FERMENTACION_EN_ESTADO_SÓLIDO_Final
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FERMENTACION EN
ESTADO SÓLIDO
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TEMAS
1. Introducción A
2. Escala de laboratorio D
3. Escalas piloto e industrial A4. SSF con aireación forzada R
5. SSF sin aireación forzada D
6. SSF mezclado continuo R 7. SSF intermitente A
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FERMENTACION EN
ESTADO SÓLIDO (SSF)³Es un proceso microbiológico que ocurre
comúnmente en la superficie de materialessólidos que tienen la propiedad de absorber ycontener agua, con o sin nutrientes solubles´
Viniegra-González (1997)
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Pan egipcio, proteína comestible japonesa Objetivos: Aumentar el contenido proteico alimentos,
mejorar su conservación, cambiar sus características
físicas, el color, el olor o el sabor de los mismos. Ejemplos:
± Koji ( Aspergillus oryzae sobre cereales cocidos) ± Queso Roquefort ( Penicillium roqueforti en leche de oveja) ± Shoyu, Miso y Ontjom
Necesidades: ± Polución de suelos ± Uso potencial de biorremediación ± Alternativas de alimentos para animales
INTRODUCCION
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CARACTERISTICAS
Contenido bajo de agua
Fase de gas entre las partículas
Baja conductividad eléctrica (aire vs. agua)
Gran cantidad de matrices (Composición,tamaño, resistencia mecánica, porosidad
Hongos (Crecimiento apical,actividades enzimáticas)
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VENTAJAS Medios de cultivo simples (Subproductos agrícolas con alto
contenido de nutrientes) Baja actividad del agua (Evita contaminación de bacterias y
levaduras) Reactores más pequeños (Concentración del sustrato mayor al igual
que la productividad volumétrica) Aireación forzada facilitada por la porosidad del soporte (Alta
transferencia de O2) Conidios como inóculo en los procesos de crecimiento de hongos
(menores costos y manipulaciones en el inóculo)
Tecnología limpia Calidad de enzimas superior
± Glucosidasa (Calor) ± Fitasa (Estabilidad en peletización) ± Proteasa (Digestión de proteínas)
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DESVENTAJAS La transferencia de oxigeno puede ser limitante según el diseño delreactor Su aplicación se limita a microorganismos que crecen en bajos
contenidos de humedad Temperatura y humedad del medio Morfología de los microorganismos (en especial de los hongos)
debido a su resistencia a la agitación Esterilidad Escalado (Generación de calor y heterogeneidad) Extracción del calor metabólico a gran escala sin control Medición de pH, T, contenido de humedad y concentraciones Procesos de transferencia de masa son limitados por la difusión. Diseño de reactores y el escalado poco caracterizados. Tiempo de fermentación mayor (microorganismos con bajas
velocidades específicas de crecimiento)
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PROCESO SSF
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APLICACIONES
Abono orgánico
Ensilado
Maduración de quesos
Cultivo de champiñones
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INFLUENCIA DE FACTORES
AMBIENTALESHumedad y actividad del agua (aw). Porcentaje de humedad entre 30 y 80%, según el sólido
utilizado, el microorganismo y el objetivo del proceso
(formación de producto, crecimiento de la biomasa).
Actividad del agua (aw): Caracteriza las interaccionesagua-medio sólido.
aw: Humedad relativa de la atmósfera gaseosa en equilibriocon el sustrato. Ejerce influencia sobre el crecimiento, laformación de productos y el crecimiento celular.
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INFLUENCIA DE FACTORES
AMBIENTALESpH Af ecta el desarrollo de los procesos SSF
Imposible de controlar, debido a la ausencia de instrumentos capaces de medir el pH en la capa de líquido que rodea el sólido.
El pH cambia por dif erentes razones:
± Disminuye por la secreción de ácidos orgánicos (acético yláctico) durante el proceso.
± La f uente de nitrógeno utilizada inf luye mucho en la tendencia que sigue el pH
Investigaciones para f ormular medios de cultivo que permitan mantener, de manera natural, el pH en un intervalo deseado durante el proceso. ± Raimbault y Alazard (1980): Crecimiento de Aspergillus niger en harina de yuca
y una mezcla de sulfato de amonio - urea de 3 a 2 (calculado en base al nitrógeno) para mantener el pH en el intervalo de 5 a 6.2 (favorable para el crecimiento delmicroorganismo).
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INFLUENCIA DE FACTORES
AMBIENTALESTemperatura
Ejerce una acción determinante en el con junto de actividades celulares (crecimiento y la f ormación de productos)
Control crítico por la alta concentración de sustrato por unidad de
volumen y la ba ja conductividad térmica del sistema heterogéneo sólido -líquido - gas, lo que f avorece la acumulación del calor metabólico en el sistema y el aumento de la temperatura del cultivo que f avorece tres aspectos negativos: ± La actividad microbiana se desacelera o se detiene.
± Se deshidrata el medio sólido.
± El metabolismo se desvía como un mecanismo de def ensa ante el calor o ante la deshidratación.
Intercambio de calor por convección f orzada con elevadas tasas de aireación que con f recuencia deshidratan al medio.
Utilización del calor latente de vaporización del agua para eliminar el calor metabólico de manera rápida y ef ectiva.
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Concentración y disponibilidad del sustrato Nutrientes necesarios balanceados para favorecer el crecimiento del
microorganismo, la eficiencia de conversión energética y larespiración. ± Conocimiento de la composición de la biomasa del microorganismo
empleado
± Conocimiento de los coeficientes de rendimiento para la formación de
biomasa y producto, y los valores de la energía de mantenimiento paraestablecer los requerimientos de las fuentes de carbono.
INFLUENCIA DE FACTORES
AMBIENTALES
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Aireación Microorganismos aerobios Suministrar oxígeno, extraer CO2 f ormado y calor metabólico
evolucionado
Flu jo óptimo de aire debe considerar: ± Naturaleza del microorganismo
± R equerimientos de oxígeno para el crecimiento y/o la f ormación del producto deseado
± Velocidad de generación de calor metabólico
± Concentración crítica del dióxido de carbono y otros metabolitos volátiles
± Espesor de la masa de sólido
La aireación en SSF es fácil porque la superf icie de contacto es mayor entre el aire y el líquido que está absorbido en las partículas
INFLUENCIA DE FACTORES
AMBIENTALES
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El inóculo Tipo de inóculo
± Micelio: Mejor competitividad del hongo,reducción de posibles colonizaciones delsustrato por microorganismos contaminantes yla colonización más rápida del hongo debido
por los bajos tiempos de incubación ± Esporas: Reducción de los costos en la etapa de
propagación del microorganismo.
INFLUENCIA DE FACTORES
AMBIENTALES
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»TI POS DE REAC T ORES«
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ESCALA LABORAT OR I O
Los primerosreactores en estado
sólido eran cajas dePetri y Erlenmeyers. Un equipo de
ORSTOM diseñó el
modelo de columnas para estudios enSSF.
Reactor usado en escala de laboratorio patentado por ORSTOM.
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NUEVA GENERACIÓN
Controlcomputarizado
Muestreo sin
contaminación Permite elaborar
perfiles decrecimiento vs.Variables asociadas
1- Tapa2- Termómetro en el medio3- Cilindro de acero4- Termómetro para aire de
ingreso
5- Medidor de humedad6- Resistencia calefactora7- Medidor de temperaturaen agua
8- Medidor de flujo
9- Medidor de nivel10- Aislante
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REACTORES SSF CON
MEZCLADOREACTOR DE TAMBOR
ROTATORIO Mejora la transferencia de
masa y calor
Permite lahomogenización de lasvariables
Puede generar inconvenientes asociadosa aglomeración
1- Entrada de aire2- Junta rotatoria3- Acople4- Toberas de aire
5- Línea de aire6- Rodillos7- Tambor rotatorio8- Medio sólido9- Llantas
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REACTOR DE TAMBOR P
ERFORADO
Incrementa ladistribución deoxígeno
Puede generarsetaponamiento por elmedio sólido y elmicroorganismo
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MEZCLADOR DE PALAS
1- Entrada de aire2- Termocuplas3- Chaqueta
4- Palas
5- Salida de aire6- Motor 7- Reactor 8- Medio sólido
9- Eje de agitación
Posee el mezclado más eficiente
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BIOREACTOR ZYMOTIS LAB
Usado enfermentacionesestáticas
Alta transferenciade calor
Pueden haber inconvenientes para latransferencia deOxígeno
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ESCALAS PILOTO E
INDUSTRIAL Poca diversidad
± Transferencia de calor ± Acanalamientos de aire
± Hinchamiento del medio ± Resistencia mecánica de microorganismos a la agitación ± Requerimientos de oxigeno ± Rango de temperatura
± Métodos apropiados de inoculación ± Necesidad del pretratamiento del sustrato ± Esterilidad ± Facilidad de llenado, vaciado y limpieza del reactor
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ESCALAS PILOTO E
INDUSTRIAL Clasificación:
± Aire circulando alrededor del sustrato
± Aire circulando a través del sustrato Sin mezclado
Intermitentes
Camas mezcladas continuas
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B I OREAC T ORES SSF CON
A I REAC IÓ N FORZADA Se introduce aire a través de un tamiz, que soporta
al sustrato.
Es un reactor simple que puede procesar unos pocos kilogramos de medio sólido seco.
Herramienta para: Analizar empíricamente la evolución global de un proceso y
determinar parámetros como temperatura y humedad relativadel medio.
Estudiar la difusión del oxígeno y los fenómenos detransferencia de masa y calor.
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Son muy útiles enausencia de modelosmatemáticos para elescalado.
No tienen agitaciónmecánica. Agitaciónmanual.
Están limitados por la producción metabólicade calor. Inevitablesgradientes de T.
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La mayoría delcalor es eliminado
por convección y por la evaporacióndel agua que hayen el medio. Por
lo cual se debeadicionar agua demanera uniforme.
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BIOREACTOR ZYMOTIS
Es una torre con platos perforados enlos cuales se coloca
el medio sólido. Aire estéril pasa a
través de cada plato. Debajo de cada plato
hay unintercambiador decalor.
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Los platos son esterilizados previamente con aireseco o con vapor.
Cada plato funciona como una enorme caja de petri.
Los platos son incubados en amplios cuartos, quetienen un filtro de aire (0.2 m o menor).
Hay una dispersión de agua sobre los cuartos paramantener la atmósfera saturada.
BIOREACTOR ZYMOTIS
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PLAFRACTOR
Diseñado por Biocon (compañía India) El aire que entra y sale del sistema es
filtrado para retirar microorganismos. El reactor esta sellado, de manera que está
libre de contaminantes externo.
Remoción de calor por medios conductivos. Como el aire es mal conductor se usa aguacomo fluido de enfriamiento.
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Canales decultivo: ± Fluidos para
esterilización
± Ajuste dehumedad y O2.
± Extracción desustancia de
interés despuésdel cultivo.
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Canales sin cultivo: Fluidos de enfriamiento o calentamiento.
Dentro de cada módulo tiene un brazo demezcla que gira alrededor del eje central delmódulo.
Se usa principalmente para producción demetabolitos.
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La matriz que soporta los nutrientes seesteriliza y enfría dentro del reactor.
El inóculo es adicionado y mezcladode forma aséptica después de que elmedio se ha esterilizado.
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B I OREAC T ORES SSF S I N
A I REAC IÓ N FORZADA Es la más sencilla y practicada desde siglos atrás. El micro organismo puede ser transferido al
reactor como un molde insertado en el medio decultivo. Corresponde a la mayoría de sistemas de
fermentación en bandejas, aplicados enfermentación de quesos.
Requiere grandes áreas para el proceso. Es difícil mantener aséptico el proceso
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REACTOR KOJI
1- Ca ja K o ji2- Válvula de agua3- Lámpara UV
4-8-13- Sopladores de aire
5- 11- Filtros de aire6- Salida de aire7- Humidif icador
9- Calentador
10- R ecirculación de aire12- Entrada de aire14- Bande jas
15- Soportes
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REACTOR DE MEZCLA
CONTINUA CON AIREACIÓN. Es un tambor rotatorio que sirve para maximizar la
exposición de cada partícula con el aire circulado.
Se usa en laboratorio y en escala pre-piloto. Micelio y partículas de sustrato puedenaglomerarse impidiendo una buena transferenciade masa, calor y oxígeno.
Incrementar la velocidad de rotación del tambor,afecta el crecimiento del micelio debido a efectoscortante.
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TAMBOR ROTATORIO
DISCONTINUO Opera igual que
el anterior.
Entre unaagitación y laotra actúa como
un reactor de platos.
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Hay diseños en los cuales hay un control detemperatura (termocoupla en el medio) con
el cual se aumenta o se disminuye la rotacióndel tambor de acuerdo al aumento odisminución de la T.
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SSF INTERMITENTE MEZCLADO
CON AIREACION FORZADA Lechos empacados con aire acondicionado
fluyendo a través de ellos.
Agitación periódica Rocío de agua cuando se requiera
Alto rango de capacidades (Kg ± Ton)
según esterilidad
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SSF INTERMITENTE MEZCLADO
CON AIREACION FORZADAPROCESOS NO ESTÉRILES
Koji rotatorio automático ± Usado en Asia para la fabricación de
salsas de soya ± Control computacional de T y flujo de
aire y agitación
± Inoculación ex-situ
± Rectangular con circulación de aire através del medio con agitación periódica
± Simple y básico
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SSF INTERMITENTE MEZCLADO
CON AIREACION FORZADAKoji rotatorio automático
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SSF INTERMITENTE MEZCLADOCON AIREACION FORZADA
Grupo INRA en Dijon (Francia) ± T y humedad del medio reguladas con T,
humedad relativa y flujo de aire
± Rocío de agua y agitación periódica ± Mediciones on-line de la masa de medio ± Estimación automática de la perdida de masa
debido a la respiración ± Bomba de inoculación y agua de suministro. ± Software especializado para el control del
acondicionamiento del aire ± Modelo matemático para mantener la humedad
del medio ± Pasterización in-situ
± Facilidad de escalado
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SSF INTERMITENTE MEZCLADOCON AIREACION FORZADA
PROCESOS ESTÉRILES Pequeños sin aplicación industrial
publicada Necesarios por:
± Legislación en algunas industrias
± Altos tiempos de cultivo por bajasvelocidades de crecimiento de losmicroorganismos utilizados
Wageningen University (Holland ) ± Escala piloto ± Para biopesticida ± Sustrato de granos de cereales húmedos
± Recipiente cónicomezclado con unacinta en la pared ± Esterilizable in-situ con vapor ± Sensores de temperatura a lo largo del
lecho
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SSF INTERMITENTE MEZCLADOCON AIREACION FORZADA
Durand ± Planetary mixing
device ± Manejado con un
micro-computador ± Fed-Batch
± Produccion de conidios para control biologico ± No existen escalados
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SSF INTERMITENTE MEZCLADOCON AIREACION FORZADA
Durand
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DIFERENCIAS ENTREREACTORES SSF
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REFERENCIAS
1. Durand A., Bioreactor designs for solid state fermentation, BiochemicalEngineering Journal 13 (2003) 113±125
2. Pandey Ashok, Solid-state fermentation, Biotechnology Division, Regional
Research Laboratory, Biochemical Engineering Journal 13 (2003) 81±84
3. Raghavarao K.S.M.S, Ranganathan T.V, Karanth N.G, Some engineeringaspects of solid-state fermentation, Biochemical Engineering Journal 13(2003) 127±135
4. Suryanarayan Shrikumar, Current industrial practice in solid state
fermentations for secondary metabolite production: the Biocon I ndia
experience, Biochemical Engineering Journal 13 (2003) 189±195