La fermentación en medio sólido (FMS) es ambientalmente amigable para producir compuestos bioactivos a partir de subproductos agroindustriales, esto claramente se alinea con los principios de la economía circular. Los biorreactores de lecho empacado son una promesa para su uso a gran escala, sin embargo, existe un problema de ingeniería, especialmente en optimizar su diseño tomando en cuenta el impacto de los fenómenos de transporte (dinámica de fluidos, transferencia de calor y masa) en la fermentación en medio sólido. Este trabajo examina la FMS desde varias perspectivas en un biorreactor de lecho empacado con calentamiento en la pared, primero usando un modelo heterogéneo construido siguiendo una concepción ingenieril del biorreactor. Este modelo incorpora el impacto de la dinámica de fluidos en la transferencia de calor y masa, así también como en la actividad microscópica del microorganismo. Atráves de diversos análisis de régimen, sensibilidad y optimización del biorreactor de lecho empacado, se ofrece una visión del potencial dentro de la FMS, definiendo una ventana de operación donde esta tecnología encuentra su desempeño óptimo. En segundo lugar, se construye un prototipo físico del biorreactor, el cual se diseña y se instrumenta con microcontroladores basados en Arduino con la finalidad de reducir los costos en la construcción del biorreactor, y finalmente obtener información de fermentaciones ´ que puedan validar el modelo propuesto. En tercer lugar, el biorreactor se pone a prueba realizando dos fermentaciones en medio solido con dos diferentes cepas Yarrowia lipolytica 2.2ab y Aspergillus terreus TUB-F514, y así también cambiando los diámetros de partícula. Varios resultados, identificados por primera vez en el contexto de la tecnología estudiada, son listados a continuación: (1) la dinámica de fluidos favorece el desempeño del microorganismo; (2) El análisis de de régimen demuestra que la dispersión axial y la conducción axial son mecanismos que al nivel del biorreactor no tienen un impacto significativo en el desempeñó del microorganismo, permitiendo su omisión del modelo del biorreactor sin comprometer la precisión en las predicciones de temperatura y concentración; (3) Condiciones de operación como: temperatura de aire a la entrada, temperatura del baño recalentamiento, flujo de aireación y tamaño de partícula son variables que impactan significativamente el desempeño del microorganismo; y (4) La ventana de operación donde el biorreactor muestra su mejor desempeño, asegurando temperatura optima y contenido de humedad para la máxima producción de proteasas, se basa en los siguientes rangos de operación: relación dt/dp igual a 5.6, cuando el flujo de aireación es fijado a 1 L min −1 , entonces la temperatura del baño es fijada a 45 °C y la temperatura del aire en la entrada es en 43 °C, pero también se obtienen buenos resultados si el flujo de aireación se fija en 0.2 L min−1 , la temperatura del baño de calentamiento tiene que ser 43 °C y la temperatura del aire en la entrada a 45 °C. Al construir el prototipo físico del biorreactor, se redujeron considerablemente los costos, debido a la instrumentación realizada, se encontró que con temperatura el costo se redujo en un 400%, con respecto a la instrumentación de caída de presión estas se reducen a un mas (alrededor del 500 %), mientras que se encontró la forma de evadir la utilización de interfaces comerciales, al desarrollar las propias con prototipos comerciales, esto también representa una reducción en el costo de alrededor del 80 $, por ultimo también se evitó o la utilización de software especializado y comercial para la captura de datos en línea, donde se desarrolló uno propio el cual es completamente libre y además, permite la visualizaciones en tiempo real de la evolución del sistema de reacción. Para todos estos prototipos se aseguró que a pesar de la reducción del costo no se perdiera precisión y confianza en las mediciones que se realizan. Así también, como resultado del prototipo físico se ha examinado de forma experimental los fenómenos involucrados en este sistema de forma abiótica y biótica, esto de una forma cualitativa, aunque también sean propuesto algunos modelos para describir los experimentos realizados y que puedan dar más información cuantitativa a través de la estimación de parámetros. Algunos fenómenos se analizaron de forma aislada proponiendo metodologías adecuadas para lograr esto, hasta llevar a cabo fermentaciones en el prototipo físico construido durante el desarrollo de este trabajo de investigación, estas fermentaciones se encuentran en sintonía con las simulaciones del modelo propuesto, debido a que dan un indicio de como un mayor tamaño de partícula, permite un crecimiento más uniforme dentro de todo el biorreactor, a diferencia del utilizar partículas más pequeñas, que existe una evidencia de que existen gradientes de producción axiales, así como también pueden existir problemas de presencia de oxıgeno dentro del biorreactor, este trabajo aborda el problema de la fermentación en medio solido desde el enfoque de la ingeniería de reactores, lo cual, al realizar este tipo de análisis nos ha brindado mucha información acerca de cómo debe ser la nueva generación de biorreactores y como operar estos para una implementación exitosa a escala industrial de esta tecnología. Los resultados descubiertos en este estudio definen el camino para explorar la FMS dentro de los biorreactores de lecho empacado en diversas aplicaciones, todas alineadas con los principios de sostenibilidad. Esta visión ofrece un camino hacia el logro de su industrialización eficiente.
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