UNIVERSIDAD AUTONOMA DE SAN LUIS POTOSI ZONA HUASTECA LIC. EN BIOQUIMICA - BIOTECNOLOGIA I Beatriz Aguiar Pau!"# Gua$au%e Mart!"ez Paa&i'(
)ERMENTADOR AIR-LI)T I"tr'$u&&i*"
El biorreactor es un equipo en el que se pueden realizar reacciones bioquímicas para para conve converti rtirr cualq cualqui uier er sustra sustrato to en un produ product cto o de utili utilidad dad por la acció acción n de biocatalizadores (enzimas, células o estructuras subcelulares). Los biorreactores se emple emplean an en la manufa manufactu ctura ra de prod product uctos os comer comercia ciales les como como metabo metabolit litos os prima primario rios s (ácido (ácido acétic acético, o, aceto acetona, na, alcoh alcohol, ol, ácido ácidos s orán oránic icos, os, amino aminoác ácido idos, s, vitami vitamina nas s ! polisa polisacár cárido idos) s)"" metab metabol olito itos s secu secund ndar arios ios (antib (antibiót iótico icos)" s)" enzima enzimas s industriales" cultivo de células (biomasa) ! tratamiento de auas residuales. #ara lorar esto a ran escala se utilizan fermentadores industriales en los cuales ha! un desarrollo de cepas ! reulación reulación del metaboli m etabolismo smo mediante la optimización optimización del medio de cultivo así como el control control adecuado de los factores factores físico$químicos físico$químicos (% &, ', p, etc.). #uede ser aeróbico o anaeróbico ! son usualmente fabricados de acero acero ino*ida ino*idable ble ! mantiene mantienen n ciertas ciertas condici condiciones ones ambienta ambientales les propici propicias as (p, (p, temperatura, concentración de o*íeno, etc.) para que el oranismo que se cultiva tena un apropiado crecimiento Los biorreactores pueden clasificarse de la siuiente manera+ aitado, de columna ! de circulación. En éste ltimo se encuentra el fermentador tipo torre air$lift. Los Los micro microor oran anis ismos mos aeró aeróbic bicos os neces necesar ariam iamen ente te requie requiere ren n la prese presenci ncia a de o*íeno (aire) disuelto (-) para sobrevivir" además, aitación moderada ! un medio de cultivo rico en nutrientes para poder crecer ! desarrollarse (/., &%0&). El fermentador air$lift es ideal para estos oranismos que requieren un alto nivel de transferencia de o*íeno debido a que induce la circulación del líquido ! ases lorando con ello una e*celente mezcla. /o obstante, este fermentador puede ocuparse tanto para productos aeróbicos como para productos anaeróbicos, como en el estudio de auas residuales (1mith, &%%2). M'$' $e '%era&i*"
Los Los react reactor ores es airlif airliftt son son dispos dispositi itivo vos s de conta contact cto o as$l as$líq íquid uido o de import importan ancia cia crecient creciente e en la industr industria ia biotecn biotecnoló olóica ica ! de manera manera eneral eneral consist consisten en en un depósito de fluido dividido verticalmente en dos zonas conectadas en la parte
superior e inferior. En una de estas zonas (riser) se in!ecta aire, en la otra se produce el descenso de líquido en la zona no aireada (do3ncomer), estableciéndose una circulación a*ial. La retención del as en la zona aireada, oriina una diferencia en la densidad de la mezcla as$líquido, lo que induce 4ustamente la circulación del fluido dentro del reactor. 5on este tipo de reactores se me4ora marcadamente el mezclado del líquido ! se mantiene una aceptable velocidad de transferencia de o*íeno, al mismo tiempo, el consumo de enería es moderado, puesto que sólo se consume la cantidad necesaria para la compresión del aire que provoca el mezclado ! la circulación del líquido en el reactor. El aire que circula en el dispositivo tiene una doble función, además de llevar el o*íeno requerido para el metabolismo microbiano, permite la creación de la turbulencia necesaria en la fase líquida para obtener una aceptable velocidad de transferencia de o*íeno ! un buen rado de mezclado (López, &%%6) 1on similares a los reactores de columna de burbu4as, pero se diferencian por el hecho de que contienen un tubo de aspiración. El tubo de aspiración es siempre un tubo interior o un tubo e*terno. La circulación es e*terna si el líquido es inducido a circular por un brazo lateral conectado al cuerpo principal del biorreactor en su parte inferior ! superior, mientras que es interna si el líquido circula en forma definida sin salir del cuerpo principal del reactor (#omatanta, &%07). entro de las variables que deben ser controladas en un biorreactor 8irlift, destaca la concentración de la biomasa en suspensión debido a que e*iste una relación directa entre este parámetro ! la eficiencia de eliminación del contaminante, por lo tanto el control de biomasa aumenta la fle*ibilidad operacional del sistema. Las variables que influ!en en la operación ! eficiencia de un sistema de tratamiento tipo 8irlift son la temperatura, el p, la velocidad de flu4o ! tiempo de residencia de la fase aseosa, los nutrientes ! los microoranismos (n.d. &%0%). Los 8L9s son preferidos reularmente para el cultivo de células animales ! veetales sensibles a los esfuerzos de corte o durante las aplicaciones del tratamiento de auas residuales que requieren el uso eficiente de enería (transporte suficiente de -&). -tras de las aplicaciones que se le atribu!en a este tipo de fermentadores son la producción de cerveza, el ácido cítrico ! la biomasa de la levadura, bacterias ! honos" producciones de productos químicos de alto valor (enzimas, antibióticos ! proteínas) ! producción de biocombustibles a través de aceite de alas o la biomasa de alas (#ilar, &%0:). En la obtención de ácido cítrico, los microoranismos que predominan para su producción son los éneros de Aspergillus ! Penicillium, aunque las variedades de A. niger han dominado la producción industrial fundamentalmente porque su
fisioloía es me4or conocida que la de otros honos ! porque utiliza materias primas de ba4o costo como melaza de ca;a. La cantidad de ácido cítrico producido esta en relación inversa con el crecimiento celular. 8l inicio de la fermentación, sin embaro se requiere de un balance apropiado de nutrientes que permita la propaación adecuada del micelio. Los factores nutricionales más importantes para una producción e*itosa son la concentración ! tipo de carbohidratos ! el contenido de metales. Los carbohidratos deben ser simples ! de fácil transportación a través de la membrana. Estas hidrolasas desdoblan la sacarosa a he*osas ! son sumamente activas a las condiciones de fermentación.
na abundante o*ienación es necesaria para arantizar una producción adecuada. E*isten dos métodos principales para la producción del ácido cítrico, cultivo superficial ! cultivo sumerido. En ambos casos se emplean cepas seleccionadas de A. niger . Es en los procesos de cultivo sumerido donde se emplean los fermentadores tipo torre air$lift, los cuales favorecen el crecimiento compacto del micelio con forma de pellets. En tanques aitados la fricción de las aspas sobre el micelio mantienen un crecimiento framentado ! poco compacto. Las condiciones de fermentación debe estar controlada entre &:$7%?5 temperaturas ma!ores favorecen la concentración de ácido o*álico. El p al inicio de la fermentación se a4usta a 7.: $ 2.: para favorecer el desarrollo celular ! se mantiene en & durante la etapa productiva. >n p superior favorece la formación de ácido o*álico ! lucónico, este ltimo debido a la acción de lucosa o*idasa e*tracelular activa a p alto. La inoculación se realiza indistintamente con esporas o con cultivo veetativo crecido separadamente en un tanque alrededor del 0%@ el volumen del fermentado. La fermentación tiene una duración total de : a A días o hasta que la producción empieza a ser incosteable. 8l término de esta, el medio es filtrado ! el licor enviado a recuperación. Este método de cultivo es más eficiente ! menos intensivo a mano de obra pero requiere de un monitoreo constante ! un control preciso. Re&u%era&i*"
El primer paso para la recuperación del ácido cítrico consiste en la filtración del micelio usando filtros rotatorios o similares. En caso de que la concentración de
ácido o*álico sea sinificativa es necesario separar este acido como o*alato de calcio areando 5a (-) & a A% ?5. Este paso es importante debido a la to*icidad del o*álico cuando el producto final se dedica a la alimentación (
C'"&u(i*"
Las fermentaciones han adquirido ran importancia en los procesos biotecnolóicos para la obtención de metabolitos o cultivos celulares por mencionar alunas aplicaciones. En la industria, el uso de biorreactores ha presentado numerosos beneficios debido a que son fáciles de mantener !a que requieren sólo soluciones simples de nutrientes ! pueden crecer a randes velocidades. Los biorreactores 8irlift ofrecen ciertas venta4as con respecto a las demás tecnoloías de tratamiento biolóico, como la incorporación de transferencia ! bioderadación total en un solo recipiente del biorreactor ! además no presentan problemas de humedad, siendo el control de biomasa su nica limitación.
