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5/13/2018 FERMENTACION_EN_ESTADO_S LIDO_Final - slidepdf.com

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FERMENTACION EN

ESTADO SÓLIDO



TEMAS

1. Introducción A

2. Escala de laboratorio D

3. Escalas piloto e industrial A4. SSF con aireación forzada R

5. SSF sin aireación forzada D

6. SSF mezclado continuo R 7. SSF intermitente A



FERMENTACION EN

ESTADO SÓLIDO (SSF)³Es un proceso microbiológico que ocurre

comúnmente en la superficie de materialessólidos que tienen la propiedad de absorber ycontener agua, con o sin nutrientes solubles´

Viniegra-González (1997)



Pan egipcio, proteína comestible japonesa Objetivos: Aumentar el contenido proteico alimentos,

mejorar su conservación, cambiar sus características

físicas, el color, el olor o el sabor de los mismos. Ejemplos:

± Koji ( Aspergillus oryzae sobre cereales cocidos) ± Queso Roquefort ( Penicillium roqueforti en leche de oveja) ± Shoyu, Miso y Ontjom

Necesidades: ± Polución de suelos ± Uso potencial de biorremediación ± Alternativas de alimentos para animales

INTRODUCCION



CARACTERISTICAS

Contenido bajo de agua

Fase de gas entre las partículas

Baja conductividad eléctrica (aire vs. agua)

Gran cantidad de matrices (Composición,tamaño, resistencia mecánica, porosidad

Hongos (Crecimiento apical,actividades enzimáticas)



VENTAJAS Medios de cultivo simples (Subproductos agrícolas con alto

contenido de nutrientes) Baja actividad del agua (Evita contaminación de bacterias y

levaduras) Reactores más pequeños (Concentración del sustrato mayor al igual

que la productividad volumétrica) Aireación forzada facilitada por la porosidad del soporte (Alta

transferencia de O2) Conidios como inóculo en los procesos de crecimiento de hongos

(menores costos y manipulaciones en el inóculo)

Tecnología limpia Calidad de enzimas superior

± Glucosidasa (Calor) ± Fitasa (Estabilidad en peletización) ± Proteasa (Digestión de proteínas)



DESVENTAJAS La transferencia de oxigeno puede ser limitante según el diseño delreactor Su aplicación se limita a microorganismos que crecen en bajos

contenidos de humedad Temperatura y humedad del medio Morfología de los microorganismos (en especial de los hongos)

debido a su resistencia a la agitación Esterilidad Escalado (Generación de calor y heterogeneidad) Extracción del calor metabólico a gran escala sin control Medición de pH, T, contenido de humedad y concentraciones Procesos de transferencia de masa son limitados por la difusión. Diseño de reactores y el escalado poco caracterizados. Tiempo de fermentación mayor (microorganismos con bajas

velocidades específicas de crecimiento)



PROCESO SSF



APLICACIONES

Abono orgánico

Ensilado

Maduración de quesos

Cultivo de champiñones



INFLUENCIA DE FACTORES

AMBIENTALESHumedad y actividad del agua (aw). Porcentaje de humedad entre 30 y 80%, según el sólido

utilizado, el microorganismo y el objetivo del proceso

(formación de producto, crecimiento de la biomasa).

Actividad del agua (aw): Caracteriza las interaccionesagua-medio sólido.

aw: Humedad relativa de la atmósfera gaseosa en equilibriocon el sustrato. Ejerce influencia sobre el crecimiento, laformación de productos y el crecimiento celular.




AMBIENTALESpH Af ecta el desarrollo de los procesos SSF

Imposible de controlar, debido a la ausencia de instrumentos capaces de medir el pH en la capa de líquido que rodea el sólido.

El pH cambia por dif erentes razones:

± Disminuye por la secreción de ácidos orgánicos (acético yláctico) durante el proceso.

± La f uente de nitrógeno utilizada inf luye mucho en la tendencia que sigue el pH

Investigaciones para f ormular medios de cultivo que permitan mantener, de manera natural, el pH en un intervalo deseado durante el proceso. ± Raimbault y Alazard (1980): Crecimiento de Aspergillus niger en harina de yuca

y una mezcla de sulfato de amonio - urea de 3 a 2 (calculado en base al nitrógeno) para mantener el pH en el intervalo de 5 a 6.2 (favorable para el crecimiento delmicroorganismo).




AMBIENTALESTemperatura

Ejerce una acción determinante en el con junto de actividades celulares (crecimiento y la f ormación de productos)

Control crítico por la alta concentración de sustrato por unidad de

volumen y la ba ja conductividad térmica del sistema heterogéneo sólido -líquido - gas, lo que f avorece la acumulación del calor metabólico en el sistema y el aumento de la temperatura del cultivo que f avorece tres aspectos negativos: ± La actividad microbiana se desacelera o se detiene.

± Se deshidrata el medio sólido.

± El metabolismo se desvía como un mecanismo de def ensa ante el calor o ante la deshidratación.

Intercambio de calor por convección f orzada con elevadas tasas de aireación que con f recuencia deshidratan al medio.

Utilización del calor latente de vaporización del agua para eliminar el calor metabólico de manera rápida y ef ectiva.



Concentración y disponibilidad del sustrato Nutrientes necesarios balanceados para favorecer el crecimiento del

microorganismo, la eficiencia de conversión energética y larespiración. ± Conocimiento de la composición de la biomasa del microorganismo

empleado

± Conocimiento de los coeficientes de rendimiento para la formación de

biomasa y producto, y los valores de la energía de mantenimiento paraestablecer los requerimientos de las fuentes de carbono.


AMBIENTALES



Aireación Microorganismos aerobios Suministrar oxígeno, extraer CO2 f ormado y calor metabólico

evolucionado

Flu jo óptimo de aire debe considerar: ± Naturaleza del microorganismo

± R equerimientos de oxígeno para el crecimiento y/o la f ormación del producto deseado

± Velocidad de generación de calor metabólico

± Concentración crítica del dióxido de carbono y otros metabolitos volátiles

± Espesor de la masa de sólido

La aireación en SSF es fácil porque la superf icie de contacto es mayor entre el aire y el líquido que está absorbido en las partículas


AMBIENTALES



El inóculo Tipo de inóculo

± Micelio: Mejor competitividad del hongo,reducción de posibles colonizaciones delsustrato por microorganismos contaminantes yla colonización más rápida del hongo debido

por los bajos tiempos de incubación ± Esporas: Reducción de los costos en la etapa de

propagación del microorganismo.


AMBIENTALES



»TI POS DE REAC T ORES«



ESCALA LABORAT OR I O

Los primerosreactores en estado

sólido eran cajas dePetri y Erlenmeyers. Un equipo de

ORSTOM diseñó el

modelo de columnas para estudios enSSF.

Reactor usado en escala de laboratorio patentado por ORSTOM.



NUEVA GENERACIÓN

Controlcomputarizado

Muestreo sin

contaminación Permite elaborar

perfiles decrecimiento vs.Variables asociadas

1- Tapa2- Termómetro en el medio3- Cilindro de acero4- Termómetro para aire de

ingreso

5- Medidor de humedad6- Resistencia calefactora7- Medidor de temperaturaen agua

8- Medidor de flujo

9- Medidor de nivel10- Aislante



REACTORES SSF CON

MEZCLADOREACTOR DE TAMBOR

ROTATORIO Mejora la transferencia de

masa y calor

Permite lahomogenización de lasvariables

Puede generar inconvenientes asociadosa aglomeración

1- Entrada de aire2- Junta rotatoria3- Acople4- Toberas de aire

5- Línea de aire6- Rodillos7- Tambor rotatorio8- Medio sólido9- Llantas



REACTOR DE TAMBOR P

ERFORADO

Incrementa ladistribución deoxígeno

Puede generarsetaponamiento por elmedio sólido y elmicroorganismo



MEZCLADOR DE PALAS

1- Entrada de aire2- Termocuplas3- Chaqueta

4- Palas

5- Salida de aire6- Motor 7- Reactor 8- Medio sólido

9- Eje de agitación

Posee el mezclado más eficiente



BIOREACTOR ZYMOTIS LAB

Usado enfermentacionesestáticas

Alta transferenciade calor

Pueden haber inconvenientes para latransferencia deOxígeno



ESCALAS PILOTO E

INDUSTRIAL Poca diversidad

± Transferencia de calor ± Acanalamientos de aire

± Hinchamiento del medio ± Resistencia mecánica de microorganismos a la agitación ± Requerimientos de oxigeno ± Rango de temperatura

± Métodos apropiados de inoculación ± Necesidad del pretratamiento del sustrato ± Esterilidad ± Facilidad de llenado, vaciado y limpieza del reactor



ESCALAS PILOTO E

INDUSTRIAL Clasificación:

± Aire circulando alrededor del sustrato

± Aire circulando a través del sustrato Sin mezclado

Intermitentes

Camas mezcladas continuas



B I OREAC T ORES SSF CON

A I REAC IÓ N FORZADA Se introduce aire a través de un tamiz, que soporta

al sustrato.

Es un reactor simple que puede procesar unos pocos kilogramos de medio sólido seco.

Herramienta para: Analizar empíricamente la evolución global de un proceso y

determinar parámetros como temperatura y humedad relativadel medio.

Estudiar la difusión del oxígeno y los fenómenos detransferencia de masa y calor.



Son muy útiles enausencia de modelosmatemáticos para elescalado.

No tienen agitaciónmecánica. Agitaciónmanual.

Están limitados por la producción metabólicade calor. Inevitablesgradientes de T.

(1)



La mayoría delcalor es eliminado

por convección y por la evaporacióndel agua que hayen el medio. Por

lo cual se debeadicionar agua demanera uniforme.

(1)



BIOREACTOR ZYMOTIS

Es una torre con platos perforados enlos cuales se coloca

el medio sólido. Aire estéril pasa a

través de cada plato. Debajo de cada plato

hay unintercambiador decalor.

(1)



Los platos son esterilizados previamente con aireseco o con vapor.

Cada plato funciona como una enorme caja de petri.

Los platos son incubados en amplios cuartos, quetienen un filtro de aire (0.2 m o menor).

Hay una dispersión de agua sobre los cuartos paramantener la atmósfera saturada.

BIOREACTOR ZYMOTIS



PLAFRACTOR

Diseñado por Biocon (compañía India) El aire que entra y sale del sistema es

filtrado para retirar microorganismos. El reactor esta sellado, de manera que está

libre de contaminantes externo.

Remoción de calor por medios conductivos. Como el aire es mal conductor se usa aguacomo fluido de enfriamiento.



Canales decultivo: ± Fluidos para

esterilización

± Ajuste dehumedad y O2.

± Extracción desustancia de

interés despuésdel cultivo.

(1)



Canales sin cultivo: Fluidos de enfriamiento o calentamiento.

Dentro de cada módulo tiene un brazo demezcla que gira alrededor del eje central delmódulo.

Se usa principalmente para producción demetabolitos.



La matriz que soporta los nutrientes seesteriliza y enfría dentro del reactor.

El inóculo es adicionado y mezcladode forma aséptica después de que elmedio se ha esterilizado.



B I OREAC T ORES SSF S I N

A I REAC IÓ N FORZADA Es la más sencilla y practicada desde siglos atrás. El micro organismo puede ser transferido al

reactor como un molde insertado en el medio decultivo. Corresponde a la mayoría de sistemas de

fermentación en bandejas, aplicados enfermentación de quesos.

Requiere grandes áreas para el proceso. Es difícil mantener aséptico el proceso



REACTOR KOJI

1- Ca ja K o ji2- Válvula de agua3- Lámpara UV

4-8-13- Sopladores de aire

5- 11- Filtros de aire6- Salida de aire7- Humidif icador

9- Calentador

10- R ecirculación de aire12- Entrada de aire14- Bande jas

15- Soportes



REACTOR DE MEZCLA

CONTINUA CON AIREACIÓN. Es un tambor rotatorio que sirve para maximizar la

exposición de cada partícula con el aire circulado.

Se usa en laboratorio y en escala pre-piloto. Micelio y partículas de sustrato puedenaglomerarse impidiendo una buena transferenciade masa, calor y oxígeno.

Incrementar la velocidad de rotación del tambor,afecta el crecimiento del micelio debido a efectoscortante.



TAMBOR ROTATORIO

DISCONTINUO Opera igual que

el anterior.

Entre unaagitación y laotra actúa como

un reactor de platos.



Hay diseños en los cuales hay un control detemperatura (termocoupla en el medio) con

el cual se aumenta o se disminuye la rotacióndel tambor de acuerdo al aumento odisminución de la T.



SSF INTERMITENTE MEZCLADO

CON AIREACION FORZADA Lechos empacados con aire acondicionado

fluyendo a través de ellos.

Agitación periódica Rocío de agua cuando se requiera

Alto rango de capacidades (Kg ± Ton)

según esterilidad




CON AIREACION FORZADAPROCESOS NO ESTÉRILES

Koji rotatorio automático ± Usado en Asia para la fabricación de

salsas de soya ± Control computacional de T y flujo de

aire y agitación

± Inoculación ex-situ

± Rectangular con circulación de aire através del medio con agitación periódica

± Simple y básico




CON AIREACION FORZADAKoji rotatorio automático



SSF INTERMITENTE MEZCLADOCON AIREACION FORZADA

Grupo INRA en Dijon (Francia) ± T y humedad del medio reguladas con T,

humedad relativa y flujo de aire

± Rocío de agua y agitación periódica ± Mediciones on-line de la masa de medio ± Estimación automática de la perdida de masa

debido a la respiración ± Bomba de inoculación y agua de suministro. ± Software especializado para el control del

acondicionamiento del aire ± Modelo matemático para mantener la humedad

del medio ± Pasterización in-situ

± Facilidad de escalado




PROCESOS ESTÉRILES Pequeños sin aplicación industrial

publicada Necesarios por:

± Legislación en algunas industrias

± Altos tiempos de cultivo por bajasvelocidades de crecimiento de losmicroorganismos utilizados

Wageningen University (Holland ) ± Escala piloto ± Para biopesticida ± Sustrato de granos de cereales húmedos

± Recipiente cónicomezclado con unacinta en la pared ± Esterilizable in-situ con vapor ± Sensores de temperatura a lo largo del

lecho




Durand ± Planetary mixing

device ± Manejado con un

micro-computador ± Fed-Batch

± Produccion de conidios para control biologico ± No existen escalados




Durand



DIFERENCIAS ENTREREACTORES SSF



REFERENCIAS

1. Durand A., Bioreactor designs for solid state fermentation, BiochemicalEngineering Journal 13 (2003) 113±125

2. Pandey Ashok, Solid-state fermentation, Biotechnology Division, Regional

Research Laboratory, Biochemical Engineering Journal 13 (2003) 81±84

3. Raghavarao K.S.M.S, Ranganathan T.V, Karanth N.G, Some engineeringaspects of solid-state fermentation, Biochemical Engineering Journal 13(2003) 127±135

4. Suryanarayan Shrikumar, Current industrial practice in solid state

fermentations for secondary metabolite production: the Biocon I ndia

experience, Biochemical Engineering Journal 13 (2003) 189±195

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