Reactores Para Fermentacion en Estado Solido

REACTORESP ARAFERME MENTACI ONENEST ADOSOLI DO

Estos procesos fueron aquellos en los que hongos lamentosos invadían ciertos materiales solidos que luego eran consumidos por las personas por ejemplo el tempeh y los quesos cemembert y roquefort. Se deno denomi mina nan n ferm fermen enta taci ción ón en esta estado do soli solido do (FES (FES al crec crecim imie ient nto o de microorganismos microorganismos sobre sustratos solidos solidos sin agua libre. Su caract caracterí erísti stica ca esenci esencial al de la fermen fermentac tación ión solida solida es el creci crecimie miento nto del microorganismo microorganismo sobre un sustrato insoluble sin una fase libre! variando en nivel de humedad del "# a $#%.

VENTAJAS VENTAJAS DE LA FERMENTACION EN ESTADO SOLIDO; CARACTERISTICAS DE LOS REACTORES PARA PARA FES: &baj &baja a acti activi vida dad d de agua agua redu reduce ce las las cont contam amin inac acio iones nes pues pues solo solo algu alguna nas s bacterias son capaces de crecer en estas condiciones. & esta esta ferm fermen enta taci ción ón ofre ofrece ce una una seri serie e de vent ventaj ajas as econ económ ómic icas as!! ya que que se requi requier ere e ferment fermentado adore res s relat relativa ivament mente e peque'o peque'os s sin que se sacri sacrique que el rendimiento del producto. producto. & se obtiene una alta productividad. & las FES es lenta y presenta presenta problemas para para la transferencia de de calor y masa. & para evitar estos problemas el dise'o de los biorreactores debe ser tal que se asegur asegure e homoge homogenei neidad dad entre entre los compon component entes es del sistem sistema a y condic condicion iones es óptimas para el crecimiento y la obtención del producto deseado.

DEPENDIENDO DEL TIPO DE LOS BIORREACTOR Y LA FERMENTACION A UTILIZ UTILIZAR, AR, LOS CRITERI CRITERIOS OS MÁS IMPOR IMPORT TANTES ANTES PARA DISEÑO DISEÑO DE UN REACTOR PUEDEN RESUMIRSE DEL SIGUIENTE MODO; . El tanque tanque debe debe dise'a dise'arse rse para que funciones funciones as)ptic as)pticame amente nte durante durante nume numero roso sos s días días!! para para evit evitar ar la apar aparic ició ión n de cont contam amin inan ante tes s en las las operaciones de bioprocesos de larga duración. *. +ebe +ebe propo proporc rcion ionar ar un sistem sistema a adecua adecuado do de aireac aireación ión y agitac agitación ión para cubrir las necesidades metabólicas de los microorganismos. microorganismos. ". El consumo consumo de de energía energía debe debe ser ser el mínimo mínimo posib posible. le. ,. Entradas Entradas para para la adició adición n de nutrientes nutrientes y el el control control de de p-. . El crecimi crecimiento ento microbi microbiano ano es genera generalme lmente nte e/ot)r e/ot)rmic mico o por lo que! que! el biorreactor debe facilitar la transferencia de calor del medio hacia las c)lulas y viceversa. 0. 1antener 1antener las c)lulas c)lulas uniformem uniformemente ente distribu distribuidas idas en todo todo el volumen volumen de cultivo 2. Suministrar Suministrar o/ígeno o/ígeno a una velocid velocidad ad tal que satisfag satisfaga a el consumo. consumo. $. El dise'o dise'o debe debe ser tal que permit permita a mantener mantener el cultivo cultivo puro. puro.

Tipos ! "!#$%o"!s o &!"'!(%#o"!s; )* +* * -* .* /*

Fermentadores de tambor rotatorio Fermentadores de envase cubierto 3eldas de incubación vertical e inclinada Fermentadores de bandeja Fermentadores en columna 1iscel4nea de fermentadores

&Los s0s%"#%os %"#i$io(#1'!(%! &!"'!(%#os !( !1 !s%#o s21io

i($103!( 0(# 4#"i!# ! p"o0$%os #5"6$o1#s %#1!s $o'o #""o7, %"i5o, 'i8o, '#67 3 $!9##* Si( !'9#"5o %#'9i( <#( sio !'p1!#os sopo"%!s =0! (o so( s09s%"#%os, $o'o 1# "!si(# ! i(%!"$#'9io i2(i$o*

 ES OTRA INFORMACI>N; 5rincipios de dise'o de un biorreactor 6os 7iorreactores son los equipos donde se reali8a el proceso de cultivo (tambi)n com9nmente denominado :fermentador;! sea en estado sólido o líquido. Su dise'o debe ser tal que asegure homogeneidad entre los componentes del sistema y condiciones óptimas para el crecimiento microbiano y la obtención del producto deseado. omar en cuenta los problemas de transferencia de calor y o/ígeno sobre la cama de sustrato! los cuales dependen de las características de la matri8 que se este utili8ando para la fermentación! siendo )ste! uno los principales factores que afectan el dise'o y las estrategias de control. 6os criterios m4s importantes para el dise'o de un biorreactor pueden resumirse del siguiente modo dependiendo del tipo de biorreactor y la fermentación a utili8ar (1itchell et al.! <<*= . El tanque debe dise'arse para que funcione as)pticamente durante numerosos días! para evitar la aparición de contaminantes en las operaciones de bioprocesos de larga duración. *. +ebe permitir una mayor 4rea de contacto entre las fases biótica y abiótica del sistema! es decir! se debe proporcionar un sistema adecuado de aireación y agitación para cubrir las necesidades metabólicas de los microorganismos.  ". El consumo de energía debe de ser el mínimo posible. ,. Entradas para la adición de nutrientes y el control de p-.  . El crecimiento microbiano es generalmente e/ot)rmico! por lo que! el biorreactor debe facilitar la transferencia de calor! del medio hacia las c)lulas y viceversa! a medida que se produce el crecimiento celular! adem4s de mantener estable la temperatura deseada. 0. 1antener las c)lulas uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.

2. Suministrar o/ígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo. $. El dise'o debe ser tal que permita mantener el cultivo puro> una ve8 que todo el sistema ha sido esterili8ado y posteriormente inoculado con el microorganismo deseado. 6os biorreactores m4s utili8ados a nivel industrial est4n provistos de mecanismos de agitación! dispersión y aireación así  como de sistemas para el control de la temperatura! p-. 6os biorreactores deben ser optimi8ados para obtener la m4/ima concentración de productos de la fermentación! como lo son la biomasa microbiana y?o metabolitos en un tiempo mínimo y a menor costo de producción.

*.. 7iorreactores

para Fermentación en 1edio Sólido 6a 9ltima d)cada ha sido una de las m4s importantes para el desarrollo en el dise'o! operación y escalamiento de biorreactores para la fermentación en medio sólido. 6os tipos de biorreactores m4s estudiados han sido los de bandeja y los de tambor rotatorio y desde hace pocos a'os se han introducido un nuevo tipo de biorreactores en fermentación en medio sólido denominados de cama empacada o columna de lecho jo. @lgunos de los biorreactores utili8ados a escala laboratorio son cajas petri y matraces Erlenmeyer. Estos son utili8ados por su simplicidad! los cuales no operan con aeración ni agitación for8ada! en ellos solamente es controlada la temperatura del cuarto de incubación. +entro de los procesos de fermentación en medio sólido e/isten actualmente dos categorías= a escala laboratorio en las cuales se utili8an peque'as cantidades de medio sólido hasta pocos Ailogramos! y el otro que es a escala piloto y escala industrial en donde se utili8an desde Ailogramos hasta toneladas . En la primera categoría e/isten muchos dise'os de biorreactores! los cuales llegan a ser muy sosticados! mientras que en la segunda categoría es poca la variedad de biorreactores utili8ados! solo algunos de los biorreactores a nivel industrial pueden operar en condiciones est)riles.

*... 7iorreactor en 3olumna

Bno de los mas interesantes sistemas para fermentación en medio sólido a nivel laboratorio fue el desarrollado y patentado por el grupo del Cnstituto para la Cnvestigación y +esarrollo (CD+ en Francia (antes DS1! entre <2 y <$#! compuesto por peque'as columnas de cuatro centímetros de di4metro y veinte centímetros de altura! el cual es llenado con un medio previamente inoculado y puesto en un termorregulador de agua . El equipo esta conectado a una columna de cromatografía de gases para monitorear la producción de 3*! resultado de la respiración del microorganismo y de sus reacciones metabólicas. 6a demanda de o/igeno se cubre por medio de aeración for8ada utili8ando compresores con sistemas de regulación de presión para evitar la compactación e/cesiva del lecho. 6a geometría y dise'o de las columnas permite que sea un equipo barato! debido a que son elaboradas a base de vidrio! por lo que la remoción del calor e/ot)rmico de la fermentación se lleva a cabo de manera eciente. Dequiere de poca cantidad de medio de cultivo y la f4cil adaptación del equipo a sistemas

m4s rudimentarios en cuanto a equipamiento y cuanticación de productos! le conere practicidad de uso. Sin embargo! para llevar a cabo las lecturas de los par4metros cin)ticos durante la fermentación es necesario sacricar una columna completa. Este equipo es conveniente en las primeras etapas del desarrollo de un bioproceso ya que es adecuado para estudios de caracteri8ación y optimi8ación de la composición del medio de cultivo! y para cuanticar los datos necesarios para llevar a cabo el c4lculo de par4metros cin)ticos.

 ambor hori8ontal

Bno de los biorreactores en estado sólido m4s utili8ado son los llamados tambor hori8ontal! el cual se ha dise'ado de varias formas= como un contenedor rotatorio! perforado o con paletas! con el n de obtener una agitación continua del sustrato sólido para incrementar el contacto entre las paredes del biorreactor y el sustrato! así  como! proveer mayor o/igeno al microorganismo. 6os equipos rotatorios! desarrollados por el grupo Several! consisten de un cilindro! con o sin chaqueta con agua para el control de temperatura! el cual gira lentamente volteando al medio de cultivo ayudado de pesta'as que se encuentran adheridas a la pared (Fig. "a. Este tipo de biorreactor presenta dicultades en el control de temperatura y humedad debido a problemas de aglomeramientos de c)lulas por ruptura micelial (Giniegra HIon84le8! *##". En cambio los biorreactores de tipo tambor con paletas! vuelve m4s eciente la trasferencia de o/ígeno y disminuye la aglomeración de partículas de sustrato durante el crecimiento microbiano (Fig. "b. Sin embargo! generalmente! un biorreactor de fermentación sólida con agitación permanente! aunque sea suave! puede modicar la estructura del medio sólido. @dem4s! dependiendo de la naturale8a de la partícula del soporte sólido! esta agitación puede llegar a ser abrasiva causando da'os al micelio. Se han dise'ado sistemas continuos de tambor rotatorio con el n de mejorar los sistemas de control de temperatura y humedad! sin embargo! a medida que aumenta el volumen del sistema fermentativo la remoción de calor por las paredes del biorreactor se vuelve m4s ineciente.

*..,. 7iorreactor Jymotis

+ise'ado y desarrollado por el grupo DS1 (hoy CD+ de Francia! el cual consiste de platos verticales por donde internamente hay transferencia de calor debido a la circulación de agua fría! mientras! que el aire previamente tempori8ado es introducido por el fondo del sistema. Entre cada plato se carga el medio sólido previamente inoculado! dicha cama se mantiene est4tica durante la fermentación. Este sistema es parecido a los biorreactores de columna! con la diferencia de que las capas de sustrato est4n verticalmente jas! por lo tanto es difícil trabajar en condiciones as)pticas (Fig. ,. @dem4s! e/iste mayor posibilidad de que la cama de sustrato presente un encogimiento del volumen durante el crecimiento del micelio! provocando que el contacto con los platos verticales disminuya a medida que la fermentación progrese! lo cual llevaría la formación de canales pobres en transferencia de calor y o/igeno.

 7iorreactor IroKteA. Es uno de los 9ltimos fermentadores dise'ado por el +epartamento de 7iotecnología! @gricultura e Cngeniería en @limentos del Cnstituto ecnológico de la Cndia! llamado IroKteA (Fig. . 3onsiste de un envase de 0 cm de altura y ." cm de di4metro! que tiene un tubo! de *.0 cm de di4metro y $. cm de altura! pegado a la base con una inclinación de L con respecto a la vertical. El cuerpo del recipiente y del tubo e/terno est4n hechos de policarbonato! y las tapas de ambos son de polipropileno. Este biorreactor tiene dentro del envase un depósito de polipropileno que contiene una tela de bra de vidrio en el fondo! donde se sostiene el sustrato. 6a fermentación ocurre en la vasija cilíndrica y el medio es introducido por el tubo inclinado. +icho dispositivo tambi)n permite la dosicando de agua para mantener la humedad adecuada para el crecimiento microbiano. Sin embargo! no cuenta con un sistema de medición de la variación de temperatura y no es posible la toma de muestra sin descartar toda la cama del sustrato.

7iorreactor para proceso continuo Gan de 6agemaat y 5yle (*## propusieron un proceso de fermentación en medio sólido basado en la producción continua de la en8ima tanasa. Este trabajo es uno de los reportes que han e/plorado el dise'o de biorreactores de r)gimen continuo a escala laboratorio y cuyo principio es el empleo de un tornillo sin n que sirve para alimentar y agitar los sustratos los cuales pueden o no ser inoculados en el proceso. 6os estudios correspondientes de me8clado! crecimiento f9ngico y niveles de esporulación han sido llevados a cabo en condiciones e/itosas de operación continua! debido a que el tiempo de residencia del complejo sustratoµorganismoen8ima es menor que en los biorreactores convencionales y al estar en condiciones cerradas la asepsia es mayor. En cambio! e/iste la formación de gradientes de temperatura que no permiten un sistema homog)neo de transferencia de calor. @ctualmente! el inter)s hacia este tipo de biorreactores ha permitido el desarrollo de procedimientos que permitan la optimi8ación del proceso de fermentación en cultivo sólido.

*..2. 7iorreactor 3olumna&3harola

+ise'o reali8ado en el +epartamento de Cnvestigación en @limentos de la Bniversidad @utónoma de 3oahuila. El cual consiste de una columna de " pulgadas de altura y un di4metro de # pulgadas (Fig. 0. En su interior se encuentran ocho charolas perforadas! las cuales tiene una capacidad de ,# m6 cada una. 6a transferencia del o/ígeno es por burbujeo a trav)s de un distribuidor de aire! permitiendo la transferencia a un Mujo de <, m6?min. 6a temperatura es regulada por una chaqueta de enfriamiento y?o calentamiento! por lo que es posible controlar y medir los cambios de temperatura. 7ajo este sistema se permite una mejor distribución de o/igeno por aireación hacia las charolas.

*..$. 7iorreactor 7iocon.

7iocon dise'ó! desarrolló y patentó un nuevo biorreactor llamado 5laFactor1 para llevar a cabo fermentaciones usando matrices sólidas. El sistema fue higi)nicamente dise'ado y automati8ado para un proceso de cultivo en charola! el cual ya es utili8ado ecientemente en plantas industriales en 7iocon! en el desarrollo de productos de uso alimenticio. 6a fermentación se lleva a cabo en un biorreactor controlado por computadora. odas las operaciones del proceso fermentativo! como esterili8ación! enfriamiento! inoculación! control! recuperación de producto y post&esterili8ación! se reali8a en un solo equipo. El equipo consta de charolas selladas colocadas una sobre la otra formando dos torres unidas por un eje central. 3ada módulo cuenta con un bra8o de me8clado! el cual rota alrededor a/ialmente! y con canales de remoción de calor metabólico! control de humedad! aireación y vapor para la esterili8ación. Este equipo fue dise'ado con el objetivo de reempla8ar los cuartos de incubación por un equipo mas compacto. El equipo de 5laFactor  1 es un sistema que cuenta con estudios del uso cultivos sólidos para la producción de agentes de biocontrol y productos farmac)uticos a nivel industrial! lo cuales requieren altas condiciones de ascepcia y condiciones de alta precisión (Suryanarayan! *###.

*..<. 7iorreactor de lecho Muidi8ado . Sistema de operación en modo continuo el cual puede ser operado por altos periodos de tiempo a un alto valor de productividad. 6os primeros biorreactores constaban de un cilindro de vidrio! con o sin chaqueta! llenado por una carga completa de lecho o sustrato! sin embrago causaba problemas de compactación similares a los presentados en los equipos de cama empacada. 6as variaciones en el lecho han permitido un mejor funcionamiento de este sistema! ya que se utili8an peda8os de esponjas! troncos naturales (loofa! coyono/tle! polímeros sint)ticos (espumas de poliuterano! poliestireno! así  como tambi)n canastas o cajas delgadas de acero ino/idable! que cuenten con perforaciones que permiten tener una eciente inmovili8ación de las c)lulas en el soporte con el medio de cultivo (gbonna! *##> Divela! *###. +ichos soportes son llenados por el medio solidó a fermentar! los cuales fueron previamente colocados a lo largo del contenedor. El principio del dise'o se basa en proveer agitación y aireación por Mujo for8ado de aire provey)ndolo por la parte del cilindro a trav)s de una bomba. El sistema provee un incremento en la transferencia de o/igeno a la cama de sustrato! sin embargo! se presenta da'o al inoculo por causa del gran esfuer8o de corte generado! adem4s de que se es necesario crear los equipos con mayor automati8ación. @unque! es bien sabido que los sistemas de fermentación en medio sólido difícilmente desbancar4n a los sistemas líquidos! por los costos a nivel industrial que estos involucrarían! el dise'o de biorreactores permitir4 tener otras alternativas tecnológicas para las futuras empresas biotecnológicas de 1)/ico y del mundo. 5or lo tanto! es de gran relevancia continuar con el desarrollo de equipos en el 4rea de

fermentación en medio sólido! que tengan nuevas y mejores aplicaciones tecnológicas que permitan una mayor apertura a la comerciali8ación de los mismos. Finalmente! es necesario que grupos me/icanos de investigación de reconocido prestigio biotecnológico a nivel mundial en el tema! reactiven y?o fortale8can sus líneas de investigación que permitan el desarrollo de biorreactores capaces de biotransformar los residuos agroindustriales o materiales generados como desechos en 1)/ico! a productos revalorados por su inter)s industrial.