¿Qué es un Fermentador de Sólidos Rotatorio?

Un fermentador de sólidos es un equipo de fermentación de uso común en el cultivo microbiano. La fermentación en estado sólido (SSF) es un método de fermentación de microorganismos en una matriz sólida sin agua libre o con muy poca. Se adhiere una capa de película de agua a la superficie de la matriz sólida, pero la fase líquida no es continua y la mayoría de los huecos están llenos de fases gaseosas. El agua del sistema se absorbe principalmente entre las partículas de la matriz sólida.

El principio de funcionamiento del fermentador sólido se basa en que los microorganismos crecen en un sustrato húmedo e insoluble en agua para la fermentación y no contienen agua libre durante la fermentación sólida. Con el aumento de agua libre producida por microorganismos, el alcance de la fermentación sólida se extiende a la fermentación viscosa y la fermentación en suspensión de partículas sólidas. Se puede considerar que el ambiente de crecimiento no es necesariamente el mismo entre cada célula. Para mejorar la eficiencia del cultivo, se adopta el método de aumentar el área superficial.

Los laboratorios generalmente usan pendientes de tubos de ensayo, placas de Petri, matraces triangulares, matraces Kirschner, etc. para el cultivo. La mayoría de las fábricas utilizan placas curvas, cortinas y estanques curvos ventilados. Debido a la selección de productos agrícolas y secundarios como el salvado como materia prima, el precio es bajo, la superficie de las partículas es grande, suelta y ventilada, y las materias primas son fáciles de obtener en grandes cantidades. Por lo tanto, es ampliamente utilizado en la industria cervecera. Sin embargo, dado que todavía hay muchas dificultades en la tecnología de cultivo de superficie a gran escala, en la producción de fermentación, se puede usar el cultivo de superficie líquido y, en su lugar, se usa principalmente el método de cultivo sumergido líquido.

Características Estructurales del Fermentador Sólido

El fermentador sólido puede asegurar la temperatura requerida para la fermentación, y el control de temperatura constante se lleva a cabo a través de la chaqueta. Se puede esterilizar en el tanque o se puede esterilizar antes de ingresar al fermentador para la fermentación. El ajuste de la humedad generalmente se lleva a cabo mediante un controlador de humedad para monitorear la humedad en el tanque. Utiliza un dispositivo de rociado de agua estéril (niebla) y un dispositivo de evaporación de agua para que el dispositivo sensor de humedad de 0-100 % pueda ajustarse arbitrariamente dentro de su rango de humedad, mantener la humedad constante y la visualización.

El control de la ventilación también es un punto de control importante para los fermentadores sólidos. El requisito para la ventilación es que debe ser estéril, y el volumen y la velocidad del aire se pueden ajustar.

El Sistema de Agitación en Fermentadores Sólidos

El ajuste del sistema de agitación es uno de los puntos de control más críticos del fermentador de sólidos. Dado que la inoculación de fermentación sólida requiere uniformidad y no es fácil de mezclar, el diseño de la agitación debe garantizar una mezcla uniforme de los materiales y una distribución uniforme de las bacterias después de la inoculación. La inoculación se realiza generalmente por pulverización. Las formas de agitación incluyen agitación mecánica y tanque síncrono y agitación mecánica. La agitación adopta la agitación del eje horizontal o mecánico de acoplamiento directo superior, el sello mecánico para el hervidor, varias formas de paletas de agitación de alto rendimiento, paletas antiespumantes, motor de regulación de velocidad de CA y la velocidad es infinitamente ajustable. Ventana de vidrio, fácil de observar el estado del tanque.

Tipos de Fermentadores de Sólidos

El sistema cerrado de fermentación en estado sólido es un espacio que proporciona un entorno y condiciones adecuadas para el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos en una matriz sólida. Puede evitar la entrada de microorganismos externos y el derrame de sustancias internas. Debe tener un buen sistema de agitación, ventilación, disipación de calor y enfriamiento, y ser capaz de realizar operaciones asépticas. Debido a la naturaleza de los sustratos y organismos utilizados, la mezcla en el sistema cerrado de fermentación en estado sólido suele ser desigual, lo que no favorece la transferencia de calor y masa.

Fermentadores de Bandeja

Generalmente se compone de múltiples bandejas apiladas en una sala de cultivo o incubadora cerrada, con un cierto espacio entre las bandejas para permitir que el aire circule entre las bandejas y la superficie de la matriz de fermentación. El sistema de fermentación tiene una estructura simple, es fácil de hacer y de bajo costo, pero tiene una mala disipación de calor.

Fermentadores de Lecho Fijo Vertical

Su cuerpo principal es un cilindro colocado verticalmente con una placa o pantalla porosa en la parte inferior, que se utiliza para soportar la matriz de fermentación para formar un lecho de columna de cierta altura. El sistema de fermentación es eficiente, fácil de operar, de estructura simple y adopta medidas de ventilación forzada para mejorar los procesos de transferencia de calor y masa, pero el coeficiente de transferencia de masa y el coeficiente de transferencia de calor son relativamente bajos. A medida que aumenta la altura del lecho, la tasa de ventilación disminuye y el gradiente de temperatura en el sistema de fermentación aumenta gradualmente.

Fermentadores de Tambor Rotatorio (CRDB)

Su cuerpo principal es un cilindro horizontal o inclinado lleno de matriz de fermentación. El oxígeno se introduce desde la parte superior y circula dentro del sistema de fermentación para satisfacer las necesidades de crecimiento y metabolismo de los microorganismos. A medida que el cilindro gira, la matriz de fermentación se puede girar y mezclar, lo que favorece la transferencia de oxígeno y calor, mejora la eficiencia de la fermentación y también evita que la matriz se adhiera a la pared interna del sistema de fermentación.

Este tipo de fermentador es similar al del grupo de tanque agitado, pero difiere de la manera en que se consigue el mezclado: el CRDB consiste en un cilindro que gira horizontalmente alrededor de su eje. Los fermentadores de este tipo caen entre biorreactores perfectamente mezclados y biorreactores de flujo instantáneo y, por tanto, pueden denominarse biorreactores de flujo mixto. De hecho, como en los equipos de secado sólido de esta forma, pueden tener dispositivos internos que promuevan la mezcla hacia adelante y hacia atrás.

Las variables de diseño y operación de los CRDB son similares a las de los CSTB. Sin embargo, el hecho de que el tambor gire sin el movimiento de un agitador interno produce características particulares en los mecanismos de agitación. El número, la forma y la posición de los deflectores son factores importantes que afectan al flujo a través del tambor y consecuentemente al comportamiento de este dispositivo. Además de la eliminación de calor por convección al aire que fluye a través del espacio de cabeza, se pueden probar diferentes estrategias para eliminar el calor metabólico residual del lecho de sólidos de fermentación. La velocidad de rotación del tambor y el ángulo de inclinación del cuerpo del equipo respecto a la horizontal son factores muy importantes que afectan a la mezcla y transporte de sólidos.

Van de Lagemaat y Pyle utilizaron un CRDB de 1 m de largo con un diámetro de 8 cm. Al ajustar la disposición de deflectores y la inclinación del eje central del biorreactor a la horizontal, lograron una mezcla casi perfecta de partículas de sustrato sólido no inoculadas. El objetivo principal de este diseño era conseguir suficiente mezcla de vuelta de modo que la alimentación estéril pudiera ser inoculada por las partículas fermentadas dentro del tanque biorreactor, de tal manera que se eliminara la necesidad de un sistema de inoculación externo. Sin embargo, la eficacia de tal «retro-inoculación» todavía no ha sido investigada directamente.

Se probó un tipo especial de CRDB para la fermentación de una mezcla de residuos de engorde y maíz grueso agrietado. El dispositivo biorreactor de 91,5 cm de largo tenía un diámetro de 22,8 cm y consistía en tres cámaras alineadas axialmente y separadas por mamparos. Cada mamparo tenía un orificio situado centralmente para permitir el paso unidireccional del sustrato de fermentación secuencialmente a través de las cámaras. Cada cámara tenía varios deflectores para asegurar una mezcla perfecta de los sólidos de fermentación dentro de la cámara y por lo tanto este fermentador actuaba como tres biorreactores continuos perfectamente mezclados en serie. La fermentación dura hasta dos meses con este aparato.

Fermentadores de Tanque Agitado Continuo (CSTB)

Los biorreactores de tanque agitado continuo están diseñados para mezclar completamente el contenido del biorreactor. En el caso de los procesos SSF, no es práctico mezclar perfectamente debido a dos limitaciones impuestas por la naturaleza sólida del sistema. En primer lugar, los sólidos húmedos tienen una capacidad limitada para fluir y esto hace difícil la mezcla. En segundo lugar, los sólidos húmedos tienden a mostrar un grado significativo de segregación de flujo. El término segregación de flujo se refiere a la tendencia de las partículas que han estado en el recipiente durante diferentes períodos de tiempo a permanecer segregadas en diferentes grupos. Como resultado, cualquier CSTB que se utiliza para un proceso SSF continuo se comportará hasta cierto punto como un fermentador mezclado intermitentemente.

Observe que hay una limitación adicional en la mezcla perfecta. En CSTBs perfectamente mezclados para SLF, la mezcla es perfecta incluso a nivel molecular. Sin embargo, en SSF, el lecho de sólidos no puede mezclarse a nivel molecular a menos que las partículas de sustrato sólido sean destruidas por completo. Además, la transferencia de líquido o biomasa entre partículas será típicamente muy limitada.

Fermentadores de Flujo Tubular Continuo (CTFB)

Este tipo de fermentador consiste en una cámara vertical con una placa de fondo porosa. El gas se introduce desde el fondo del lecho de fermentación. La matriz del sistema de fermentación se mezcla de manera uniforme, lo que puede evitar gradientes de temperatura y humedad durante el proceso de fermentación y favorece el control de los parámetros del proceso de fermentación. Sin embargo, si la viscosidad de la matriz de fermentación es demasiado alta o el tamaño de las partículas no es uniforme, se producirán diferencias en la suspensión de partículas durante el proceso de fermentación.

Aplicaciones y Ventajas

Un fermentador de estado sólido (SSF) opera cultivando microorganismos en sustratos sólidos con un mínimo de agua libre. El proceso comienza con la preparación e inoculación del sustrato sólido, tal como residuos agrícolas o subproductos industriales, con los microorganismos deseados. El fermentador mantiene las condiciones ambientales óptimas mediante un control preciso de la temperatura, la humedad y la aireación. Algunos SSF incluyen mecanismos de agitación para garantizar una distribución uniforme del sustrato y los microorganismos. Los sensores monitorean parámetros clave como temperatura, humedad y niveles de oxígeno, lo que permite ajustes en tiempo real.

Los SSF manejan eficazmente e inoculan uniformemente sustratos sólidos, como residuos agrícolas y subproductos industriales, lo que garantiza un crecimiento microbiano constante. Proporcionan un control ambiental preciso, incluida la regulación de la temperatura, el control de la humedad y los sistemas de aireación, para mantener las condiciones óptimas para el metabolismo microbiano. Algunos SSF están equipados con mecanismos de agitación para garantizar una distribución uniforme del sustrato y los microorganismos, evitando la aglomeración y la canalización.

Además, los SSF cuentan con sensores y sistemas de control para monitorear parámetros clave como temperatura, humedad, pH y niveles de oxígeno, y pueden ajustar automáticamente las condiciones en función de los datos en tiempo real para optimizar el proceso de fermentación. Para la recuperación del producto, los SSF están diseñados para facilitar la recolección eficiente de productos finales, como enzimas y compuestos bioactivos, al tiempo que minimizan los riesgos de contaminación.

El diseño flexible de los SSF permite la escalabilidad, lo que los hace adecuados tanto para la investigación de laboratorio a pequeña escala como para la producción industrial a gran escala. Su bajo consumo de energía y operación sostenible, utilizando materiales de desecho y requiriendo menos agua y energía, hacen de los SSF un método de fermentación ecológico. Ampliamente utilizados en industrias como alimentos y bebidas, productos farmacéuticos, agricultura y biocombustibles, los SSF son esenciales para producir productos de alto valor como enzimas, antibióticos, ácidos orgánicos y biofertilizantes.

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