Bioengineering and Fermentation

8/13/2019 Bioengineering and Fermentation

http://slidepdf.com/reader/full/bioengineering-and-fermentation 1/9

Microbiological Process Discussion

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

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

D e p a r t m e n t o f C h e e m i c a l E n g i n e e r i n g , C o l u m b i a U 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 d f o r p u b l i c a t i o n J u n e 2 9 , 1 9 5 9

One t h i n g a t l e a s t c a n b e s a i d w i t h c e r t a i n t y a b o u t

b i o e n g i n e e r i n g o r b i o c h e m i c a l e n g i n e e r i n g - - i t

m e a n s many t h i n g s t o many p e o p l e . T h e o r i g i n s o 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 t t o t r a c e . W h a t e v e r

t h e i r e a r l i e s t u s e , h o w e v e r , o n e o f t h e f i r s t i m p o r t a n t ,

p u b l i s h e d r e c o r d s w a s a n e d i t o r i a l i n t h e p e r i o d i c a lC h e m i c a l E n g i n e e r i n g f o r May 1 9 4 7 ( A n o n . , 1 9 4 7 ) ,w h i c h s a i d i n p a r t :

T h i s i s i n o t a p l e a f o r a n o t h e r b r a n c h o f e n g i n e e r i n g . T h e r ea r e t o o many a l r e a d y . B t u t t h e r e i s an i m p o r t a n t n e e d i n t h e

c h e m i c a l i n du s t r y t o d a y f o r e n g i n e e r s w i t h s o m e w h a t b r o a d e r

s c i e n t i f i c t 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 s a n d m a t h e m a t i c s .

An d t h i s n e e d w i l l c o n t i n u e t o g r o w a 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 g t h e p r o c e s s e s o 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 y i m p o r t a n t r o l eo f t h e b i o l o g i c a l s c i e n c e s .

I n t h e p a s t f i v e y e a r s t h e p h a r m a c e u t i c a l i n d u s t r i e s h a v e

c o n t r i b u t e d more t o c h e m i c a l p r o g r e s s , a n d i n t u r n h a v e b e e n

b e n e f i t e d more b y c h e m i c a l e n gi n e e r in g p r o g r e s s , t h a n e v e r

b 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 n

t h e b e s t o f o u r t e c h n o l o g y a n d h a v e o f t e n s u r p r i s e d t h e m s e l v e s

w 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 . They

want n ow t o a p p l y t h e same m e t h o d s a n d e q u i p m e n t t 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 d b y l a c k o fe n g i n e e r i n g manpower w i t h f u n d a m e n t a l k n o w l e d g e a 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 y b a c t e r i o l o g y a n d b i o c h e m -

i s t r y .

S h o r t l y t h e r e a f t e r t h e U n i v e r s i t y o f W i s c o n s i n g a v e

n o t i c e t h a t i t h a d e s t a b l i s h e d an o p t i o n a l b i o c h e m i c a l

e n g i n e e r i n g c u r r i c u l u m w i t h i n i t s u n d e r g r a d u a t e c h e m -

i c a l e n g i n e e r i n g p 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 t i n b i o c h e m i c a l e n g i n e e r i n g was

f u r t h e r s t i m u l a t e d b y a n a r t i c l e e n t i t l e d A C a s e S t u d y

i n B i o c h e m i c a l E 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 g t h e 1 9 4 7 A w a r d f o r C h e m i c a l E n g i n e e r i n gA c h i e v e m e n t t o M e r c k C o . , I n c . , f o r t h e c o m m e r c i a l

d e v e l o p m e n t o f s t r e p t o m y c i n .T wo t h i n g s a 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 l e n -

g i n e e r i n g w a s c o n s i d e r e d b y i t s e a r l y p r o t a g o n i s t s t o

b 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 l e n -

g i n e e r i n g t h e m e ; s e c o n d , t h e s e same p e o p l e w e r e

a p p a r e n t l y unaware o f t h e f a c t s o f l i f e i n t h e f e r m e n t a -

t i o n i n d u s t r y , a t l e a s t . I n f a c t , t h e s e p r o m o t i o n a l e f f o r t s ,

l B a s e d on a l e c t u r e p r e s e n t e d a t t h e A n t i b i o t i c s S 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 r w e l l i 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 s

w h i c h , u n f o r t u n a t e l y , s t i l l e x i s t .

W h a t e v e r t h e d i f f i c u l t i e s i n d e f i n i n g a 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 t i s r e a s o n a b l y w e l la g r e e d u p o n ; i t i s c l o s e l y r e l a t e d t o c h e m i c a l e 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 g c a n t h e n b e g a i n e d f r o m a c l o s e r l o o k a tt h e c h e m i c a l e n g i n e e r i n g s i r e .

C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a 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 d b e r e c o g n i z e d t h a t c h e m i c a l e 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 g f 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 e a n y d i s t i n c t b o d y o f k n o w l e d g e , l i k e

t h a t n o r m a l l y a s s o c i a t e d w i t h t h e v ar i o 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 r i n s t a n c e . R a t h e r i t

e m b o d i e s a g e n e r al a t t i t u d e a n d a p p r o a c h t o p r a c t i c a lp r o b l e m s w h i c h r e c o g n i z e s t h e n e e d f o r g e t t i n g s o m e -

t h i n g d o n e w i t h r e a s o n a b l e e x p e d i t i o n e v e n i n t h e a b -

s e n c e o f c o m p l e t e i n f o r m a t i o n .

E n g i n e e r i n g , l i k e m e d i c i n e , i s a p r a c t i c a l a r t . I t i s

f i r m l y b a s e d o n t h e c o n s t a n t l y e x p a n d i n g p o o l o f s c i e n -

t i f i c k n o w l e d g e a 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 s t ot h i s p o o l t h r o u g h i t s a s s o c i a t e d r 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 c e n g i n e e r i n g f 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 s t o t h e p r a c t i c a l p r o b l e m s o f t e c h n o l o g y .

To a c c o m p l i s h t h e s e e n d s , e a c h b r a n c h o f e n g i n e e r i n g

h a s e v o l v e d i 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 e m e t h o d s a r e f o r t 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 n f 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 e r 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 . To b e s u r e , t h e s e e m p i r i c a l t o o l s a r e

c o n s t a n t l y r e f e r r e d t o a n d t e s t e d f o r v a l i d i t y a g a i n s tf u n d a m e n t a l c 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 d g e n -

e r a l i z a t i o n b a s e d o n g r e a t e r u n d e r s t a n d i n g i s c o n s t a n t l y

s o u g h t a s a m e a n s f o r s i m p l i f y i n g e x i s t i n g m e t h o d s a n dm a k i n g t h e m m o r e r e a d i l y u s e f u l .

T h i s i s p a r t i c u l a r l y t r u e o f c h e m i c a l p 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 l e n -

g i n e e r s . We a r e s t i l l v e r y f a r f r o m a n a d e q u a t e u 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 d a n d s o

m u s t d e p e n d o n l a r g e l y e m p i r i c a l a p p r o a c h e s . T h e

d e s i g n o f a g i t a t i o n s y s t e m s , s o i m p o r t a n t i 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 t e x a m p l e . W i t h v i r t u a l l y n o d e t a i l e d

1 2 3



E . L . GADEN, J R .

k n o w l e d g e o f t h e m e c h a n i s m s o f i m p e l l e r b e h a v i o r a n d

t u r b u l e n c e g e n e r a t i o n , e m p i r i c a l c o r r e l a t i o n s h a v e b e e n

e s t a b l i s h e d w h i c h e n a b l e u s t o s i z e a g i t a t o r s s 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 r t o o l s o f c h e m i c a l

e n g i n e e r s , a r e r e a l l y s u b s t i t u t e s f o r k n o w l e d g e . T h e y

p r o v i d e a m e a n s f o r s o l v i n g p r a c t i c a l d e s i g n p r o b l e m s

w i t h o u t k n o w i n g w h a t i s r e a l l y g o i n g o n . E x a c t m a t h -

e m a t i c a l a n a l y s i s i s o f t e n e i t h e r i m p o s s i b l e , b e c a u s e t h e

r e q u i r e d k n o w l e d g e o f m e c h a n i s m s i s n o t a h a n d , o r t o o

e x p e n s i v e a n d d i f f i c u l t t o c a r r y o u t . I t s d i r e c t r o l e i np r o c e s s d e s i g n i s t h e r e f o r e l i m i t e d .

C h e m i c a l e n g i n e e r s a 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 e c h e m i c a l p r o c e s s i n d u s t r i e s , w h a t e v e r t h e i r o r i g -i n a l d e g r e e s . A l o o k a t a n y s u c c e s s f u l c h e m i c a l p r o c e s sc o m p a n y w i l l g e n e r a l l y d e m o n s t r a t e t h i s q u i t e c l e a r l y .T h o s e w h o b e s t f i l l t h e e n g i n e e r i n g f u n c t i o n , p a r t i c u -l a r l y p r o c e s s d e v e l o p m e n t a n d d e s i g n , a r e t h o s e wh o

h a v e b e e n s e l e c t e d a c c o r d i n g t o i n t e r e s t a n d a b i l i t y -

n o t a c c o r d i n g t o d e g r e e s . O f c o u r s e o n e h o p e s t h a t t h ec u r r i c u l u m f o l l o w e d i n s c h o o l , a n d h e n c e t h e d e g r e e o b -

t a i n e d , w i l l r e a s o n a b l y r e f l e c t i n t e r e s t a n d a b i l i t y b u t

w e c a n n o t a s s u m e t h a t t h i s i s a l w a y s s o .

To e x t e n d t h i s c o n c e p t , b i o e n g i n e e r i n g i s s i m p l y t h e

a p p l i c a t i o n o f t h e s e s a m e t e c h n i q u e s , p l u s s o m e s p e c i a lo n e s , t o t h e p r o b l e m s e n c o u n t e r e d i n a p a r t i c u l a r g r o u p

o f c h e m i c a l i n d u s t r i e s , t h o s e d e a l i n g w i t h b i o c h e m i c a l

a n d m i c r o b i o l o g i c a l p r o c e s s e s .C h e m i c a l p r o c e s s e s a r e c o n c e r n e d w i t h m a k i n g s u b -

s t a n c e s f r o m o t h e r s u b s t a n c e s r a t h e r t h a n w i t h s h a p i n g

s u b s t a n c e s i n t o t h i n g s . T h e b 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 s i n d u s t r i e s a r e n o d i f f e r e n t i n p r i n c i p l e ; t h eo n l y r e a l d i s t i n c t i o n i s i n t h e o r i g i n a n d n a t u r e o f t h em a t e r i a l s d e a l t w 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 r c o m p l e x i t y a n d t h e y a r e u s u a l l y o b -

t a i n e d f r o m s o m e n a t u r a l s o u r c e r a t h e r t h a n b y d i r e c tc o n v e r s i o n o r s y n t h e s i s f 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 n i 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 e t 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 s w h i c h h a v e g r o w n u p b e t w e e n t 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 s o f t h e c h e m -

i c a l p r o c e s s i n d u s t r i e s . E a c h m a k e s u s e o f t h e g e n e r a la p p r o a c h e s t o p 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 w h i c h

h a v e b e e n d e v e l o p e d , m o d i f i e d m o r e o r l e s s t o m e e t i t s

p a r t i c u l a r r e q u i r e m e n t s .

B i o e n g i n e e r i n g a 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 g a p p r o a c h h a s b e e n m o s t f r u i t -

f u l l y a p p l i e d t o m i c r o b i o l o g i c a l p 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 t d i s c u s s i o n o f t h e e n g i n e e r i n g v i e w -

p o i n t i 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 e

e m p h a s i z e d t h e d o m i n a n t r o l e o f t 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 i n e s t a b l i s h i n g t h e f u n d a m e n t a l c o m p o n e n t s

o f t h e f e r m e n t a t i o n p r o c e s s o r g a n i s m , s u b s t r a t e , a n d

p r o c e s s c o n d i t i o n s . I n m a x i m i z i n g p r o c e s s e f f i c i e n c y a n d

p r o v i d i n g f o r o p e r a t i o n a l e c o n o m y a n d r e l i a b i l i t y , t h e

e n g i n e e r s c o n t r i b u t i o n i s s e c o n d a r y b u t v i t a l .I n a n o t h e r p a p e r , G a d e n ( 1 9 5 5 a ) a n a l y z e s f e r m e n t a -

t i o n i n t e r m s a n a l o g o u s t o t h o s e c o m m o n l y u s e d f o ro t h e r c h e m i c a l p r o c e s s e s . T h e b a s i c c o n s i d e r a t i o n s i np r o c e s s d 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 p s ,k 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 e t o

f e r m e n t a t i o n ; u n f o r t u n a t e l y t h e y a r e n o t s o o f t e n e a s i l yi d e n t i f i e d a n d e v a l u a t e d . S i m i l a r v i e w s h a v e b e e n

o f f e r e d b y H a r t l e y a 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 g a p p r o a c h t o f e r m e n t a t i o n h a s

b e e n s i g n i f i c a n t o n l y f o r t h e l a s t 1 5 y e a r s o r s o . To b e

s u r e , e n g i n e e r s m 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 n

e n g a g e d i n c o m m e r c i a l f e r m e n t a t i o n o p e r a t i o n s . U n t i l

t h e 1 9 4 0 s , h o w e v e r , t h e i r r o l e w a s l a r g e l y c o n f i n e d t o

t h e p u r e l y m e c h a n i c a l a s p e c t s o f p l a n t a n d e q u i p m e n t

d e s i g n a 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 e

a l m o s t e x c l u s i v e l y t h e c o n c e r n o f f e r m e n t a t i o n t 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 s o r b i o c h e m i s t s .

P e r h a p s t h e e a s i e s t way t o a s s e s s a n d i l l u s t r a t e t h er o l e o f b i o e n g i n e e r i n g i n f e r m e n t at i o n t e c h n o l o g y i s t of i r s t s u m m a r i z e i t s c o n t r i b u t i o n s o v e r t h e l a s t 2 d e c a d e s .

T h e n a s p e c i f i c p r o b l e m , s c a l e - u p o f f e r m e n t a t i o n p r o c -e s s e s , w i l l b e e x a m i n e d i n d e t a i l t o i l l u s t r a t e b o t h t h e

a p p l i c a t i o n a n d t h e l i m i t a t i o n s o f t h e b i o e n g i n e e r i n ga p p r o a c h .

T h e n e w q u e s t i o n , t h e n , i s s i m p l y t h i s : W h a t b i o -e n g i n e e r i n g p r o b l e m s a c t u a l l y e x i s t i n f e r m e n t a t i o n

t e c h n o l o g y a n d w h a t r e a l p r o g r e s s h a s b e e n m a d e t o -

w a r d t h e i r s o l u t i o n ?When we t r y t o a n a l y z e t h i s q u e s t i o n i n a r e a s o n a b l y

d i s p a s s i o n a t e m 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 l y

c l e a r ; t h e t o t a l b i o e n g i n e e r i n g c o n t r i b u t i o n t o c u r r e n t

f e r m e n t a t i o n p r a c t i c e i s r e a l l y v e r y s m a l l . F u r t h e r m o r e ,

t h e r e i s n o i n d i c a t i o n t h a t i t w i l l b e c o m e s i g n i f i c a n t l yg r e a t e r i 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 r

e f f o r t s a r e u n i m p o r t a n t o 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 many c a s e s b i o e n g i n e e r i n g d e v e l o p m e n t s h a v e

h a d a n d w i l l h a v e p r o f o u n d e f f e c t s b u t t h e s e m u s t a l -w a y s b e v i e w e d i 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 n i s n o o n e s f a u l t . I t i s s i m p l y t h e r e -

s u l t o f c e r t a i n i n h e r e n t f e a t u r e s o f t h e f e r m e n t a t i o n

i n d u s t r y a s i t h a s d e v e l o p e d a n d a s i t now e x i s t s . A l -t h o u g h t h e r e i s n o f u n d a m e n t a l d i f f e r e n c e b e t w e e n

c h e m i c a l p r o c e s s e s e m p l o y i n g n a t u r a l e n z y m e c a t a l y s t se l a b o r a t e d b y l i v i n g c e l l s a n d m o r e c o n v e n t i o n a l t y p e s ,t h e p a t t e r n s o f p r o c e s s d e v e l o p m e n t a r e d i s t i n c t l y d 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 l p r o c e s s i s t h e r e a c t i o ns y s t e m i t s e l f . O t h e r f a c t o r s may h a v e g r e a t e r e c o n o m i c

w e i g h t i n p a r t i c u l a r c a s e s b u t t h e c h e m i c a l c h a n g e s

b e i n g e f f e c t e d p r o v i d e t h e r e as o n f o r e x i s t e n c e . F o r a n y

new 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 s a r e ( a ) t h e b a s i cr e a c t o r s y s t e m t o b e e m p l o y e d a n d t 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 l v a r i a b l e s i n v o l v e d .

[ V O L . 82 4



BIOENGINEERING AND F E R M EN T A T I O N

I n t h e d e v e l o p m e n t o f a c a t a l y t i c , g a s - p h a s e c o n v e r -

s i o n , f o r e x a m p l e , a g r e a t v a r i e t y o f r e a c t i o n s y s t e m s

a n d c o n d i t i o n s may r e a s o n a b l y b e c o n s i d e r e d : f i x e d o rf l u i d b e d s , h i g h o r l o w t e m p e r a t u r e s a n d a w i d e r a n g e o fp r e s s u r e s , f l o w r a t e s a n d r e a c t i o n m 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 e i s much d i f f e r e n t , i n s o m e

w a y s m o r e l i m i t e d a 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 . To

i l l u s t r a t e :R e a c t i o n s y s t e m s . V i r t u a l l y a l l m o d e r n a e r o b i c p r o c -

e s s e s e m p l o y a s i n g l e r e a c t o r t 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 g b e n e a t h t h e i m p e l l e r . T h e r e a r e ,o f c o u r s e , l i m i t e d e x a m p l e s o f o t h e r t y p e s ; f i x e d b e d s

a r e u s e d i n a f e w c a s e s ( v i n e g a r g 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 w t h e c o n t i n o u s medium s t e r i -l i z e r a 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 r

n 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 y o f a g i t a t i o n ( b o t h

m e c h a n i c a l s t i r r i n g a n d a i r s p a r g i n g ) a r e t h e p r i m a r y

p h y s i c a l v a r i a b l e s i n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n s y s t e m s .

F l u i d p r o p e r t i e s o f t h e m a s h , f o r e 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 e t e n s i o n , a s w e l l a s a g i t a t o r d e s i g n ,p o w e r i n p u t a n d a i r r a t e a r e t h e f a c t o r s w h i c h d e t e r m i n e

a g i t a t i o n i 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 e r a n g e

o r d i n a r i l y e m p l o y e d , s e e m s t o h a v e n o e f f e c t o n f e r m e n -

t a t i o n r e a c t i o n s .C h e m i c a l v a r i a b l e s . F e r m e n t a t i o n m e d i a a r e u s u a l l y

s o c o m p l e x t h a t i t i s h a r d t o c o n s i d e r c h e m i c a l v a r i a b l e si n t h e s a m e s e n s e a s f o r o t h e r c h e m i c a l p r o c e s s e s . Two

b a s i c f a c t o r s , a t l e a s t , a r e r e c o g n i z a b l e t h o u g h ; f i r s t ,

t h e c o m p o s i t i o n o f t h e m e d i u m a t t h e b e g i n n i n g o f t h e

c e l l - s u b s t r a t e i n t e r a c t i o n a n d , s e c o n d , d e l i b e r a t e a d d i -t i o n s d u r i n g t 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 s a n d ,

o f c o u r s e , o x y g e n . A l t h o u g h t h e e f f e c t s o f c e r t a i n c h e m i -c a l f a c t o r s , g l u c o s e c o n c e n t r a t i o n f o r i n s t a n c e , a r e

b r o ad l y u n d e r s t o o d i n s o m e f e r m e n t a t i o n r e a c t i o n s ,v i r t u a l l y n o t h i n g i s k n o w n a b o u t t h e m y r i a d o t h e rc o m p o s i t i o n v a r i a b l e s . P r o c e s s m e d i a f o r m u l a t i o n s a r e

s i m p l y a r r i v e d a t b y e x t e n s i v e l a b o r a t o r y t r i a l .

F e r m e n t a t i o n p r o c e s s d e v e l o p m e n t i s t h e n l a r g e l y a

m 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 e m o s t p r o d u c t i v ea n d e c o n o m i c a l o r g a n i s m - m e d i u m c o m b i n a t i o n a n d o f

r e p r o d u c i n g , i n l a r g e r c a p a c i t y e q u i p m e n t , t h e o p t i m u m

c o n d i t i o n s f o r c e l l - m e d i u m i n t e r a c t i o n . T h e o v e r - a l l

p r o c e s s s 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 n v i r t u a l l y t h e s a m e ; o n l y c o n d i t i o n s i n -s i d e t h e r e a c t o r c h a n g e .

T o e m p h a s i z e t h e p e c u l i a r n a t u r e o f f e r m e n t a t i o n

p r o c e s s d 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 n p l a n t . D e s i g n d e t a i l s a n d c o n t r o l m e t h o d s

d i f f e r , o f c o u r s e , b u t t h e r e a c t i o n s y s t e m s e m p l o y e d a r e

v i r t u a l l y i d e n t i c a l . I n c r e a s e d c a p a c i t y i s o b t a i n e d b y

a d d i n g d u p l i c a t e u n i t s o f t h e same t y p e , a n d d e v e l o p -ment o f a n e n t i r e l y n ew p r o c e s s s c h e m e i s r a r e l y u n d e r -

t a k e n . R e c o g n i z i n g t h i s , many p e o p l e u 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 t t o d e s c r i b e t h e p r i m a r y a c t i v i t yo f d e v e l o p m e n t g r o u p s i n t h e f e r m e n t a t i o n i n d u s t r y .

T h e i n h e r e n t f e a t u r e s o f f e r m e n t a t i o n p r o c e s s e s t h e r e -f o r e l i m i t c o n s i de r a bl y t h e n o r m a l a c t i v i t i e s o f c h e m i c a l

e n g i n e e r i n g , t h e d e s i g n o f new p r o c e s s e s a n d p l a n t s . I ti s o n l y i n t h i s l i g h t t h a t t h e b i o e n g i n e e r i n g c o n t r i b u t i o n

c a n b e r e a l i s t i c a l l y e v a l u a t e d

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

B i o e n g i n e e r i n g c 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 n t e c h -n o l o g y c a n b e l o o k e d a t i n many d i f f e r e n t w a y s . We c a n

g o t h r o u g h t h e c h a r a c t e r i s t i c f e r m e n t a t i o n p r o c e s s

f l o w s h e e t a n d l o o k a t t h e m a i n s t a g e s : ( a ) medium p r e p -

a r a t i o n a n d s t e r i l i z a t i o n , ( b ) i n o c u l u m p 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 t f o r r 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 o f o r t h ) . A l t e r n a t i v e l y w e

c a n a d o p t a u n i t o p e r a t i o n s a p p r o a c h a n d c o l l e c t i v e l ye x a m i n e a l l a c t i v i t i e s w h i c h h a v e a common b a s i s , h e a t

s t e r i l i z a t i o n o f m e d i a , a s e p t i c t r a n s f e r o 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 o f o r t h .R e g a r d l e s s o f t h e a p p r o a c h t a k e n , i t r a p i d l y b e c o m e s

c l e a r t 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 e

b e e n s t u d i e d t o d e a t h w h i l e o t h e r s h a v e h a r dl y b e e n

g l a n c e d a t . T a b l e 1 i s a s u m m a r y , a d m i t t e d l y q u i t es u b j e c t i v e , o f p r o b l e m s a n d p r o g r e s s i n b i o e n g i n e e r i n g .P a r t s o f t h e t a b l e , e s p e c i a l l y t h e c o l u m n o n p r a c t i c a lu t i l i t y , a r e d e p e n d e n t o n i n f o r ma t i o n g i v e n t h e a u t h o r

b y p e o p l e i n i n d u s t r y a n d s o c a n n o t a l w a y s b e p r o p e r l y

r 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 e

a d a p t i o n t o f e r m e n t a t i o n p r a c t i c e o f e q u i p m e n t a n d

d e v i c e s u s e d e l s e w h e r e , w i t h l i t t l e o r n o c h a n g e , i s n o t

i n c l u d e d h 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 l i m p r o v e -

m e n t s may h a v e g r e a t p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e .

S c a l e - Up

S c a l e - u p i s a n i n h e r e n t p 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 t t h e t e r m s a r e v i r t u a l l y s y n o n y m o u s f o rmany p e o p l e . S c a l e - u p h a s b e e n s u c c e s s f u l l y a c h i e v e d

w h e n y i e l d s a 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 y d e m o n -

s t r a t e d o n l a s m a l l s c a l e , h a v e b e e n p r o d u c e d i n l a r g e rc a p a c i t y u n i t s . T h i s b a s i c d e f i n i t i o n h o l d s e q u a l l y w e l lf o r m i c r o b i o l o g i c a l p r o c e s s e s , t h o u g h t h e p r o b l e m s e n -

c o u n t e r e d a r e m a r k e d l y d i f f e r e n t .Two b a s i c a p p r o a c h e s t o s c a l e - u p a 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 n o f m o d e l e x p e r i m e n t s b a s e d o n t h e p r i n -c i p l e s o f s i m i l i t u d e a n d , s e c o n d , m a t h e m a t i c a l a n a l y s i so f t h e c o m p l e t e ( o r c 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 r a 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 d o f t h e s e h a s u n l i m i t e d p o t e n t i a lv a l u e , i t a l s o h a s s e r i o u s l i m i t a t i o n s i n p r a c t i c e . O f t e n

t h e r e l a t i o n s h i p s a r e t o o i n v o l v e d t o p e r m i t r i g o r o u sd e f i n i t i o n o r t h e r e s u l t a n t m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n sa r e t o o c o m p l e x f o r e c o n o m i c a l s o l u t i o n , e v e n w i t h c o m -

p ut i n g e q u i p m e n t . E l e c t r i c a l o r m e c h a n i c a l a n a l o g smay s o m e t i m e s b e u s e d t o o v e r c o m e t h e s e c o n d o f t h e s e

1 9 6 0 ] 1 2 5





BIOENGINEERING AND F E R M E N T A T I O N

l i m i t a t i o n s , b u t t h e i r a p p l i c a t i o n t o m i c r o b i o l o g i c a l

p r o c e s s e s i s s t i l l a l o n g way o f f . T h i s l e a v e s u s w i t h

s c a l e - u p f r o m m o d e l e x p e r i m e n t s b y t h e p r i n c i p l e s o fs i m i l i t u d e a s t h e m a i n t e c h n i q u e i n p r a c t i c e .To s c a l e - u p b y s i m i l i t u d e , o n e m u s t f i r s t e s t a b l i s h

s o m e f u n c t i o n a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e v a r i o u s d i -

m e n s i o n l e s s p a r a m e t e r s w 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 e t h e s y s t e m . A t y p i c a l e x a m p l e , o f t e n r e f e r r e dt o i n f e r m e n t a t i o n s t u d i e s , i s t h e c o r r e l a t i o n f o r p o w e r

r e q u i r e d i n a n a g i t a t e d v e s s e l ( R u s h t o n e 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 s g r o u p s a r e :

N p o w e r n u m b e r = P G , _~ ~ ~ ~ 3 D 5

_ R e y n o l d s n u m b e r _ ND2 pNRe- ( f o r a g i t a t i o n ) -

DN2

N F r = F r o u d e n u m b e r = G cA l l a r e c o m p o u n d e d f r o m t h e p r i m a r y s y s t e m v a r i a b l e s ,i m p e l l e r d i a m e t e r ( D ) , s p e e d ( N ) , f l u i d d e n s i t y p ) ,

a n d v i s c o s i t y , u ( G c i s t h e s t a n d a r d d i m e n s i o n a l c o n -

s t a n t f r o m t h e l a w s o f m o t i o n ) .V a l u e s o f t h e c o n s t a n t , K , a n d t h e e x p o n e n t s , m a n d

n , h a v e b e e n e v a l u a t e d e x p e r i m e n t a l l y f o r many d i f -

f e r e n t m i x i n g s y s t e m s ( R u s h t o n e t a l . , 1 9 5 0 ) , i n c l u d i n gb a f f l e d a 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 h

p r o p e l l e r s , o n a n d o f f c e n t e r , a n d a v a r i e t y o f p a d d l e

a n d t u r b i n e - t y p e a g i t a t o r s . O n t h i s b a s i s s c a l e - u p o f

p o w e r r e q ui r e m e n t s i s r e a d i l y a c h i e v e d , p r o v i d i n g t h e

v e s s e l s i n v o l v e d a r e g e o m e t r i c a l l y s i m i l a r .P o w e r r e q u i r e m e n t , h o w e v e r , i s o n l y o n e a s p e c t o f

s c a l e - u p i n a n a g i t a t e d r e a c t i o n v e s s e l . O n e must a l s o

k n o w t h e r e l a t i o n s h i p s e x i s t i n g b e t w e e n a g i t a t i o n a n d

t h e v a r i o u s r a t e p r o c e s s e s , p h y s i c a l a n d c h e m i c a l , w h i c h

t a k e p l a c e i n t h e f l u i d m a s s .

R u s h t o n ( 1 9 5 1 ) h a s p r o p o s e d a s c a l e - u p m e t h o d f o r

s i t u a t i o n s w h e r e t h e p r o c e s s r e s u l t , h e a t o r mass

t r a n s f e r r a t e f o r e x a m p l e , c a n b e r e l a t e d t o t h e g o v e r n -

i n g v a r i a b l e s . I n s uc h a c a s e t h i s p r o c e s s r e s u l t , 4 , e x -

p r e s s e d i n t h e f o r m o f a d i m e n s i o n l e s s g r o u p , i s some

f u n c t i o n o f t h e R e y n o l d s n u m b e r f o r a g i t a t i o n :

0 kNxe

T h e p o w e r , x , may b e d e t e r m i n e d f r o m d a t a o b t a i n e d

i n s m a l l - s c a l e e x p e r i m e n t s a n d u s e d t o s c a l e u p t h e

p r o c e s s b y t h e f o l l o w i n g r 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 e N 2 a n d P 2 a r e t h e i m p e l l e r s p e e d a n d p o w e r r e -

s i o n i s D 2 . I n o t h e r w o r ds , D 2 / D 1 i s t h e s c a l e - u p r a t i o

a n d t h e v o l u m e s a re as ( D 2 / D 1 ) 3 .T h e power r a t i o , P 2 / P 1 , w i l l b e e q u a l t o one o n l y

w h e n x 0 . 7 5 , a n d s o Rushton ( 1 9 5 1 ) s t r e s s e s t h e

d 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 an

e q u a l power p er u n i t v o l u m e b a s i s w i t h o u t k n o w i n g t h e

r e l a t i o n s h i p b e t w e e n process r e s u l t and 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 e h a s shown t h a t i n many

common 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 h t 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 make s c a l e - u p by

e 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 case o f oxygen a b s o r p t i o n i ns u l f i t e s o l u t i o n , f o r e x a m p l e , S o l o m o n s a n d P e r k i n 1 9 5 8 )

f o u n d x 0 . 7 8 . A 2 : 1 s c a l e - u p , b a s e d on e q u a t i o n ( 2 )

a b o v e , was, as 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 y e x a m i n e d some o f t h e p r o b -

l e m s i n t h i s s c a l e - u p m e t h o d a 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 s o 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 r e 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 n b 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 n

i 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 s

b e e n d o n e a bo u t t h e m . S p e c i f i c p r o p o s a l s f o r s c a l e - u p

m e t h o d s , w i t h s u p p o r t i n g d a t a , are 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 l

p 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 n process. R a t h e r

t h e y t r e a t t h e s c a l e - u p o f t h e f e r m e n t a t i o n r e a c t o r ,

more s p e c i f i c a l l y i t s a e r a t i o n a n d oxygen s u p p l y

c a p a b i l i t i e s , a l o n e .A t f i r s t h a n d t h i s may seem a t r i v i a l m a t t e r , b u t i t

i s c e r t a i n l y n o t . T h e g e n e r a l i n a d e q u a c y o f s c a l e - u pm e t h o d s f o r m i c r o b i o l o g i c a l processes i s a d i r e c t r e s u l to f t h e i r f a i l u r e t o c o n s i d e r t h e process as a w h o l e . To

i l l u s t r a t e t h i s p o i n t , l e t u s b r i e f l y r e v i e w t h e m e t h o d s

w h i c h h a v e b e e n p r o p o s e d .

S c a l e - U p b 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 t o f t h e i r s t u d i e s on a e r a t i o n a n d oxygen

t r a n s f e r i n p e n i c i l l i n a n d s t r e p t o m y c i n f 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 l s c a l e - u p p r o c e d u r e f o r a e r o b i c

f 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 t s p e c i f i c recommen

d a t i o n t o appear i n t h e open l i t e r a t u r e and most

s u b s e q u e n t s u g g e s t i o n s are s i m p l y m o d i f i c a t i o n s o f i t .

The b a s i s f o r t h e i r s c h e m e , a n d f o r t h o s e w h i c h h a v e

f o l l o w e d , i s t h e p r o m i s e t 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 s upon t h e maintenance o f an oxygen c o n c e n t r a t i o n a t t h e

c e l l w 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 t o f oxygen

c o n c e n t r a t i o n - t h a t i s , a zero o r d e r rate.... A n t i b i o t i c y i e l d

t h u s u l t i m a t e l y d e p e n d s u pon 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 d i n t h e l a r g e r t a n k w h o s e c h a r a c t e r i s t i c d i m e n -

1 9 6 0 ] 1 2 7

c e l l s .



E . L . GADEN, J R .

A c c o r d i n g t o t h i s v i e w , s c a l e - u p o f t h e f e r m e n t a t i o n

r e a c t i o n s y s t e m i s t h e n o n l y a m a t t e r o f s c a l i n g u p t h e

r a t e o f o x y g e n a 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 d

f 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 n i s , h o w e v e r ,

q u e s t i o n a b l e a t b e s t a 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 d b y a n y o f t h e a d m i t t e d l y l i m i t e dk i n e t i c o b s e r v a t i o n s made s o f a r ( G a d e n , 1 9 5 9 ) . F o r t h e

m o m e n t , h o w e v e r , l e t u s e x a m i n e t h e s c a l e - u p m e t h o d s

w h i c h a r e b 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 r s c a l e - u p p r o c e d u r e

o 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 c y i e l d d e p e n d s

u p o n t h e r a t e o f o x y g e n s up p l y t o t h e c e l l s ( s t a t e d i n

d e t a i l a b o v e ) , ( b ) t h a t o x y g e n t r a n s f e r r a t e s ( a n d

t h e r e f o r e y i e l d s ) d e p e n d u p o n t h e s c a l e a n d i n t e n s i t y o f

t 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 n i n t o t h el i q u i d , a n d n o t t r a n s p o r t o f o x y g e n w i t h i n t h e m e d i u m -

c e l l s u s p e n s i o n i , i s t h e l i m i t i n g r a t e .T h e r a t e o f o x y g e n a b s o r p t i o n i s t h e n s i m p l y e x -

p r e s s e d a s :

R a t e o f a 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 n c o e f f i c i e n ta = i n t e r f a c i a l a r e a

C * = s a t u r a t i o n o x y g e n c o n c e n t r a t i o n i

C L = a c t u a l d i s s o l v e d o x y g e n c 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 n a b s o r p t i o n c a p a c i t y c 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 y b e s e p a r a t e d f u r t h e r b e c a u s e t h e

i n t e r f a c i a l a r e a i s u s u a l l y u n k n o w n . I t i s c o m m o n l y

u s e d t o c h a r a c t e r i z e t h e a b s o r p t i o n e f f i c i e n c y o f a n

a g i t a t i o n - a e r a t i o n s y s t e m ( F i n n , 1 9 5 4 ) a n d Karow

e t a l . ( 1 9 5 3 ) u s e d i t a s t h e p r i m a r y s c a l e - u p p a r a m e t e r .

F o r c o n s t a n t f l u i d p r o p e r t i e s , t h i s c a p a c i t y c o e f f i c i e n ti s a f u n c t i o n o f a g i t a t o r p o w e r ( P ) a n d t h e s u p e r f i c i a la i r v e l o c i t y V 1 , ) t h r o u g h t h e f e r m e n t o r ( C o o p e r e t a l . ,

1 9 4 4 ) .To s c a l e - u p a f e r m e n t a t i o n s y s t e m b y t h i s m e t h o d ,

o n e f i r s t d e t e r m i n e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n y i e l da n d / o r p r o d u c t i v i t y ( t h e s o - c a l l e d p r o c e s s r e s u l t ) a n d

K L a i n s m a l l v e s s e l s . D a t a o n K L a m u s t b e t h e n o b -

t a i n e d f o r t h e v a r i o u s v e s s e l s i z e s i n v o l v e d i n t h es c a l e - u p . B e c a u s e o f t h e d i f f i c u l t i e s i n h e r e n t i n m a k i n g

s u c h m e a s u r e m e n t s a t t h e p l a n t l 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 r v 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 n t a n k s b y e x t r a p o l a t i n g t h e d a t a f r o m

C o o p e r e t a l . ( 1 9 4 4 ) , a n a d m i t t e d l y i n e x a c t b u t much

m o r e c o n v e n i e n t s c h e m e ( f i g u r e 1 ) .

To s c a l e - u p , t h e y s i m pl y s e l e c t e d , o n t h e b a s i s o fe x p e r i e n c e , a n a i r r a t e s u f f i c i e n t t o s u p p l y t h e o x y g e n

r e q u i r e m e n t s o f t h e o r g a n i s m w i t h o u t e x c e s s i v e f o a m -

i n g d i f f i c u l t i e s , p r a c t i c a l l y s p e a k i n g t h e h i g h e s t r a t et h a t c 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 e f i x e d ,t h e p o w e r i n p u t r e q u i r e d t o p r o v i d e t h e d e s i r e d K L av a l u e c 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 p o f p e n i c i l l i n f e r m e n t a t i o n s f r o m 2 , 0 0 0 - t o2 4 , 0 0 0 - g a l l o n t a n k s b y a m o d i f i c a t i o n o f t h e m e t h o d

j u s t d 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 s a r e t h e same-

p o w e r i n p u t a n d s u p e r f i c i a l a i r v o l o c i t y - b u t t h e y d i dn o t e m p l o y t h e o x y g e n a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t , K L a , a st h e s c a l e - u p p a r a m e t e r . I n s t e a d t h e y s i m p l y a p p l i e d a

p r e s s u r e c o r r e c t i o n t o t h e a i r v e l o c i t y , b e c a u s e o f t h e

i n c r e a s e d f l u i d h e a d i n t h e t a l l e r , p l a n t - s c a l e f e r m e n -

t o r s , a n d s c a l e d u p b y p r o v i d i n g e q ua l p o w e r i n p u t p e r

u n i t v o l u m e a n d s u p e r f i c i a l a i r v e l o c i t y ( c o r r e c t e d )a t e a c h l e v e l .

S c a l e - u p d 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 f i cp r o c e s s r e s u l t l i k e p e n i c i l l i n p r o d u c t i v i t y , a r e s c a r c ei n d e e d . A l t h o u g h t h e g e n e r a l p a t t e r n ( f i g u r e 1 ) s e e m s

g o o d , i t i s s t i l l h a r d t o a c c e p t t h i s a s r e a l p r o o f o f t h e

v a l i d i t y o f t h e m e t h o d . I t i s j u s t r e a s o n a b l e t o s a y ,s i m p l y , t h a t i n c r e a s e d a g i t a t i o n h a s p r o v i d e d r e l a t i v e l yc o m p l e t e m i x i n g o f t h e f e r m e n t a t i o n b a t c h , p e r m i t t i n g

t h e b i o c h e m i c a l m e c h a n i s m s i n v o l v e d t o o p e r a t e f r e e

o f g r o s s d i f f u s i o n a l c o n t r o l .F i n a l l y , t h e r e i s t h e m a t t e r o f t h e f u n i d a m e n t a lv a l i d i t y o f t h i s a p p r o a c h t o f e r m e n t a t i o n s 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 e t h a t p r o d u c t

f o r m a t i o n i s d e p e n d e n t u p o n t h e r a t e o f o x y g e n s u p p l y

t o t h e c e l l s ( K a r o w e t a l . , 1 9 5 3 ) . W h i l e t h i s i s p r o b a b l y

a f a i r a s s u m p t i o n f o r many m i c r o b i o l o g i c a l p r o c e s s e s

O 1 0 0 2 0 0 300 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0

ABS O R P TI ON COEFFICIENT - K L a

F i g u r e 1 . S c a l e - u p c o r r e l a t i o n f o r p e n i c i l l i n f e r m e n t a t i o n

[ V O L . 82 8



BIOENGINEERING AND F E R M EN T A T I O N

t h e p r o p a g a t i o n o f y e a s t a n d a e r o b i c b a c t e r i a a n d t h e

o x i d a t i o n o f s u g a r s t o o r g a n i c a c i d s f o r e x a m p l e - i t i s

e v i d e n t l y n o t s o f o r b i o s y n t h e t i c p 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 n i n p a r t i c u l a r .

D i r e c t e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e t o s h o w t h a t n o c l e a rr e l a t i o n s h i p e x i s t s b e t w e e n r e s p i r a t i o n a n d p e n i c i l l i ns y n t h e s i s i n P e n i c i l l i u m c h r y s o g e n u m h a s b e e n g i v e n b y

C a l a m e t a l . ( 1 9 5 1 ) a n d many o t h e r i n d i c a t i o n s o f t h e

i n d e p e n d e n c e o f r e s p i r a t o r y a 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 s i n t h e m o l d h a v e b e e n n 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 d a n u m b e r o f o t h e r m i c r o b i o l o g i c a lp r o c e s s e s i n w h i c h t h e s a m e s i t u a t i o n p r e v a i l s . O n t h e

o t h e r h a n d , n o t h i n g h a s b e e n o f f e r e d t o s u p p o r t t h eb a s i c a s s u m p t i o n u n d e r l y i n g s c a l e - u p b y t h i s m e t h o d .

S c a l e - u p o n t h e b a s i s o f e q u i v a l e n t o x y g e n a b s o r p t i o ni s c e r t a i n l y c o n v e n i e n t b u t i t s v a l i d i t y i s v e r y much i n

q u e s t i o n . T h e r e i s a l w a y s a t e n d e n c y t o o v e r e v a l u a t e

f a c t o r s w h i c h c a n b e m e a s u r e d a n d t o a v o i d t h o s e w h i c h

c a n n o t . T h i s may v e r y w e l l b e t h e c a s e i n t h e a p -

p r o a c h e s t o f e r m e n t a t i o n s c a l e - u p w h i c h h a v e b e e nu s e d s o f a r .

F e r m e n t a t i o n P r o c e s s S c a l e - U p - C r i t i c i s m

T h e r e a l p r o b l e m i n f e r m e n t a t i o n p r o c e s s s c a l e - u p i s

t h e c o m p l e t e r e p r o d u c t i o n , i n l a r g e c a p a c i t y e q u i p m e n t ,

o f t h o s e c o n d i t i o n s f o r c e l l - m e d i u m i n t e r a c t i o n w h i c h

h a v e b e e n e s t a b l i s h e d a s o p t i m u m b y s m a l l v o l u m e

e x p e r i m e n t s . Many v a r i a b l e s a f f e c t t h i s i n t e r a c t i o na n d o x y g e n s u p p l y i s o n l y o 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 e m o s t c r i t i c a l f a c t o r s a r e c o n s i d e r e d t 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 l c 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 s d u r i n g

f 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 n s 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 e s c a l e - u p m e t h o d s d i s c u s s e d e a r l i e r a l l

a s s u m e t h e d u p l i c a t i o n o f i n o c u l u m a n d m e d i u m

c o n d i t i o n s a 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 s a s s u m p t i o n i s e a s i e r m 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 r e x a m p l e , h a s s u m m a r i z e d t h e many c o m p l e x

a n d i l l - d e f i n e d m i c r o b i o l o g i c a l p r o b l e m s w h i c h i 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 y a l e g i t i m a t eo n e , i s t h a t t r i a l a n d e r r o r i s s t i l l t h e p r i m a r y s c a l e - u pt o o l f o r f e r m e n t a t i o n p r o c e s s e s .

P r o b a b l y t h e m o s t s t r i k i n g - a n d c o m m o n - v i o l a t i o n

o f s c a l e - u p p r i n c i p l e s i s f o u n d i n t h e b a t c h s t e r i l i z a t i o no f m e d i u m . A s t e r i l i z a t i o n f o r m a t , s a y 1 5 m i n a t 1 2 0 C ,

i s e s t a b l i s h e d b y l a b o r a t o r y f l a s k e x p e r i m e n t s i n w h i c h

s t a n d a r d a u t o c l a v i n g p r o c e d u r e s a r e e m p l o y e d . T h i sf o r m a t i s t h e n f o l l o w e d i n s u c c e s s i v e s t a g e o f d e v e l o p -m e n t , s t i r r e d g l a s s j a r s , p i l o t p 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 g a n d c o o l i n g r a t e s , a n d t h e r e -f o r e r a t e s o f t e m p e r a t u r e r i s e a n d f a l l , c h a n g e r a d i c a l l yf r o m o n e e q u i p m e n t v o l u m e t o t h e n e x t . A s a r e s u l t

t h e t o t a l h e a t i n p u t , a n d c o n s e q u e n t l y t h e d e g r e e o fc h e m i c a l c h a n g e w h i c h o c c u r s , i n c r e a s e s g r e a t l y f o r t h e

s a m e n o m i n a l s t e r i l i z a t i o n p r o c e d u r e . I n f i g u r e 2 t h ea c t u a l t i m e - t e m p e r a t u r e r e l a t i o n s h i p s f o r 1 0 0 - a n d

1 3 0 0 - g a l l o n p i l o t p l a n t f e r m e n t o r s a r e c o m p a r e d f o r a

4 0 8 0 1 2 0

TIME - m i n u t e s

F i g u r e B . B a t c h s t e r i l i z a t i o n o f s t r e p t o m y c i n medium

1 9 6 0 ] 1 2 9



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

n o m i n a l 1 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 r

t h e c ur v e s a r e r o u g h l y p r o p o r t i o n a l t o h e a t i n p u t ; t h e

i m m e n s e d i s p a r i t y i s o b v i o u s .

The s a m e p r o b l e m i s e n c o u n t e r e d i n b a t c h c o o k i n g

o f c a n n e d f o o d s a n d e m p i r i c a l m e t h o d s h a v e b e e n s e tu p t o c o r r e c t f o r v a r i a t i o n s i n h e a t t r a n s f e r r a t e s( S t e w a r t a n d C l a r k , 1 9 4 9 ) . T h e s e c a n r e a d i l y b e a p p l i e d

t o f e r m e n t a t i o n p 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 e i n t e r e s t s h o w n i n t h i s p o s s i b i l i t y . I n a n y e v e n t

c 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 n o f s t a r t i n g medium

q u a l i t y a t a l l l e v e l s o f o p e r a t i o n .Many f a c t o r s a f f e c t t h e p e r f o r m a n c e o f c h e m i c a l

p 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 e

b e c o m e s i n o r d i n a t e l y l a r g e b e c a u s e o f t h e c h e m i c a l

c o m p l e x i t y o 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 y u n a b l e

t o e x p l a i n t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e s e v a r i a b l e sa n d p r o d u c t y i e l d s , s c a l e - u p o f f e r m e n t a t i o n p r o c e s s e s

h 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 l m e a s u r e m e n t s ,

p a r t i c u l a r l y o x y g e n t r a n s f e r r a t e s .

T h i s a p p r o a c h a 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 c a n t i b i o t i c f 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 y i 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 s a c h i e v e d

i n t h i s m a n n e r may s i m p l y b 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 y t h a t g r o s s , e x t e r n a l d i f f u s i o n a lr e s i s t a n c e s h a v e b e e n m i n i m i z e d , p e r mi t ti n g t h e c e l l -

medium i n t e r a c t i o n t o p r o c e e d u n d e r b i o c h e m i c a l

c o n t r o l .T h e r e a l k e y t o s u c c e s s f u l s c a l e - u p o f f e r m e n t a t i o n

p r o c e s s e s l i e s i n a m o r e c o m p l e t e u n d e r s t a n d i n g o f t h e

r e a c t i o n s t a k i n g p l a c e . F e r m e n t a t i o n i s , a b o v e a l l , a

c h e m i c a l p r o c e s s , a l t h o u g h a n e x t r e m e l y c o m p l e x o n e .

When t h e c h e m i c a l m e c h a n i s m s c o n t r o l l i n g t h e f o r m a -

t i o n o f d e s i r e d p r o d u c t s a r e r e a s o n a b l y u n d e r s t o o d ,s c a l e - u p o n a r a t i o n a l , b u t u n d o u b t e d l y e m p i r i c a l ,b a s i s w i l l b e p o s s i b l e .

CONCLUSIONS

I t s e e m s q u i t e c l e a r t h a t t h e b 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 n a n d

m e a s u r e m e n t a n d ( b ) e q u i p m e n t d e v e l o p m e n t . T h e

p r o c e s s d e s i g n c 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 t

a l l f r o m t 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 e c h e m i c a l

e n g i n e e r .T h e r e a l n 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 n h a s b e e n

e m p h a s i z e d h 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 s a n d

m e c h a n i c a l g a d g e t r y , a v i e w u n f o r t u n a t e l y h e l d b ymany m i c r o b i o l o g i s t s . A t t h e s a m e t i m e e n g i n e e r s m u s t

r e c o g n i z e t h e i r e x t r e m e d e p e n d e n c e on f u l l a n d c o m p l e t e

u n d e r s t a n d i n g o f t h e b i o c h e m i c a l s y s t e m w i t h w h i c h

t h e y must w o r k .

T h e k e y t o f u t u r e p r o g r e s s i n f e r m e n t a t i o n i s a more

d e t a i l e d k n o w l e d g e o f ( a ) t h e b i o c h e m i c a l m e c h a n i s m s

i n v o l v e d i n g r o w t h a n d p r o d u c t f o r m a t i o n a n d ( b ) t h e

f a c t o r s w h i c h i n f l u e n c e t h e o r g a n i s m s a b i l i t y t o c at a -

l y z e t h e s e r e a c t i o n s . I t f o l l o w s t h a t t h e r e w i l l b e a

p r e p o n d e r a n c e o 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 g i n c r e a s i n g s k i l l s i n p h y s i c a l c h e m i s t r y

a 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 n p 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 l e n g i n e e r s r o l e w i l l b e t o t r a n s l a t et 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 s i 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 s e n d h e c a n p r o f i t a b l y s p e n d m o r e t i m e o n e m p i r i c a la n a l y s i s o f p r o c e s s k i n e t i c s a n d i m p r o v e d m e t h o d s f o re x p e r i n m e n t a l d e s i g n a n d a n a l y s i s , p a r t i c u l a r c o m p u t e r s

f 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 i q ue s .

REFERENCES

Anonymous 1 9 4 7 The 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 The t h e o r y o f s c a l i n g up l a b o r a t o r y

d a t a f o r t h e s e d i m e n t a t i o n t 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 .

BAR T H O LO M EW, W. H . , KAROW, E . O . , S F A T , M. R . , AND 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 d f e r m e n t a t i o n s . M a s s t r a n s f e r o f o x y g e n i n s u b -m e r g e d f e r m e n t a t i o n o f S t r e p t o m y c e s g 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 .

BARTHOLOMEW, W. H . , KAROW, E . O . , S F A T , M. R . , AND 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 d f 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 n

r a t e s upon f e r m e n t a t i o n o f P e n i c i l l i u m c h r y s o g e n u m a n d

S t r e p t o m y c e s g 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 . AND G E R H A R D T , P . 1 9 5 9 C o n t i n u o u s a n t i -

b i o t i c f 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 n p 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 d

c o n c e n t r a t i o n o f b a c t e r i a l s p o r e s a n d v e g e t a t i v e c e l l s b yf o a m f 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 . AND P E T E R S O N , W. H . 1 9 5 0 F a c t o r s a f f e c t i n g

p r o d u c t i o n o f p e n i c i l l i n i 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 . , AND BOWERS, 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 n o 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 h o fP e n i c i l l i u m c h r y s o g e n u m n i n s u b m e r g e d c u l t u r e , i n r e l a t i o n

t o a g i t a t i o n a n d o x y g e n t 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 . , AND

VAN 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 d H e a l t h O r g a n i z a t i o n , 6 , 7 3 - 9 7 .

C H A I N , E . B . AND G U A L A N D I , G . 1 9 5 4 A e r a t i o n s 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 . , AND M I L L E R , S . A . 1 9 4 4

P e r f o r m a n c e o f a g i t a t e d g a s - l i q u i d c 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 . , AND 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 s f r o m a i r b yg l a s s f i b e r m e d i a . H e a t i n g , P i pi n g a 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 n o f h e a t s t e r i l i z a t i o n

t i m e s f o r f e r m e n t a t i o n m 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 . , AND H A R R I S - S M I T H , R . 1 9 5 7

A s y s t e m a t i c a s s e s s m e n t o f d i s s o l v e d o x y g e n s 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 l p r o b l e m s i n t r a n s l a t i n g

f r o m s m a l l e q u i p m e n t t o t h e i n d u s t r i a l s 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



BIOENGINEERING AND FERMENTATION1

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 n i n t h e l a b o r a t o r y a n d

i 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 . AND 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 n i n a g i t a 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 - a c h e m i c a l e 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 n k i n e t i c s a 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 . , AND HUMPHREY, A . E . 1 9 5 6 F i b r o u i s

f i l t e r s f o r a i r s t e r i l i z a t i o n . D e s i g n p 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 n p 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 n p r e s s ) .G A U D I N , A . M . , MULAR, A . L . , AND O C O N N O R , R . F . 1 9 6 0 a

S e p a r a t i o n o f m i c r o o r g a n i s m s by 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 n o 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 . , MULAR, A . L . , AND O C O N N O R , R . F . 1 9 6 0 b

S e p a r a t i o n o f m i c r o o r g a n i s m s by f l o t a t i o n . I I . F l o t a t i o n o f

s p o r e s o f B a c i l l u s s u i b t i l i s v 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 . AND W A R N E R ,F .

E . 1 9 5 8 B i o c h e m i c a l e 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 n C o . ,New Y o r k , New Y o r k .

H E R B E R T , 1 ) . 1 9 5 9 R e c e n t p r o g r - e s s i 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 t a 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. AND G A D E N , E . L . J R . 1 9 5 0 O x y g e n t r a n s f e r i n

s u b m e r g e d f 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 r

p e n i c i l l i n p 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 l e n g i n e e r s . Chem. E n g . ,

5 4 , 2 0 2 - 2 0 4 .

HUMPHREY, A . E . AND 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 s m 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 . AND 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 s a n d s c a l e - u t p m e t h o d s i n c h e m i c a l e 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 l Book C o . , I n c . , New Y o 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 l p i l o t p l a n t p r a c t i c e , p p . 3 6 - 4 7 .I n t e r s c i e n c e P u b l i s h e r s , I n c . , New Y o r k , New Y o r k .

K A R O W , E . O . , BARTHOLOMEW, W. H . , A ND S F A T , M. R . 1 9 5 3

O x y g e n 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 d f 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 A T 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 l e 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 . AND 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 e

l a c t i c a 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 d p 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 n p r e s s ) .

MAXON, W. D . A ND G A D E N , E . L . , J R . 1 9 5 6 F i b r o u s f i l t e r s f o r

a 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 l s 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 . AND J O H N S O N , M I . J . 1 9 5 3 A e r a t i o n s t u d i e s on

p 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 y e q u i p -

ment f o r t e s t i n g f i l t e r i n g m 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 . AND P I G F O R D , R . L . 1 9 5 8 S c a l e - u p i 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 d P u b l i s h -

i n g C o . , New Y o 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 The e f f e c t o f t e m -

p e r a t u r e c h a n g e s o n t h e p r o d uc t i o n o f p e n i c i l l i n b y P e n i -c i l l i u m c h r y s o g e n u m W 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 .P A T R I C K , W. C . AND F R E E M A N , R . R . 1 9 5 9 B a t c h c e n t r i f u g e

s 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 n o fm e d i a i n b i o c h e m i c a l p 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 . AND J O H N S O N , M. J . 1 9 5 9 O x y g e n t r a n s f e r

i 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 t p l a n t m i x i n g d 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 . , AND E V E R E T T , H . J . 1 9 5 0

P o w e r c h a r a c t e r i s t i c s o f m i x i n g i 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 . AND G A D E N , E . L . , J R . 1 9 5 6 S u l f i t e o x i d a t i o n

a s a m e a s u r e o 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 T A , B . , D O S K O C I L , J . , AND K A S P A R O V A , 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 n f 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 n t 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 . AND P E R K I N , M . P . 1 9 5 8 The m e a s u r e m e n t

a n d m e c h a n i s m o f o x y g e n t r a n s f e r i n s u b m e r g e d c 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 . AND P O H L E R , G . 1 I . 1 9 5 0 S t e r i l e a i r f o r i n -

d u s t r i a l f 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 F A N I A K , J . J . , G A I L E Y , F . B . , J A R V 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 t o f e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s o np e n i c i l l i n f 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 m

X - 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 W A R T , J . A . AND C L A R K , B . S . 1 9 4 9 T h e c a n n e d f 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 n Can C o . , Ne w Y o r k , New

Y o r k .

T E R J E S E N , S . G . AND 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 s f r o m a i r b 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 . , AND T 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 l p 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 . AND S H U R T E R , R . A . , J R . 1 9 5 3 D e v e l o p m e n t

o f a t y p i c a l a 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 s s t e r i l i z a t i o n o 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 i o 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

Documents

Bioengineering and Fermentation