Diseño De Un Bioreactor

DISEÑO DE UN BIORREACTOR PARA LA PRODUCCIÓN DE ENZIMAS FÚNGICAS EN ESTADO SOLIDO SOBRE LOS SITEMAS DE FERMENTACIÓN LIQUIDA SSF Y SMF.

Resumen

En este artículo se muestra el análisis para un biorreactor de producción de enzimas de hongos en estado sólido (SSF). Se analizan sus componentes, condiciones de operación, factores de diseño, productividad y reacciones que ocurren durante el proceso. A demás, se da una breve explicación del por qué la producción de enzimas mediante la técnica de fermentación en estado sólido es la que tiene mayor productividad comparada con otras técnicas utilizadas para el mismo fín.

Introducción

En la naturaleza, la producción de enzimas en estado sólido (SSF) se da espontáneamente en el compostaje; por ejemplo. En la industria se da de manera controlada para obtener productos deseados y presenta varias ventajas sobre las técnicas tradicionales como son, mayor productividad, rapidez y economía.

Este trabajo consiste en diseñar un biorreactor asociado a la producción de enzimas de hongos en estado sólido, establecer los parámetros de funcionamiento del biorreactor, condiciones del proceso y escalado a planta piloto.

Lo interesante de este diseño, es que se van a tomar los datos a disposición en las gráficas y ecuaciones para proponer

el diseño y escalado de un biorreactor para la producción de enzimas.

Aspectos generales de SSF

SSF es un proceso de fermentación que ocurre en ausencia de flujo de agua y emplea un soporte sólido inerte como apoyo, del cual se debe tener en cuenta el tamaño de partícula, porosidad y composición química.

Este proceso es conocido desde la antigüedad, pero se había dejado de lado debido a la tecnología (SMF) que se había convertido en tecnología modelo para la producción de enzimas. Pero los procesos SSF han demostrado ser particularmente convenientes para la producción de enzimas por hongos filamentosos, ya que reproduce las condiciones de vida natural de tales hongos.

Ilustración 1. Diagrama del biorreactor SSF

Biorreactor SSF para producción de enzimas

En este proceso de fermentación, el biorreactor proporciona el entorno para el crecimiento del microorganismo que causa la reacción biológica. Se tienen en cuenta varios parámetros (aireación, pH, humedad, agitación y temperatura) para la selección de un biorreactor.

SSF emplea gran variedad de factores, que varían en composición, resistencia mecánica, porosidad y capacidad de retención de agua. Los cuales afectan la estrategia de control de dichos parámetros.

Modelado

El crecimiento de la biomasa está dado por la ecuación de Velhurst-Pearl, originalmente desarrollada para el crecimiento de la población.

dX/dt=μM(1-X/X_M )X (1)

X: Densidad de la biomasa (g/L)

μM: Máxima tasa de crecimiento específica (h^(-1))

X_M: Nivel de equilibrio de X, para el que dX/dt=0.

Para X >0 la solución a la ecuación anterior es:

X (t)=X_M/(1-((X_M-X_0)/X_0 )*e^(-〖μM〗^t ) ) (2)

X_0: Condición inicial para X

Se asume que los cultivos microbianos están saturados por el nivel de sustrato y en consecuencia el crecimiento no es una función de la concentración de sustrato. En caso que si dependiera de la concentración de sustrato, la ecuación de Monod sería la siguiente:

μM=(〖μM〗^**S)/(S+K_S+(S^2/K_I ) ) (3)

K_S: Constante de saturación

M y K_I: Constantes de inhibición de S

El consumo de sustrato es modelado |utilizando una expresión de dos factores propuesta de la siguiente manera:

-dS/dt=1/Y_(X⁄S) dX/dt+mX (4)

S: Concentración de sustrato (g/L)

Y_(X⁄S): Coeficiente de mantenimiento

La solución de la ecuación anterior se obtiene como función de (X).

S(t)=S_0-(X-X_0)/Y_(X⁄S) -〖mX〗_M/μM*Ln((X_M-X_0)/(X_M-X)) (5a)

S_0: Condición inicial para la concentración de sustrato.

σ=α(ε-ε_0 )+βLn((1-ε_0)/(1-ε)) (5b)

σ=S_0-S(t)

ε=X/X_M

α=X_M/Y_(X⁄S) ≤S_0: es la cantidad de sustrato que se consume cuando X→X_M ; 〖S→S〗_0 y t→∞

La cinética de formación del producto es modelada utilizando la siguiente ecuación:

dP/dt=Y_(P⁄X)*dX/dt+kX (6)

La ecuación 6 es similar a la ecuación 4, pero en esta el coeficiente k puede ser negativo, cero o positivo ya que la formación de producto no está necesariamente relacionada con el crecimiento.

P: concentración del producto

Y_(P⁄X): Rendimiento del producto

k: Coeficiente de formación de producto.

La solución de la ecuación anterior en función de la biomasa queda de la siguiente manera:

P(t)=P_0+Y_(P⁄X) (X-X_0 )+〖kX〗_M/μM Ln((X_M-X_0)/(X_M-X)) (7)

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