t h ea p p l i c a t i o na n d t h e l i m i t a t i o n so f t h e b i o e n g i n e e ra p p r o a c h .

T h e n e wq u e s t i o n , t h e n ,i s s i m p l yt h i s : W h a t b i o -e n g i n e e r i n gp r o b l e m sa c t u a l l ye x i s ti n f e r m e n t a t i o nt e c h n o l o g ya n d w h a t r e a lp r o g r e s sh a s b e e n m a d et o -w a r dt h e i rs o l u t i o n ?

When we t r yt o a n a l y z et h i sq u e s t i o ni n a r e a s o n a b l yd i s p a s s i o n a t em a n n e r ,o n e f a c t b e c o m e s a bu n d a n t lc l e a r ;t h et o t a lb i o e n g i n e e r i n g c o n t r i b u t i o nt o c u r r e n tf e r m e n t a t i o np r a c t i c ei s r e a l l yv e r ys m a l l .F u r t h e r m o r e ,t h e r ei s n o i n d i c a t i o nt h a ti t w i l lb e c o m es i g n i f i c a n tg r e a t e ri n t h e n e a r f u t u r e .T h i s d o e s n o t mean t h a t o u re f f o r t sa r e u n i m p o r t a n to r v a l u e l e s s .Q u i t e t h e c o n -t r a r y ;i n m a n y c a s e sb i o e n g i n e e r i n gd e v e l o p m e n t sh a v eh a d a n d w i l lh a v e p r o f o u n de f f e c t sb u t t h e s em u s t a l -w a y sb e v i e w e di n ,a n d n o t o u t o f ,p e r s p e c t i v e .

T h i s s i t u a t i o ni s n o o n e sf a u l t .I t i s s i m p l yt h e r e -s u l to f c e r t a i ni n h e r e n tf e a t u r e so f t h e f e r m e n t a t i o ni n d u s t r ya s i t h a s d e v e l o pe da n d a s i t n ow e x i s t s .A l -t h o u g h t h e r ei s n o f u n d a m e n t a ld i f f e r e n c eb e t w e e n

c h e m i c a lp r o c e s s e se m p l o y i n gn a t u r a l e n z y m ec a t a l y s te l a b o r a t e db y l i v i n gc e l l sa n d m o r ec o n v e n t i o n a lt y p e s ,t h e p a t t e r n s o fp r o c e s sd e v e l o p m e n ta r ed i s t i n c t l yd i f -f e r e n t .

T h e h e a r t o f a n y c h e m i c a lp r o c e s s i s t h e r e a c t i os y s t e mi t s e l f .O t h e rf a c t o r smay h a v eg r e a t e re c o n o m i cw e i g h t i n p a r t i c u l a r c a s e sb u t t h e c h e m i c a lc h a n g e sb e i n ge f f e c t e dp ro v i d e t h e r e as o nf o re x i s t e n c e .F o r a n yn ew p r o c e s s ,t h e k e y c o n s i d e r a t i o n sa r e ( a ) t h e b a s i cr e a c t o r s y s t e mt o b e e m p l o y e d a n dt h e r a n g e o f ( b )p h y s i c a l ,a n d c )c h e m i c a lv a r i a b l e s i n v o l v e d .

[ V O L .82 4

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B I O E N G I N E E R I N G AND F E R M E N TAT I O N

I n t h e d e v e l o p m e n to f a c a t a l y t i c ,g a s - p h a s ec o n v e r -s i o n ,f o re x a m p l e ,a g r e a t v a r i e t yo f r e a c t i o ns y s t e m sa n d c o n d i t i o n sma y r e a s o n a b l yb e c o n s i d e r e d :f i x e d o rf l u i db e d s ,h i g h o rl o wt e m p e r a t u r e sa n d a w i d er a n g eo fp r e s s u r e s ,f l o wr a t e sa n d r e a c t i o nm i x t u r e s .F o r f e r m e n -t a t i o n ,h o w e v e r ,t h e c h o i c ei s much d i f f e r e n t ,i n s o m ew a y s m o r el i m i t e da n d i n o t h e r s a l m o s t l i m i t l e s s .Toi l l u s t r a t e :

R e a c t i o ns y s t e m s .V i r t u a l l ya l l m o d e r na e r o b i cp r o c -e s s e se m p l o ya s i n g l e r e a c t o rt y p e ; t h e s t i r r e d ,b a f f l e dt a n k w i t h g a s s p a r g i n gb e n e a t ht h e i m p e l l e r .T h e r ea r e ,o f c o u r s e ,l i m i t e de x a m p l e so f o t h e r t y p e s ;f i x e db e d sa r e u s e d i n a f e w c a s e s( v i n e g a rg e n e r a t o r s , t r i c k l i n gf i l t e r s )a n d o n e may v i e wt h e c o n t i n o u smedium s t e r i -l i z e ra s a d i f f e r e n t i a l ,t u b u l a r r e a c t o r .

P h y s i c a l v a r i a b l e s .T e m p e r a t u r e , b e t w e e n r a t h e rn a r r o w l i m i t s ,a n d t h e i n t e n s i t yo f a g i t a t i o n( b o t hm e c h a n i c a ls t i r r i n ga n d a i r s p a r g i n g )a r et h e p r i m a r yp h y s i c a lv a r i a b l e si n a e r o b i cf e r m e n t a t i o ns y s t e m s .

F l u i d p r o p e r t i e so f t h e m a s h , f o re x a m p l e ,v i s c o s i t y ,d e n s i t y ,a n d s u r f a c et e n s i o n ,a s w e l l a sa g i t a t o r d e s i g n ,p o w e ri n p u ta n d a i rr a t ea r et h e f a c t o r sw h i c hd e t e r m i n ea g i t a t i o ni n t e n s i t y .P r e s s u r e ,i n t h e m o d e r a t er a n g eo r d i n a r i l ye m p l o y e d ,s e e m st o h a v en o e f f e c to n f e r m e n -t a t i o nr e a c t i o n s .

C h e m i c a lv a r i a b l e s .F e r m e n t a t i o nm e d i aa r eu s u a l l ys oc o m p l e xt h a ti t i s h a r d t o c o n s i d e rc h e m i c a lv a r i a b l e si n t h e s a m es e n s e a sf o ro t h e r c h e m i c a lp r o c e s s e s .T wob a s i cf ac to r s , a tl e a s t ,a r er e c o g n i z a b l et h o u g h ; f i r s t ,t h ec o m p o s i t i o no f t h em e d i u ma t t h eb e g i n n i n go f t h ec e l l - s u b s t r a t ei n t e r a c t i o na n d ,s e c o n d ,d e l i b e r a t ea d d i -t i o n sd u r i n gt h e i n t e r a c t i o n - n u t r i e n t s ,p r e c u r s o r sa n d ,o fc o u r s e ,o x y g e n .A l t h o u g ht h e e f f e c t so fc e r t a i nc h e m i -c a l f a c t o r s ,g l u c o s ec o n c e n t r a t i o nf o r i n s t a n c e ,a r eb r o ad ly u n de r s t o o di n s o m e f e r m e n t a t i o nr e a c t i o n s ,v i r t u a l l yn o t h i n g i s k n o w na b o u t t h e m y r i a do t h e rc o m p o s i t i o nv a r i a b l e s .P r o c e s sm e d i af o r m u l a t i o n sa r es i m p l ya r r i v e da t b y e x t e n s i v el a b o r a t o r yt r i a l .

F e r m e n t a t i o np r o c e s s d e v e l o p m e n ti s t h e n l a r g e l yam a t t e r o f f i n d i n g ,b y e x p e r i m e n t ,t h em o s tp r o d u c t i v ea n d e c o n o m i c a lo r g a n i s m - m e d i u mc o m b i n a t i o na n d o fr e p r o d u c i n g ,i n l a r g e rc a p a c i t ye q u i p m e n t ,t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o r c e l l - m e d i u mi n t e r a c t i o n .T h e o v e r - a l lp r o c e s ss c h e m e( f l o w s h e e t )a n d r e a c t o r s y s t e m f e r -m e n t o r )r e m a i nv i r t u a l l yt h es a m e ;o n l yc o n d i t i o n si n -s i d et h er e a c t o r c h a n g e .

T o e m p h a s i z et h e p e c u l i a rn a t u r e o f f e r m e n t a t i o np r o c e s sd e v e l o p m e n t ,o n e n e e d o n l y l o o k a t t h e t y p i c a lf e r m e n t a t i o np l a n t .D e s i g nd e t a i l sa n d c o n t r o lm e t h o d sd i f f e r ,o fc o u r s e ,b u t t h e r e a c t i o ns y s t e m se m p l o y e da r ev i r t u a l l yi d e n t i c a l .I n c r e a s e dc a p a c i t yi s o b t a i n e d b ya d d i n gd u p l i c a t eu n i t so f t h esame t y p e ,a n d d e v e l o p -ment o fa n e n t i r e l yn ew p r o c e s ss c h e m ei s r a r e l yu n d e r -t a k e n .R e c o g n i z i n gt h i s ,m a n y p e o p l eu s e t h e p h r a s e

p r o c e s s i m p r o v e m e n tt o d e s c r i b et h e p r i m a r ya c t i v i t yo f d e v e l o p m e n tg r o u p s i n t h e f e r m e n t a t i o ni n d u s t r y .

T h e i n h e r e n tf e a t u r e so ff e r m e n t a t i o np r o c e s s e st h e r e -f o r el i m i tc o n s i de r a bl y t h en o r m a la c t i v i t i e s o fc h e m i c a le n g i n e e r i n g ,t h e d e s i g no f n ew p r o c e s s e sa n d p l a n t s .I ti s o n l y i n t h i s l i gh tt h a t t h e b i o en g in e er i ngc o n t r i b u t i o nc a n b e r e a l i s t i c a l l ye v a l u a t e d

B i o e n g i n e e r i n gP r o b l e m sa n d P r o g r e s s

B i o e n g i n e e r i n gc o n t r i b u t i o n s t o f e r m e n t a t i o nt e c h -n o l o g yc a n b e l o o k e da t i nm a n y d i f f e r e n tw a y s .We c a ng o t h r o u g h t h e c h a r a c t e r i s t i cf e r m e n t a t i o n p r o c e s sf l o w s h e e ta n d l o o ka t t h e m a i ns t a g e s :( a )medium p r e p -a r a t i o na n d s t e r i l i z a t i o n , ( b )i n o c u l u mp r e p a r a t i o n ,( c )r e a c t i o n ( f e r m e n t a t i o n ) ,a n d ( d ) p r e t r e a t m e n tf o rr e -c o v e r y( l y s i s ,f i l t r a t i o n ,a n d s of o r t h ) .A l t e r n a t i v e l yw ec a n a d o p t a u n i to p e r a t i o n sa p p r o a c ha n d c o l l e c t i v e l ye x a m i n ea l l a c t i v i t i e sw h i c hh a v e a common b a s i s ,h e a ts t e r i l i z a t i o no f m e d i a , a s e p t i ct r a n s f e ro f f l u i d s ,m a s s

t r a n s f e r( a e r a t i o n )a n d s of o r t h .R e g a r d l e s so ft h e a p p r o a c ht a k e n , i t r a p i d l yb e c o m e sc l e a rt h a t s o m e s u b j e c t s ,a e r a t i o n f o r e x a m p l e ,h a v eb e e n s t u d i e dt o d e a t h w h i l e o t h e r s h a v e h ar dl y b e e ng l a n c e da t . Ta b l e 1 i s a s u m m a r y ,a d m i t t e d l yq u i t es u b j e c t i v e ,o fp r o b l e m sa n d p r o g r e s si n b i o e n g i n e e r i nP a r t s o f t h e t a b l e ,e s p e c i a l l yt h e c o l u m n o np r a c t i c a lu t i l i t y ,a r ed e p e n d e n t o ni n f o r ma t i o n g i v e nt h e a u t h o rb y p e o p l ei n i n d u s t r ya n d s oc a n n o t a l w ay s b ep r o p e r l yr e f e r e n c e d .F u r t h e r m o r e ,t h e i n t r o d u c t i o n o r s i m p l ea d a p t i o n t o f e r m e n t a t i o np r a c t i c eo f e q u i p m e n ta n dd e v i c e su s e d e l s e w h e r e ,w i t h l i t t l eo r n o c h a n g e ,i s n o ti n c l u d e dh e r e ,e v e n t h o u g h s u c h m e c h a n i c a li m p r o v e -m e n t smay h a v e g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e .

S c a l e -U p S c a l e - u p i s a n i n h e r e n tp a r t o f p r o c e s s d e v e l o p -

m e n t , i n f a c tt h e t e r m sa r ev i r t u a l l ys y n o n y m o u sf o rm a n y p e o p l e .S c a l e - u ph a s b e e n s u c c e s s f u l l ya c h i e v e dw h e n y i e l d sa n d p r o d u c t i v i t i e s ,p r e v i o u s l yd e m o n -s t r a t e do n la s m a l ls c a l e ,h a v e b e e n p r o d u c e di n l a r g e rc a p a c i t yu n i t s .T h i s b a s i cd e f i n i t i o nh o l d s e q u a l l yw e l lf o rm i c r o b i o l o g i c a lp r o c e s s e s ,t h o u g ht h e p r o b l e m se n -c o u n t e r e da r em a r k e d l yd i f f e r e n t .

T wo b a s i ca p p r o a c h e st o s c a l e - u pa r e a v a i l a b l e ;f i r s t ,e x t r a p o l a t i o no f m o d e le x p e r i m e n t sb a s e d o n t h e p r i n -c i p l e so fs i m i l i t u d ea n d ,s e c o n d ,m a t h e m a t i c a la n a l y s i so f t h e c o m p l e t e( o rc o n t r o l l i n g )m e c h a n i s m( J o h n s t o n ea n d T h r i n g ,1 9 5 7 ;M e t z n e ra n d P i g f o r d ,1 9 5 8 ) .

W h i l e t h e s e c o n do f t h e s e h a s u n l i m i t e dp o t e n t i a lv a l u e ,i t a l s oh a s s e r i o u s l i m i t a t i o n si n p r a c t i c e .O f t e nt h e r e l a t i o n s h i p sa r e t o o i n v o l v e dt o p e r m i t r i g o r o u sd e f i n i t i o no r t h e r e s u l t a n tm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o na r e t o o c o m p l e xf o re c o n o m i c a ls o l u t i o n ,e v e nw i t h c o m -p ut i n g e q u i p me n t .E l e c t r i c a lo r m e c h a n i c a la n a l o g smay s o m e t i m e sb e u s e dt o o v e r c o m et h e s e c o n do ft h e s e

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TA B L E 1B i o e n g i n e e r i n gp r o b l e m sa n d p r o g r e s s

D e v e l o p m e n t / S t u d y P u r p o s e U t i l i t yi n P r a c t i c e

M e d i u m s t e r i l i - C a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rb a t c h s t e r - I m p r o v e m e n to f b a t c h p r o c e s s N i l ( a p p a r e n t l yn o t u s e d i n i n d u s -z a t i o n i l i z a t i o n( D e i n d o e r f e r ,1 9 5 7 ) . s c a l e - u p . t r y ) .

E q u i p m e n tf o rc o n t i n u o u ss t e r i l i z a -a ) I m p r o v e p r o c e s s s c a l e - u p b y B e i n gi n t r o d u c e di nm a n y p l a n t s b u tt i o n : p r o v i d i n gu n i f o r mmedium c o m - e x p e r i e n c ei s v a r i a b l e ; e q u i p m e na ) r e t e n t i o n t u b e s . p o s i t i o n . a n d o p e r a t i o n a l p r o b l e m s s t i l lb ) p l a t e h e a t e x c h a n g e r s( P f e i f e r b )R e d u c e t u r n o v e r t i m ei n p r o - e x i s t .

a n d Vo j n o v i c h , 1 9 5 2 ;W h i t - d u c t i o n f e r m e n t o r s .m a r s h , 1 9 5 4 ) . c ) I m p r o v ep r o d u c t i v i t y .

A i r s t e r i l i z a t i o nS t u d y o f t h e f a c t o r sa f f e c t i n ge f f i - a ) E l u c i da t e t h em e c h a n i s mo f f i l - R e l i a b l e f i l t e r so f g r e a t l y r e d u c ec i e n c i e so f f i b r o u sf i l t e r s( T e r - t e r a c t i o n . v o l u m e a n dl o w e r p r e s s u r e d r o pj e s e n a n d C h e r r y ,1 9 4 7 ;D e c k e re t b ) P r o v i d er a t i o n a ld e s i g nm e t h o d h a v e b e e n d e v e l o p e da n d u s e d i n -a l . , 1 9 5 4 ;Humphrey a n d G a d e n , f o ra i r f i l t e r s . d u s t r i a l l y .1 9 5 5 ) .

D e s i g na n d t e s t i n g m e t h o d sf o rf i - R e d u c el e a d o n f i l t e r so ra c t a s p r i - U s e v a r i a b l e ;a l l c o m p r e s s o rs y s -b r o u s f i l t e r s( M c D a n i e la n d L o n g , mary s t e r i l i z e r f o rs o m ea p p l i - t e m s i n t r o d u c esome h e a t i n g .1 9 5 4 ;Gaden a n d H u m p h r e y ,1 9 5 6 ; c a t i o n s .Maxon a n d G a d e n , 1 9 5 6 ) .

H e a t s t e r i l i z a t i o no fa i r ( S t a r k a n dP o h l e r , 1 9 5 0 ) .

P r o c e s sd e s i g n F e r m e n t a t i o np r o c e s sk i n e t i c s( G a - a ) E l u c i d a t e g e n e r a l k i n e t i cp a t - N i l .d e n , 1 9 5 5 b ;L u e d e k i n ga n d P i r e t , t e r n s i n f e r m e n t a t i o np r o c e s s e s .1 9 5 9 ) . b ) A n a l y z ek i n e t i c so f b a t c h p r o c -

e s s e s .

P e n i c i l l i np r o c e s s k i n e t i c s( S t e f a -E x a m i n ee f f e c t so fp r o c e s sv a r i a b l e s N i l .n i a k e ta l . , 1 9 4 6 ;Brown a n d P e t e r - o nr a t e s o f p e n i c i l l i nb i o s y n t h e -s o n ,1 9 5 0 ;C a l a me t a l . ,1 9 5 1 ;H o s - s i s .l e ra n d J o h n s o n ,1 9 5 3 ;Owens a n dJ o h n s o n ,1 9 5 5 ) .

T h e o r yo fc o n t i n u o u sc e l lp r o p a g a - D e s i g no f s t e a d y - s t a t e c o n t i n u o u s C o n t i n u o u sp r o c e s s e sf o rc e l lp r o p at i o n ( H e r b e r t ,1 9 5 9 ) . p r o p a g a t o r sf o rc e l l s . g a t i o n a n d s i m p l e ( t y p e I ) f e r

m e n t a t i o n s .

C o n t i n u o u s , m u l t i s t a g e p r o d u c t D e s i g no f c o n t i n u o u sp r o c e s s e sf o r N i l .f e r m e n t a t i o n s( B a r t l e t ta n d G e r - t y p e I I a n d I I I ( b i o s y n t h e s i s )h a r d t , 1 9 5 9 ;S i k y t a , 1 9 5 9 ) . p r o c e s s e s .

A e r a t i o n - a g i t a - O x y g e na bs o r p t i o n m e a s u r e m e n t s :a ) S t u d ye f f e c ts o fo p e r a t i n gv a r i - Power i n p u t a n d a i r r a t e a r e m o st i o n a ) S u l f i t em e t h o d( C o o p e re t a l . , a b l e s( g a sr a t e ,a g i t a t o r s p e e d , i m p o r t a n t f a c t o r si n a e r a t i o n

1 9 4 4 ;S c h u l t za n d G ad e n ,1 9 5 6 ; f l u i dp r o p e r t i e s , e t c . )o n o x y g e n a g i t a t o r a n d s p a r g e r d e s i g nn o tP h i l i p sa n d J o h n s o n ,1 9 5 9 ) . a b s o r p t i o n . c r i t i c a l .F l a t - b l a d e t u r b i n e , o p e n

b ) P o l a r o g r a p h i cm e t h o d ( H i x - b ) C o m p a r i s o no f a e r a t i o n - a g i t a - p ip e s p a r g e r a de q u a te .s o n a n d G a d e n , 1 9 5 0 ;W i s e , t i o n s y s t e m s .1 9 5 1 ;B a r t h o l o m e we t a l . ,1 9 5 0 a ,b ; C h a i n a n dG u a l a n d i ,1 9 5 4 ) .

P e r f o r m a n c et e s t s ( C h a i n e t a l . ,1 9 5 2 ; F r i e d m a na n d L i g h t f o o t ,1 9 5 7 ;E l s w o r t he t a l . , 1 9 5 7 ) .

A e r a t i o nt e s t si n p r o d u c tf e r m e n t a - Examine e f f e c t so f a e r a t i o n - a g i t a - a ) M i n i m u m p o w e r - a i r r a t e l e v et i o n s( B a r t h o l o m e we t a l . , 1 9 5 0 b ; t i o n o n p r o d u c t i v i t y . f o r p e n i c i l l i ne s t a b l i s h e d .K a r o w e t a l . , 1 9 5 3 ;Ma x on a n d b ) A e r a t i o nn o t a s c r i t i c a li n a c t i n oJ o h n s o n ,1 9 5 3 ) . m y c e t ef e r m e n t a t i o n s .

C e l l - f l u i ds e p a - S t u d y o f c e n t r i f u g a t i o n( A m b l e r ,D e v e l o p t h e o r y f o r c e n t r i f u g eU s e d f o rs c a l e - u p o f c e l la n d v i r ur a t i o n s 1 9 5 9 ;P a t r i c ka n d F r e e m a n ,1 9 5 9 ) . s c a l e - u p . p r o p a g a t i o np r o c e s s e s .

F r o t h f l o t a t i o no fc e l l s( B o y l e sa n d D e v e l o p m e n to fa n ew t e c h n i q u e . N i l .L i n c o l n ,1 9 5 8 ;G u a d i n e t a l . ,1 9 6 0 a ,b ) .

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B I O E N G I N E E R I N G AND F E R M E N TAT I O N

l i m i t a t i o n s ,b u t t h e i ra p p l i c a t i o nt o m i c r o b i o l o g i c a lp r o c e s s e si s s t i l la l o n g wa y o f f .T h i s l e a v e su s w i t hs c a l e - u pf r o m m o d e le x p e r i m e n t sb y t h e p r i n c i p l e so fs i m i l i t u d e a st h e m a i nt e c h n i q u ei np r a c t i c e .

T o s c a l e - u pb y s i m i l i t u d e ,o n e m u s t f i r s te s t a b l i s hs o m ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e v a r i o u s d i -m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r sw h i c h c a n b e u s e d t o c h a r -a c t e r i z et h e s y s t e m . A t y p i c a le x a m p l e ,o f t e nr e f e r r e dt o i n f e r m e n t a t i o ns t u d i e s ,i s t h e c o r r e l a t i o nf o rp o w e rr e q u i r e di n a n a g i t a t e dv e s s e l( R u s h t o ne t a l . ,1 9 5 0 ) .

Np = K ( N R e ) m ( N F r ) n ( 1 )

T h e t h r e e d i m e n s i o n l e s sg r o u p sa r e :

N p o w e rn u m b e r= P G , _~ ~ ~ ~3 D 5_ R e y n o l d sn u m b e r_ ND 2 p

NRe- ( f o ra g i t a t i o n )-

D N2

N F r = F r o u d en u m b e r= G cA l la r ec o m p o u n d e df r o mt h ep r i m a r ys y s t e mv a r i a b l e s ,i m p e l l e rd i a m e t e r ( D ) ,s p e e d ( N ) ,f l u i dd e n s i t y p ) ,a n d v i s c o s i t y , u ( G ci s t h es t a n d a r d d i m e n s i o n a lc o n -s t a n tf r o mt h el a w so fm o t i o n ) .

Va l u e so ft h ec o n s t a n t ,K , a n d t h ee x p o n e n t s ,m a n dn , h a v e b e e n e v a l u a t e de x p e r i m e n t a l l yf o rm a n y d i f -f e r e n tm i x i n gs y s t e m s( R u s h t o ne t a l . , 1 9 5 0 ) ,i n c l u d i n gb a f f l e da n d u n b a f f l e d( v o r t e x )t a n k s e q u i p p e d w i t hp r o p e l l e r s ,o n a n d o f fc e n t e r ,a n d a v a r i e t yo f p a d d l ea n d t u r b i n e - t y p ea g i t a t o r s .O n t h i sb a s i ss c a l e - u po fp o w e r r e q ui r em en t si s r e a d i l ya c h i e v e d ,p r o v i d i n gt h ev e s s e l si n v o l v e da r e g e o m e t r i c a l l ys i m i l a r .

P o w e rr e q u i r e m e n t ,h o w e v e r ,i s o n l yo n e a s p e c t o fs c a l e - u pi n a n a g i t a t e dr e a c t i o nv e s s e l .O n emust a l s ok n o wt h er e l a t i o n s h i p se x i s t i n gb e t w e e na g i t a t i o na n dt h ev a r i o u sr a t e p r o c e s s e s ,p h y s i c a la n d c h e m i c a l ,w h i c ht a k e p l a c ei n t h ef l u i dm a s s .

R u s h t o n( 1 9 5 1 )h a s p r o p o s e da s c a l e - u pm e t h o df o rs i t u a t i o n sw h e r e t h e p r o c e s sr e s u l t ,h e a t o r masst r a n s f e rr a t e f o re x a m p l e ,c a n b e r e l a t e dt o t h e g o v e r n -i n gv a r i a b l e s .I n s uc ha c a s e t h i sp r o c e s sr e s u l t ,4 , e x -p r e s s e di n t h ef o r mo f a d i m e n s i o n l e s sg r o u p , i s somef u n c t i o no f t h e R e y n o l d sn u m b e rf o ra g i t a t i o n :

0 kNxeT h e p o w e r ,x , m ay b e d e t e r m i n e df r o m d a t a o b t a i n e di n s m a l l - s c a l ee x p e r i m e n t sa n d u s e d t o s c a l eu p t h ep r o c e s sb y t h e f o l l o w i n gr e l a t i o n s h i p s :

N = N 1 ( D 1 j D 2 ) ( 2 x - l ) l x ( 2 )

a n d

P 2 = P 1 ( D 1 / D 2 ) 5 - 3 ( 2 x - l ) I x ( 3 )

w h e r eN 2 a n d P 2 a r e t h e i m p e l l e rs p e e da n d p o w e rr e -

s i o ni s D2 . I n o t h e r w o r ds ,D 2 / D 1i s t h e s c a l e - u p r a t i oa n d t h e v o l u m e sa re a s ( D 2 / D 1 ) 3 .

T h e power r a t i o ,P 2 / P 1 , w i l lb e e q u a l t o one o n l yw h e nx 0 . 7 5 , a n d s o Rush ton ( 1 9 5 1 ) s t r e s s e s t h ed a n g e r s i n t h e common p r a c t i c e o f s c a l i n g up on ane q u a l power p e r u n i t v o l u m eb a s i sw i t h o u tk n o w i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nprocess r e s u l tan d a g i t a t i o n i n -t e n s i t y ,t h a t i s , x .

A t t h e same t i m e e x p e r i e n c eh a s shown t h a t i n manycommon a g i t a t i o n s i t u a t i o n s ,x i s near e n o u g ht o 0 . 7 5 ,u s u a l l y i n t h e range 0 . 6 t o 0 . 8 , t o m a k e s c a l e - u p b ye q u a l power per u n i t v o l u m e r e a s o n a b l y a c c u r a t e( J o r d o n ,1 9 5 5 ) .I n t h e c a s e o f oxygen a b s o r p t i o n i ns u l f i t es o l u t i o n ,f o re x a m p l e ,S o l o m o n sa n dP e r k i n 1 9 5 8 )f o u n dx 0 . 7 8 .A 2 : 1 s c a l e - u p ,b a s e don e q u a t i o n ( 2 )a b o v e , w a s , a s e x p e c t e d , g o o d b u t n o t p e r f e c t .S o l o -mons ( 1 9 5 8 )h a s c r i t i c a l l ye x a m i n e dsome o f t h e p r o b -l e m s i n t h i ss c a l e - u p m e t h o da n d s t r e s s e s t h e i m p o r -t a n c e o f t h e a bs o l ut e v a l ue so f i m p e l l e r s p e e d a n d a i rr a t e , p a r t i c u l a r l y w h e r e more t h a n one p h a s e i s i n -v o l v e d ,f o re x a m p l e ,a e r a t i o n o f f e r m e n t a t i o nb r o t h s .

S c a l e -Up i n F e r m e n t a t i o n

A l t h o u g h s c a l e - u p p r o b l e m s i n t h e f e r m e n t a t i o ni n d u s t r y h a v e o f t e n b e e n d i s c u s s e d ,very l i t t l e h a sb e e n d o n e a bo utt h e m . S p e c i f i cp r o p o s a l sf o rs c a l e - u pm e t h o d s ,w i t h s u p p o r t i n gd a t a ,a r e very f e w i n d e e d .F u r t h e r m o r e ,even t h e s e d o n o t d e a l w i t h t h e r e a lp r o b l e m ,s c a l e - u p o f t h e f e r m e n t a t i o np r o c e s s . R a t h e rt h e y t r e a t t h e s c a l e - u po f t h e f e r m e n t a t i o nr e a c t o r ,more s p e c i f i c a l l yi t s a e r a t i o n a n d oxygen s u p p l yc a p a b i l i t i e s ,a l o n e .

A t f i r s th a n d t h i smay seem a t r i v i a lm a t t e r , b u t i ti s c e r t a i n l yn o t . T h e g e n e r a l i n a d e q u a c yo f s c a l e - u pm e t h o d sf o rm i c r o b i o l o g i c a lp r o c e s s e s i s a d i r e c tr e s u l to f t h e i rf a i l u r et o c o n s i d e r t h e p r o c e s s as a w h o l e .T oi l l u s t r a t et h i sp o i n t ,l e t u s b r i e f l yr e v i e wt h e m e t h o d sw h i c hh a v eb e e n p r o p o s e d .

S c a l e - U pb y A e r a t i o n - A g i t a t i o n

A s a r e s u l to f t h e i rs t u d i e son a e r a t i o n a n d o x y g e nt r a n s f e ri n p e n i c i l l i na n d s t r e p t o m y c i nf e r m e n t a t i o n s( B a r t h o l o m e w ,1 9 5 0 a , b ; a n d Karow e t a l . , 1 9 5 3 )p r o p o s e d a g e n e r a ls c a l e - u pp r o c e d u r e f o r a e r o b i cf e r m e n t a t i o n s .T h e i r s was t h e f i r s ts p e c i f i crecommend a t i o n t o a p p e a r i n t h e o p e n l i t e r a t u r ean d mos ts u b s e q u e n ts u g g e s t i o n sa r e s i m p l ym o d i f i c a t i o n so f i t .T he b a s i sf o rt h e i rs c h e m e ,a n d f o rt h o s e w h i c hh a v ef o l l o w e d ,i s t h e p r o m i s et h a t :

C e l l u l a r r e s p i r a t i o n ,an d hence a n t i b i o t i c p r o d u c t i o n , d e -p e n d supon t h e ma in tenance o f an oxygen c o n c e n t r a t i o na t t h ec e l lw a l l s u c h t h a t r e s p i r a t i o n r a t e i s i n d e p e n d e n to f oxygenc o n c e n t r a t i o n - t h a ti s , a ze ro o r d e r rate.. . . A n t i b i o t i c y i e l dt h u s u l t i m a t e l yd e p e n d su p o n t h e r a t e o f oxygen t r a n s f e r t o t h e

q u i r e di n t h e l a r g e rt a n k w h o s ec h a r a c t e r i s t i cd i m e n -

1 9 6 0 ] 1 2 7

c e l l s .

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E . L . GADEN, J R .

A c c o r d i n gt o t h i sv i e w ,s c a l e - u po f t h e f e r m e n t a t i o nr e a c t i o ns y s t e mi s t h e n o n l ya m a t t e r o fs c a l i n gu p t h er a t e o f o x y g e na b s o r p t i o n i n t h e a g i t a t e d ,a e r a t e df e r m e n t o r . T h i s u n d e r l y i n g a s s u m p t i o ni s , h o w e v e r ,q u e s t i o n a b l ea t b e s ta n i d a t w o r s t - f a l s e ; c e r t a i n l yi t i s n o t s u p p o r t e db y a n y o f t h e a d m i t t e d l yl i m i t e dk i n e t i co b s e r v a t i o n smade s of a r( G a d e n ,1 9 5 9 ) .F o r t h em o m e n t ,h o w e v e r ,l e t u s e x a m i n et h es c a l e - u pm e t h o d sw h i c ha r eb a s e d o n i t .

Karow e t a l . ( 1 9 5 3 )b a s e d t h e i rs c a l e - u pp r o c e d u r eo n t h r e e p r e m i s e s :( a ) t h a t a n t i b i o t i cy i e l dd e p e n d su p o n t h e r a t e o fo x y g e n s up p l yt o t h ec e l l s( s t a t e di nd e t a i la b o v e ) ,( b ) t h a t o x y g e n t r a n s f e rr a t e s( a n dt h e r e f o r ey i e l d s )d e p e n du p o nt h e s c a l ea n d i n t e n s i t yo ft u r b u l e n c e ,a n d c )t h a t a b s o r p t i o n -o f o x y g e ni n t ot h el i q u i d ,a n d n o t t r a n s p o r t o fo x y g e nw i t h i nt h e m e d i u m -c e l ls u s p e n s i o n i ,i s t h e l i m i t i n gr a t e .

T h e r a t eo f o x y g e na b s o r p t i o n i s t h e n s i m p l ye x -p r e s s e da s :

R a t e o fa b s o r p t i o n i= K L a ( C *- C L )

w h e r e :

K L a= a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta = i n t e r f a c i a la r e a

C * = s a t u r a t i o no x y g e nc o n c e n t r a t i o n iC L = a c t u a ld i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n

T h e p r o d u c t K L a , a na b s o r p t i o n c a p a c i t yc o e f f i c i e n t ,c a n n o t o r d i n a r i l yb e s e p a r a t e df u r t h e rb e c a u s e t h ei n t e r f a c i a la r e a i s u s u a l l yu n k n o w n .I t i s c o m m o n l yu s e d t o c h a r a c t e r i z et h e a b s o r p t i o ne f f i c i e n c yo f a na g i t a t i o n - a e r a t i o ns y s t e m ( F i n n ,1 9 5 4 )a n d Karowe t a l . ( 1 9 5 3 )u s e d i t a s t h ep r i m a r ys c a l e - u pp a r a m e t e r .F o r c o n s t a n t f l u i dp r o p e r t i e s ,t h i sc a p a c i t yc o e f f i c i e n ti s a f u n c t i o no f a g i t a t o rp o w e r( P )a n d t h e s u p e r f i c i a la i rv e l o c i t y V 1 , )t h r o u g ht h ef e r m e n t o r( C o o p e re t a l . ,1 9 4 4 ) .

To s c a l e - u pa f e r m e n t a t i o ns y s t e mb y t h i sm e t h o d ,o n e f i r s td e t e r m i n e st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ny i e l da n d / o r p r o d u c t i v i t y( t h es o - c a l l e dp r o c e s sr e s u l t )a n dK L ai n s m a l l v e s s e l s .D a t a o n K L am u s t b e t h e n o b -t a i n e df o r t h e v a r i o u sv e s s e ls i z e si n v o l v e d i n t h es c a l e - u p .B e c a u s eo f t h ed i f f i c u l t i e si n h e r e n ti n m a k i n gs u c h m e a s u r e m e n t sa t t h e p l a n tl e v e l ,Karow e t a l .

( 1 9 5 3 )o b t a i n e d t h e i rv a l u e s f o r 2 0 0 - ,1 0 , 0 0 0 - ,a n d1 5 , 0 0 0 - g a l l o nt a n k s b y e x t r a p o l a t i n gt h e d a t a f r o mC o o p e re t a l . ( 1 9 4 4 ) ,a n a d m i t t e d l yi n e x a c tb u t muchm o r ec o n v e n i e n ts c h e m e( f i g u r e1 ) .

T o s c a l e - u p ,t h e y s i m pl ys e l e c t e d ,o n t h e b a s i so fe x p e r i e n c e ,a n a i r r a t es u f f i c i e n tt o s u p p l y t h e o x y g e nr e q u i r e m e n t so f t h e o r g a n i s mw i t h o u te x c e s s i v ef o a m -i n gd i f f i c u l t i e s ,p r a c t i c a l l ys p e a k i n g t h e h i g h e s tr a t et h a tc a n b e h e l d i n t h e t a n k .W i t h t h e a i r r a t ef i x e d ,t h e p o w e ri n p u t r e q u i r e dt o p r o v i d e t h e d e s i r e dK L av a l u ec a n t h e n b e e s t a b l i s h e d .

W e g r i c h a n d S h u r t e r ( 1 9 5 3 )h a v e r e po r t e d t h e

s c a l e - u po f p e n i c i l l inf e r m e n t a t i o n sf r o m 2 , 0 0 0 -2 4 , 0 0 0 - g a l l o nt a n k s b y a m o d i f i c a t i o no f t h e m e t h o dj u s td i s c u s s e d .T h e i r s c a l e - u p v a r i a b l e sa r et h e same-p o w e ri n p u ta n d s u p e r f i c i a la i r v o l o c i t y - b u tt h e y d i dn o t e m p l o yt h e o x y g e na b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ,K L a , a st h e s c a l e - u pp a r a m e t e r .I n s t e a d t h e y s i m p l ya p p l i e dap r e s s u r ec o r r e c t i o nt o t h e a i r v e l o c i t y ,b e c a u s eo f t h ei n c r e a s e df l u i dh e a d i n t h e t a l l e r ,p l a n t - s c a l ef e r m e n -t o r s ,a n d s c a l e du p b y p r o vi d i ng e q ua lp o w e ri n p u t p e ru n i t v o l u m ea n d s u p e r f i c i a la i r v e l o c i t y ( c o r ra t e a c h l e v e l .

S c a l e - u pd a t a o f t h i s s o r t ,i n t e r m s o f a s p e c i fp r o c e s s r e s u l tl i k ep e n i c i l l i np r o d u c t i v i t y ,a r e s c a ri n d e e d .A l t h o u g ht h e g e n e r a lp a t t e r n ( f i g u r e1 ) s e e m sg o o d ,i t i s s t i l lh a r d t o a c c e p t t h i s a sr e a lp r o o fo f t h ev a l i d i t yo f t h e m e t h o d .I t i s j u s tr e a s o n a b l et o s a y ,s i m p l y ,t h a ti n c r e a s e da g i t a t i o nh a s p r o v i d e dr e l a t i v ec o m p l e t em i x i n go f t h e f e r m e n t a t i o nb a t c h ,p e r m i t t i n gt h eb i o c h e m i c a lm e c h a n i s m si n v o l v e dt o o p e r a t e f r e e

o fg r o s sd i f f u s i o n a lc o n t r o l .F i n a l l y , t h e r ei s t h e m a t t e r o f t h e f u n i d a m ev a l i d i t yo f t h i sa p p r o a c ht o f e r m e n t a t i o ns c a l e - u p .I tr e s t s ,a s w e h a v e s e e n ,i n t h e p r e m i s et h a tp r o d u c tf o r m a t i o ni s d e p e n d e n tu p o n t h er a t eo fo x y g e ns u p p l yt o t h ec e l l s( K a r o we t a l . ,1 9 5 3 ) .W h i l et h i si s p r o b a b l ya f a i ra s s u m p t i o nf o rmany m i c r o b i o l o g i c a lp r o c e s s e

O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0

A B S O R P T I O NCOEFFICIENT - K L aF i g u r e1 . S c a l e - u pc o r r e l a t i o nf o rp e n i c i l l i nf e r m e n t a t i o n

[ V O L82 8

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B I O E N G I N E E R I N GAND F E R M E N TAT I O N

t h ep r o p a g a t i o no f y e a s t a n d a e r o b i cb a c t e r i aa n d t h eo x i d a t i o no fs u g a r st o o r g a n i ca c i d sf o re x a m p l e -i t i se v i d e n t l yn o t s o f o rb i o s y n t h e t i cp r o c e s s e s ,a n t i b i o t i cp r o d u c t i o ni n p a r t i c u l a r .

D i r e c te x p e r i m e n t a le v i d e n c et o s h o wt h a tn o c l e a rr e l a t i o n s h i pe x i s t sb e t w e e nr e s p i r a t i o na n d p e n i c i l l i ns y n t h e s i si n P e n i c i l l i u mc h r y s o g e n u mh a s b e e ng i v e nb yC a l a me t a l . ( 1 9 5 1 )a n d m a n y o t h e r i n d i c a t i o n so f t h ei n d e p e n d e n c eo f r e s p i r a t o r ya n d a n t i b i o t i c - p r o d u c i n gm e c h a n i s m si nt h e m o l dh a v e b e e nn o t e d( G a d e n ,1 9 5 9 ) .F i n n ( 1 9 5 4 )h a s c i t e da n u m b e ro fo t h e rm i c r o b i o l o g i c a lp r o c e s s e si n w h i c ht h e s a m es i t u a t i o np r e v a i l s .O n t h eo t h e rh a n d , n o t h i n gh a s b e e n o f f e r e dt o s u p p o r t t h eb a s i ca s s u m p t i o nu n d e r l y i n gs c a l e - u pb y t h i sm e t h o d .

S c a l e - u po n t h e b a s i so fe q u i v a l e n to x y g e na b s o r p t i o ni s c e r t a i n l yc o n v e n i e n tb u t i t s v a l i d i t yi s v e r y much i nq u e s t i o n .T h e r e i s a l w a y sa t e n d e n c yt o o v e r e v a l u a t ef a c t o r sw h i c hc a n b e m e a s u r e da n d t o a v o i dt h o s ew h i c hc a n n o t .T h i s may v e r y w e l lb e t h e c a s ei n t h e a p -

p r o a c h e st o f e r m e n t a t i o ns c a l e - u pw h i c h h av eb e e nu s e d s of a r .

F e r m e n t a t i o nP r o c e s s S c a l e - U p - C r i t i c i s mT h e r e a lp r o b l e mi n f e r m e n t a t i o np r o c e s ss c a l e - u pi s

t h ec o m p l e t er e p r o d u c t i o n ,i n l a r g ec a p a c i t ye q u i p m e n t ,o f t h o s ec o n d i t i o n sf o rc e l l - m e d i u mi n t e r a c t i o nw h i c hh a v e b e e n e s t a b l i s h e da s o p t i m u mb y s m a l lv o l u m ee x p e r i m e n t s .Many v a r i a b l e sa f f e c t t h i si n t e r a c t i o na n d o x y g e ns u p p l y i s o n l yo n e o f t h e m . G e n e r a l l ys p e a k i n g ,t h em o s tc r i t i c a lf a c t o r sa r e c o n s i d e r e dt o b e :

1 4 0

1 2 0

1 0 0

80

P .C

I n o c u l u m :t y p e ,a g e ,a n d a m o u n t .M e d i u m :i n i t i a lc o m p o s i t i o n ,p H , r e d o x p o t e n t i a l ;

c h a n g e s d u r i n g s t e r i l i z a t i o n ;a n d a d d i t i o n sd u r i n gf e r m e n t a t i o n .

C o n d i t i o n s :t e m p e r a t u r e , p r e s s u r e ,o x y g e ns u p p l y ,a n d a g i t a t i o n / m i x i n g .

O f c o u r s e ,t h es c a l e - u pm e t h o d sd i s c u s s e de a r l i e ra l la s s u m e t h e d u p l i c a t i o no f i n o c u l u m a n d m e d i u mc o n d i t i o n sa n d o f t e m p e r a t u r e . I n p r a c t i c e ,h o w e v e r ,t h i sa s s u m p t i o ni s e a s i e rm a d e t h a n f u l f i l l e d .E m e r y( 1 9 5 5 ) ,f o re x a m p l e ,h a s s u m m a r i z e dt h e many c o m p l e xa n d i l l - d e f i n e dm i c r o b i o l o g i c a lp r o b l e m sw h i c hi n t e r f e r ew i t h s c a l e - u p .H i s c o n c l u s i o n ,c e r t a i n l ya l e g i t i m a t eo n e ,i s t h a tt r i a la n d e r r o ri s s t i l lt h ep r i m a r ys c a l e - u pt o o lf o rf e r m e n t a t i o np r o c e s s e s .

P r o b a b l yt h em o s t s t r ik i n g -a n dc o m m o n - v i o l a t i o no fs c a l e - u pp r i n c i p l e si s f o u n di n t h eb a t c hs t e r i l i z a t i o no fm e d i u m .A s t e r i l i z a t i o nf o r m a t ,s a y 1 5 m i na t 1 2 0C ,i s e s t a b l i s h e db y l a b o r a t o r yf l a s ke x p e r i m e n t si n w h i c h

s t a n d a r d a u t o c l a v i n gp r o c e d u r e sa r e e m p l o y e d .T h i sf o r m a ti s t h e n f o l l o w e di n s u c c e s s i v es t a g eo fd e v e l o p -m e n t , s t i r r e dg l a s sj a r s ,p i l o tp l a n t ,a n d e v e n p l a n t ,f e r m e n t o r s .B u t h e a t i n ga n d c o o l i n gr a t e s ,a n d t h e r e -f o r er a t e so ft e m p e r a t u r er i s ea n d f a l l ,c h a n g er a d i c a l l yf r o m o n e e q u i p m e n tv o l u m et o t h en e x t .A s a r e s u l tt h et o t a lh e a t i n p u t ,a n d c o n s e q u e n t l yt h e d e g r e eo fc h e m i c a lc h a n g ew h i c ho c c u r s ,i n c r e a s e sg r e a t l yf o rt h es a m e n o m i n a ls t e r i l i z a t i o np r o c e d u r e .I n f i g u r e2 t h ea c t u a lt i m e - t e m p e r a t u r er e l a t i o n s h i p sf o r 1 0 0 - a n d1 3 0 0 - g a l l o np i l o tp l a n tf e r m e n t o r sa r e c o m p a r e df o ra

4 0 8 0 1 2 0

TIME - m i n u t e sF i g u r eB .B a t c hs t e r i l i z a t i o no fs t r e p t o m y c i nmedium

1 9 6 0 ] 1 2 9

8/12/2019 Bioingenieria y Fermentacion

8/9

E . L . G A D E N , J R .

n o m i n a l1 5 m i n , 1 2 0 C s t e r i l i z a t i o n .T h e a r e a s u n d e rt h e c ur v e sa r e r o u g h l yp r o p o r t i o n a lt o h e a t i n p u t ; t h ei m m e n s ed i s p a r i t yi s o b v i o u s .

T h e s a m e p r o b l e mi s e n c o u n t e r e di n b a t c h c o o k i n go f c a n n e df o o d s a n d e m p i r i c a lm e t h o d sh a v e b e e n s e tu p t o c o r r e c tf o r v a r i a t i o n si n h e a t t r a n s f e rr a t e s( S t e w a r ta n d C l a r k ,1 9 4 9 ) .T h e s ec a n r e a d i l yb e a p p l i e d

t o f e r m e n t a t i o np r o c e s s e s b u t s o f a r t h e r e h a s b e e nl i t t l ei n t e r e s ts h o w ni n t h i sp o s s i b i l i t y .I n a n y e v e n tc o n t i n u o u s s t e r i l i z a t i o n ,when p r o p e r l y p r a c t i c e d ,p r o v i d e s f o r e x a c t r e p r o d u c t i o no f s t a r t i n gmediumq u a l i t ya t a l l l e v e l so fo p e r a t i o n .

M a n y f a c t o r s a f f e c tt h e p e r f o r m a n c eo f c h e m i c a lp r o c e s s .I n f e r m e n t a t i o n t h e n u m b e r o f t h e s eb e c o m e si n o r d i n a t e l yl a r g eb e c a u s e o f t h e c h e m i c a lc o m p l e x i t yo f t h e s y s t e m .S i n c e we a r e l a r g e l yu n a b l et o e x p l a i nt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e s ev a r i a b l e sa n d p r o d u c ty i e l d s ,s c a l e - u po f f e r m e n t a t i o np r o c e s s e sh a s b e e n b a s e d s o f a r o n p h y s i c a lm e a s u r e m e n t s ,p a r t i c u l a r l yo x y g e nt r a n s f e rr a t e s .

T h i s a p p r o a c ha p p e a r s t o w o r k , i n a r o u g h w a y , f o ra e r o b i ca n t i b i o t i cf e r m e n t a t i o n s b u t i t s e s s e n t i a lv a l i d i t yi s d o u b t f u l .T h e a p p a r e n t s c a l e - u p sa c h i e v e di n t h i sm a n n e rm ay s i m p l yb e f o r t u i t o u s .More l i k e l y ,s t i l l ,i s t h e p o s s i b i l i t yt h a t g r o s s ,e x t e r n a ld i f f u s i o n a lr e s i s t a n c e sh a v e b e e n m i n im i z ed , pe r mi t t i n gt h ec e l l -medium i n t e r a c t i o nt o p r o c e e d u n d e r b i o c h e m i c a lc o n t r o l .

T h e r e a lk e y t o s u cc e s s f u l s c a l e - u po f f e r m e n t a t i o np r o c e s s e sl i e si n a m o r ec o m p l e t eu n d e r s t a n d i n go f t h er e a c t i o n st a k i n g p l a c e .F e r m e n t a t i o ni s , a b o v e a l l , ac h e m i c a lp r o c e s s ,a l t h o u g ha n e x t r e m e l yc o m p l e xo n e .When t h ec h e m i c a lm e c h a n i s m sc o n t r o l l i n gt h ef o r m a -t i o n o fd e s i r e dp r o d u c t sa r e r e a s o n a b l yu n d e r s t o o d ,s c a l e - u po n a r a t i o n a l ,b u t u n d o u b t e d l ye m p i r i c a l ,b a s i sw i l lb e p o s s i b l e .

C O N C L U S I O N S

I t s e e m sq u i t ec l e a rt h a t t h eb u l k o f b i o e n g i n e e r i n gw o r k s o f a r l i e s i n t h e a r e a s o f ( a ) c a l i b r a t i o na n dm e a s u r e m e n ta n d ( b ) e q u i p m e n td e v e l o p m e n t .T h ep r o c e s sd e s i g nc o n t r i b u t i o n s ,i n t e r e s t i n g l y ,a r e a l m o s ta l lf r o mt h e b i o c h e m i s t - m i c r o b i o l o g i s t ,n o t t h ec h e m i c a le n g i n e e r .

T h e r e a ln a t u r e o f t h e e n g i n e e r i n g f u n c t i o nh a s b e e ne m p h a s i z e dh e r e .I t i s n o t s i m p l y m a t h e m a t i c sa n dm e c h a n i c a lg a d g e t r y ,a v i e w u n f o r t u n a t e l yh e l d b ym a n y m i c r o b i o l o g i s t s .A t t h e s a m et i m e e n g i n e e r sm u s tr e c o g n i z et h e i re x t r e m ed e p e n d e n c eon f u l la n d c o m p l e t eu n d e r s t a n d i n go f t h e b i o c h e m i c a ls y s t e mw i t h w h i c ht h e y must w o r k .

T h e k e y t o f u t u r ep r o g r e s si n f e r m e n t a t i o ni s a mored e t a i l e dk n o w l e d g eo f ( a ) t h e b i o c h e m i c a lm e c h a n i s m si n v o l v e di n g r o w t ha n d p r o d u c t f o r m a t i o na n d ( b )t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h eo r g a n i s m sa b i l i t yt o c at a -l y z et h e s er e a c t i o n s .I t f o l l o w st h a t t h e r e w i l lb e a

p r e p o n d e r a n c eo f b i o c h e m i s t - m i c r o b i o l o g i s t s ,u n d o u b t -e d l y p o s s e s s i n gi n c r e a s i n gs k i l l si n p h y s i c a l c h e m i s t r ya n d m a t h e m a t i c s ,i n f e r m e n t a t i o np r o c e s s d e v e l o p -m e n t .

T h e b i o c h e m i c a le n g i n e e r sr o l ew i l lb e t o t r a n s l a tt h i s i n c r e a s e d u n d e r s t a n d i n g by e m p i r i c a l m e a n si nm o s t c a s e s i n t o i n c r e a s e d p r o d u c t i v i t i e s .Toward

t h i se n d h e c a n p r o f i t a b l ys p e n dm o r et i m e o n e m p i r i c a la n a l y s i so f p r o c e s sk i n e t i c sa n d i m p r o v e dm e t h o d sf o re x p e r i n m e n t a ld e s i g na n d a n a l y s i s ,p a r t i c u l a rc o m p u t e r sf o r d a t a a n a l y s i s( d i g i t a l )a n d p r o c e s s s t i m u l a t i o n( a n a l o g )a n d s c a l e- up t e c h n iq ue s .

REFERENCES

A n o n y m o u s 1 9 4 7 T h e c a s e f o r b i o c h e m i c a l e n g i n e e r i n g .C h e m .E n g . , 5 4 ,1 0 6 .

A M B L E R ,C . M . 1 9 5 9 T h e t h e o r y o f s c a l i n g u p l a b o r a t o r yd a t a f o rt h e s e d i m e n t a t i o nt y p e c e n t r i f u g e . J . B i o c h e m .M i c r o b i o l .T e c h n o l . E n g r . , 1 , 1 8 5 - 2 0 5 .

B ART H O LO M E W, W.H . , K A R O W,E . O . , S FAT, M . R . , A ND W I L -H E L M ,R . H . 1 9 5 0 a Oxygen t r a n s f e r a n d a g i t a t i o n i n

s u b m e r g e df e r m e n t a t i o n s .M a s st r a n s f e r o f o x y g e ni n s u b -m e r g e df e r m e n t a t i o no f S t r e p t o m y c e sg r i s e u s .I n d . E n g .C h e m . ,4 2 ,1 8 0 1 - 1 8 0 9 .

B A RT H O L O M E W,W. H . , K A R O W,E . O . ,S FAT, M . R . , A ND W I L -H E L M ,R . H 1 9 5 0 b Oxygen t r a n s f e r a n d a g i t a t i o n i n s t u b -m e r g e df e r m e n t a t i o n s . E f f e c t o f a i r f l o w a n d a g i t a t i o nr a t e s upon f e r m e n t a t i o no f P e n i c i l l i u mc h r y s o g e n u ma n dS t r e p t o m y c e sg r i s e u s .I n d . E n g . C h e m . ,4 2 ,1 8 1 0 - 1 8 1 5 .

B A R T L E T T ,M . C .A ND G E R H A R D T ,P . 1 9 5 9 C o n t i n u o u sa n t i -b i o t i cf e r m e n t a t i o n . J . B i o c h e m . M i c ro bi o l .T e c h n o l . E n g r . , 1 ( i np r e s s ) .

B O Y L E S ,W. A . AND L I N C O L N ,R . E . 1 9 5 8 S e p a r a t i o n a n dc o n c e n t r a t i o no f b a c t e r i a ls p o r e s a n d v e g e t a t i v e c e l l sb yf o a mf l o t a t i o n .A p p l . M i c r o b i o l . ,6 , 3 2 7 - 3 3 4 .

BROWN,W. E . A ND P E T E R S O N ,W. H . 1 9 5 0 F a c t o r sa f f e c t i n

p r o d u c t i o n o f p e n i c i l l i ni n s e m i - p i l o t p l a n t e q u i p m e n t .I n d . E n g . C h e m . ,4 2 ,1 7 6 9 - 1 7 7 4 .C A L A M I ,C . T . ,D R I V E R ,N . , A NDBOWERS,R . H . 1 9 5 1 S t u d i e s

i n t h e p r o d u c t i o no f p e n i c i l l i n ,r e s p i r a t i o n a n d g r o w t ho fP e n i c i l l i u mc h r y s o g e n u m ni n s u b m e r g e dc u l t u r e , i n r e l a t i o nt o a g i t a t i o n a n d o x y g e nt r a n s f e r .J . A p p l . C h e m . ,1 , 2 0 9 -2 1 6 .

C H A I N ,E . B . ,P A L A D I N O ,S . , CALLOW,D . S . , U G O L I N I ,F . ,A NDV A N DE R S L U I S ,J . 1 9 5 2 S t u d i e s o n a e r a t i o n . I . B u l l .W o r l dH e a l t hO r g a n i z a t i o n ,6 , 7 3 - 9 7 .

C H A I N ,E . B . A ND G U A L A N D I ,G . 1 9 5 4 A e r a t i o ns t u d i e s .I I .R e n d . i s t . s u p e r . s a n i t a ;1 7 ,5 - 6 0 .

C O O P E R ,C . M . , F E R S T R O M ,G . A . , A ND M I L L E R ,S . A . 1 9 4 4P e r f o r m a n c eo f a g i t a t e d g a s - l i q u i dc o n t a c t o r s . I n d . E n g .C h e m . ,3 6 ,5 0 4 - 5 0 9 .

D E C K E R ,H . M . , H A R S T A D ,J . B . , P I P E R ,F . J . , A ND W I L S O N ,M. E . 1 9 5 4 F i l t r a t i o n o f m i c r o o r g a n i s m sf r o m a i r b yg l a s sf i b e rm e d i a . H e a t i n g , P i pi n ga n d A i r C o n d i t i o n i n g ,2 3 ,1 5 5 - 1 5 8 .

D E I N D O E R F E R ,F . H . 1 9 5 7 C a l c u l a t i o no f h e a t s t e r i l i z a t i ot i m e s f o rf e r m e n t a t i o nm e d i a . A p p l . M i c r o b i o l . ,5 , 2 2 1 -2 2 8 .

E L S W O R T H ,R . , W I L L I A M S ,V . , A ND H A R R I S - S M I T H ,R . 1 9 5 7A s y s t e m a t i ca s s e s s m e n to f d i s s o l v e do x y g e ns u p p l y . J .A p p l . C h e m . ,7 , 2 6 1 - 2 6 8 .

E M E R Y,W. B . 1 9 5 5 B a c t e r i o l o g i c a lp r o b l e m si n t r a n s l a t i n gf r o m s m a l l e q u i p m e n tt o t h e i n d u s t r i a ls c a l e . Chem. I n d . ,1 9 5 6 ,2 3 6 - 2 4 0 .

1 3 0 [ V O L .8

8/12/2019 Bioingenieria y Fermentacion

9/9

B I O E N G I N E E R I N G AND F E R M E N TAT I O N 1

F I N N , R .K . 1 9 5 4 A g i t a t i o n - a e r a t i o ni n t h e l a b o r a t o r ya n di n i n d u s t r y . B a c t e r i o l . R e v s . , 1 8 ,2 5 4 - 2 7 4 .

F R I E D M A N ,A . M . A ND L I G H T F O O T ,E . N . , J R . 1 9 5 7 O x y g e na b s o r p t i o ni n a g i ta t e d t a nk s . I n d . E n g . C h e m . ,4 8 ,1 2 2 7 -1 2 3 0 .

G A D E N ,E . L . , J R . 1 9 5 5 a F e r m e n t a t i o n - ac h e m i c a le n g i -n e e r i n g a p p r o a c h .Chem. E n g . P r o g . , 5 1 ,5 4 0 - 5 4 3 .

G I A D E N ,E . L . ,J R . 1 9 5 5 b F e r m e n t a t i o nk i n e t i c sa n d p r o d u c -t i v i t y . C h e m . I n d . ,1 9 5 5 ,1 5 4 - 1 5 9 .G l A D E N ,E . L . , J R . , A ND H U M P H R E Y,A . E . 1 9 5 6 F i b r o u i s

f i l t e r sf o r a i r s t e r i l i z a t i o n .D e s i g np r o c e d u r e . I n d . E n g .C h e m . ,4 8 ,2 1 7 2 - 2 1 7 6 .

G A D E N ,E . L . , J R . 1 9 5 9 F e r m e n t a t i o np r o c e s s k i n e t i c s .J .B i o c h e m .i \ I i e r o b i o l .T e c h n o l . E n g r . 1 , ( i np r e s s ) .

G A U D I N ,A . M . , M U L A R ,A . L . , A ND O C O N N O R ,R . F . 1 9 6 0 aS e p a r a t i o n o f m i c r o o r g a n i s m sb y f l o t a t i o n .I . D e v e l o p -ment a n d e v a l u a t i o no f a s s a y p r o c e d u r e s . A p p l . M i c r o -b i o l . ,8 , 8 4 - 9 0 .

G A U D I N ,A . M . , M U L A R ,A . L . , A ND O C O N N O R ,R . F . 1 9 6 0 bS e p a r a t i o no fm i c r o o r g a n i s m sb y f l o t a t i o n .I I . F l o t a t i o no fs p o r e s o f B a c i l l u s s u i b t i l i sv a r . n i g e r . A p p l . M i c r o b i o l . ,8 , 9 1 - 9 7 .

H A R T L E Y,H . A NDWA R N E R ,F .

E . 1 9 5 8 B i o c h e m i c a le n g i n e e r -i n g ,p p . 9 - 3 6 .E d i t e d b y R . S t e e l . T h e M a c m i l l a nC o . ,New Yo r k , New Yo r k .

H E R B E R T ,1 ) . 1 9 5 9 R e c e n tp r o g r - e s si n m i c r o b i o l o g y ,p p . 3 8 1 -3 9 6 .E d i t e d b y G . T u n e v a l l . A l m q v i s ta n d W i k s e l l ,S t o c k -h o l m ,S w e d e n .

H I X S O N ,A . W. A NDG A D E N ,E . L . J R . 1 9 5 0 O x y g e nt r a n s f e r i ns u b m e r g e df e r m e n t a t i o n . I n d . E n g . C h e m . , 4 2 , 1 7 9 2 -1 8 0 1 .

H O S L E R ,P . A ND J O H N S O N ,M . J . 1 9 5 3 P i l o t p l a n t d a t a f o rp e n i c i l l i np r o d u c t i o n on s y n t h e t i c m e d i a . I n d . E n g .C h e m . ,4 5 ,8 7 1 - 8 7 4 .

HOUGEN,0 . A . 1 9 4 7 F o r b i o c h e m i c a le n g i n e e r s .Chem. E n g . ,5 4 ,2 0 2 - 2 0 4 .

H U M P H R E Y,A . E . A ND G A D E N ,E . L . ,J R . 1 9 5 5 A i r s t e r i l i z a -t i o n b y f i b r o u sm e d i a . l n d .E n g . C h e m . ,4 7 ,9 2 4 - 9 3 0 .

J O H N S T O N E ,R . E . A ND T H R I N G ,M . W. 1 9 5 7 P i l o t p l a n t sm o d e l sa n d s c a l e - u t pm e t h o d si n c h e m i c a le n g i n e e r i n g ,p p .5 - 2 6 . M I c G r a w - H i l lBook C o . ,I n c . ,New Yo r k ,New Y o r k .

J O R D A N ,D . G . 1 9 5 5 C h e m i c a lp i l o tp l a n tp r a c t i c e ,p p . 3 6 - 4 7 .I n t e r s c i e n c eP u b l i s h e r s , I n c . ,New Yo r k , N ew Y o r k .

K A R O W ,E . O . ,BARTHOLOMEW,W. H . ,A ND S FAT,M . R . 1 9 5 3O x y g e nt r a n s f e r a n d a g i t a t i o ni n s u b m e r g e df e r m e n t a -t i o n s . A g r. F o o d . C h e m . ,1 , 3 0 2 - 3 0 6 .

K I R K P AT R I C K ,S . D . 1 9 4 7 A c a s e s t u d y i n b i o c h e m i c a le n -g i n e e r i n g .C h e m .E n g . ,5 4 ,9 4 - 1 0 1 .

L U E D E K I N G ,R . A ND P I R E T,E . 1 9 5 9 A k i n e t i c s t u d y o f t h el a c t i ca c i d f e r m e n t a t i o n ;b a t c h p r o c e s s a t c o n t r o l l e dp H .J . B i o c h e m .M i c r o b i o l .T e c h n o l . E n g r . ,1 ( i np r e s s ) .

MAXON,W. D . A NDG A D E N ,E . L . ,J R . 1 9 5 6 F i b r o u sf i l t e r sf o ra i r s t e r i l i z a t i o n ;e x p e r i m e n t a ls t u d i e s with a p i l o t - s c a l ef i l t e r . I n d . E n g . C h e m . ,4 8 ,2 1 7 7 - 2 1 7 9 .

M A X O N ,W. D . A NDJ O H N S O N ,M I .J . 1 9 5 3 A e r a t i o ns t u d i e so np r o p a g a t i o n o f b a k e r s y e a s t . I n d . E n g . C h e m . , 4 5 ,2 5 5 4 - 2 5 6 0 .

M C D A N I E L ,L . E . AND L O N G ,R . A . 1 9 5 4 L a b o r a t o r ye q u i p -ment f o r t e s t i n g f i l t e r i n gm a t e r i a l s f o r a i r s t e r i l i z a t i o n .A p p l . M i c r o b i o l . ,2 , 2 4 0 - 2 4 2 .

M I E T Z N E R ,A . B . A ND P I G F O R D ,R . L . 1 9 5 8 S c a l e - u pi n p r a c -t i c e ,p p . 1 6 - 4 7 .E d i t e d b y R . F l e m i n g . R e i n h o l dP u b l i s h -i n g C o . ,New Yo r k , New Y o r k .

O W E N S ,S . P . AND J O H N S O N ,M . J . 1 9 5 5 T h e e f f e c to f t e m -

p e r a t u r e c h a n g e so n t h e p r o d uc t i o no f p e n i c i l l i nb y P e n i -c i l l i u m c h r y s o g e n u mW 4 9 - 1 3 3 . A p p l .M i c r o b i o l . , 3 , 3 7 5 -3 7 9 .

PAT R I C K ,W. C . A ND F R E E M A N ,R . R . 1 9 5 9 B a t c hc e n t r i f u g es c a l e - u p f o r v i r u s p r o c e s s i n g . J . B i o c h e m .M i c r o b i o l .T e c h n o l . E n g r . , 1 , 2 0 7 - 2 1 5 .

P F E I F E R ,V . F . AND V O J N O V I C H, C . 1 9 5 2 S t e r i l i z a t i o no fm e d i a i n b i o c h e m i c a lp r o c e s s e s . I n d . E n g . C h e m . ,4 4 ,1 9 4 0 - 1 9 4 6 .

P H I L L I P S ,D . H . A ND J O H N S O N ,M. J . 1 9 5 9 O x y g e nt r a n s f e ri n a g i t a t e d v e s s e l s .I n d . E n g . C h e m . ,5 1 ,8 3 - 8 8 .

R U S H T O N ,J . H . 1 9 5 1 T h e u s e o f p i l o tp l a n t m i x i n gd a t a .C h e m .E n g . P r o g . ,4 7 ,4 8 5 - 4 8 8 .

R U S H T O N ,J . H . , C O S T I C H ,E . W . , A ND E V E R E T T ,H . J . 1 9 5 0P o w e rc h a r a c t e r i s t i c so f m i x i n gi m p e l l e r s . C h e m .E n g .

P r o g . , 4 6 ,3 9 5 - 4 0 4 ,4 6 7 - 4 7 6 .S C H U L T Z ,J . S . A ND G A D E N ,E . L . , J R . 1 9 5 6 S u l f i t eo x i d a t i o na s a m e a s u r eo f a e r a t i o n e f f e c t i v e n e s s .I n d . E n g . C h e m . ,4 8 ,2 2 0 9 - 2 2 1 2 .

S I K Y TA ,B . ,D O S K O C I L ,J . , A NDK A S P A R O VA ,J . 1 9 5 9 C o n t i n u -o u s s t r e p t o m y c i nf e r m e n t a t i o n . J . B i o c h e m .M i c r o b i o l .T e c h n o l .E n g r . , 1 ( i n p r e s s ) .

S O I L O M O N S ,G . L . 1 9 5 8 O x y g e nt r a n s f e r i n l a b o r a t o r y f e r -m e n t e r s . J . A p p l . C h e m .( L o n d o n ) ,8 , 4 4 5 - - 4 4 8 .

S O L O M O N S ,G . L . A ND P E R K I N ,M . P . 1 9 5 8 T h e m e a s u r e m e n ta n d m e c h a n i s mo f o x y g e nt r a n s f e r i n s u b m e r g e dc u l t u r e .J . A p p l . C h e m .( L o n d o n ) ,8 , 2 5 1 - 2 5 9 .

S T A R K ,W. H . A ND P O H L E R ,G . 1 I . 1 9 5 0 S t e r i l e a i rf o r i n -d u s t r i a lf e r m e n t a t i o n s . I n d . E n g . C h e m . ,4 2 ,1 7 8 9 - 1 7 9 2 .

S T E FA N I A K ,J . J . , G A I L E Y,F . B . ,J A RV I S ,F . G . ,A ND J O H N S O N ,M . J . 1 9 4 6 T h e e f f e c to f e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so np e n i c i l l i nf e r m e n t a t i o n s w i t h P e n i c i l l i u m c h r y s o g e n u mX - 1 6 1 2 . J . B a c t e r i o l . ,5 2 ,1 1 9 - 1 2 7 .

S T E WA R T ,J . A . A NDC L A R K ,B . S . 1 9 4 9 T h ec a n n e df o o d r e f e r -e n c e m a n u a l ,3 r d e d . ,A m e r i c a nC an C o . ,Ne w Yo r k , NewYo r k .

T E R J E S E N ,S . G . A ND C H E R R Y,G . B . 1 9 4 7 T h e r e m o v a l o fm i c r o o r g a n i s m sf r o ma i rb y f i l t r a t i o n .T r a n s . I n s t .C h e m .E n g r s . ( L o n d o n ) ,2 5 ,8 9 - 9 6 .

WARNER,F . E . ,C O O K ,A . M . , A NDT R A I N ,D . 1 9 5 4 E n g i n e e r -i n g a n d m i c r o b i o l o g i c a lp r o c e s s e s . C h e m . I n d . ,1 9 5 4 ,1 1 4 - 1 1 9 .

W E G R I C H ,0 . G . A NDS H U R T E R ,R . A . ,J R . 1 9 5 3 D e v e l o p m e n to f a t y p i c a la e r o b i c f e r m e n t a t i o n . I n d .E n g . C h e m . ,4 5 ,1 1 5 3 - 1 1 6 0 .

W H I T M A R S H ,J . M . 1 9 5 4 C o n t i n u o u ss t e r i l i z a t i o no f f e r m e n -t a t i o n m e d i a . J . A p p l . B a c t e r io l . , 1 7 ,2 7 - 3 0 .

W I S E ,W. S . 1 9 5 1 T h e measurement o f t h e a e r a t i o n o f c u l -t u r e m e d i a . J . G l e n .M i c r o b i o l . ,5 , 1 6 7 - 1 7 7 .

1 9 6 0 ] 1 3 1