Modelado e intensificación de producción de proteasas por Yarrowia lipolytica 2.2ab en fermentación en medio sólido mediante la propuesta de una configuración de reactor que permita mejorar la hidrodinámica, y la transferencia de masa y calor - Rivera Rivero, Brianda Andrea (Universidad Autónoma Metropolitana, 2022)
La Fermentación en Medio Sólido (FMS) es un proceso de cultivo de hongos y/o levaduras que permite la producción de metabolitos secundarios como las proteasas, las cuales tienen una demanda creciente en la industria. Este tipo de fermentación brinda mayor rendimiento que la fermentación sumergida y, bajo la concepción de la economía circular, es una técnica de valorización de residuos agroindustriales. Sin embargo, la velocidad de producción en este tipo de cultivo está determinada por una relación entre el microorganismo, su fisiología y comportamiento metabólico, y los procesos de transporte. Una de las grandes desventajas en la implementación a escala industrial de esta tecnología es el impacto negativo de la transferencia de oxígeno y temperatura en el crecimiento del microorganismo y en la producción de metabolitos secundarios. Si bien en la literatura existen diversos trabajos experimentales y de modelado que brindan información sobre la producción de CO₂ , el transporte de agua y el incremento de temperatura a la salida del lecho, es escaso el conocimiento sobre la interacción de los fenómenos de transporte (momento, masa y calor) dentro del lecho y su relación con la producción del metabolito deseado. En este trabajo se propone un modelo pseudo-continuo heterogéneo que describe el transporte de O₂ , CO₂ y H₂O dentro del lecho, y el transporte de calor entre la fase fluida y sólida para un biorreactor convencional de FMS. Se realizó un análisis de sensibilidad evaluando el efecto de los tiempos característicos sobre el comportamiento de un biorreactor convencional. Con el fin de incrementar la producción de proteasas respecto al caso convencional se propusieron tres casos (A, B y C) de intensificación del biorreactor. Con los cuales se busca disminuir la temperatura dentro del lecho y aumentar la disponibilidad de oxígeno a lo largo del biorreactor. El primer caso consiste en generar un perfil de velocidad dentro del lecho, en el segundo caso en el centro del biorreactor se incorpora una membrana permeable al oxígeno y el tercer caso es una mezcla de los casos anteriores, pues el biorreactor intensificado consiste en un biorreactor con membrana permeable al oxígeno y se genera un perfil de velocidad en el lecho. En los resultados del caso convencional, la temperatura de la fase sólida en la fase estacionaria de crecimiento del microorganismo alcanzó una temperatura de 51.5°C. A las 12 horas de fermentación se obtuvo una producción acumulada de 0.09 kgCO₂⁄kgas. La máxima velocidad de producción de proteasas a las 12 horas de fermentación tiene un valor de 870 U⁄kgss h. Del análisis de tiempos característicos se observó que los cultivos se ven afectados por el incremento de temperatura y el agotamiento de oxígeno, y que el tiempo característico de generación de calor por evaporación domina el aumento de temperatura en el lecho. Para el caso de intensificación A, donde se genera un perfil de velocidad, se obtuvo que la producción acumulada de CO₂ equivalió al 40% del caso convencional. La temperatura de la fase sólida alcanzó un valor máximo de 49 °C. Debido a que cerca de la pared del biorreactor se obtiene la mayor velocidad de flujo, en el perfil radial se observó que en esa zona del biorreactor la temperatura de la fase fluida tiene un valor máximo de 54 °C, mientras que la temperatura del sólido permanece en la temperatura favorable al crecimiento del microorganismo, es decir 45 °C, esto favoreció la velocidad de producción de CO₂ respecto al caso convencional. Al añadir la membrana no se observó mejora en la producción de proteasas respecto al caso convencional.