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SISTEMA DE CONTROL DE FLUJO, TEMPERATURA Y HUMEDAD
RELATIVA DEL AIRE PARA PROCESOS DE FERMENTACIN EN ESTADO
SLIDO PARA PRODUCIR ENZIMA INTRACELULAR.
LOS PROCESOS DE FERMENTACIN EN ESTADO SLIDO (FES)
Los hongos se han convertido en expertos en descomposicin de la materia
orgnica en la tierra, ya que la gran mayora de las especies de hongos son
saprfitos (materia orgnica en descomposicin). Esta capacidad es
considerada fundamental para el ciclo del carono ase, elemento qumico
conocido de toda la vida. !s que eso, estos microorganismos se han
adaptado a vivir en simiosis con plantas, donde interact"an con sus races y
facilitan los procesos de asorcin de agua y minerales.
El crecimiento de hongos por lo general depende de algunos nutrientes, entre
ellos# fuentes de carono, nitrgeno y otras sales adems de agua y oxgeno.
$anto la asorcin oxgeno como agua a trav%s de las paredes celulares
depende de sus concentraciones en medio amiente. En procesos &E',
fuentes de carono, nitrgeno y se define como disponile para la preparacin
de cultivo. ara el oxgeno, la fuente disponile es el aire circula a trav%s del
iorreactor. ara el agua, depende de las condiciones de humedad inicial del
sustrato, ms la cantidad que est en el aire. 'in emargo, el alance de masa
de agua en medio amiente tami%n depende, en algunos casos, la necesidad
de eliminar el calor (enfriamiento por evaporacin). El enfriamiento por
evaporacin es para eliminar el calor por significa el paso del aire, retirar el
agua y el calor del agua. or lo tanto, el fluo, temperatura y humedad relativa
del aire que pasa a determinar la cantidad de calor que puede ser eliminado
(*+EL, -/).
Los procesos &E' tienen ventaas cuando se compara con &', ya que son
capaces de utili0ar grandes cantidades de residuos agroindustriales slida, ms
peque1o cantidades de contaminacin del agua por acterias es menor y, en
algunos casos dispensan la esterili0acin deido a la aa cantidad de agua
necesaria en el proceso. + pesar de tener ventaas, &E' no se aplica a escala
industrial deido a la dificultad del control y la vigilancia de las variales durante
el proceso, y como# la temperatura y p2 del medio, la cantidad de aguadisponile para los microorganismos y la respiracin microiana. +dems,
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presenta dificultades, homogenei0acin y reproduciilidad (2ol3er y Len0,
-4). Estas dificultades se deen a ausencia de agua lire, aa conductividad
t%rmica y variedad de sustratos slido ('+5+*$6' et al, /778).
BIOREACTORES DE FERMENTACIN EN ESTADO SLIDO
En los "ltimos a1os, la mayora de los artculos pulicados en la &E' est
relacionada con la produccin de metaolitos a escala de laoratorio (9urand,
-8), con pocas +ordaron la escala proceso de ampliacin. El uso de
iorreactores a escala industrial disminuir consideralemente el coste de la
produccin de en0imas hidrolticas, pero esto escalamiento aches en algunos
prolemas tecnolgicos, especialmente la eliminacin de calor y mantenimiento
de la humedad del sustrato (*agel et al., -/). La eliminacin de calor durante
el proceso ''& tpicamente ha sido reali0ada por paredes t%rmicas de
conduccin o de enfriamiento por evaporacin de agua, dependiendo de la tipo
de iorreactor. 9esde los a1os /77, huo un avance considerale con el fin de
comprender los fenmenos que intervienen en los procesos de &E'. !eoras
significativas en comprensin de cmo dise1ar, operar y ampliar los procesos
de &E' tiene como ase aplicacin de t%cnicas de modelado para descriir los
fenmenos iolgicos y el transporte el sistema (!itchell et al., -:).
Los estudios de caracteri0acin de estos procesos se llevan a cao sore la
ase de las propuestas iorreactores existentes, como la columna, cacerola,
tamor rotatorio (9;5+*9,--). ara cada uno de estos estudios con
instrumentacin necesaria y el control especfico, dada la variailidad espacial
existente en las fermentaciones en cada auste.
Escala ! "a#c$
El iorreactor construido sin columnas es uno de los ms utili0ados, este
est dise1ado para peque1as cantidades de sustrato, unos pocos gramos, y
sirve para estudiar el comportamiento de procesos relacionados con las
condiciones de aireacin, el sustrato y el microorganismo utili0ado, ms all
del metaolito producido (&ari1as, -//). La eliminacin de calor se lleva a
cao la pared del mismo, que se sumerge en un a1o con termostato a la
temperatura deseada por el usuario. La aireacin se reali0a por la parte
inferior de la columna. La figura /./ ilustra el sistema desarrollado por5aimault y +la0ard (/7
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El iorreactor construido en tamor rotatorio y paletas me0cladoras
verticales sirven para el calor generado por el estudio de crecimiento f"ngico
en mayores cantidades de sustrato, que van desde unos pocos hasta
muchos 3ilogramos. La aireacin se reali0a a trav%s de un cilindro central
que distriuye el aire dentro del iorreactor. Los gases de intercamio con el
medio de cultivo por continuo la agitacin del sustrato. La eliminacin de
calor se puede hacer mediante la conveccin del aire interno, o a trav%s de
las paredes y el agua de alance de masa controlado a trav%s de la
reposicin de agua a trav%s de pulveri0ar el sustrato. La figura /.- ilustra el
tamor giratorio utili0ado por Lindenfelser y =iegler (/7>4) y la &igura /?8 es
el usado por *agel (-/).
F%&'a .* c$l'+#as &as!$sas %-$ ! !ac$.
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F%&'a .* a+"$ $a$%$ '%l%/a$ !# l$s !s'%$s L%#!#0!ls! 1
C%!&l! (234).
F%&'a .5* a+"$ $a$%$ '%l%/a$ -$ Na&!l (66).
Escalas -%l$$ ! %#'s%al!s
ara los reactores a escala piloto y de eliminacin de calor industrial se
vuelve crtica deido a la gran cantidad de sustrato slido usado. El
desarrollo de estos iorreactores ha sido en parte, la aplicacin a gran
escala de la tecnologa ya utili0ada por las antiguas civili0aciones.
@arios tipos de iorreactores se han desarrollado en los "ltimos a1os se
pueden dividir en categoras generales definidos por el tipo de agitacin y
aireacin. =omo para la agitacin se puede dividir en esttica, intermitente o
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continua. ara la aireacin se puede separar por# un amiente calentado y la
circulacin calentado o aireacin for0ada a trav%s del sustrato.
El iorreactor tipo Aoi es proalemente el ms antiguo y tami%n el ms
simple. Estn construidos en andeas apiladas con un mximo de /4 cm en
cada sustrato, de ser colocados en amientes con aire acondicionado, con o
sin aireacin for0ada (9urand, -8), como se muestra en la &igura /.B.
F%&'a .7* T%-$ ! "%$!ac$ 8$9%* () C:+aa cl%+a%/aa, () la
;:l;'la ! a&'a, (5) l:+-aa UV, (7, '+%%0%ca$, (
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F%&'a .4* Es@'!+a &!#!al ! '# "%$!ac$ a&%a$ c$# a%!ac%?#
0$/aa. S's -a!s c$#s%'1!#!s* () C:+aa ! 0!+!#ac%?#, ()
;:l;'las ! c$#$l ! 0l'9$ ! a%!, (5) S!#s$!s ! !+-!a'a, (7) !l
s!#s$ ! >'+!a !la%;a !l a%!, (4) !#a9! ! -'&a, (=) cal!#a$
! a%!, (3) >'+%%0%ca$, (
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F%&'a .=* Pla#a -%l$$ ! '# "%$!ac$ ! l!c>$ +%$. S's -a!s
c$#s%'1!#!s* () M$$ ! !s-la/a+%!#$ !l $#%ll$, () M$$ !
las -alas, (5) V:l;'la -aa a$+%/a$ ! a&'a ! %#?c'l$, (7) s!#s$ !
!+-!a'a, (4) +!%$ ! -!s$, (=) s!#s$ ! >'+!a !la%;a, (3)
!#0%a$, ('+%%0%ca$ -$ %#1!cc%?# ! ;a-$ a&'a, (2) s!#s$ !0l'9$, (6) ;!#%la$, () cal!#a$, () 0%l$ ! a%!, (5) !#0%a$ .
ALUNOS SISTEMAS DE CONTROL UTILIZADOS EN LOS PROCESOS DE
FERMENTACION EN SUSTRATO SOLIDO PARA PRODUCIR ENZIMAS
INTRACELULAR.
+lgoritmos de control de los ms utili0ados en la literatura son el CD* D&&C(encendido apagado) y 69 (roporcional, 6ntegral y 9erivativo). Estos
algoritmos se han aplicado principalmente en el iorreactor de aireacin, en el
que tanto la temperatura de control, la humedad relativa del aire de entrada.
Dtro algoritmo que se ha utili0ado es el !odelo redictivo o programacin
dinmica, y se aplican en el control de grandes iorreactores.
odemos destacar la utilidad del control de la aireacin en dos situaciones
distintas#
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=ontrol de aireacin en iorreactores tipo de columna
La precisin del sistema de aireacin permite la reali0acin de estudios
necesarios para una comprensin ms profunda del proceso (desarrollo de
modelos ms precisos). ;no puede hacer un estudio estadstico de lainfluencia de las condiciones amientales sore la fermentacin.
=ontrol de aireacin en iorreactores de mayor tama1o
=alidad de aireacin permite la eliminacin de calor ms eficiente, meor
estimacin del alance de masa de agua, la meor estimacin del calor
producido y la temperatura media gloal dentro del iorreactor, y tami%n
una meor estimacin de crecimiento microiano.
9e todas las oras pulicadas, elegimos algunos sistemas deido a las ases
que tienen que llevar nuestro propio.
FarstoG et al (/7
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F%&'a .3* D%a&a+a !s@'!+:%c$ ! la !sa!&%a ! c$#$l ! la
!+-!a'a !l l!c>$ ! '# "%$!ac$ !l %-$ ! a+"$ &%a$%$. S's
-a!s s$#* () !l a+"$ $a%;$, () C$+-'a$, (5) ca+%sa !
cal!#a+%!#$, (7) P'l;!%/a !l a&'a, (4) !9! !s:%c$, (=) T!+$-a!s, (3)s!#s$ ! >'+!a, (
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F%&'a .< (a) 1 (")* R!s'la$ $"!#%$ c$# !#0%a+%!#$ -$ !;a-$ac%?#.
E# (a), la c';a () !s la !+-!a'a !l "%$!ac$ ! l!c>$, 1 () !s !l
0l'9$ ! a%!. E# (") () !s la !+-!a'a !l "%$!ac$ ! l!c>$ s%# !l
c$#$l ! 0l'9$ ! a%! 1 () la !+-!a'a !s: "a9$ c$#$l.
'argantis et al (/778) evaluaron el efecto de condiciones de aireacin en un
proceso de fermentacin, considerando como variales de proceso a la
iomasa (masa de microorganismos en peso de sustrato) de materia seca
inicial (masa sustrato sin adicin de agua), el contenido de humedad a1adido al
sustrato (cantidad de agua) y la temperatura de fermentacin. La figura /.7
ilustra el sistema utili0ado para la caracteri0acin de la fermentacin, el
iorreactor traaar con un tipo de tamor giratorio con unas dimensiones de
/-,- cm de largo, /-,> cm de dimetro interno y 4,/ cm de dimetro en el ee
central de aireacin resultante en aproximadamente /,8 l de volumen interno.
=on este sistema es posile controlar el fluo, la humedad relativa y
temperatura del aire, la evaluacin de los efectos sore el crecimiento
microiano para diferentes condiciones de aireacin.
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F%&'a .2* D%a&a+a !s@'!+:%c$ !l s%s!+a '%l%/a$ -$ Sa&a#%s
(225).
$ami%n se llevaron a cao varias simulaciones del proceso para investigar el
modelo propuesto con respecto al crecimiento microiano, ver &igura /./ en el
aumento de la iomasa. Este modelo considera un sistema fermentacin en
estado slido una consideracin homog%nea importante, ya que la variailidad
espacial de un proceso de &ermentacin en estado slido puede ser muy
grande. Esta heterogeneidad es deida a la utili0acin de sustratos slidos, la
agregacin de las hifas de los hongos y el cuidado necesario para que no se
rompan demasiado (hifas son estructuras de crecimiento de hongos
filamentosos).
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F%&'a .6* C$+-aac%?# c$# l$s !s'la$s ! las s%+'lac%$#!s
!-!%+!#al!s. La 0!+!#ac%?# !# la 0%&'a (a) s! -$'9$ a 53 C 1 (") a
7 C, a#$ la >'+!a %#%c%al !l s'sa$ a =6. Las l#!as c$#%#'as!-!s!#a# las s%+'lac%$#!s ! la ca#%a ! "%$+asa !# -!s$ s!c$ !
la "%$+asa 1 s'sa$ $al !s-!c%;a+!#! las l#!as 1 . L$s
!s'la$s !-!%+!#al!s -aa la ca#%a ! "%$+asa !# -!s$ s!c$ 1 la
"%$+asa $al s$#, !s-!c%;a+!#!, l$s -'#$s G 1 .
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