Optimización de Procesos Fermentativos: Biofilms, Impulsores y Reactores
Biofilm: Formación y Características
El biofilm es un proceso complejo que involucra varias etapas:
- Acondicionamiento del medio soporte: Adsorción de moléculas orgánicas.
- Transporte de microorganismos: Desde el seno del agua hasta el medio soporte.
- Adsorción permanente: Parte de los microorganismos quedan adsorbidos permanentemente.
- Crecimiento bacteriano: Las bacterias crecen a expensas del sustrato.
- Producción de EPS: Crecimiento del biofilm y producción de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) de origen microbiano.
- Adhesión celular: Las EPS facilitan la adhesión de nuevas células y material particulado al biofilm.
- Desprendimiento: Separación de parte o porciones del biofilm (sloughing off) por procesos físicos.
Elección del Tipo de Impulsor
La selección del impulsor adecuado es crucial para la eficiencia del proceso:
- Características geométricas: Definición de las dimensiones del impulsor.
- Diseño de bafles: Designar la longitud de las contra paletas o bafles para evitar el fenómeno de vórtice.
- Potencia absorbida: Establecer la potencia absorbida por el líquido.
- Tipo de fluido: Determinar si son sistemas con fluidos Newtonianos no aireados o fluidos Newtonianos aireados.
Rol del Oxígeno (O2) en la Fermentación
El oxígeno juega un papel fundamental en el metabolismo microbiano:
- Aceptor final de electrones: Receptor final de electrones y de los protones producidos en las reacciones de oxidación.
- Regulación enzimática: Inductor o represor de la síntesis de enzimas respiratorias (forma directa).
- Metabolismo energético: Influencia indirecta en el metabolismo energético.
- Demanda de O2: La demanda de O2 depende del crecimiento del microorganismo y la producción de metabolitos.
Resistencia a la Transferencia de Oxígeno
La transferencia de O2 enfrenta varias resistencias:
- Resistencia dentro de la película de gas a la interfase.
- Penetración de la interfase entre la burbuja de gas y el líquido.
- Transferencia entre la interfase al líquido.
- Movimientos dentro de la solución de nutrientes.
- Transferencia a la superficie de la célula.
El parámetro crítico para el funcionamiento del reactor es (NA). Depende de:
- Biorreactor: Diámetro, capacidad, potencia, sistema de aireación y velocidad de aireación.
- Solución: Nutrientes, microorganismos, agentes antiespumantes y la temperatura.
Consideraciones adicionales:
- Las sustancias antiespumantes reducen el valor de KLa.
- Los microorganismos tienen un efecto sobre la transferencia actuando como barreras.
- El valor de KLa desciende a medida que aumenta el tamaño de los pellets.
- En ausencia de microorganismos la transferencia de O2 se detiene, entonces el medio está saturado.
Control de Temperatura y pH
Temperatura
Las fermentaciones deben ser llevadas a cabo:
- En un margen estrecho de temperatura o constante.
- Debido a la agitación y la actividad metabólica, se debe recurrir a sistemas de refrigeración (camisas de agua).
pH
- Los metabolitos celulares son liberados al medio, lo que puede originar un cambio del pH del medio de cultivo.
- Se debe controlar el pH del medio de cultivo y añadir un ácido o una base para mantener constante el pH.
Efectos de la Agitación
En la agitación se producen los siguientes efectos:
- Dispersión del aire y de los líquidos no miscibles.
- Homogeneización (temperatura y concentración de nutrientes).
- Mezcla de suspensión celular y nutrientes sólidos.
Tipos de Agitadores
- Agitadores de flujo radial: Los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial. Tipo Turbina.
- Agitadores de flujo axial: Los que generan corrientes paralelas al eje del agitador. (agitadores de flujo axial). Tipo Hélice.
Tipos de Fermentación
Según el Proceso
- Cultivo tipo discontinuo (batch).
- Cultivo tipo Lote alimentado (fed-batch) o semi – continuo.
- Cultivo tipo continuo.
Según la Forma
- Fermentación con cultivos puros.
- Fermentaciones con cultivos mixtos.
Según la Constitución
- Fermentación con cultivos sumergidos.
- Fermentaciones con cultivos de sustrato sólidos.
Tipos de Medios de Cultivo
- Comunes o generales: para el cultivo de un amplio rango de bacterias (u hongos). Pueden ser sólidos o líquidos, para aislamiento no selectivo o mantenimiento, etc.
- Especiales:
- Enriquecidos: medios adicionados de sangre, suero, yema de huevo, etc. para cultivar microorganismos nutricionalmente exigentes.
- Selectivos:
- Para enriquecimiento: medios líquidos, permiten el crecimiento de varios microorganismos de una muestra, pero favorecen a alguno que está en muy baja proporción.
- Para aislamiento: medios sólidos que contienen algún componente que favorece el desarrollo de un grupo, inhibiendo a otro.
- Diferenciales: contienen algún componente que permite distinguir entre 2 o más tipos de microorganismos por características diferenciales de crecimiento (ej. Color de la colonia).
Diseño Experimental: Plackett – Burman
Ventajas
- Se pueden utilizar concentraciones cercanas al óptimo.
- Necesita poco personal, tiempo y trabajo.
- Se hacen tantos experimentos como factores tenga.
- Se descartan los sustratos inútiles.
Desventajas
- No es un método sencillo.
- Necesita personal entrenado.
- No se pueden utilizar diferentes concentraciones.
Reactores Específicos
Loop “Air Lift”
- Estructura sencilla.
- Agitación por inyección de aire.
- Separación física de las corrientes ascendentes y descendentes.
Usos
- Cultivo de células animales, vegetales.
- Procesos con catalizadores inmovilizados.
- Producción de proteínas unicelulares a partir de metanol.
- Tratamiento de aguas residuales.
Reactor de Lecho Empacado
- Las partículas deben ser incompresibles.
- El medio de recirculado debe ser límpido.
- La aireación no debe realizarse en el lecho empaquetado (columna).
- No apto para procesos productores de gas.
Usos
- Producción de aspartato y fumarato.
- Conversión de penicilina a 6 – aminopenicilánico.
- Resolución de isómeros de aminoácidos.
Reactor de Biopelícula
- Asociación de microorganismos adheridos a una superficie.
- En condiciones naturales los microorganismos tienden a formar biofilms espontáneamente.
- El desarrollo de los microorganismos trae como consecuencia una estratificación fisiológica del biofilm.