reporte final

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INTRODUCCIÓN La industria bananera en nuestro país produce grandes cantidades de residuos ya que de la planta solamente se aprovecha el fruto que constituye el 12 % en peso siendo desechado el resto (Zuluaga y col., 2007). La producción de banano en México es de aproximadamente 2 millones de toneladas métricas por año, la especie Musa cavendish representa el 75% del total, de ahí que existe un gran volumen de residuos de la industria platanera que podrían ser aprovechados si se los transforma para darles un valor agregado. El proceso de producción de proteína unicelular es una vía biotecnológica adecuada para el aprovechamiento de desechos industriales ricos en carbohidratos. De hecho, el principal factor limitante en la generación de proteína unicelular es el alto costo de las fuentes de carbono, por lo que el uso de subproductos es ideal (Durán 1989). El interés por producir proteína unicelular fue estimulado por agencias internacionales relacionadas con la salud, alimentación y agricultura ante la evidencia de una escasez de proteína a nivel mundial (Bu-Lock y Kristiansen 1991), es por esto que la búsqueda de fuentes proteicas es vital (Chacón 2004). Para la generación de biomasa a partir del banano de rechazo también es posible el empleo de levaduras de la especie Saccharomyces cerevisiae, cuyo crecimiento se logra si el banano de rechazo es hidrolizado previamente en glucosa y otras sales, por medio de preparados que se vierten dentro de un sistema de fermentación a nivel laboratorio (Mittal.1992). Esta especie de levadura presenta una amplia utilización y aceptación en la industria para la alimentación animal y humana, lo que podría resultar en una ventaja para su utilización (Liti et al. 2001). La biomasa de origen unicelular tiene aplicaciones como suplemento proteico en alimentación animal, además, se ha investigado su utilización en la fabricación de ingredientes funcionales, suplementos proteicos, para resaltar el sabor de alimentos procesados, entre otros (Lee 1996). Para su aplicación en la alimentación humana, requiere el empleo de métodos para la reducción del nivel 1

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Page 1: Reporte Final

INTRODUCCIÓN

La industria bananera en nuestro país produce grandes cantidades de residuos ya

que de la planta solamente se aprovecha el fruto que constituye el 12 % en peso

siendo desechado el resto (Zuluaga y col., 2007). La producción de banano en

México es de aproximadamente 2 millones de toneladas métricas por año, la

especie Musa cavendish representa el 75% del total, de ahí que existe un gran

volumen de residuos de la industria platanera que podrían ser aprovechados si se

los transforma para darles un valor agregado.

El proceso de producción de proteína unicelular es una vía biotecnológica

adecuada para el aprovechamiento de desechos industriales ricos en

carbohidratos. De hecho, el principal factor limitante en la generación de proteína

unicelular es el alto costo de las fuentes de carbono, por lo que el uso de

subproductos es ideal (Durán 1989).

El interés por producir proteína unicelular fue estimulado por agencias

internacionales relacionadas con la salud, alimentación y agricultura ante la

evidencia de una escasez de proteína a nivel mundial (Bu-Lock y Kristiansen

1991), es por esto que la búsqueda de fuentes proteicas es vital (Chacón 2004).

Para la generación de biomasa a partir del banano de rechazo también es posible

el empleo de levaduras de la especie Saccharomyces cerevisiae, cuyo crecimiento

se logra si el banano de rechazo es hidrolizado previamente en glucosa y otras

sales, por medio de preparados que se vierten dentro de un sistema de

fermentación a nivel laboratorio (Mittal.1992). Esta especie de levadura presenta

una amplia utilización y aceptación en la industria para la alimentación animal y

humana, lo que podría resultar en una ventaja para su utilización (Liti et al. 2001).

La biomasa de origen unicelular tiene aplicaciones como suplemento proteico en

alimentación animal, además, se ha investigado su utilización en la fabricación de

ingredientes funcionales, suplementos proteicos, para resaltar el sabor de

alimentos procesados, entre otros (Lee 1996). Para su aplicación en la

alimentación humana, requiere el empleo de métodos para la reducción del nivel

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Page 2: Reporte Final

de ácidos nucleicos, ya que si son consumidos en altas proporciones podrían

causar la formación de cálculos renales u otras enfermedades. A diferencia de los

humanos, el ganado tolera altos niveles de ácidos nucleicos, por lo que la proteína

unicelular podría utilizarse inicialmente en alimentación animal sin requerir ningún

tratamiento (Lee 1996).

El estado de Tabasco produce una gran cantidad de musáceas. Exporta el 80%

del total de la producción. El 20% es utilizado para el consumo interno, consumo

animal y la industria, pero existe un significativo volumen de biomasa considerada

como desperdicio, con potenciales características para la obtención de alcohol.

Los componentes del banano de rechazo que tienen mayor importancia para ser

utilizados como sustrato son carbohidratos, proteínas y minerales (Quintero et al.

2001). Con el fin de lograr una utilización eficiente de estas sustancias, fue

importante elegir una levadura con adecuadas características fisiológicas como lo

fue Saccharomyces cerevisiae, adecuando al mosto a un proceso fermentativo

realizado en un biorreactor.

Se controlaron parámetros en cada corrida como: Potencial de hidrógeno (pH),

grados Brix, temperatura y contenido de azúcares totales. Se estandarizo el

proceso y se efectuaron las pruebas determinando así la efectividad del rechazo

de banano con una fuente de carbono importante para el crecimiento de levaduras

y la producción de biomasa, teniendo un significado importante dentro de esta

investigación.

JUSTIFICACIÓN

El aprovechamiento de los residuos orgánicos, como puede ser el banano de

rechazo, que por su grado de madurez o defectos en su apariencia, puede perder

su valor comercial, cobran especial importancia en la medida al generarse

alternativas de uso, recupera su valor como materia prima a la vez de reducir la

generación de residuos orgánicos que en su caso son fuente de contaminación de

Page 3: Reporte Final

suelos, aire y agua. Por ello en este proyecto se pretenden aplicar diversas

alternativas biotecnológicas que permitan su bioproceso y la generación de

productos diversos.

El uso de la biotecnología dentro del sistema de fermentaciones estudia el

crecimiento de levaduras del genero Saccharomyces cerevisiae, a nivel de matraz

y a nivel de fermentador, utilizando como fuente de carbono, la pulpa de banano.

El cultivo de las levaduras, tiene importancia comercial, ya que se pueden utilizar

en la elaboración de productos diversos como son: levadura para la elaboración

de pan, vinos, complementos alimenticios, enzimas, alimento para animales,

saborizantes, entre otros.

Con la utilización de este sustrato, se pretende minimizar los costos de producción

a mayor escala y hacer buen uso de subproductos de los procesos de la industria

del banano, los cuales son actualmente utilizados únicamente para uso

alimenticio sin aprovecharlo en su totalidad.

Los estudios de todo proceso de fermentación, llevan diversas etapas, desde lo

que corresponde a la optimización de requerimientos nutricionales y condiciones

fisicoquímicas a nivel de matraz, para pasar a la etapa a nivel de fermentador, en

los que se pueden estudiar además de los anteriores otros como son el efecto del

tipo de impulsor, la velocidad de este y los vvm`s, entre otros.

En el laboratorio de microbiología, se cuenta con un fermentador, sin embargo no

había sido posible dedicar el tiempo necesario para aprovechar el uso potencial de

este aparato, por ello se consideró en este trabajo permitiendo así su operación.

Partiendo en este proyecto desde, la traducción del manual, el establecimiento de

las condiciones de crecimiento a nivel de matraz y las pruebas a diferentes

condiciones de operación del fermentador, para evaluar las posibilidades que

ofrece el equipo.

El estudio de la variación de los componentes del medio, de los factores

fisicoquímicos como el pH (con control y sin control de pH) así como de la

alimentación de aire y velocidad del impulsor, son importantes, como etapa previa

al escalamiento de un proceso de fermentación a nivel piloto; estos estudios, solo

son posibles cuando se cuenta con un fermentador con las características

3

Page 4: Reporte Final

adecuadas que aseguren la esterilidad del medio, así como la medición y control

de otros parámetros. El fermentador que fue adquirido para el laboratorio del

ITVH, tiene estas condiciones por lo que es importante su operación, para que a

futuro, se puedan proponer otro tipo de procesos.

El equipo cuenta con sistemas de medición y control, se pretende que de forma

complementaria a la parte de uso y operación del fermentador, se desarrolle un

software que permita su automatización y control, esta parte será llevada a cabo

por un estudiante de sistemas computaciones, dirigido por un profesor de esa

carrera.

Como etapa posterior a este proyecto, se pretende que se desarrollen otro tipo de

tecnologías, para procesos alternativos que permita la obtención de otros

productos.

OBJETIVOS

Objetivo general

• Aplicación de la biotecnología en el aprovechamiento de banano.

• Cultivo de levaduras por proceso de fermentación aerobia a nivel fermentador utilizando banano de rechazo.

Objetivos específicos• Establecer condiciones óptimas a nivel laboratorio para el cultivo de una cepa de

levadura y comparativo con los resultados a nivel fermentador.• Arranque y puesta en marcha de un fermentador de laboratorio y elaboración de

un instructivo de operación del fermentador.• Determinar el efecto de la variación de las condiciones de operación del

fermentador sobre el crecimiento de la levadura.

Page 5: Reporte Final

CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA DE TRABAJO

El presente trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio de Microbiología del Instituto

Tecnológico de Villahermosa; ubicado en la carretera Villahermosa-Frontera Km.

3.5, Cd. Industrial de la Ciudad de Villahermosa, Tabasco.

El Instituto Tecnológico de Villahermosa junto con otros 78 institutos localizados a

lo largo y ancho del territorio nacional constituyen el Sistema Nacional de Institutos

Tecnológicos, que desarrollan actividades de educación en Ingeniería,

Arquitectura, Relaciones Comerciales y Administración.

Actualmente el Instituto Tecnológico de Villahermosa ofrece 8 carreras a nivel

ingeniería como son: Sistemas Computacionales, Química, Bioquímica, Industrial,

Civil, Ambiental, Gestión empresarial y Tecnologías de la información y las

comunicaciones y una a nivel licenciatura: Administración; así como 2 programas

de Postgrado entre ellos: la Maestría en Ciencias en Ingeniería Bioquímica y

Maestría en Planificación de empresas y Desarrollo Regional.

El Instituto Tecnológico de Villahermosa se encuentra certificado bajo la Norma

ISO 9001:2008 IMNC - RSGC – 544 y bajo esta norma su misión es formar

profesionistas competitivos, íntegros y con alto sentido de responsabilidad social y

5

Page 6: Reporte Final

visión es ser una Institución líder en Educación Superior Tecnológica reconocida

nacional e internacionalmente.

El Laboratorio de Microbiología donde se llevaron a cabo las actividades de

investigación experimental está ubicado en el edificio H. del Instituto Tecnológico

de Villahermosa. El laboratorio cuenta con mesas de trabajo, todas equipadas con

servicio de gas, agua y electricidad, la iluminación es proporcionada por lámparas

de luz blanca, cuenta con ventiladores de techo, clima, refrigeradores, estufas

bacteriológicas, autoclaves, fermentadores, tarjas para el lavado de material,

cuenta con centrifugas y material de cristalería. Las instalaciones se mantienen

libres de a conglomerado de personas y los horarios para las actividades están

claramente definidos, cuenta además con los señalamientos adecuados,

extintores y botiquín de primeros auxilios.

Page 7: Reporte Final

PROBLEMAS A RESOLVER

El estado de Tabasco es catalogado como uno de los mayores productores de

banano a nivel nacional, ya que basándose en las estadísticas el 92 % del banano

que se produce en las diferentes regiones se utiliza para el consumo alimenticio,

generando un 8% de banano de desecho. La descomposición de una parte de

este ocasiona una contaminación ambiental debido a los gases generados por la

putrefacción, como el metano (CH4) y otros gases que se emanan directamente a

la atmósfera, causando daño al medio ambiente que en la actualidad es una

problemática mundial y de pérdidas económicas (INEGI, 2007).

El banano de rechazo también se ha sido utilizado como piensos de animales

(porcinos, ovinos caprinos entre otros), ya que es rico en almidón y puede ser

utilizado como sustrato para procesos fermentativos que permitan el máximo

aprovechamiento energético a través de la generación de otros productos que

maximicen le economía de nuestro estado y ponga en marcha el uso de la

biotecnología aprovechando los recursos naturales.

En el presente trabajo el problema a resolver es determinar el uso de banano de

rechazo como medio de cultivo para la producción de biomasa o proteína

unicelular a través de la levadura Saccharomyces cerevisiae utilizando un

biorreactor de tipo tanque agitado, ubicado dentro del laboratorio de microbiología

del Instituto Tecnológico de Villahermosa, cumpliendo con las especificaciones

necesarias requeridas y determinando así que el banano de rechazo puede ser

utilizado industrialmente como uso de medio de cultivo.

ALCANCES Y LIMITACIONES

Alcances

Con la ejecución de este proyecto de investigación se beneficiará a los alumnos

de la carrera de Ingeniería bioquímica ya que se pone en marcha el uso de un

7

Page 8: Reporte Final

fermentador que no había sido utilizado desde su adquisición, obteniendo un

manual traducido al español que proporcionara la facilidad de su uso y con el cual

se pondrán generar diversas pruebas a nivel laboratorio para la obtención de

algún producto a partir de materiales biológicos.

De igual forma, también se conocerá y describirá el uso y aprovechamiento de

residuos orgánicos de un fruto como lo es el rechazo de banano y que es

producido en nuestro estado en grandes volúmenes y comercializado en

diferentes partes de nuestro país, que puede ser utilizado para otros fines como la

producción a gran escala de proteína unicelular, que conlleva beneficios a la

sociedad en cuanto a la rama de alimentos.

Limitaciones

Todo proyecto está sujeto a limitantes u obstáculos que se dan más que todo en

la fase de campo, en este caso los recursos financieros fueron las principales

limitaciones ya que era necesario requerir de un nuevo sensor de DO2, debido a

que el sensor original trae un defecto de fábrica en cuanto a la membrana y que al

momento de su calibración y uso presentaba ciertos errores de medición, limitando

de tal forma su uso.

CAPÍTULO 1

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1 El banano

El Banano o Plátano es el nombre común que se le da a la fruta comestible

producida por varios tipos de plantas herbáceas grandes con flores del género

Musa.

El fruto es variable en tamaño, color y firmeza, pero generalmente alargado y

curvado, de carne blanda rica en almidón cubierto con una corteza que puede ser

de color amarillo, púrpura o rojo cuando está maduro (figura 1).

Page 9: Reporte Final

Figura 1. Fruto de Banano

El plátano o banano es considerado como uno de los cultivos más importantes en

la agricultura. En frutas tropicales ocupa el primer lugar y es considerado como

una fruta básica en la alimentación mexicana, debido a su bajo precio, rico sabor,

disponibilidad en todas las épocas del año y su valor nutritivo en potasio, hierro y

vitamina k entre otros.

Las especies Musa son nativas de las regiones tropicales del sur y sureste de

Asia, su cultivo se ha extendido en por lo menos 107 países en las regiones de

Centroamérica y Sudamérica, así como de África subtropical; es el cuarto cultivo

más importante del mundo, después del arroz, el trigo y el maíz. Además de ser

considerado un producto básico y de exportación, constituyendo una importante

fuente de empleo e ingresos en numerosos países en desarrollo.

1.1.2 Producción y usos

De acuerdo a la información de la FAO (Organización de las Naciones Unidas para

la Agricultura y la Alimentación), en el año 2008 la superficie sembrada de plátano

y banano a nivel mundial fue de 10.21 millones de hectáreas. México ocupa el

lugar 23 en cuanto a superficie se refiere, el primer lugar lo ocupa Uganda con el

17.8% de las hectáreas totales sembradas, seguido de Tanzania con el 7.7%.

En el año 2008 se produjo un total de 125.05 millones de toneladas de plátano y

banano en el mundo ocupando México el 14º lugar como productor con el 1.73%,

seguido de Tailandia (1.59%), Costa Rica (1.57%) y Costa de Marfil (1.57%).

En el 2009 el plátano represento el 1.41% del valor total del PIB agrícola en el país

con un lugar de producción 4.514.29 millones de pesos. El régimen de producción

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Page 10: Reporte Final

nacional es equitativo pues 50% es de temporal y de riego el otro 50% de la

superficie cosechada (SIAP, 2009).

El número de productores a nivel nacional es de 5000 distribuidos en los estados

de Tabasco, Chiapas, Veracruz, Colima, Michoacán, Jalisco, Oaxaca, Nayarit,

Puebla y Guerrero con 800 mil jornales en producción y 88 mil jornales en

empaque respectivamente. Los principales estados en México por producción en

toneladas de plátano se muestran en la tabla 1 (SAGARPA, 2010).

TABLA 1. PRODUCCIÓN EN TONELADAS DE PLÁTANO POR ESTADOS EN LA REPÚBLICA MEXICANA.

Fuente: (SAGARPA, 2010)

Desde el año 2007 el estado de Tabasco ha sido el mayor productor de banano

en México y su producción ha venido creciendo desmesuradamente.

El municipio de Teapa en el estado de Tabasco ha sido el principal productor de

plátano en el país en los últimos siete años y representa el 95% del valor de la

producción agrícola del municipio. Dicha fruta se comercializa en el centro del país

y el excedente se exporta a países de Europa y Asia.

Los municipios de Centro y Cunduacán, Tabasco son productores en menor

proporción, pero representan un lugar importante dentro de la economía de

estado.

Del plátano que se produce en el estado de Tabasco, el 60% se destina para

procesos en la industrialización para usos comerciales como son:

Las frituras: para la cual se utiliza plátano maduro o plátano verde (Figura

2).

Los precocidos: patacón prefrito congelado, los tostones.

Page 11: Reporte Final

Los semiprocesados: plátano pelado y empacado al vacío, tajada madura

congelada y aborrajado.

La producción de harina, jugos entre otros completos en la alimentación.

Figura 1.2 Plátano frito en rodajas

1.1.3 Principales variedades de banano que se generan en el estado de

Tabasco

La variedad de plátanos que se cultivan en el estado de Tabasco es amplia, entre

las cuales destacan el plátano Tabasco o Roatán, dentro de los clasificados

encontramos las variedades como enano gigante, macho y Tabasco, sin clasificar

encontramos al criollo, valery, dominico, pera, manzano y morado; aunque sólo el

Tabasco en mayor medida, así como, el dominico y macho en menor medida, son

los que satisfacen el mercado externo, las variedades restantes se destinan

exclusivamente a cubrir el consumo interno.

El nombre de plátano se ha generalizado en toda la población, sin embargo, de

acuerdo a los especialistas, la mayoría de las variedades comerciales son

bananos, con excepción del plátano macho. Así, las distintas especies y

variedades de plátano se diferencian por su tamaño, la disposición y dimensiones

de las hojas, la forma y tamaño de los frutos, pero principalmente por la

conformación del racimo (SAGARPA, 2009).

1.1.4 Composición química y valor nutricional

El plátano maduro es un alimento muy digestivo, pues favorece la secreción de

jugos gástricos, por tanto es empleada en las dietas de personas afectadas por

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Page 12: Reporte Final

trastornos intestinales y en la de niños de corta edad. Tiene un elevado valor

energético (1.1-2.7 kcal/100 g), siendo una importante fuente de vitaminas B y C,

tanto como el tomate o la naranja. En las tablas siguientes, podemos observar la

composición nutricional del Plátano por cada 100 gramos de producto comestible.

Tabla 1.1 Nutrientes

Nutriente Por cada 100gAgua 6 5 . 2 8 g

Proteínas 1 . 3 gLípidos 0. 3 7 gCeniza 1 . 1 7 g

Hidratos de Carbono 3 1 . 8 9 g

Fuente: www.siap.sagarpa.gob.mx/siacon

Tabla 1.2 Hidratos de Carbono

Nutriente Por cada 100gFibra 2 . 3 g

Azúcares 1 5 g

Fuente: www.siap.sagarpa.gob.mx/siacon

Tabla 1.3 Minerales

Nutriente Por cada 100gCalcio 3 m gHierro 0. 6 m g

Magnesio 3 7 m gFósforo 3 4 m gPotasio 4 9 9 m gSodio 4 m gZinc 0. 1 4 m g

Cobre 0. 0 8 1 m gManganeso 0 m g

Selenio 0. 0 0 1 5 m g

Fuente: www.siap.sagarpa.gob.mx/siacon

Tabla 1.4 Vitaminas

Page 13: Reporte Final

Vitamina Por cada 100gVitamina C 1 8 . 4 m gVitamina B1 0. 0 5 2 m gVitamina B2 0. 0 5 4 m gVitamina B3 0. 6 8 6 m gVitamina B5 0. 2 6 m gVitamina B6 0. 2 9 9 m g

Vitamina B12 0 m gVitamina B9 0. 0 2 2 m gVitamina B7 1 3 . 5 m gVitamina E 0. 1 4 m gVitamina D 0 m gVitamina K 0. 0 0 0 7 m g

Fuente: www.siap.sagarpa.gob.mx/siacon

Tabla 1.5 Vitamina A (Antioxidantes Carotenoides)

Nutriente Por cada 100gAlfa Caroteno 4 3 8 gμBeta Caroteno 4 5 7 gμ

Beta Criptoxantina 0 gμLicopeno 0 gμ

Luteina y Zeaxantina 3 0 gμ

Fuente: www.siap.sagarpa.gob.mx/siacon

Tabla 1.6 Ácidos grasos

Nutriente Por cada 100gÁcidos grasos saturados 0. 1 4 3 g

Ácidos grasos monoinsaturados 0. 0 3 2 gÁcidos grasos poliinsaturados 0. 0 6 9 g

Fuente: www.siap.sagarpa.gob.mx/siacon

1.1.5 Etapas de madurez del banano

Los bananos se cosechan en estado verde-maduro (piel completamente verde

pero fisiológicamente maduros) y después, a su arribo a los mercados de destino,

se les aplica el tratamiento para inducir la maduración de consumo debido a que

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Page 14: Reporte Final

las frutas maduras en la planta a menudo se abren y resultan de una textura muy

pobre.

Se conoce como grado óptimo de corta o de cosecha, el estado de madurez

fisiológica de la fruta que permite un máximo aprovechamiento del racimo, sin que

exista maduración durante el transporte o almacenamiento, manteniendo la

lozanía y calidad, propicias de una fruta fresca para mesa. La madurez fisiológica

se correlaciona con el diámetro interno de los dedos y esta a su vez con la edad

de la fruta, por lo que es posible medirla y aplicarla a la cosecha para un buen

aprovechamiento de la fruta, la caracterización fisicoquímica del banano

dependiendo del grado de madurez la podemos observar en la tabla 2.

TABLA 1.7 CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DEL BANANO SEGÚN EL

GRADO DE MADUREZ.

G ra d o d e m a d u r e z1 2 3 4 5 6 7C o lo r d e c á s c a ra V e rd eV e rd e t ra z a sM á s v e rd e M á s a m a rri l l oA m a r i l l o c o n T o ta l m e n te T o ta l m e n te

a m a r i l l oq u e a m a rri l l oq u e v e rd ee x tre m o s v e rd e sa m a ri l lo sa m a ri l l o c o n p e c a s *C a ra c te rí s t i c a s% A lm i d ó n 1 7 . 7 3 1 3 .6 8 8 .7 6 4 . 9 6 2 .6 5 1 .7 3 0 . 8 2% A z ú c a re s to ta l e s 1 .3 2 3 .2 1 6 .5 7 1 1 .2 6 1 6 . 1 8 1 9 .5 1 9 .7 1% A z ú c a re s re d u c t o re s0 .5 7 1 .5 3 .2 7 5 . 8 6 8 . 6 1 0 .4 1 0 .3 2% S ó l i d o s s o l u b l e s , ° B ri x4 .6 9 7 .2 8 1 2 .4 8 1 7 .7 8 2 0 . 8 1 2 2 .1 2 2 .6 1p H 5 .2 4 5 .0 2 4 .8 7 4 . 7 7 4 .7 5 4 .7 8 4 . 8 8A c i d e z ( % á c id o m á l i c o )0 .4 1 0 .5 4 0 .6 3 0 . 6 7 0 .6 7 0 .6 2 0 . 5 2R a z ó n p u l p a / c á s c a ra1 .3 7 1 .4 5 1 .5 3 1 . 6 1 1 .6 9 1 .7 8 1 . 9 6% H u m e d a d 7 2 7 2 .3 2 7 2 .6 4 7 2 .9 7 7 3 . 2 8 7 3 . 6 1 7 3 .9 2* P u n to s c á f e s

Fuente: Sonia I. Chacón, F. V. (s.f.). Caracterización Fisicoquímica del Banano según el grado de

madurez. Costa Rica,América Central: Universidad de Costa Rica.

A medida que los bananos entran a la fase de maduración de consumo, el almidón

se convierte en azúcares, aumentando con ello su dulzura. Los ácidos orgánicos y

los aromas son también componentes importantes del sabor.

El banano en su etapa 7 de maduración pocas veces es aprovechado, más sin

embargo en muchos países ofrece una gran variedad de elaboración de

productos, transformados e industrializados, en forma cremas, pastas, pulpas,

Page 15: Reporte Final

puré, compotas, mermeladas en conserva, harinas, hojuelas, frutas en jarabe,

confitadas y congeladas, alimento para ganado y otros animales; Los

subproductos o abonos orgánicos procedentes del vástago que incorporan a la

plantación y los residuos que se generan en la cosecha, fibras y papel a base de

los pseudotallos, alcohol, aguardiente, vino, cerveza, vinagre de la fermentación

de la fruta.

1.2 Proteína Unicelular

La proteína unicelular está definido como concentrados proteicos obtenidos a

partir de algas, bacterias, levaduras y hongos filamentosos, cultivados en

condiciones fermentativas apropiadas y controladas que garantizan una adecuada

tasa de crecimiento, por medio del aprovechamiento de sustratos económicos,

enriquecidos con carbono, nitrógeno y fósforo (Jaimez, 1996; Molk et al., 2002;

FAO, 2003; Bustamante et al., 2003; Israelidis, 2003; Pelizer et al., 2003).

La proteína unicelular ha sido utilizada como concentrado proteico en la

formulación de alimentos balanceados principalmente aves y cerdos, y como

sustituto de leche para becerros. Existe gran cantidad de información disponible

en relación con la composición de células microbiana, incluyendo proteínas,

aminoácidos, vitaminas (especialmente de complejo B) y minerales.

Puesto que el valor nutricional y la seguridad desde el punto de vista toxicológico

depende factores complejos como tipo de microorganismos empleado,

condiciones de cultivo, presencia de contaminantes en las materias primas y otros,

la evaluación final de la calidad de estas proteínas debe de establecerse en

pruebas de alimentación animal, para determinar su conversión alimenticia,

digestibilidad y valor biológico (BV). Por sus características nutricionales, la

proteína unicelular puede jugar un papel importante en la producción pecuaria,

pero su producción ha sido limitada; la restricción para su producción son de tipo

económico más que tecnológico.

Por lo que se refiere al empleo de la proteína unicelular en la alimentación

humana, los autorizados y extractos de levadura tienen actualmente una

aplicación industrial y un mercado establecido, siendo un mercado potencial

15

Page 16: Reporte Final

activo, debido a la tendencia para sustituir los productos químicos por productos

naturales.

La biomasa de levadura se cultiva en una variedad de compuestos energía-

rendimiento de carbono y fosfato y fuentes de nitrógeno en lote aeróbico y

sistemas continuos de cultivo. Durante el crecimiento de la levadura en el proceso

fed-batch, la adición de azucares que contiene el medio, usualmente son melazas

diluidas medibles que incrementan o minimizan la acumulación de etanol.

Esto es un sistema flexible, adecuados para pequeños y grandes fermentadores

[arriba de 60,000 galones (225m3)] y permite fácilmente la conmutación para

alternar con los sustratos y cultivos de levadura. La Biomasa por lo tanto es la

materia orgánica que puede usarse como una fuente de energía por sus

componentes químicos.

1.2.1 Importancia

Los microorganismos tales como algas, bacterias, levaduras y hongos han sido

considerados como fuentes de proteínas. El cultivo de microorganismos por su

valor nutricional se inició a finales de la Primera Guerra Mundial. Los alemanes

desarrollaron un cultivo de levaduras para su uso en los animales y las dietas

humanas. El término "levadura forrajera" fue acuñado (Braude, 1942; Weitzel y

Winchel, 1932; Schulein, 1937).

Después de la Segunda Guerra Mundial, su producción con las pentosas en licor

de sulfito se desarrolló en los EE.UU., y así mismo otros procesos de sustratos de

carbono se han venido desarrollando en el Reino Unido y se han venido utilizando

en la actualidad, tales como la melaza, pulpa de café, semilla de la palma y

Palmira, entre otros.

El interés en la producción de biomasa microbiana como alimento y forraje se

intensificó después de la década de 1950 y alcanzó su punto máximo hacia 1977.

El término "proteína unicelular (SCP)" fue inventado, y mucha información sobre

estos procesos se han publicado en un gran número de revistas (cf. Bibliografía).

Las características más importantes resultantes de la investigación de CPS se han

referido a los siguientes temas:

Page 17: Reporte Final

La diversidad de los sustratos utilizados y de su catabolismo (sustrato

renovable, masa fósil);

Selección y mejora genética de una gran variedad de microorganismos.

Los diversos microorganismos utilizados para la producción de biomasa y las vías

metabólicas implicados en el catabolismo de sustrato se han ido describiendo en

artículos citados; así como también aspectos fisiológicos, parámetros de

crecimiento, requerimientos nutricionales y la influencia de los parámetros

fisicoquímicos en diferentes procesos de distintos tipos de cultivo microbiano.

1.2.2 Microorganismos usados para la producción de biomasa.

La biomasa microbiana es el componente más activo del suelo, forma parte del

“pool” de la materia orgánica y cumple una función muy importante en el humus,

ya que interviene en los procesos de mineralización de nutrientes (Duchaufour,

1984), una vez muertos ponen a disposición de otros microorganismos y de las

plantas los nutrientes contenidos en los restos microbianos (Jenkinson y Ladd,

1981) y, por otro lado, también participan en la inmovilización. Así, los ciclos de

algunos nutrientes mayoritarios, como el carbono, demuestran que la biomasa

microbiana es clave en la dinámica de los nutrientes esenciales en el sistema

edáfico; por ello, algunos autores afirman que la biomasa microbiana y su

actividad en el suelo puede ser empleada como índice de comparación entre

sistemas naturales o como indicador de las variaciones sufridas en el equilibrio de

un suelo debido a la presencia de agentes nocivos o su manejo productivo (Doran

et al., 1994).

Los parámetros microbiológicos, y por lo tanto bioquímicos, sirven para indicar

posibles cambios netos en el equilibrio del suelo que no podrían detectarse con

métodos tradicionales (Brookes, 1985; Doran et al., 1994; García y Hernández,

2000). Algunos autores (Nannipieri, 1984; Brookes, 1985; Doran et al., 1994)

recomiendan indicadores sencillos de medir y de interpretar. Los más comunes

que se utilizan son, entre otros, la biomasa microbiana, la respiración del suelo y

las relaciones con la materia orgánica y el estado fisiológico del suelo, donde se

ve involucrada la energía en los procesos orgánicos.

17

Page 18: Reporte Final

Tabla 1.8 .Contenido de aminoácidos esenciales de microorganismos de interés

para la producción de biomasa (Litchfield, 1979; Bose et al, 1992).

Algunas fuentes de proteínas importantes involucradas por algunos

microorganismos para la producción de biomasa son las levaduras que utilizan

diversos tipos de sustratos para producir altas concentraciones que sirven para

producir una serie de materiales orgánicos consumidos por los seres vivos,

algunos otros se mencionan en la tabla 1.8

1.3 Levaduras

Las levaduras son microorganismos eucariotas clasificados en el reino fungi, con

1,500 especies descritas actualmente, son unicelulares y algunas especies con

formas de levadura pueden llegar a ser multicelulares mediante la formación de

una cadena de conexiones de células conocidas como pseudohifas, o hifas

falsas, como se observa en la mayoría de los moldes.

Page 19: Reporte Final

El tamaño de una levadura puede variar mucho dependiendo de la especie,

típicamente la medición es de 3 a 4 micras en diámetro, aunque algunas de ellas

pueden alcanzar más de 40 micras. La mayoría de las levaduras se reproducen

asexualmente mediante mitosis, y muchos lo hacen por un proceso de división

asimétrica llamado gemación.

Por fermentación, la especie de la levadura Saccharomyces cerevisiae convierte

los carbohidratos a dióxido de carbono y alcoholes. Durante miles de años el

dióxido de carbono se ha utilizado en la cocción y el alcohol en las bebidas

alcohólicas. También es un organismo modelo centralmente importante en la

investigación moderna de la biología celular, y es uno de los microorganismos

eucariotas más investigados a fondo. Los investigadores la han utilizado para

recopilar información sobre la biología de la célula eucariota y la biología humana

en última instancia. Otras especies de levaduras, tales como Candida albicans,

son patógenos oportunistas y pueden causar infecciones en seres humanos.

Las levaduras se han utilizado recientemente para la producción de etanol como

biocombustible industrial, a pesar de ser utilizadas también para la obtención de

otros productos importantes manufacturados en todo el mundo. Las levaduras no

forman una sola agrupación taxonómica o filogenética y su término se toma a

menudo como sinónimo para Saccharomyces cerevisiae, pero la diversidad

filogenética de estas se muestra por su colocación en dos filos separados:

Ascomycota y Basidiomycota. Las levaduras en ciernes o levaduras ("verdaderas")

se clasifican en las órdenes Saccharomycetales.

1.3.1 Principales levaduras industriales y su uso

De las 349 especies de levaduras descritas por taxonomistas solo un grupo (tabla

1.9) son de importancia económica (Loder, 1970). En este grupo de levaduras

destacan las cepas versátiles de Saccharomyces cerevisiae usados

universalmente en alimentos, relacionadas en la producción de fermentaciones y

bebidas. Para la biosíntesis de proteínas, sin embargo, la producción de Candida

utilis está creciendo relativamente, principalmente proporcionando biomasa seca

19

Page 20: Reporte Final

(no fermentada) como grandes suplementos para la formulación de alimento de

ganado.

Tabla 1.9 Especies de levaduras comúnmente usadas a nivel industrial

1.4 Género Saccharomyces cerevisiae

Género que fue propuesto por primera vez por Meyen ex E.C. Hansen en el año

1883. Saccharomyces cerevisiae es una especie de levadura, tal vez la más útil,

después de haber sido fundamental para la vinificación, cocción y elaboración de

la cerveza desde la antigüedad. Se cree que fue aislada originalmente de la piel

de la uva (se puede ver la levadura como un componente de la delgada película

blanca sobre la piel de algunas frutas de color oscuro tales como ciruelas, sino

que existe entre las ceras de la cutícula). Es uno de los organismos eucariotas

más intensamente estudiados como modelo molecular en biología celular (Figura

1.3), como el modelo de la bacteria de Escherichia coli (Brock T.D., Smith, D.W. y

Madigan, 1897).

Page 21: Reporte Final

Figura 1.3 Levadura de la especie Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae es el microorganismo detrás del tipo más común de

fermentación, sus células son de redondas a ovales, de 5-10 micras de diámetro,

se reproduce por división de un proceso conocido como ciernes, es uno de los

modelos más adecuados para el estudio de problemas biológicos, es un sistema

eucariota, con una complejidad sólo ligeramente superior a la de la bacteria pero

que comparte con ella muchas de sus ventajas técnicas. Además de su rápido

crecimiento, la dispersión de las células y la facilidad con que se replican cultivos y

aíslan mutantes, destaca por un sencillo y versátil sistema de transformación de

ADN. Por otro lado, la ausencia de patogenicidad permite su manipulación con las

mínimas precauciones.

S. cerevisiae es un sistema genético que, a diferencia de la mayoría de los otros

microorganismos, presenta dos fases biológicas estables: haploide y diploide. La

fase haploide permite generar, aislar y caracterizar mutantes con mucha facilidad,

mientras que en la diploide se pueden realizar estudios de complementación. Una

ventaja adicional de este microorganismo consiste en que se conoce la secuencia

completa de su genoma y se mantiene en constante revisión. Ello ha permitido la

manipulación genética de los casi 6600 genes que codifica el genoma de levadura,

el uso extensivo de micromatrices de ADN para investigar el transcriptoma y

estudios a escala genómica de, entre otros muchos aspectos, la expresión génica,

localización de proteínas y la organización funcional del genoma y el proteoma.

21

Page 22: Reporte Final

Por estas razones, S. cerevisiae se ha convertido en una importante herramienta a

gran escala de análisis de genómica funcional (Freedman B.A. 1998).

Las utilidades industriales más importantes de esta levadura son la producción de

cerveza, pan y vino, gracias a su capacidad de generar dióxido de carbono y

etanol durante el proceso de fermentación. Básicamente este proceso se lleva a

cabo cuando esta levadura se encuentra en un medio muy rico en azúcares (como

la D-glucosa). En condiciones de escasez de nutrientes, la levadura utiliza otras

rutas metabólicas que le permiten obtener un mayor rendimiento energético, y por

tanto no realiza la fermentación. Desde el punto de vista científico, este

microorganismo se ha empleado como modelo simple de la célula eucariota. Esto

se debe a una serie de ventajas como su facilidad de cultivo y su velocidad de

división celular (Lewin, B. 2001).

1.4.1 Requerimientos nutricionales

Todas las cepas de S. cerevisiae puede crecer aeróbicamente en glucosa, maltosa

y trehalosa y dejan de crecer en lactosa y celobiosa. Sin embargo, el crecimiento

en otros azúcares es variable. Galactosa y fructosa se demuestra que son dos de

los mejores azúcares de fermentación. La capacidad de las levaduras para utilizar

diferentes azúcares puede diferir dependiendo de si se cultivan aeróbicamente o

anaeróbicamente. Algunas cepas no pueden crecer anaeróbicamente en sacarosa

y trehalosa.

En todas las cepas se pueden utilizar amoniaco y urea como la única fuente de

nitrógeno, pero no se puede utilizar nitrato, ya que carecen de la capacidad para

reducir los iones de amonio. También pueden utilizar más aminoácidos, pequeños

péptidos, y las bases de nitrógeno como fuente de nitrógeno. La Histidina, glicina,

cistina, y lisina son, sin embargo, no utilizadas. S. cerevisiae no excretan

proteasas, de manera que la proteína extracelular no puede ser metabolizad

Page 23: Reporte Final

Las levaduras también tienen un requisito de fósforo, que se asimila como ion

dihidrógeno fosfato, y azufre, que puede ser asimilado como un sulfato de iones o

como compuestos de azufre orgánicos tales como los aminoácidos metionina y

cisteína. Algunos metales, como el magnesio, hierro, calcio, y zinc, también son

necesarios para un buen crecimiento de la levadura.

1.4.2 Factores fisicoquímicos

La levadura Saccharomyces cerevisiae crece en una serie de fermentadores.

Estos fermentadores son operados bajo condiciones aeróbicas (en presencia de

oxígeno libre o exceso de aire) de 0.6 a 0.9 v.v.m, (puesto que bajo condiciones

anaeróbicas (limitación o ausencia de oxígeno) los azúcares fermentables son

consumidos en la formación de etanol y dióxido de carbono, lo cual resulta en

bajos rendimientos de levadura. Este proceso de fermentación aeróbico es

exotérmico, lo cual implica que el fermentador debe ser enfriado para mantener la

temperatura bajo 30ºC, mediante agua de refrigeración, consiguiendo así la

temperatura óptima de crecimiento (Fajardo y Sarmiento, 2007)

La cantidad y tipo de melaza que se utiliza depende de la disponibilidad de cada

tipo de melaza, los costos, y la presencia de inhibidores y toxinas. Generalmente,

en la fermentación se utiliza una mezcla de los dos tipos de melaza. Una vez que

se mezclan, se ajusta el pH entre 4.5 y 5.0 porque una mezcla alcalina promueve

el crecimiento de bacterias. El crecimiento de bacterias ocurre bajo las mismas

condiciones que el crecimiento de la levadura, y esto hace que el monitoreo del pH

sea muy importante.

La melaza es clarificada, con el fin de eliminar cualquier impureza; luego el mosto

(melaza clarificada y diluida con el pH ajustado) se esteriliza con vapor a alta

presión. Después de la esterilización, se diluye con agua y se mantiene en un

estanque hasta que se necesite en el proceso de fermentación

23

Page 24: Reporte Final

La etapa inicial del crecimiento de la levadura tiene lugar en un laboratorio. Una

porción de cepas de levadura (levadura madre) se mezcla con el mosto de la

melaza en frascos esterilizados, y se deja crecer por 2 a 4 días. La fermentación

del cultivo puro se realiza en fermentadores normalmente de tipo batch donde la

levadura crece por un período de 13 a 24 horas (Campbell M, Shawn O. Farrell,

1986)

La etapa final de la fermentación tiene el grado de aireación más alta, y se

incrementa la alimentación de melaza y nutrientes. Esta etapa tiene una duración

que varía entre 11 y 15 horas. Después que toda la melaza y los nutrientes son

adicionados, el líquido es aireado por un período adicional de 0.5 a 1 hora para

permitir la total maduración de la levadura, permitiendo así una mayor estabilidad

para el almacenamiento refrigerado.

1.5 Cinética de microbiana

"El crecimiento de células, microorganismos, células vegetales y animales, puede

mirarse bajo dos aspectos o tipos de crecimiento reproductivo.

a) Células individuales o población de células en crecimiento sincronizado

para estudio del ciclo de vida celular. Procesos en laboratorio.

b) División estocástica de la población, o división al azar.

La división celular se efectúa luego de un aumento en el tamaño de la célula,

duplicación del núcleo, división celular, división citoplasmática (salva los

organismos cenóticos). De ésta manera una célula da nacimiento a dos células

hijas de tamaño idéntico y conteniendo los mismos elementos estructurales y

potencialidades.

En el caso de las levaduras, y otros microorganismos, se presenta una variante

que es la gemación o botón. Se forma una pequeña protuberancia que aumenta

Page 25: Reporte Final

progresivamente de tamaño, luego se produce la división en el núcleo y migra

hacia el botón. Finalmente crece hasta un tamaño suficiente y posteriormente se

separa formando otra célula idéntica a la madre. Las células hijas, sin importar el

procedimiento de división celular, deben heredar todo el potencial genético y son

idénticas." (Muñoz A, 1997).

1.5.1 Medición del crecimiento microbiano

El cálculo del número de células que existen en una suspensión se puede llevar a

cabo mediante el recuento celular (microscopía, número de colonias), masa

celular (peso seco, medida del nitrógeno celular, turbidimetría) o actividad celular

(grado de actividad bioquímica con relación al tamaño de la población). Todos

estos métodos se clasifican en dos apartados: métodos directos y métodos

indirectos.

Métodos directos:

• Recuento del número de células en una cámara

• Peso seco celular

• Determinación de nitrógeno o de proteínas totales

• Determinación de DNA

Métodos indirectos:

• Recuento de colonias en placa

• Recuento sobre filtro de membrana

• Consumo de oxígeno

• Liberación de dióxido de carbono

• Concentración de un enzima constitutivo

• Decoloración de un colorante

• Incorporación de precursores radiactivos

• Medida de la turbidez

25

Page 26: Reporte Final

No existe necesariamente una relación proporcional entre la biomasa y el número

de células, esta relación es más compleja para los microorganismos que crecen

formando agregados o ramificaciones (cultivos miceliales). En el caso de cultivos

miceliales (hongos, actinomicetos), los microorganismos pueden desarrollarse en

forma difusa en toda la masa de líquido o en forma discreta adoptando la forma

esférica (pellets).

La biomasa y el número de células que interesan determinar son los

correspondientes a los microorganismos activos, aquellos que realmente

participan en el bioproceso, no todos los microorganismos vivos o medidos como

viables están realmente activos. La actividad microbiana se mide por la velocidad

para realizar la transformación de interés por cantidad de microorganismos

presentes en el sistema considerado (velocidades específicas). La biomasa que

debiera usarse en las ecuaciones que describen y cuantifican procesos

microbianos es la “biomasa activa”. En la práctica, se mide la masa celular total y

paralelamente se hacen de medidas de viabilidad o actividad celular.

1.6 Biorreactores

Un biorreactor o fermentador es un dispositivo biotecnológico que debe proveer

internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la producción y el

crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte biológica. Externamente el

biorreactor es la frontera que protege ese cultivo del ambiente externo:

contaminado y no controlado

Es un sistema, tal como una cámara de fermentación grande, que puede contener

organismos en crecimiento, tales como bacterias o levaduras en condiciones

controladas. Los biorreactores se utilizan en la producción biotecnológica de

sustancias tales como productos farmacéuticos, anticuerpos, o vacunas, o para la

bioconversión de residuos orgánicos (Houghton Mifflin Company, 2010).

Page 27: Reporte Final

El también conocido como fermentador o reactor, es un recipiente donde se lleva a

cabo el proceso de fermentación. Su función principal es mantener el medio y el

microorganismo en las condiciones adecuadas para lograr la mayor producción de

los compuestos de interés. Es deseable que un fermentador cumpla con una serie

de requisitos, entre los que se encuentran:

Un consumo bajo de energía

Capacidad para mantener un mezclado uniforme del medio de cultivo y el

microorganismo, con el mínimo de variaciones durante su operación.

Adaptación fácil a diferentes procesos.

Precio de acuerdo con las características del fermentador.

Transferencia de calor buena

Sistema de mezclado que mantenga los microorganismos separados entre

ellos para evitar un daño mecánico de las células.

Diseño mecánico simple.

Controles de pH, oxígeno disuelto y la temperatura

Facilidad en la toma de muestras.

Sistema de eliminación de calor.

Diseño que permita mantener condiciones de asepsia durante el proceso.

1.6.1 Tipos de fermentadores

Existen muchos tipos de reactores; cada uno se encuentra diseñado de manera

que pueda adaptarse a las condiciones de operación necesarias para optimizar la

producción del compuesto de interés. Los más utilizados son:

El matraz erlenmeyer

El reactor del tanque agitado

El reactor de elevación con aire, comúnmente conocido por su nombre en

inglés, airlift.

El reactor de disco rotatorio

Un ejemplo de ellos se observa en la figura 1.4 y 1.5

27

Page 28: Reporte Final

Figura 1.4 Biorreactor de tipo tanque

agitado Figura 1.5 Biorreactor tipo air-lift

1.6.2 Escalamiento de un proceso de fermentación

El escalamiento involucra el estudio de los problemas asociados a transferir la

información obtenida en el laboratorio (ml) y desde escala de planta piloto (litros) a

escala industrial (m3). Las condiciones de producción a pequeña escala no son,

por lo general, extrapolables a la escala industrial, debido a que la fluido dinámica

del sistema, los procesos de transporte y el comportamiento celular son diferentes.

Por ello, se aplica un proceso gradual, manteniendo una velocidad de

transferencia de oxígeno constante, así como la potencia consumida por unidad

de volumen, al tiempo que el tamaño del cultivo se va aumentando en proporción

1:10

En cada una de las etapas de escalamiento se evalúan algunos aspectos del

proceso:

1. Escala de laboratorio se llevan a cabo:

• La selección de cepas

• Estudios básicos de cinéticas de crecimiento

• Selección del medio, etc.

Page 29: Reporte Final

2. Planta piloto se optimizan las condiciones de operación

• Forma de operación

• flujos, presiones

• Temperaturas

• velocidades de agitación, etc.

3. Escala industrial se lleva a cabo la producción del producto de interés a niveles

rentables.

1.6.3 Criterios de escalamiento

Algunas de las correlaciones para el coeficiente de transferencia de masa y las

variables de diseño se siguen determinando los criterios de diseño.

• Cuando una fermentación se aumenta de escala, es importante que en la

escala mayor se utilice el valor de KLa óptimo encontrado en la escala más

baja.

• El conocer los valores potencia que se le suministra al biorreactor va a

perimir mantener y controlar el nivel de agitación. Al momento de aplicarlo

se debe tener cuidado de no sobrepasar los límites tanto de esfuerzo de

corte máximo y nivel de trasferencia de oxígeno mínima.

• El conocimiento detallado la variable del esfuerzo de corte, permite

mantener el nivel de agitación adecuado y óptimo. Esta variable deber ser

simple y evaluada en cualquier momento dado que se puede estar

trabajando con microorganismos que no resistan esfuerzos de corte

mayores que los establecidos. Debe prevalecer este criterio.

• El conocer un adecuado número de Reynolds, asegura un nivel de agitación

adecuado ya que indica si el régimen del fluido es turbulento o laminar.

• La tasa de bombeo F/V (flujo de aire/ volumen del líquido) asegura una

adecuada aireación del sistema, lo cual no asegura una adecuada

transferencia de oxígeno, por lo cual se debe verificar en el proceso.

Algunas de las ecuaciones basadas en estos enunciados se basan en la tabla

1.10 de criterios de escalamiento.

29

Page 30: Reporte Final

Tabla 1.10. Relación de criterios de escalamiento que se usan generalmente en

biorreactores (Biochemical Engineering, 2007).

1.6.4 Geometría

Generalmente, los fermentadores se construyen de vidrio o de acero inoxidable

generalmente, a base de hierro, níquel y cromo; el más usado para biorreactores

es el 316 L. A escala de laboratorio, su volumen oscila desde uno hasta cincuenta

litros y, a escala industrial, pueden llegar hasta los trescientos mil litros, el volumen

de trabajo es, aproximadamente el 80% del volumen total. La geometría estándar

de un reactor es cilíndrica, y se debe tener en cuenta la efectividad de la mezcla y

las consideraciones estructurales (Biochemical Engineering, 2007c).

A continuación en la figura 4 se muestra un esquema de las dimensiones

utilizadas en diseño del tamaño de un fermentador y en la tabla 8 se relacionan las

dimensiones que generalmente se caracterizan para varios tipos de biorreactores.

Page 31: Reporte Final

Figura 1.6. Esquema de las dimensiones de un biorreactor (Biochemical

Engineering, 2007c).

El cálculo de las dimensiones de un reactor, dado que la mayoría de los reactores

tienen forma cilíndrica, puede llevarse a cabo aplicando las relaciones mostradas

en el figura 1.6 complementadas con la fórmula de dimensiones para determinar el

volumen del cilindro:

V= πr^2 h

Donde V es el volumen, π es la constante Pi, r es el radio del cilindro, y h la altura

del cilindro.

La tabla 1.11 muestra la relación de dimensiones que se usan generalmente en

biorreactores

31

Page 32: Reporte Final

Relación Valores típicos Observaciones

Volumen de trabajo Vs.Volumen del tanque 0.7 a 0.8

Ecuación

Altura del líquido en el reactor Depende de la cantidadVs. Altura del reactor 0.7 a 0.8 de espuma producida en la

Ecuación fermentación

Diámetro Vs. Altura delreactor 1 a 0.3

Ecuación

Diámetro del agitador Vs La turbina Rushton es generalmenteDiámetro del tanque. 0.3 a 0.5 1/3 del diámetro del tanque.

Ecuación Agitadores axiales son más largos.

Diámetro de deflectores Vs. 0.08 a 0.1Diámetro del tanque Ecuación

Alto de la paleta del agitador 0.2Vs. El diámetro del agitador Ecuación

Ancho de la paleta del 0.25agitador Vs. El diámetro del Ecuaciónagitador

Tabla 1.11 Relación de dimensiones que se usan generalmente en biorreactores

(Biochemical Engineering, 2007).

El cálculo de las dimensiones de un reactor, dado que la mayoría de los reactores

tienen forma cilíndrica, puede llevarse a cabo aplicando las relaciones mostradas

en el cuadro anterior complementadas con la fórmula para determinar el volumen

del cilindro:

V= πr2 h

Page 33: Reporte Final

Donde V es el volumen, π es la constante Pi, r es el radio del cilindro, y h la altura

del cilindro.

1.6.5 Instrumentación y Control de un fermentador

Para llevar a cabo durante la fermentación medidas para el análisis de datos y el

control del proceso se han desarrollado sensores especiales para biorreactores

que difieren en cierto modo de los de las industrias químicas:

1) Todos los sensores localizados en el área estéril deben ser esterilizables.

2) Algunos sensores deben estar específicamente adaptados a las necesidades

bioquímicas.

Los parámetros físicos y químicos que se indican en la Tabla 9 pueden ser

medidos directamente en muchas plantas piloto o fermentadores de producción o

pueden ser medidos “in situ” en el laboratorio.

Fuente: (ITESCAM, 2010)

Los parámetros biológicos que se indican deben ser medidos fuera del

fermentador, con la excepción de la medida del NADH2 que puede ser medido “in

situ” por métodos fluorescentes. Existen interesantes novedades en el campo de

33

Page 34: Reporte Final

los electrodos enzimáticos, los denominados biosensores. Tales sensores, sin

embargo, no pueden ser esterilizados.

Un procedimiento normal es determinar en el aire que entra y que sale el O2 y el

CO2 por separado mediante las propiedades paramagnéticas del O2 y el espectro

de absorción en infrarrojos del CO2. Los sensores para medir estos gases están

bien desarrollados y funcionan con pocas interrupciones. Pero el espectrómetro de

masas es más versátil, ya que puede medir también N2, NH3, metanol y etanol

simultáneamente, así como dar información cuantitativa y cualitativa sobre el

intercambio de O2 y CO2. Mediante el uso de membranas permeables a los gases

es posible medir los gases disueltos en el medio nutritivo. Se han desarrollado

instrumentos que analizan hasta 8 gases simultáneamente en la fermentación.

Es fácil encontrar equipos para la medida precisa del pH. Existen combinaciones

de electrodos (electrodos de cristal, electrodo de referencia y compensador de

temperatura en una sola mitad) capaces de soportar las temperaturas de

esterilización y las tensiones mecánicas o debidas a la presión. El tiempo de

respuestas y la sensibilidad de estos electrodos son satisfactorios para los

requerimientos normales de los fermentadores.

Los ordenadores pueden facilitar el control y análisis de un conjunto de funciones

en los procesos de fermentación:

1. Optimización mediante ordenador.

Los ordenadores se utilizan en el salto de escala y evalúan los parámetros de la

fermentación y miden los efectos de parámetros individuales sobre el

comportamiento metabólico de los cultivos.

2. Control mediante ordenador.

Los ordenadores pueden controlar los procesos de fermentación. El control “in

situ” de la fermentación se utiliza ampliamente por muchas compañías a escala de

producción.

La aplicación de ordenadores en biotecnología se utilizan primariamente para la

adquisición de:

a. Adquisición de datos

b. Análisis de datos

Page 35: Reporte Final

c. Desarrollos de modelos de fermentación

CAPITULO II

METODOLOGIA

Este trabajo se realizó en el Laboratorio de Microbiología del Instituto Tecnológico

de Villahermosa (ITVH), forma parte de un proyecto para poner en marcha y

operación un biorreactor que se encuentra ubicado en el mismo laboratorio.

35

Page 36: Reporte Final

2.1 Traducción del Manual

La traducción del manual tuvo como intención servir de consulta, el cual fue de

gran utilidad para el presente trabajo.

Esta traducción se hizo en conjunto con ayuda de alumnos de las carreras de

Ingeniería en sistemas computacionales e Ingeniería Bioquímica.

2.2 Etiquetado

Una de las formas para poder familiarizarse con este equipo y hacer de una

manera más fácil su uso fue etiquetar cada una de las partes que integran el

equipo, desde su base y accesorios así como también el panel frontal y trasero de

los 5 módulos que conforman el biorreactor, apoyándome en el manual del

biorreactor.

2.3 Ensamblado

El ensamblado se realizó en el Laboratorio de Microbiología del Instituto

Tecnológico de Villahermosa, localizado en la ciudad de Villahermosa, Tabasco

siguiendo la guía de operaciones del MANUAL No. M1273-0054 BioFlo 110

Modular Benchtop Fermentor elaborado por la compañía fabricante New

Brunswick Scientific Co., Inc.

Tomándose en cuenta los siguientes puntos:

• Preparación del área de localización

• Instalación de los 5 módulos del biorreactor

• Colocación de la base del recipiente

• Esterilización de todos los componentes añadidos a la placa del cabezal

• Instalación del recipiente (7.5 litros)

• Instalación de la placa cabezal

Page 37: Reporte Final

• Instalación de la manta de calor

• Instalación del deflector

• Instalación del impulsor

• Instalación del serpentín de enfriamiento

• Instalación del aspersor

• Instalación del tubo recolector

• Instalación del tubo de muestreo

• Instalación del termopozo

• Instalación de la sonda de espuma

• Instalación del tubo escape de espuma

• Instalación de la sonda de nivel

• Instalación de los tubos de adición

• Instalación de la sonda de pH

• Instalación de la sonda de oxígeno disuelto

• Instalación del condensador de escape

• Instalación del muestreador

• Instalación de la trampa de espuma

• Conexión de los puertos no utilizados

• Instalación del motor de agitación

• Instalación del rotámetro

• Instalación de la bomba de aire (5 galones)

• Instalación del sistema del líquidos de adición

• Conexión eléctrica y,

37

Page 38: Reporte Final

• Conexión de agua

2.4 Puesta en marcha del biorreactor

1. Se conectó el biorreactor a una fuente de energía usando el cable

apropiado para la Unidad de Control de Procesos del equipo.

2. Se llenó el recipiente del biorreactor a un volumen de 5 litros de agua

3. Se encendió el equipo y se visualizó que las luces de encendido

permanecieran activas

4. Se inició la operación del tablero, seleccionando el idioma en español en la

pantalla de la Unidad de Control de procesos

5. Se colocó la manta de calor alrededor de la jarra y se programó 121°C para

iniciar la esterilización de la jarra y los accesorios colocados en la placa

cabezal como son: el deflector, el impulsor, el serpentín de enfriamiento, el

aspersor, el tubo recolector, el tubo de muestreo, el termopozo, la sonda de

espuma, el tubo de escape de la espuma, las sondas de nivel y el tubo de

adición.

6. Se coloca una bomba de aire de 5 galones, la cual le da oxígeno al medio y

que va conectada al rotámetro para poder controlar la entrada de aire.

7. Al sensor del dióxido de oxígeno se le añadió el líquido electrolito en el

recipiente que cubre la membrana del tubo del sensor, tal como lo indica el

manual, manteniendo su monitoreo, este no fue colocado hasta después de

agregar el medio en la siguiente prueba.

8. Se inició la esterilización de la jarra y demás accesorios sin los sensores de

pH y DO2, dejando un puerto de uno de los recipientes de la placa del

cabezal abierto, y un adaptador de rosca fijo por sujeción, envolviendo los

filtros con una capa protectora de papel de aluminio al igual que las sondas

y los demás adaptadores con sus respectivos rodamientos y empaques.

Page 39: Reporte Final

9. Se calibró el sensor de pH en dos soluciones amortiguadoras desde el

biorreactor, monitoreándose desde la pantalla, dejándose listo para la

siguiente prueba.

2.5. Materiales y Equipos

• Microorganismo de trabajo: Saccharomyces cerevisiae

• Matraces Erlenmeyer estériles de 250 ml y 1000 ml

• Recipientes de licuadoras estériles

• Licuadora

• Espátulas estériles

• Cajas de Petri estériles, de 15 x 100 mm, de vidrio o de plástico

desechables

• Pipetas estériles de 1 ml (con graduaciones de 0.01 ml), de 5 y 10 ml (con

graduaciones de 0.1 ml)

• Micropipetas con puntas (estériles)

• Asa bacteriológica

• Tubos de ensayo con tapón (estériles) de 16 x 150 mm y 20 x 150 mm

• Gradillas para tubos de ensayo

• Magnetos para agitación

• Algodón

• Cubre objetos

• Cámara de Neubauer

• Probetas estériles de 100 ml

• Vasos de precipitado de 250 ml

39

Page 40: Reporte Final

• Tiras reactivas de pH

• Papel estraza

• Papel aluminio

• Parafilm

• Cinta testigo y adhesiva

• Pinzas

• Guantes

• Autoclave ( 121 °C durante 15 minutos )

• Refrigerador de laboratorio, 4 ± 2 °C

• Horno para esterilizar (160°C por 2 horas ó 180 °C durante 1 hora)

• Balanza granataria: 2000 g de capacidad, sensibilidad de 0.1 g

• Balanza analítica

• Mecheros Bunsen

• Microscopio óptico

• Refractómetro Atago (0-20% o 0-32%)

• Peachímetro digital

• Espectrofotómetro

• Agitador de laboratorio

• Agitador Vórtex

• Biorreactor de 7.5 L de capacidad

• Bomba de aire para peces (5 galones)

• Embudos

Page 41: Reporte Final

2.6 Medios

2.6.1 Medios para la purificación de las cepas de levadura

Los criterios de selección primaria son los aspectos visibles como morfología

colonial y microscópica, halos de víveres de indicadores de pH, halos de hidrólisis

de sustratos y en cualquier alteración física o química del medio que implique el

crecimiento y actividad microbiana o bien el desarrollo o inhibición de

microorganismos de prueba; en ocasiones solo el crecimiento de los

microorganismos en medios altamente restrictivos, constituye el único criterio de

selección primaria. El objetivo en este punto fue que a partir de una fuente natural

se pudiera realizar el aislamiento y la selección primaria de tres Levadura

comerciales de panificación para la producción de biomasa y/o proteína, utilizando

los materiales y métodos adecuados para su preparación (Tabla 10), en un Medio

sólido para el crecimiento de levaduras.

Tabla 2. Medios para la preparación de la cepa de levadura

COMPONENTE CANTIDADInfusión de papa 200.0 mLdextrosa 20 g/LAgar Bacteriológico 15.0 g/LAgua 1 litro

Método:

Se adicionaron 39 g del medio PDA en un litro de agua purificada calentando con

agitación suave hasta su completa disolución y homogenización, la muestra se

mantuvo así durante un minuto. Finalmente se esterilizo en una autoclave a 121 °

C (15 libras de presión) durante 15 minutos para después enfriar a una

temperatura de 45-50 °C vaciándolo en cajas de Petri estériles logrando así la

purificación de cada una de las cepas.

41

Page 42: Reporte Final

2.6.2 Medios de cultivos para el arranque

Los medios para la elaboración del inóculo que se utilizaron tanto para las

pruebas de arranque como para el objetivo final fueron: la melaza de caña y el

jugo del banano de rechazo.

a. Preparación de la melaza de caña como sustrato para la producción de la

cepa de Saccharomyces cerevisiae fue proporcionada por el laboratorio de

Microbiología industrial ya que es frecuente su uso para diversas prácticas,

utilizándolo como sustrato para el crecimiento de diferentes

microorganismos, ya que es una fuente importante de azúcares. A

continuación se presenta en la siguiente tabla los componentes y el

volumen utilizados durante el desarrollo del presente trabajo con el uso de

un biorreactor.

Tabla 2.1. Composición del medio de melaza de caña utilizada para la

fermentación.

Componentes CantidadMelaza de caña 1.0204 kg

Extracto de levadura 25 gSulfato de Magnesio 3.0 g

Sulfato de Manganeso 0.15 gAgua destilada (cbp) Completar el litro

Page 43: Reporte Final

La concentración de melaza de caña seleccionada se pesó y se disolvió en agua

esterilizada hasta alcanzar un volumen total de 5000 ml, se calentó y agitó hasta

su completa disolución y homogenización. Posteriormente se esterilizó por 20

minutos a 15 libras de presión en una autoclave dejándose enfriar por una hora y

finalmente se le adicionaron las sales especificadas en la tabla anterior.

b. Elaboración de macerado con banano de rechazo a partir de la pulpa de

banano de rechazo para la producción de la cepa Saccharomyces

cerevisiae fue obtenido por estrujado y filtrado y ajustado por disolución

con agua destilada utilizando la técnica descrita por Bonilla & González

(2000) para la elaboración de la pulpa de banano utilizada en la

fermentación. A continuación se presenta en la siguiente tabla los

componentes y el volumen utilizados durante el desarrollo del presente

trabajo con el uso de un biorreactor.

Tabla 2.3 Composición del sustrato de banano utilizado como medio de

fermentación.

Componentes CantidadPulpa de banano 1 kg

Extracto de levadura 25 gSulfato de Magnesio 3.0 g

Sulfato de Manganeso 0.15 gAgua destilada Completar el litro

Fuente: López et al., 2004

Método.

Se utilizó banano con grado 7 de maduración o banano de rechazo por

disolución con agua destilada a 23.5 ° Brix ajustando el pH a 4.8- 5.2, el

banano se lavó con agua fría y se escaldó por 10 min con vapor a una

temperatura de 80°C. Posteriormente se peló y se realizó una molienda con

43

Page 44: Reporte Final

una malla de 0.125 pulgadas con lo que se obtuvo una pulpa fina, este

concentrado se puso a baño maría por 10 min a 80 °C dejándose enfriar para

luego ser colocado en matraces de 1000 ml los cuales se esterilizaron en un

autoclave a 121°C/15 lb, para después verterlos en la jarra del biorreactor.

2.6.3 Técnicas fisicoquímicas utilizadas

2.6.3.1 Técnica del Ácido 3,5-dinitrosalicílico (DNS)

Es una técnica de óxido-reducción que se basa en la capacidad de la glucosa para

reducir el ácido 3,5-dinitrosalicílico bajo determinadas condiciones; esta reducción

produce una coloración que se hace más intensa a medida que aumenta la

concentración de azúcares reductores. Se evidencia por medio de la lectura de la

absorbancia en espectofotómetro, lo que conlleva a la aplicación de la Ley de

Beer- Lambert (Miller, 1959).

El fundamento de esta técnica consiste en la oxidación de la glucosa, sin

embargo, la glucosa en solución acuosa se encuentra en su forma cíclica que es

muy estable y por lo tanto, no reacciona. Por esta razón, es necesario calentar la

muestra para que el anillo se abra dejando expuesto el aldehído dando lugar a una

reacción de oxidación como se observa en la Figura 4 (Routh et al., 1990).

Figura 4. Estructura del anillo antes y después de ser sometido a un proceso de calentamiento

(http://www.infoagro.com/viticultura/vino/analisis_vinos5.asp).

Para que se dé la reacción también es necesario proporcionar un medio alcalino;

esto es posible gracias a la adición de NaOH el cual es una base fuerte. En

solución acuosa se ioniza liberando Na+ y OH- al medio, el cual se alcaliniza,

permitiendo la oxidación de la glucosa; en esta oxidación, el carbono del grupo

Page 45: Reporte Final

aldehído se convierte en un ácido carboxílico por la pérdida de hidrógenos y la

ganancia de oxígeno, obteniéndose de esta forma el ácido glucónico; por otro

lado, el ácido 3,5 dinitrosalicílico es reducido gracias a la acción del tartrato de

sodio y potasio y de la oxidación de la Glucosa. Esta técnica fue utilizada para

hacer la preparación en base a los siguientes volúmenes de reactivos (tabla 13),

calculados en base a los fundamentos estipulados por Miller.

Tabla 2.4. Técnica Miller DNS

Agregara a la Mezcla: CantidadAgua destilada 1416 mL3,5 Acido Dinitrosalicílico 10.6 gHidróxido de sodio 19.8 gDisolver sobre, añadir:Sales (tartrato de sodio y potasio) 306 gFenol (a 50° C) 7.6 mLMetabisulfito de Sodio 8.3 g

Autor: Miller 1959

2.6.3.2 Curva Patrón DNS

.A partir de cada una de las soluciones hidrolizadas de sacarosa y en tubos

protegidos por la luz, se procede con el siguiente protocolo para la adición de los

siguientes reactivos que se muestran en la tabla 2.5.

Número de Tubos

1 2 3 4 5 6

Glucosa 0 mL 0.1 mL 0.2 mL 0.3 mL 0.4 mL 0.5 mLAgua Destilada 0.5 mL 0.4 mL 0.3 mL 0.2 mL 0.1 mL 0 mLDNS 1.5 mL 1.5 mL 1.5 mL 1.5 mL 1.5 mL 1.5 mL

Tabla 2.5 Datos obtenidos para realizar la curva patrón de la técnica DNS

Método:

1) En una rejilla se colocaron 6 tubos de ensayo añadiéndoles los reactivos

correspondientes.

2) Se agitaron los tubos en Vórtex.

3) Se llevaron a ebullición a 92ºC durante 5 minutos.

4) Se frenó la reacción con agua fría durante 5 minutos.

5) Se adicionaron 8 mL de agua destilada a cada uno de los tubos.

45

Page 46: Reporte Final

6) Posteriormente se realizaron las determinaciones de absorbancia (540nm)

ajustando el 0 de absorbancia con el blanco de la prueba.

7) Por último, con los datos obtenidos se realiza una curva patrón, para la

determinación de la concentración de azucares reductores.

2.7 Obtención de la cepa Saccharomyces cerevisiae.

Se partió del uso de 3 levaduras liofilizadas comerciales para panificación y se

realizaron los siguientes pasos:

1. Activación de las levaduras comerciales sembrada en PDA

2. Purificación de S. cerevisiae.

3. Mantenimiento de S. cerevisiae.

4. Inoculación del medio de cultivo

2.7.1 Activación de la levadura comercial

Las levaduras liofilizadas comerciales para panificación, S. cerevisiae, se activaron

usando agua estéril. Se esterilizaron 9 tubos de ensayo (16 x 150 ml) con 10 ml de

agua destilada cada uno. A cada tubo se le agregó un inóculo de 1.0 g de levadura

liofilizada de diferente marca en un área protegida de contaminación con

mecheros bunsen. Se colocaron en un baño maría a 35°C por 30 minutos. Se

incubaron en un horno a 28°C por 24 horas, después de los cuales se midió el pH

de un tubo de diferente levadura comercial con un potenciómetro. Finalmente se

tomó una muestra por frotis simple y se observó el crecimiento celular en un

microscopio óptico.

No existió contaminación microbiológica en las muestras, y por lo tanto se realizó

el aislamiento de la levadura S. cerevisiae como se describe a continuación.

2.7.2 Purificación de S. cerevisiae

Page 47: Reporte Final

El aislamiento de la levadura se realizó mediante el empleo de un medio selectivo;

PDA (Gutiérrez y Gómez, 2008; Yegres et al., 2003; Zapata et al., 2002) en esta

etapa se realizó la toma de muestra y siembra en condiciones asépticas.

Del producto obtenido en la etapa (I) se tomó con un asa de inóculo del tubo, se

sembró en PDA por estría y se incubó en una estufa a 28 ºC durante 5 días. Se

observó el crecimiento obtenido.

2.7.3 Mantenimiento de S. cerevisiae

Se tomó una asada de la cepa pura obtenida en la etapa anterior y se sembró

mediante la técnica de estriado en cajas Petri y tubos de ensaye en medio de

cultivo PDA. Los medios inoculados se incubaron a 28 ºC durante 5 días.

Posteriormente, para descartar la posibilidad de contaminación microbiológica, se

realizó la observación del crecimiento obtenido en el microscopio.

2.7.4 Inoculación del medio de cultivo

Se toman las resiembras de tubos inclinados y se procede a pasar 3 asadas a los

10 ml de agua previamente esterilizados. Teniendo ya las suspensiones, se toma

lectura de ellas en un espectrofotómetro obteniendo diferentes absorbencias para

cada una de las muestras

2.8 Pruebas preliminares de fermentación con melaza de caña

2.8.1 Experimentos a nivel biorreactor

El medio de cultivo utilizado para las dos pruebas preliminares fue la melaza de

caña, la cual presentó algunos resultados precisos y determinados en relación a la

puesta en marcha del biorreactor y a la producción de levaduras, siendo así como

posteriormente se pudo trabajar con el medio de cultivo seleccionado para este

trabajo como lo fue el jugo del banano de rechazo.

47

Page 48: Reporte Final

La melaza de caña fue tratada y extrapolada a un Biorreactor (Modelo Bioflo 110

New Brunswick Scíentific Co., Inc) de 7.5 litros de capacidad de acuerdo a la

siguiente metodología:

2.8.2 Activación de la cepa.

Descrita anteriormente en el punto 2.7.1

2.8.3 Preparación del inóculo.

Para obtener una concentración aproximada de 5 x 105 Levaduras /mL; al cultivo

de dos tubos inclinados se le adicionaron 5 mL de agua destilada estéril (para

remover las levaduras del micelio) y de ambas suspensiones de cada tubo se

transfirieron a dos matraces de 200 mL los cuales contenían una dilución de agua

destilada con dextrosa, después ambos matraces se mantuvieron en un agitador

mecánico durante 12 horas a una temperatura de 28°C,posteriomente se contaron

las levaduras en un hemocitometro hasta obtener un promedio de 50 levaduras

entre los cuatro cuadrantes, equivalentes a 5 x 105 Levaduras/mL. Estos matraces

fueron el medio de activación para la melaza de caña que fue utilizada para el

crecimiento de biomasa dentro del biorreactor manteniéndose de la misma forma

un monitoreo constante de su funcionamiento.

2.8.4 Producción de Levaduras

Del cultivo anterior de la solución dextrosa se depositaron IxlO6 levaduras/mL al

Biorreactor de 7.5 litros de capacidad conteniendo 5 litros del medio de cultivo de

melaza de caña manteniéndose una agitación rotatoria y un monitoreo constante

de los lazos de control. Los experimentos con melaza de caña se fueron

realizando sin duplicado.

2.8.5 Condiciones de fermentación.

Page 49: Reporte Final

Para tratar de encontrar una alta concentración y una mayor sobrevivencia de las

levaduras se utilizaron dos combinaciones de aereación y agitación presentados

en la tabla de resultados para ambos medios con un tiempo de proceso

determinado y una temperatura constante. El tiempo de proceso se consideró por

12 horas para obtener una buena concentración de levaduras.

Para controlar la espuma se utilizó el antiespumante tipo "A" de siliconas Dow

Corning al 10%, agregándose durante la fermentación bajo condiciones

necesarias. Durante el proceso de fermentación se colectaron muestras de 10 mL

del Biorreactor cada 3 horas para determinar lo siguiente: ° °Brix, concentración

de levaduras /mL, y pH presentadas en la tabla de resultados; también se tomaron

lecturas del porciento de Oxígeno consumido. Al terminar el proceso se obtuvieron

resultados que se fueron analizando a detalle durante el proceso, determinando

de esta forma nuevas condiciones de uso con el medio de cultivo de jugo de

banano de rechazo.

2.8.6 °Brix

A las muestras colectadas cada 3 horas se les determino la concentración de

Solidos Totales Disueltos (°Brix) con un refractómetro marca Atago HSR-500 ya

que esta considerado como un estándar en la industria, siendo utilizados por las

universidades y profesionales del sector industrial alimentario

2.8.7 Cuenta de Levaduras.

A las muestras colectadas cada 3 horas se les determinó la concentración de

Levaduras/mL, por el método de recuento celular en cámara de Neubauer. De

cada uno de las muestras obtenidas, se tomó 1.0 mL y se diluyó con 9.0 mL de

agua destilada estéril, contenida en tubos de ensaye (dilución 1:10);

posteriormente se efectuaron diluciones de 1:100 y 1:1000. Finalmente se efectuó

un recuento de las levaduras en el hemocitometro y se reportaron Levaduras/mL.

49

Page 50: Reporte Final

2.8.8 Medición de pH

Se mantuvo monitoreando la medición con el potenciómetro del biorreactor a las

muestras colectadas cada 3 horas. En las pruebas con melaza de caña no se

consideró controlar el pH, únicamente fue monitoreado en todo el transcurso del

proceso.

2.8.9 Seguimiento para el control de dO2

La medición se realizó con el mismo sistema del biorreactor que incluye un sensor

de DO2 el cual se iba monitoreando consecutivamente a las muestras colectas

cada 3 horas.

2.8.10 Azúcares reductores

Se determinaron las concentraciones de azúcares reductores para todas las

muestras colectadas cada 3 horas, diluyéndose si en su caso el contenido de

azucares reductores fuera mayor a 1mg/mL para que se encontrara el rango de 0

a 1mg/mL de glucosa, después se tomaba una alícuota de 0.5 mL y se agregaban

1.5 mL de solución de DNS, se agitaban en el vórtex y después se calentaban en

agua hirviendo por 5 minutos hasta que cambiara la coloración de ámbar claro a

oscuro, se aforaban a 10 mL adicionando 8 mL de agua destilada y se volvía a

homogenizar dejándose enfriar y leyendo la absorbancia en el espectrofotómetro

a 540 nm calibrando con el blanco, para cada muestra.

Con las lecturas de la curva patrón se hacía una regresión lineal de concentración

de glucosa contra absorbancia y se calculaba la ecuación de la regresión lineal

correspondiente por medio del programa Excel. Sustituyendo el valor de

absorbancia de la muestra en la ecuación de regresión se calculaba la

concentración de azúcares reductores expresados como glucosa, al dato obtenido

se multiplicaba por la dilución.

Page 51: Reporte Final

2.9 Experimento central de fermentación con banano de rechazo

En esta parte del trabajo el medio de cultivo con el que se trabajo fue con la pulpa

de banano de rechazo (etapa 7) al cual de la misma forma que la melaza de caña

presenta resultados óptimos según la literatura en cuanto a la producción de

levaduras , este medio fue seleccionado y extrapolado en un biorreactor de cinco

litros de capacidad pero con diferentes concentraciones durante su preparación y

siguiendo diferente metodología en base a la obtención de resultados que

concretaran el crecimiento de biomasa a través de este medio de cultivo y a la

monitorización del proceso en cuanto a las funciones correlacionadas a ello.

Durante la experimentación se emplearon tres reactivos más, todo grado reactivo.

En lo que respecta a la formulación del jugo del banano se empleó fosfato de

potasio; peptona, y fosfato potásico (básico). Para el sistema de biorreacción se

empleó la levadura comercial de panificación que tuvo mejor desarrollo durante su

inoculación.

La metodología a seguir fue la misma que la melaza de caña, solo que aquí se

realizando 4 corridas con muestreo doble:

CAPITULO III

RESULTADOS

En éste capítulo se analizan los resultados obtenidos del presente trabajo,

encontrándose como parte importante la traducción del manual, el ensamblado y

funcionamiento del biorreactor marca Bioflo modelo 110 conteniendo una

fermentación alcohólica con dos medios de cultivo distintos, uno de ellos utilizado

para pruebas de arranque (melaza de caña) y el otro como objetivo primordial para

el desarrollo del presente trabajo (banano de rechazo),haciendo con ambos

medios análisis del crecimiento de microorganismos, medición de sólidos solubles

totales (°Brix), azúcares reductores totales y la monitorización respecto al

funcionamiento del sistema de regulación de pH y DO2 en el Bioflo 110.

51

Page 52: Reporte Final

3.1 Resultados obtenidos con la traducción del manual

La traducción del manual del biorreactor Bioflo 110 facilito la operación del equipo

siguiendo las pautas de funcionamiento, sin provocar daños a este, ni lesiones

personales.

Se pudo dar marcha al proceso ya que se encontró la ubicación correcta para

poder colocar los módulos del biorreactor en un lugar específico centrándose en

una de las mesas del laboratorio de microbiología, ya que es una zona lisa, plana

y resistente, con suficiente espacio alrededor de la parte trasera y la parte frontal

que nos permitió un buen acceso para su correcto funcionamiento.

3.2 Resultados obtenidos del ensamblado

El ensamblado determino los puntos claves para el funcionamiento de todo el

proceso tomándose en cuenta desde las conexiones eléctricas de todos los

módulos que fueron dirigidos en la parte trasera con un voltaje de electricidad

suministrado de 110v así como las conexiones que fueron dirigidas al biorreactor

como son la de los sensores requeridos que se situaron en la parte frontal de los

módulos y que fueron monitoreados gracias a un simulador de procesos centrado

en el primer módulo del sistema.

En cada ensamble o desensamble de los componentes del recipiente se manejó

una forma adecuada como el recostar la unidad a la placa frontal y al eje del

impulsor de agitación utilizando la posición correcta en una superficie solamente

plana, protegiendo de esta forma el eje del impulsor del peso como lo muestra la

figura 3.

Fig. 3 Manejo correcto del conjunto de la transmisión

Page 53: Reporte Final

Poniendo en práctica el buen uso del manual se puede mencionar de forma

secuencial la operación del ensamblado de la siguiente forma:

1. Ensamblado del recipiente

El recipiente se empotro en una base de acero inoxidable la cual tiene cuatro pies

de goma que le dio estabilidad, alrededor de ella se colocó una manta de calor

que es la que mantuvo el control de la temperatura al contenido del recipiente para

el medio y gracias a una ventana localizada en esta, el cultivo permaneció durante

todo el proceso visible para su inspección.

2. Instalación del recipiente en la base

Se colocó el anillo de bloqueo en la base del recipiente alineando lo agujeros del

anillo de bloqueo, con los pilares de soporte y deslizándolos a su lugar para dejar

descansar sólidamente el hombro de cada capilar.

Se colocaron las dos gomas de parachoques alrededor del interior del anillo de

bloqueo, presionando las dos gomas al borde interior del anillo, para después

descender el recipiente de vidrio a través del centro del anillo de bloqueo, hasta

que los bordes del recipiente descansaron cómodamente en los parachoques de

las gomas, orientando el recipiente a manera que las graduaciones en el vidrio

fueran claramente visibles encarando a las personas encargadas del proyecto

entre los dos pilares de la base del recipiente.

3. Instalación del deflector

53

Page 54: Reporte Final

Se colocó suavemente la placa deflectora, con la lengüeta hacia arriba, alrededor

de todos los demás instrumentos que sobresalían de la placa del cabezal,

incluyendo el serpentín de enfriamiento.

4. Instalación del impulsor.

Para la fermentación colocamos las hojas del impulsor de acuerdo a la tabla 3,

refiriéndonos a los 7.5 litros.

Tabla 3. Distancia desde el fondo de la placa superior al comienzo de la hoja

del impulsor

1.3 L 3.0 L 7.5 L 14 L

Impulsor inferior 4 1/8 in

105 mm

6 11/16 in

170 mm

8 7/8 in

225 mm

12 in

305 mm

Impulsor superior 2 5/8 in

67 mm

4 in

102 mm

6 ½ in

165 mm

9 ¼ in

235mm

Se lubricaron ligeramente todas las juntas tóricas, hilos y hebras de todos los

adaptadores del puerto con grasa de silicona antes de instalar el equipo en la

placa superior.

También cada vez que se lavaba y se volvía a ensamblar el biorreactor se

aseguraba que el anillo de la placa superior estuviera bien asentado en su

ranura.

5. Instalación del serpentín de enfriamiento

Por debajo de la placa superior, se insertaron ambos extremos del serpentín de

enfriamiento, tanto el puerto de entrada como el de salida, en ambos puertos se

colocaron adaptadores estriados que se fueron fijando con la mano

asegurándolos con la llave allen.

6. Instalación del rociador

Page 55: Reporte Final

Por debajo de la placa superior se insertó el tubo rociador en el orificio indicado

para este y de la misma forma se fijaron los tornillos del adaptador con la llave

allen.

7. Instalación del tubo de cosecha

En el ensamblado del tubo de cosecha se insertó en la placa superior en el puerto

del tubo de la cosecha, fijando un adaptador estriado con la mano y de la misma

forma utilizando una llave allen para fijar los tornillos de sujeción.

8. Instalación del tubo muestreador.

Trabajando por debajo de la placa superior, se instaló el puerto del tubo

muestreador, fijando un adaptador estriado con la mano y de la misma forma

utilizando una llave allen para fijar los tornillos de sujeción.

9. Instalación de la sonda de espuma

Se instaló la sonda del sensor de espuma por encima de la placa superior en la

ranura indicada por el manual, de la misma forma se fijó a mano el adaptador

estriado utilizando la llave allen para poder asegurarlo.

10. Instalación del tubo de escape de espuma

Por debajo de la placa superior se insertó el tubo de escape de espuma en el

puerto apropiado dentro de la tuerca de sujeción en la que va montada la trampa

de espuma, fijando a mano el adaptador estriado y asegurando los tornillos de

sujeción con la llave allen.

11. Instalación de la sonda de nivel

Se utilizó una sonda de nivel como parte del sistema antiespumante para detectar

el nivel del medio.

Trabajando desde arriba de la placa superior, se inserta la sonda de nivel en el

puerto correspondiente, apretando a mano el adaptador estriado.

12. Instalación de los tubos de adición

55

Page 56: Reporte Final

En la parte de la placa superior, se insertó el triport o tubo de adición de tres

puertos, dentro del puerto apropiado de la placa, se insertaron dos mangueras de

silicona de que fueron colocadas en dos puertos del tripor o (puertos de tres) que

se adecuaron para las adicciones del ácido-base y antiespumante, apretando la

parte estriada del adaptador del triport con los dedos.

13. Instalación de la prueba de pH

Antes de la instalación, la sonda de pH que se utilizo fue inspeccionada de daños

para reemplazarla si en su caso esta estuviera dañada, esta sonda se colocó de

una manera que no hubiera interferencia entre las demás sondas, el conjunto de

deflectores, palas impulsoras y serpentín de refrigeración.

Se tuvo problemas al momento de fijarla a la placa del cabezal, ya que el

adaptador estriado que le correspondía no se encontró dentro de los aditamentos

y fue fijada con algodón y cinta tape para proteger al medio de una contaminación.

14. Instalación de la prueba de DO2.

Antes de la instalación, la sonda de oxígeno disuelto que se utilizo fue

inspeccionada de daños, para reemplazarla si en su caso estuviera dañada, esta

sonda se colocó de una manera que no hubiera interferencia entre las demás

sondas y el conjunto de deflectores, palas impulsoras y serpentín de refrigeración.

La sonda fue cubierta ligeramente con glicerol, esta se deslizo suavemente por la

parte superior del adaptador estriado del puerto colocándole unos casquillos

blancos de plástico antes de insertarla por completo en el puerto como lo indica el

manual. Esta sonda se iba ajustando a la altura deseada.

15. Instalación del sistema de muestreo.

El biorreactor Bioflo 110 tiene un sistema opcional de muestreo que está diseñado

para eliminar asépticamente los residuos de muestras del lote utilizado .Toda esta

instalación del paquete de muestreo puedo ser desinfectada en un autoclave

como se hizo desde el inicio del uso.

La instalación de este sistema se hizo de la siguiente forma:

Page 57: Reporte Final

a. Se retiró la tuerca de fijación que esta adyacente al plato del cabezal y se

colocó el brazo de soporte del tubo de la toma de muestras por medio del

tornillo de sujeción.

b. Se colocaron 8 centímetros de manguera de silicona que van dirigidos a dos

extremos, uno al de la toma de muestras y otra a un tubo que sobresale a la

parte exterior de la plato del cabezal, asegurándose la manguera con una

abrazadera de plástico.

c. Se le conectó a la jeringa estéril un filtro que hace que la muestra quede libre

de impurezas

d. En otra manguera de silicona que sobresale de otro extremo del brazo de

soporte se colocó la jeringa con el embolo cerrado.

e. Se retiró la tapa de una de las botellas de muestra y se colocó dentro del

muestreador, fijándola en forma de rosca alistándolo para su uso.

16. Instalación de la trampa de espuma

1. Se desenrosco la tuerca de fijación en la parte de la placa superior (o la

tuerca de sujeción de base), donde fue montada la trampa en la base del

recipiente que quedo más cercano al tubo de escape de la espuma.

2. Se colocó una arandela en el tornillo de sujeción antes de montar la trampa

de espuma del portabotellas, fijándose también el soporte en su lugar con

la tuerca de sujeción suficientemente floja como para girar el soporte.

3. Después se colocó una botella de trampa de espuma de 500 ml en el

soporte.

4. Habiéndose realizado esta instalación se conectó una manguera de silicona

de 60 centímetros de largo en el tubo más largo que contiene el tapón de la

botella asegurándose este con una abrazadera de plástico y que fue fijado

en la parte superior con el tubo de escape de espuma que va coloca en el

plato del cabezal sujetado con una abrazadera y fijándose a mano el

adaptador estriado del tubo de escape de espuma.

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Page 58: Reporte Final

17. Instalación del sistema antiespumante.

En este caso se instaló un matraz con un tubo de salida de 500 ml que contenía

el líquido antiespumante. El matraz de adición del antiespumante se conectó con

una manguera larga de silicona al tubo de adición de antiespumante que se

encuentra situado en la placa del cabezal pasando anteriormente por la bomba

peristáltica que automáticamente adicionaba el antiespumante cuando el

controlador de nivel se activaba.

Finalmente como lo indican la figura 3a y 3b, cuando el plato del cabezal estuvo

cubierto por los aditamentos que requeríamos y que eran necesarios para trabajar

con el equipo se fueron cerrando los puertos no utilizados instalando un tapón

ciego (sin agujero) en cada puerto de la placa del cabezal, fijando de igual forma

las mangueras de silicona con una abrazadera de plástico y manteniendo cerrado

cualquier tubo de acceso que no fuera utilizada, de esta manera se pudo iniciar la

operación del equipo comenzando con las primeras pruebas de arranque con el

medio de melaza y continuando con lo que finalmente fue el jugo de banano de

rechazo.

Page 59: Reporte Final

Figura 3a y 3b Muestran los resultados obtenidos por el ensamblado para su total

funcionamiento.

3.3 Resultados de las pruebas preliminares con melaza de caña

El Bioflo permite variar las velocidades de agitación. Para la primera prueba se

determinó una velocidad de agitación óptima de 250 r.p.m a 1.5 v.v.m de flujo de

aire para efectuar una fermentación alcohólica en el Biorreactor; con éste fin se

configura el sistema de temperatura, regulación de pH y de oxígeno disuelto,

empleando melaza de caña como medio de cultivo para determinar cada 3 horas

desde el tiempo de inicio la concentración de °Brix, azucares reductores y conteo

de levaduras de igual forma se sigue el monitoreo constante del funcionamiento

del sensor de oxígeno disuelto y del pH.

Tabla 3.1 Resultados obtenidos de la primera prueba de arranque con melaza de

caña como medio de cultivo.

59

Page 60: Reporte Final

HORAS TIEMPO AGITACIÓN °BRIX pH dO2 CONTEO DE LEVADURAS0 0 250 rpm 5 5.15 80 10,112,0003 1 250 rpm 4 4.36 36 10,800,0006 2 250 rpm 3.5 4 -0.34 15,400,0009 3 250 rpm 2.5 3.18 20 26,300,000

12 4 250 rpm 1 3 20 35,540,000

A velocidad de agitación de 250 r.p.m. se presenta turbulencia automática a las 3

horas, se visualiza que el parámetro de oxígeno disuelto arroja un dato negativo,

el sistema de agitación se desajusta y provoca que la velocidad del impulsor

automáticamente aumente a 1400 r.p.m provocando la formación de espuma, lo

cual no es deseable que se presente en el proceso de fermentación y se agrega el

antiespumante lo que hace que disminuya el nivel de espuma y se continúe con la

operación reiniciando la operación de agitación a 250 r.pm.

Para la segunda prueba se prevé calibrar de nuevo las sondas de pH y de oxígeno

disuelto, se realiza la esterilización nuevamente de todo el equipo y la melaza es

diluida a 10 °Brix, aquí se trabajan en diferentes condiciones determinando una

velocidad de agitación óptima de 350 r.p.m a 2.5 v.v.m de flujo de aire, se inicia el

proceso obteniéndose los siguientes resultados mostrados en la tablas 3.1 y 3.2.

Tabla 3.2. Resultados obtenidos de la segunda prueba de arranque con melaza de

caña como medio de cultivo.

HORAS TIEMPO AGITACIÓN °BRIX pH dO2 CONTEO DE LEVADURAS0 0 350 rpm 6.5 6.15 75 10,346,0003 1 350 rpm 5 5.18 70 22,200,0006 2 350 rpm 4.5 4.64 76 37,700,0009 3 350 rpm 3.5 4.12 60 42,000,000

12 4 350 rpm 2 3.36 20 56,900,000

Las gráficas de crecimiento para cada fermentación se presentan a continuación

con el fin comparativo de las mismas.

Page 61: Reporte Final

3.3.1 Resultados de sólidos solubles totales y porcentaje de sacarosa

Debido a que todas las muestras tomadas se midieron a 28 °C no fue necesario

realizar corrección con tablas a los datos obtenidos.

Gráfica 3.Curva comparativas de °Brix para fermentaciones con melaza de caña

El porcentaje de sacarosa medido a las 12 horas de cada fermentación fue de 1 y

2 % de sacarosa.

3.3.2 Resultados de crecimiento de microorganismos

Para las dos fermentaciones con melaza de caña, se presentan los datos de

crecimiento determinados por el conteo cámara Neubauer con los rangos de error

de precisión respectivos. Se calculó de acuerdo a la formula enunciada en el

procedimiento para conteo de microorganismos. Únicamente de manera preliminar

se mantuvo el sistema de regulación de pH sin control del Bioflo, observándose

que en el transcurso de la fermentación se formó un precipitado debido a la baja

solubilidad del Carbonato de calcio en el medio, presentando problemas para

realizar conteo de levaduras. En estas pruebas de arranque no se detectaron

diferencias significativas entre ambos tratamientos a pesar de que sensor del

oxígeno disuelto presento unas fallas debido a un daño situado en la punta de la

membrana.

En esta segunda prueba la melaza fue diluida a 10 °Brix determinándose de esta

manera una mayor producción de levaduras con los inóculos vertidos de la

solución de dextrosa.

61

Page 62: Reporte Final

Gráfica 3.1 .Curvas comparativas de crecimiento de levaduras para

fermentaciones con melaza de caña sin control de pH.

3.3.3 Resultados de azúcares reductores residuales

Los resultados obtenidos de la curva de calibración para los azúcares reductores

se presentan en la gráfica 3.2, así como también se presenta la tabla 3.3 y 3.4 en

la cual se localizan las concentraciones de los estándares empleados para la

curva de calibración, presentando en ambas fermentaciones una regresión lineal

de 0.9719 y 0.9733, lo cual nos determina que el método es confiable para poder

utilizarla y para determinar la concentración de azúcares reductores presentes en

el medio de cultivo de melaza de caña en el cual durante el transcurso de la

transformación nos da el azúcar residual presente y de esta manera se obtiene

información concerniente a la formación de levaduras a partir de los azúcares

presentes.

Tabla 3.5. Concentraciones estándares utilizadas para la curva de calibración de

la 1ª fermentación con melaza de caña.

HORAS AGITACIÓN ABSORBANCIA CONCENTRACIÓN A.R (mg/mL)0 250 rpm 0.675 0.7213 250 rpm 0.6 0.6546 250 rpm 0.523 0.5759 250 rpm 0.41 0.51

12 250 rpm 0.31 0.367

Tabla 3.6. Concentraciones estándares utilizadas para la curva de calibración de

la 2ª fermentación con melaza de caña.

HORAS AGITACIÓN ABSORBANCIA CONCENTRACIÓN A.R (mg/mL)0 350 rpm 0.73 0.823 350 rpm 0.693 0.76

Page 63: Reporte Final

6 350 rpm 0.553 0.689 350 rpm 0.442 0.525

12 350 rpm 0.332 0.41

Gráfica 3.2 Curvas comparativas de azúcares reductores en los medios de

melaza de caña.

3.4 Resultados de las pruebas centrales con banano de rechazo 1ª y 2ª

corrida sin control de pH

En ambas corridas se pudo mantener al sistema con un ambiente favorable para

la operación del proceso biológico deseado, asegurando la mezcla y la aireación

adecuada, no hubo contaminación del medio debido a que toda la esterilización

del material fue un éxito. El contenido máximo de oxígeno realmente fue bajo

El sistema de aspersión se aseguró correctamente y fue lo que hizo que las

burbujas fueran de tamaño muy pequeño, de modo que la disolución del oxígeno

de la burbuja en el seno del líquido puedo efectuarse con facilidad.

Tabla 3.6. Resultados obtenidos de la 1ª corrida con banano de rechazo como

medio de cultivo con agitación a 250 rpm, sin control de pH.

TIE M P O A G ITA C IÓ N °B R IX p H A B S O R B A N C IA ( 540 n m )C O N TE O D E LEV A D U R A S /1-1000 250 rp m 5.5 6.15 0.69 166,000,0003 250 rp m 5 5.45 0.61 194,000,0006 250 rp m 4.5 4.09 0.58 285,000,0009 250 rp m 4 3.51 0.54 312,000,00012 250 rp m 2 3.15 0.48 422,000,000

Tabla 3.7. Resultados obtenidos de la 2ª corrida con banano de rechazo como

medio de cultivo con agitación a 350 rpm, sin control de pH

63

Page 64: Reporte Final

T I E M P OA G IT A C I Ó N° B R I X p H A B S O R B A N C I A ( 5 4 0 n m )C O N T E O D E L E V A D U R A S / 1 - 1 0 00 3 5 0 r p m 5 5 . 4 5 0 . 7 3 1 2 0 , 0 0 0 , 0 0 03 3 5 0 r p m 4 . 5 5 . 1 0 . 6 9 3 1 6 8 , 0 0 0 , 0 0 06 3 5 0 r p m 4 4 . 0 9 0 . 5 5 3 7 2 4 , 0 0 0 , 0 0 09 3 5 0 r p m 3 3 . 5 1 0 . 4 4 2 1 , 0 0 0 , 0 0 0 , 0 0 0

1 2 3 5 0 r p m 2 3 . 1 5 0 . 3 3 2 1 , 2 1 2 , 0 0 0 , 0 0 0

Grafico 3.3 Curva comparativas de °Brix para fermentaciones con banano de

rechazo, sin control de pH

Grafico 3.4 Curva comparativas de pH para fermentaciones con banano de

rechazo, sin control de pH

Page 65: Reporte Final

Grafico 3.5 Curva comparativas de Absorbancia para fermentaciones con banano

de rechazo, sin control de pH

65

Page 66: Reporte Final

Grafico 3.6 Curva comparativas de conteo de levaduras para fermentaciones con

banano de rechazo, sin control de pH

3.6 Resultados de las pruebas centrales con banano de rechazo 3ª y 4ª

corrida con control de pH

El Biorreactor Bioflo 110 consta de un sistema de cuatro bombas peristálticas

asignables dependiendo la variable a controlar. Cada bomba tiene un modo de

funcionamiento y operación dependiendo del parámetro a controlar en una

fermentación discontinua o continua. Los modos de funcionamiento son los

siguientes:

• Modo Off: En éste modo la bomba no tiene ningún funcionamiento ya que

no responde al Feedback Control Loop. La bomba se encuentra apagada.

• Modo Manual: Este modo funciona cumpliendo ciclos variables de las

bombas. Se le asigna un valor especifico entre 0% y 100%, que determina

un caudal para un porcentaje de velocidad.

Tabla 3.7 Resultados obtenidos de la 3ª corrida con banano de rechazo como

medio de cultivo con agitación a 350 rpm, con control de pH

Page 67: Reporte Final

TIE M P O A G IT A C IÓ N °B R IX p H A B S O R B A N C IA ( 540 n m )C O N T EO D E LE V A D U R A S /1- 1000 350 rp m 6 6.15 0.82 4 1 78,0 00,0 003 350 rp m 5.5 6.15 0.78 5 2 06,0 00,0 006 350 rp m 4.5 6.15 0.71 8 2 59,0 00,0 009 350 rp m 3 6.15 0.62 9 3 94,0 00,0 00

12 350 rp m 2 6.15 0.59 6 4 72,0 00,0 00

Tabla 3.8 Resultados obtenidos de la 4ª corrida con banano de rechazo como

medio de cultivo con agitación a 250 rpm, con control de pH

T I E M P O A G IT A C IÓ N ° B R IX p H A B S O R B A N C IA ( 5 4 0 n m )C O N T E O D E L E V A D U R A S / 1 - 1 0 00 2 5 0 r p m 6 6 .1 5 0 . 6 1 8 3 5 8 , 0 0 0 ,0 0 03 2 5 0 r p m 5 6 .1 5 0 . 5 2 9 4 1 0 , 0 0 0 ,0 0 06 2 5 0 r p m 3 . 5 6 .1 5 0 . 4 2 2 5 7 6 , 0 0 0 ,0 0 09 2 5 0 r p m 3 6 .1 5 0 . 3 8 9 6 2 0 , 0 0 0 ,0 0 0

1 2 2 5 0 r p m 0 6 .1 5 0 . 2 8 5 7 2 3 , 0 0 0 ,0 0 0

En las tablas 3.7 y 3.8 se puede apreciar el funcionamiento correcto del sistema

Bioflo 110 en el Modo Base y Acido, el sistema de regulación de pH entró en

funcionamiento, el modo ácido y base en las bombas peristálticas realizaron la

acción de control de pH a un valor específico de 6.15, de igual forma el Modo On

funciono cumpliendo una operación de velocidad fija en la bomba y su valor fue de

125%, donde la bomba funcionó de manera continua.

Para calcular la variación de pH a lo largo de las fermentaciones, se presentan en

las tablas 3.7 y 3.8 los porcentajes de variación de pH. El porcentaje de variación

se calculó comparando dos valores en la fermentación, uno comparando el valor

de pH del día final respecto al inicial y otro comparando el valor de pH mayor

durante la fermentación respecto al pH más bajo en la misma. Los porcentajes de

variación de pH calculados en la 3ª y 4ª corrida.

67

Page 68: Reporte Final

Grafico 3.7 Curva comparativas de °Brix para fermentaciones con banano de

rechazo, con control de pH.

El porcentaje de sacarosa medido para todos los medios de la fermentación de la

3ª y 4ª corrida fue del 2 %., disminuyendo los STD en el medio.

Grafico 3.8 Curva comparativas de pH para fermentaciones con banano de

rechazo, con control de pH.

Page 69: Reporte Final

Grafico 3.9 Curva comparativas de Absorbancia para fermentaciones con banano

de rechazo, con control de pH

Grafico 3.10 Curva comparativas de conteo de levaduras para fermentaciones

con banano de rechazo, con control de pH

69

Page 70: Reporte Final

CONCLUSIONES

Page 71: Reporte Final

• Se elaboró una traducción completa del manual y funcionamiento del

sistema del biorreactor Bioflo 110, dirigiendo el funcionamiento del sistema

en cuanto a la regulación de pH y dO2, para el manejo de flujos de entrada

y salida en el biorreactor a diferentes velocidades de flujo.

• El desarrollo de estos cuatro experimentos de fermentación bajo regulación

de pH a 6.15, temperatura constante de 28 °C, agitación de 250 rpm en el

Biorreactor marca Bioflo 110 presentó un mayor rendimiento en cuanto a

variables tales como crecimiento de levaduras .El control de la variable pH

presentó una incidencia directa en el desarrollo de una fermentación

mejorando el rendimiento de acuerdo a la formación de producto y

crecimiento de la levadura.

• De acuerdo a los parámetros determinados en una fermentación con

regulación de pH, el crecimiento de microorganismos y en la producción de

en la biomasa, consumo de sacarosa, variación de sólidos solubles,

contenido de azúcares reductores residuales son reproducibles en el

biorreactor ya que presentan similitud en las dos fermentaciones realizadas

• El jugo de banano presentó un alto potencial de uso como sustrato en los

procesos fermentativos logrando altos rendimientos con respecto a los

valores teóricos reportados, lo que lo convierte en un sustrato promisorio

para las fermentaciones alcohólicas. Cada uno de los procesos por

separado arrojó buenos resultados, permitiendo concluir que el jugo de

banano es un sustrato promisorio en los procesos de inmovilización que

permiten incrementar su productividad. Sin embargo en el caso del

Biorreactor se requiere considerar otro tipo de sustratos.

• Se pudo observar como Saccharomyces cerevisiae una vez adaptada al

medio es capaz de incrementar su biomasa a través del consumo de

71

Page 72: Reporte Final

sustratos, en este caso, la glucosa, al tiempo que incrementa la acidez del

medio y disminuye su pH, efecto ejercido por el ácido acético producido

durante su metabolismo. Su crecimiento es rápido, el corto tiempo de

adaptación al medio así como una amplia fase lag demuestra el porqué de

su amplia utilización en la industria, así que el monitoreo de la cinética de

crecimiento de microorganismos es de gran importancia, ya que nos puede

permitir definir el tiempo de reacción que necesita un sustrato determinado

para obtener un producto deseado, o en su defecto se pueden definir las

condiciones de un reactor BioFlo 110 con estos parámetros.

RECOMENDACIONES

• Antes de utilizar el equipo, se recomienda leer todo lo referente al manual de

mantenimiento general del equipo, manual de operación en proceso y

recomendaciones generales del uso de equipo.

Page 73: Reporte Final

• De igual manera, es muy importante tener un sustento teórico de los fenómenos

de las fermentaciones alcohólica y acética, para así realizar una correcta fase

experimental llevada de la mano con un correcto conocimiento teórico.

• Se recomienda ser cuidadosos durante el uso y almacenaje del equipo, para

evitar daños en la integridad tanto física, eléctrica y mecánica.

• Operar correctamente, aplicando las buenas prácticas de manufactura (BPM) en

cada proceso.

• Se recomienda implementar equipos auxiliares o de asistencia en los laboratorios

o planta de alimentos en la universidad, tales como: Refractómetros, balanzas,

potenciómetros, medidor de ppm, alcoholímetros, cubas y recipientes, tamices y

equipos de filtración, agua filtrada, reactivos, etc.

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