Diseño, arranque y caracterización de un biorreactor de charolas para fermentación en medio sólido Público Deposited
En años recientes ha existido un gran interés en los procesos de fermentación en medio sólido (FMS) por los altos rendimientos que se han obtenido en la producción de metabolitos de alto valor agregado de interés industrial, por lo que se han llevado a cabo investigaciones en el diseño de biorreactores en busca de que sean aplicados a nivel industrial. En este trabajo se diseñó y construyó un biorreactor de charolas a escala de banco y se caracterizaron los distintos mecanismos de transporte y reacción en el sistema mediante métodos experimentales y a través de la dinámica de fluidos computacionales empleando el software COMSOL® Multiphysics. Se construyó un modelo en frío del biorreactor de charolas en acrílico de ½ pulgada de espesor considerándose la adaptación de sensores de gas O2, gas CO2, temperatura y humedad relativa. Se eligió como material de sellado una junta tipo o-ring de neopreno de geometría circular (4.7 mm diámetro) y densidad de 1.45 g/cm3 para sellar bien la unión de los módulos que componen el biorreactor. La charola se construyó con malla (# 40) de acero inoxidable y el difusor de aire tipo serpentín se construyó con tubo de acero inoxidable de ¼ pulgada de diámetro. El medio poroso de empaque del biorreactor consistió en una mezcla de subproductos de frutas y verduras y pasta de soya con un tamaño de partícula: 1.68 > TP > 1.41 mm. Se evaluó el transporte de masa por dispersión por el método de inyección de un pulso o trazador y se calculó el coeficiente de dispersión (D/uL) que caracteriza la dispersión en todo el sistema mediante el análisis de las curvas de distribución de tiempos de residencia (DTR) en donde se obtuvieron valores de (D/uL) de 0.123, 0.196 y 0.220 para los flujos de 200, 300 y 400 mL/min respectivamente. Se evaluó el transporte de calor en el lecho empacado de los mecanismos conductivos y convectivos en la determinaron del perfil radial y axial de temperatura respectivamen a diferentes flujos de aireación con una temperatura del aire de 20 °C observándose gradientes radiales de 0.5, 0.58 y 0.63 °C/cm y gradientes axiales de 2.5, 2.9 y 3.5 °C/cm para flujos de 200, 300 y 400 mL/min respectivamente. Se evaluó la producción de proteasas por Y. lipolytica en fermentación en medio sólido en el biorreactor de charolas, obteniéndose la mayor actividad (40.1 U/gMS) a las 36 h de cultivo utilizando como sustrato subproductos de frutas y verduras-pasta de soya. Posteriormente se realizó un balance estequiométrico a partir de los datos de producción de CO2 obtenidos mediante el monitoreo en línea con el sensor de gas CO2 durante la fermentación. Así mismo, mediante un ajuste de datos de CO2 con el modelo logístico (R2 > 0.99) se determinaron los parámetros cinéticos aparentes: tasa máxima de producción de CO2 (𝑟𝐶𝑂2𝑚𝑎𝑥 = 11.83 𝑚𝑔𝐶𝑂2⁄𝑔𝑀𝑆ℎ), tasa específica de producción de CO2 (𝜇𝐶𝑂2 = 0.53 ℎ −1 ), producción total de CO2 (𝑃𝐶𝑂2 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 154.83 𝑚𝑔𝐶𝑂2⁄𝑔𝑀𝑆) y el tiempo de fase “Lag” con un valor de 6.83 h. Finalmente se modeló el biorreactor utilizando la dinámica de fluidos computacionales en el software COMSOL® Multiphysics 4.4. El modelado del biorreactor se realizó considerando un sistema abiótico en donde se determinó el perfil hidrodinámico a diferentes flujos de aireación, así mismo el acoplamiento de las ecuaciones de transporte de masa y calor al modelo hidrodinámico permitieron obtener los perfiles de transferencia de O2 y calor en el biorreactor a diferentes intervalos de tiempo, en donde se obtuvo una diferencia de 2.2 °C para la temperatura comprendida entre la superficie y la base del lecho empacado. Por otro lado se modeló el biorreactor considerando un sistema biótico en dónde se obtuvieron los perfiles de producción de CO2 y consumo de O2, así mismo mediante un análisis de sensibilidad se obtuvieron los perfiles de producción de CO2 a diferentes tasas específicas de crecimiento (μX) a valores de 0.23 a 0.66 h -1 donde se observó que a mayor valor de μX (0.66 h -1 ) la curva del perfil de producción de CO2 es más estrecha y se obtiene una tasa de producción de CO2 mayor (11.83 𝑚𝑔𝐶𝑂2⁄𝑔𝑀𝑆ℎ) en comparación con los obtenidos (6.58 𝑚𝑔𝐶𝑂2⁄𝑔𝑀𝑆ℎ) a valores más bajos (0.23 h -1 ) de μX.
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