lAIEIPC1A1lE

Octubre 1989 - Agosto 1990

•

ESCALAMIENTO DE FERMENTADORES EN ESTADOSOLIDO

Responsables deI Proyecto:

Dr. Sergio REVAH (CBI-UAM Iztapalapa)

Dr. Richard AURIA (ORSTON··- Francia)

it ConseJo Nac10nal de Clenca y Tecnologla

* * InsUtuto Frances de InvesttgactonCtentiflco para el oesarrollo en Cooperaclon

fIC'" !II 'r.."Ib.:

_"BRE DfL PROTfCTO

ESCALA"IEITO DE ffR"fITADORE! El ESTADO SOUDO

CLAYE DEL PIQYECD

COftE.,O P122CCOT89 1 4391

COOIDI MDOI DEL PROYECUi

Dr. Seri•• REYAH

ImllOCIOli

Dlvllti_ C.B.I.De,.rt._.t Pree•••• HI"r••lt.

U.iverrli.. AlIti__ l'tItn,.ltt••-lzt.,.l ..Av. Hic..... , '.rilt_. C.l. yt.lltt_. Id.,.l ..

&P09540ltixta D.f.

Compilado \1 ed1tedo por Rie_rd AURIA V5ef11o REVAH con le perttctpect6n dl 5ergtoHERNANDEZ, Jor98 PAlACIOS, J ..n CAMPOS.. Julien AII;ELES.. Elbe VILLAREAL.. R..lLOPEZ y Marieno GUTIERREZ.

, . ''''fIlm RfL PRQTfCIQ T nfIAS cunPLlDftS

• OB,JQIJOS DEL PROJECIQ

El objettvo ,lobel de este pro."cto es de majorer numrœ conocl mtentos de los fe­nomenos de trlnsporte de mue Vcelor apUcados 1 los fermentadores en estldo I6Udo(fES) con el objeto de el uctder los pesos controllntes lJ de sentir Ils beaea de un eacell­mlento de reectores en FES. Los objetivot perticuleres de este trebejo fueron los at,uten­tes.

E. ,ri_r l ...r fue de encontrar un soporte modelo 10 c..l tendril proptedadlsf1sicoqufmices edecuedea pere aer uaedoen FES. bte aoporte deberi aer inerte biolog1ce­mente, sin inhibidores el crecimiento deI microoroenbmo, de forme biln deflntde .. mln­tener une Ilto contenido de 11)" sin dreneje mecr0sc6ptco (es1*10 interpertfcull).Ademés, estl II)UI deberé aer disponi bll pere el microorventsmo .. deberemos conocer unméximo de perlmetros f1sicoqufm1coa, de preflrenc1e", ... dispontble ln llUterature.

Después de heber estoQido el aoporte edecuedo", ueendo un med10 de cult1vo lJ unmicroor9lnismo seleccionedo", tendremos que cerecter1zerlo medtente diferentes pereme­tros termodi Mmtco VbtolO9ico. Este estuctto permitt ré de estlblecer que Il crec1 mtentodel ho. aobre este dicho soporte el compereble 1 10 q....ne.ntrl con los IOporteeegricol. US8dos frecuentemente Ih II FES. Al mismo ttlmpo tendrlmoa que "rrollaruns metodologil pere Ils diferentes medtdlS de los perametros biol6Q1coa. Principelmentenos enfocaremos sobre les medidla de concentrlCi6net de biomese Vde RUcerel.

L..., ... ,.rte de este trebejo seré user este aoporte pere estucttlr los fen6­menos de transporte de mlm lJ calor acoplados con le biologfl deI medto.

En un pri mer peso tendremos que dise1ier un reector sencillo en do" los f.nome­nos de trensporte de mese (OU) Vcelor sein bien identtflC8dol. b decir '" buaceremoa.lmodelo fisico "idesl" pen tener un reector de tipo iaotérmico, sin flujo convectivo", ehdonde li difusion de oxfgeno lJ di6xido de cerbono ..n el principel fen6meno de trensportede mesa. Con este sïsteme de reector estudteremos el comportlmiento del microor9lnismoen un Imbiente de~ Y~ diferente a les condiciones normeles (ai re ambientel,~. 21

~ U~= 0 ~) empleade de cœtumbre en FES..

. L. tercera pttrte sere dise_r un reector modullr de tipo corwectivo en d6nde eltransporte de~ es ~Jddfreccione1. Con este protoUpo, se mediré en lldirecclôn exillles concentrS)Cio~ de~ Y~, li tempereturl Vli prat6n totel de li flse van_.Ademés, med1remœ en li entred8 el flujo de 11re", li humedld rell11ve dell1re (.ntredl V88lide). Eate pri mera perte del estudio aeré princi pel mente infocede sobre el di..r.o delreactor Usuinstrumentacion. Pere seQutr el crecimiento del honoo durlnte Il procao sindestrui r ellecho poro30, trateremoa de "roUir un m6todo pere medi ri ndlrectementeli biomeae mediente 18 ceide de presion . Eete experi mento ..ré en un pri mer pao reeli­sedo 1 nivel de col umnes pequeMs pen des,., comprober Il m6todo 1 une eacell me..,or.

El .1t1_ ... sere deade de lhorl bUSCIr un mex1mode lnformec16n (blbl1o­9reffa) perl penser en el dtae1lo de reectorea de mevor cepee....... pifa l, FE!.

• HUM CUHPUMI

IECNlCA' ANéLITICASPREY'STO: 100 •

BIOtWM y SU8STBAIO 6SIMILABLEPREY'SIO: 100 •

LOGMDO: 100 •

LooMDO: 100.

LOGRADO: 100 •

LooRADO : 100 •

SENSQRESi 'PREYISTO: ,1 00 •

SUBSTRAIO aSOPORTE:PREVISTO: 100 •

ffR"EIIAC'OIP ESTATICAS

WUDlœ CON REACTORES SIN GIMDI ENIES;PREYISIO: 100 • LooMDO : 100. ,

fLlJJQ DlfUSIVO DE 02. C02 yHUMEMDPREVISTO: 100 • LooRADO : 100.

[lM aJNYECTlVO DE AI RE ENfERMENTèDORES ISQIERMICOSCON GRADI ENTES AXIALESPREYISIO: 50S LooRADO: 50 •

f1)PELAMI ENIOjPREVISTO: 90S LooRADO: 60 •

fERHEITACIOIES DlMHICAS

DISENa PE fERMfNIADOR "'TAoo DE TAMBQRPREVISTO: 90% LooR.\DO: 60 •

EYALUéC'ON PE Ç'NUICAS DE CRECIMIENIOPREVISTO: 90W; LooRADO: 60 •

rARACTERIZAÇION DE ESFUERZQS DE CORTEPREVISIO: 90S LooR.\DO: 60 •

OBTEN:ION DE PèRAMUROS DE ESCALAMIENIOPREVISTO: 90. LooRADO: 60 •

2. PE$ÇR'PC'OI DE LM ACT'YIMDES BrAuZA"S •3. RRUUADOS DUCI"S

Como menctonedD enterioremente el objlttvo oeBerel de este trabeja fue en1ecedo3GbA e' eatudto ., ace'emtento de fermentedons en atado .Jido. lOI dtterentes estu­dt" reel1zedoe .. presenten en forme de cuetro enexos, en cede UnDS, helllOl .....rrolledoun treb8jo apec1ftco. En 10 quesiOue, de... un resumen de cede tnexo.

AIEm 1: terectttrtDCt'. I·evel..... ftalce- .1...... _ ..rta 1.,..,.ra la f.r...tact....1t•.

5ebt.ndo '0 cltftetJ que es de trebeJ.r con IOportee IQrlco'" pere meJorer nues­tros conoci mientle bis1cœ hemos de8de el t ntc10 bli8cedo un IOporte eleuel preaenterleverios ventejes pere la fES. En un primer pao hernos comparedo dfterentea IOportel telcomo: aponjes, apumes de poliureteno, vermteulite, ftbres sint6t1ces, r_nu. Pere.leeetoner el soporte mU edecœdo hemoa UCOQtdo trea critertos:- que le soporte no te.. ning6n tnhibidor pere.l crecimtento deI honoo,- que le soporte te. un elte eepecided de retenct6n de 'lue at n praenct. dl ,.......no dedreneje meer_ptco,- que .xiste 'JI en la bjbUogreffa, pere.te clteho IOporte, un mixtme de conoctmtentoa.nlos perérnetros flaicoquimtcos.

De los estudfos que • hieieron, .1 10porte qul'n eump1t610 m6a 108 requta1toa fueun reai ne intereembledora t6niee: le amberUte 1RA- 900.Eate soporte presente muchoa ventejes pere le fES:- f:$ inerte biolOQicemente \1 no t'lene nino6n inibidor al crec1me1nto de Mp. m.r.- su estructuras611de no cambia durente el prOCllO,- es esf6rtco \1 no se deforme durente tode la fase de creci mtento deI honoo,- 108 porcenteja inieiales de la dtterentea faes (s6lidl, 1fquide, ..._> en al reectoraon ai.mpre 1.. mtsmes (el empeque es constente>,- se conoce muchos par6metros ftstcoquimtcoa (densided, poroaided, ee", i6niee,..>,- el crec'irniento deI honoo se deserrolla 1010 en le superficia 10 cuel fecHita 1.. oblerYI-ciones el microscopto,- se puede recuperer fecH mente tode la biomeae con solemente UM 1Qitec16n mec6niee. Sefacilite les medide8 de biomeae por este metodo.

En un segundo pao hernos eerectertzedo el erectmiento de AaP. ni.r lOb,.. ateIOporte seguiendo durente la fermentect6n dIferentes perémetros come: bio....., RUeer.raidualea, pH, humded8d, ecth1ded de 8lJue,~, O:z, eelde de ClrQI, dtstribuci6n de ta-meno de perticules. Une comperecj6n de los resultedoa obtenidoa con reaultadoa obtenidolcon 8Oportee egricola nos permtt'l6 conclutr que este reaine ea npreaentltive de 1. rne­uorfe de los soporte$ que se usen "'In fES Uque • podrla UIIr como IOporte modelo. Enconcl uafon, hemoa demostredo en esta perte deI atudlo que este aoport. se puede ueercomo soporte modelo tentG pera ...jorer nuest,... conaci mtentoa deI crecimte. de unhongo COIRO para estudfos de t..nieria. se aomati6 e revtsi6n un tnbejo a B1otéchnolog,lettera con alounoa resultedos de est. perte dllproveeto. ANEXO Y .

pli. f.t ",,"r ~f.t.. t_t'rate.. 'a ,.n_trw. cl-la. creet.I AI"rlO). ".r.

Une vez selecc1onedo el soporte model0, • empez6 con los primens eatudlos enreectora. En pri mer 1uger, pere flctltter al entendimiento deI. fenome_ termobio16-

gtcos en un reector de tt po tndustrt81, hemos tr.b8jedD con un~r senctllo IaotérmtcoVen dOnde el pri net pel fen6meno de transporte .. la dlf.ton dl 0:2 V~. El medlo dlcult1vo usedO pera estos experllnentos rue. upo CZAPfCK mocnncadD 1,1 el m'lcroorOlft1S­mo fue Mp. nt.r. Durante el proceso se mldto en 1. dt receton ext.l del reactor los perft­les de~, ~, Temperatura, Bio...., pH,humeded. De los balances de~ V0:2 • celcu161. tau de produccion de O:ll,l de consumo de~ en ceda mveles del reector .. contra elttempo. Desp. hemos calculldo el coettctente de actividad respt rltorta 11I0:2, valorcomparable a 10 q....ncuentra en la bt bltooraffa. Este li po de expert mento mottr6 queen condtctones no atandlr de 0:2 (21 .) ,,~ (O.) el crectmtento del mtcroo....nlsmopUlde tntet.r ... temprano, pœ1 blemente por el e1ecto promotor del~ sobre 1. "r-mtnect6n. .

.'fXO ",. E.t.... el rMeter ce."."" (1 D.) ..1. ,.r•..tne terM-

....ie. , an.litt...1cr.i.e" Id.r.

Desp. de este prt mero trabajo, he dtseiiadD Vconatrutdo un reactor modul.rde 90 cm de alto con 10 cuel se puede estucltar el f'nO""no convectivo. Este nactor fueinstrumentado para medt r en 108 diferenta ntveles (dt recct6n exiel):.. Les concentreciones de~ V~,- la temper.tura,- la cefda de carOl.

Uen 18 entrldl Ula saUde del reector:- el flujo de aire,- la humedad relative del et re,

Los prlmeros resultados obtentdos mœtraron que existfa correlac1ones entre litemperltura y la producton de~ Vtembt6n la cefdl de cerOl Vel ~,~.

Hernos obserYado que durante el crectmtento del honoo li cafde de ce,... este.. re­lacioned8 con la evolueion de la btomasa. Por el hecho que el crecim1ento se hace 801amen­te en superficie, el honoo durante su "rro110 colontza el eapetto vecfo tnterpertteulatepando los poros. Por 880, hemus deserro181do expenmentos con columMl pequer. mt­diendo contra el fiempo la cefde de cerp " la bio..... He... mostradD mediaRte estos ex-pertrnentol que 18 cafda de cerO' 8Il'J9ufa perlectemente 1. evoluci6n de 1. bio "'moscalculldo el COIffetente de permeabt1tdedQI'- 10 eual es une runet6n de la blo De880, treteremos, medt.nte est. relect6n entr.I. caf. de cerOI , 1. bto.... -outr "medtr el creeimiento del ho,. en un reector de mU grande cepeetdld.

"EXP l'. Pr...t. lie .t.r..t.r. ,are fer.__i1. e. aatrd••If".

En este perte, Il reYt.nn 1. publtcectones mit recientee IObre btoreeectonepara la FES. Se planteo 101 obJet1V01 Yla deftntet6n del trabajo pare n.r halte un dt."de protottpo de btorreector~ comparando 1. dtferentes pœ1btltdades.

4. "(lCULIA'ES EPUMMS

No ...ncont,..ron d'iflcult....xtnordtnen...n18 ....1izecion deI proveeto~ .tn.•mberlJO peraisten Ils diflcultades tfptees de hecer iRYeStigecion en Mixtco aobre todo 10

relectonda con 10 encencidos que esten 108 equtpoa Vmate".,., de tmportact6n \110 pococumpl1do de lot prCMedoree.

5. PAPA DEL 'ROCfSU TECIOLOGICO •6. TMlSffRElÇlA DEL PROYECTO

El proceso se .ncuentr. e ntvel de estmtlecion de tecnologfe en 10 que respecte, lecomprenston de los fen6menos relewntel pere elescelerniento de fES. St hl evanzedovnndemente en le comprenafon de los peremetros de tnnsferencie ma relewntes en .tet1 po de proceao. Lo .nterlor he aido poai ble vrlCita 81 U80 de aoport. 'modelo· que flctli­ten orendemente el e",11sts dei reector.

Estomos tnici'ndo la trenferenct' de 108 conocimi.ntos ala produccion de un mete­boltto secundarto de tnterés comerct'l en conj unto con el Oepto. de 81otecnologfa de 1.UAM. El proveeto ,portera los canoctrm.ntos de dos orupos de tnvesttQlCion: ROIOtroa en leparte de ctiseoo de reector ~ 18 contnperte de BiotecnolOQf••nlos eapectoe biatcoe de mt­crobiolOQia IJ Bioquimica.

Por otra perte no 81 hen tdenttftcedo empmes tntenaedls en estmner 108 conoct­mientos deserrolledos con 108 ntudi08 preaentedos en nte reporte. Stnümos que movendr' camo conaecuencta de l' dtvulQ1Ci6n de resultedoa.

BI BLiOGRAFIA• BAJARCHAYA A. AND MUOOm E. C1980) BIOTECHIIlL. BIOEtI;.~22#2219• RATHBUN B. AND SHULER (1983) BIOTECHtilL. BIOEtIJ.,25,929* NARAHARA H.~ KOYAMA Y.~ TOSHOMI Y.~ AlTHASAMPUMA A. AND TAGOCHI H

( 1984) J. fERMENT. TECHNOL. 62~5, 453• SATO K.• NAGATANI M., NAKAMU~ K., SATO S.C 1983) J. fERMENT. TECHfIlL.

61,5.623* ERGUN S. (1952) CHEN. EN;. PROOR.~ 48~ 89

EVALUACION y CARACTERIZACION FISICO-810LOGICADE SOPORTES

INERTES PARA LA FERMENTACIONSOLIDA

Il EVALUACION y CARACTERIZACION FISICO-BIOLOGICA DESOPORTES INERTES PARA FERMENTACION SOLIDA".

INDICE

PARTE 0

PAGINA.

RE8IJMEN••••••••••••••••••••••••••••••• '•••••••••••••• 8

PARTE l

!~IB:Q~~ÇÇIQ~ ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 10

B~!&~sl2&~Is§:·••••••••••••••••••••••••••••••••••••. • 12

Q~:lI;II~Q§••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• • 14

PARTE II

S 1 E8s§s~Ia~IQ~ ~S bQ§ §QfQBI5§······ 16

S 2 EB8B~sI8Q§ EI§I~Q9~I~IÇQ§ ~5 bQ§ §QEQBIs§· ...•. 20

S 3 J~§IIEI~eçIQ~ ..••• ~ ..........................•. 21

S 4 eBI~çleIQ P5b g~fgBI~~IQ •. ·.· ..... · ..•........ 21

2

1.- CAsa.-, - CASO4.

3.- CAsa4. - CASa5.- CAser

1.- DESCRIPCION DEL DISPOSITIVO EXPERIMENTAL ••••••• 212.- MEDIDA DEL DIAMETRO DE CRECIMIENTO 233.- MODO DE OPERACION••..••.••.••••••.•.•.••••••..• 23

c. g§!Y~!Q ~gb ~8E~e~g Qg bQ§ §QeQB!5§..... ~ .....•. 29

S 7 ~lJ§!!Elçe~!Q~........•..•.•..•.•........•....•• 29

S 8 e8!~ç!e!Q ~gb 5~EgB!~g~!Q..... ~ ....••..•....... 29

s 9 Q!§EQ§!!!~Q g~EgB!~5~!eb=~QQQ Qg QegBeç!Q~.~.~.29

1.- DESCRIPCION DEL DISPOSITIVO EXPERIMENTAL .•••••• 292.- MEDIDA DE LA HUMEDAD.•..•..•••••••.•........••• 313. - MODO DE OPERACION ••••••••••••• '••••'••••••••••••• 31

S 10 e~ek!§!~ Qg bQ§ B5~Yb!aQQ§ &~e5B!~5~Iabg§ ..... 32

DEL POLIURETANO 1 (PO-l> •••••••••••.•••••• 32DEL POLIURETANQ 2 (PO-2> ••••.••••••••••••• 37DE LA FIBRA 1 (FI-1> •••••••••••.•••..•..•• 40DE LA ESPONJA 1 CES-1) •••••••••••••••••••• 44DE LA RESINA (AMBERLITA IRA-~00> •••••••.•• 4e

6.- SINTESIS DE LOS EXPERIMENTOS DE DRENAJE•••...•• 49

D. ÇQ~ÇbU§!Q~ eaB!g !! 51

3

PARTE III

B. g§I~~IQ QE be eçll~lQeQ 2~~ eiya ~E beal!ll;!~BL. lIe· 55

,

S 11 :J!J§I1El~eçIQ~..... ~.' .•.•.•....•.•............ 55

S 12 QgEI~IÇIQ~ Qg be eçIl~l~e~ Q~~ e§~e .. ~···· .. 56

s 13 QI§~Q21!I~Q g~~gBI~&~Ie~=~QQQ QE QeEBeçIQ~·.56

1.- DESCRIPCION DEL DISPOSITIVQ EXPERIMENTAL ••••• 562.- MEDIDA DE LA ACTIVIDAD DEL AGUA•••..••••••••• 573.- MODO DE OPERACION••••.••••••••••••••••••••.•• 57

S 14 e~ebI§I§ Q~ bQ§ Bg§YbIeQQ§ &~egBI~g~!ebg§· •. 58

1.- COMPARACION DE LAS ISOTERMAS DE ABSORCION y DESORCION.2.- COMPARACION DE LA Aw ENTRE LA AMBERLITA. YUCA y BAGAZO.

S 15 :JY§!IEIçeçIQ~ : .. 60

S 16 ~B!~çleIQ QEb E~esBI~g~IQ · .. · 60

s 17 QI§eQ§I!I~Q E~eE8I~g~Ie~=~QQQ Qg Qes8eçIQ~··60

1.- DESCRIPCION DEL DISPOSITIVO EXPERIMENTAL ••••. 602.- MODO DE OPERACION••••••••••••••••••.•..•••••• 61

4

S 19 1~§!IEI~a~!Q~ 62

S 20 E~~~e~5~IQ Q~b s~E58I~s~!g ·· .. ·· 62

S 21 ~!2EQ§!I!~Q s~f~B!~&~!eb=~Q~Q ~ Qf~BaG!Q~ ... 62

1.- DESCRIPC~ON DEL DISPOSITIVO EXPERIMENTAL •••••• 622.- CUANTIFICACION DE: PROTEINAS. AZUCARES y pH••• 64

* PROTEINAS.................••............... 64* AZUC"ARES. III •••••••••• "• •••••••••••••••••••• • 65:te pH••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 66

3. - MO[)O DE OPERAC ION••••••••••••••••••••••••••••• 66* COMPOSICION DE LOS MEDIOS DE CULTIVO.•••••• 66* CONDICIONES EXPERIMENTALES ••••••••••••••••• 67'" METODOLOGIA ••.·••••••••••••••••.•..•••..•••• 67

D.çaBaçIsB!~aç!Q~ ~5b ÇBsÇI~!~~IQ ~5 e§E5B§!bb~§ ~!§sB

§Q~B5 a~~5Bb!Ie·································69

S 23 lU§I!E!çeç!Q~ ·.· .. · .. · 69

S 24 E~~~a~s~!Q Qsb s~EsB!~s~IQ···················70

1.- DISPOSITIVO EXPERIMENTAL •••••••••••••••.•.•••• 702.- MODO DE OPERACION••••••••••••••••••••••••••••• 70

* TRATAMIENTO DEL SOPORTE•••••••••••••••••••• 70:t PREF'ARACION DEL MEDIO DE CULTIVa E INOCULO.71* CONDICIONES DE OPERACION•••••••••••.••••••• 71* DESARROLLQ DEL EXPERIMENTO••••.•••.•••••••• 71* METODOLOGIAS EMPLEADAS •••• ~ ••••••••.•••••••72

F. gQ~ÇblJ§IQ~ eeBIg II! · 82

:3 29 ~!~b!Q§BeEle : 85

6

PARTE 0

7

F:E'3UMEN:

El objetivo principal de este trabajo fue encontrar unsoporte, que se pudiera usaI'" como soporte modelo, paraestudios bàsicos de Fermentaci6n en Estado S61ido. Basandonosen las propiedades flsicas y biol6gicas de algunos soportestales como: espuma de poliuretano. esponja de celulosa.fibt-as y resinas, se selecciono Ut1 sopo~·te ql~e en funci6t1 denue5tros objetivos fue el m.s idoneo.

Para escoger el sopor~e m.s adecuado. seleccionamosalgunos criterios fisicoqulmicos que deberla de cumplir estesoporte, estos criterios son:

- No deberâ de presentaI'" inhibidores para el crecimiento dee§e~ Qi3~[ cepa No 10.- No deber. de sel'" degradada la matriz s61ida durante elc~·'ecimiento.

- Deberâ de poseer una alta retenci6n de agua sin drenajerna·:rosc6pico.- Poseer informaci6n sobre par.metros fisicoqulmicos.

Seleccionado el soporte. que fue la AMBERLITA IRA-900.la cual es una resina de intercambio i6nico., se procediO aamF'l iat" Sl~ informaciOrl. para 10 cl~al 'se real izar.:.n un estudic.bibliogr.fico e isotermas de absorci6n y desorci6n.

Una vez caractérizado el soporte se seleccion6 un mediade cultivo basandose en el medio CZAPECK modificado para elcrecimiento de e§e~ Di~~[. Con estos datos se llevaron acabo cinéticas de crecimiento de e§e~ Di~~[ en columnas a 35C y con una humedad inicial deI 58 X. variando la relaci6n deni t.t-0get',O c.t-';âni.=o e inor';;ànico. Teniendo como .resl~l tado ql~e

la major relaciOn fue 50:50 (sulfato de amonio:urea>.

Finalmente se llevaron a cabo cinéticas en las cualesse cuantificaron los siguientes paràmetros: Humedad. Aw,Caida de presi6n, DistribuciOn dei tama~o de las partlculasDiàmetro promedio de la distribuciOn, pH. Protelnas yAz~cares totales, Consumo de 02 y producci6nde C02. Protelnay az~cares. se evaluarOn con la finalldad de implementar unatècnica sencilla confiable y reproducible. dada que sabemos10 cOffiPleJo que separ~r la biomasa de un soporte s6lido ymedir con presiciOn la concentraci6n de los az~cares~

8

PARTE 1-

: ~nRODUC::101'••

~a F2rmentaciôn en EstAdo Solido <FES> es un ti~e decultive en dondese crece un mlcroorganismo sobre lasu~erficie y/a en el irite~ior de una oartlculA porosA sOlida(oor05idad ir'1n-·aeart1c\.lla); est.. pArtlculA puede 5.'"aSlmilable 0 inerte. El agu.. e.taligAda Al interior de lamatriz porosa y no se oDserVAn fen6menos mAcro.cOpicos dedrenaja entre part1culas (oorosidAd -- interpart1cula). Ele.pacio intraparttcula est. ocup..do oor Aire, dAdo que ,losmicroorganismos neceBltAn ~x1geno para crecer y pArA ..segurArBU adecuada d ispon ib il id..d este puede Aliment.. r ••convectivament••

Esta c .. r.ct.r1stiCA •• import ..nt. YA Que elmicroorganismo se .ncuentrA en centacte con el aire; Adiferencia deI cu1tivo sumergido en donde el centacte e. conun medio liquido <de cultivo>. En .1 .. FEe lA humedad d.p.nd.de la cao..cidad d. reteneiOn de1 mAt.ria1 .1 cua1 d.b. d.tener entre un 30 a' 8(1% (hum.dAd b.... hûmeda>.

La FE8 ha sido us.d.. de.de h..ce mucho...~o. PAra 1_obtencion de algunos a1im.ntos ferment ..do.. .n lA mAdurAci6nde QUe50S y en la degradaciOn de Alguno. campuestoslignoce1u16sicos (composteo). E.to principA1mente.n PAisesorientales. despu.s de 1....gundA guerra mundial lA FE5 fuer'emplazada por la fermentaciôn de cultivo sumergido en lospaises occIdentales. A pesar de que la FES se utiliza enmenor proporciOn que la fermentAci6n en estAde liquida, suimportancia economica no es pequeNa: mAs de1 50 % de 1...enzimas oroducidas en el JapOn se obtienen por est4 técnica.En el futuro el creeimiento global de la bioindustria permitepradecir cue habrA espacio pAra el desarrol10 de nuevastécnicas de fermentaci6n. LA FES puede jugar un papelimoortante debido a Que presenta algunas ven~ajas. Hesseltine(1972). comparàndola con la fermentaciÔn liquida tAles como:

a) Condiciones de esterilidAd menos e.tricta••b) Productos mas concentr..do••c> Aigunos reslduos no necesltan tratamiento.d) Una técnica simple.e) Bajo capital de inversiOn.f) Reducldos requerimientos de en."Q1&.

10

~ero también prasenta limit~clone5 oor ejemplo:

~) Control de los ~ar~metros ce fermentaci6njlPoco conoclmien~o tecnoloQico.~) Acumulaci6n oe c~lar ~etabélico.

d) E5calamiento de reactores.

Siendo este ûltimo. une de los principales problemas QU. 1.~a impedido a la FES ser funcional a nivel indu.trlal. Se havisto Que la FES puede ser muy ûtil, cero faltanconocimientos tanto a nivel bàsico como a nivel tecnol6gicopara una aplicaciOn a nivel industrial.

11

ANT!:::C!:::DENTE5.

E~ los ûltimos aNos la FES a recibido mucna atenc16n~or muy diversos lnvestlgadores e instituciones de todo elmunde y a la fecha los trabajas publicados de jan ver aue léFE5 cada vez se ve m~s estimulada par los proQresos 10Qrados.En 1970 s8 pronostica Que la FES puede ser una alt.rnatlvaviable a la convencional fermentaci6n sumerQida. El t_rminoFES se refier. al crecimiento de microorganismos sobremateriales solidos texturizadbs y porosos, en presencia deagua en forma absorbida .dentro del sol ido. Un ejemplo es lafermentac16n ~e productos agricola. con alto ccntenido decarbahidratos que medlante un proceso de FES ofrecefavorables ventajas sobre las fermentaciones convencionalescomo: mejores rendimiantos, disminuci6n en el tama~o y costodal eQuipo y en algunos casqs no sa requieren procesos deseparaciôn posteriores al proceso fermentativo.

La id.a de practicar cultivos en medio s61ido sobresoportes impregnados a sido llevada a cabo por alQunosautOt'es. Lakshmit'ayana et al (1975) los cuales produjerOnacido citrico a oartir de melaza absorbida sobre bagazo deca~a con ~ ~iger. Sato et al (1983) utilizarôn unasoluci6n de glucosa absorbida sobre pulpa de madera comomodele para el crecimiento en media s61ido para levaduras.Raimbaul t (198(1) demostro que mediante la FES de~ niget~

sobre almiden de yuca se puede incrementar la proteina dedicho aimidon. Barrios et al (1987) utilizo poliuretano debaja densidad y algunos pl~sticos como soport. para laproducciôn de penicilina mediante la FES. sus resultadosmostrarOn que estos materiales contienen un compuestoinhibl tOt'lO para el crecimiento de~ niger el cual fuedisminUldo mediante un tratamiento ~cido- base. Oriol et al(1988) observe que utillzando bagazo de cal"la como soporte eimpregnàndolo con un media liquido a base de·glucosa y bajociertas condiciones de temperatura y pH, la cinética decrecimiento de Asp. niger se ve afectada principalmente porla cantidad inicial de aQua deI medio, la cantidad de espora.con las que se inocula y el tamal"lo deI soporte utilizado.

En otra modalidad de estudios de la FES, .e ha tratadode obtener soportes modela esto es que no presenteninter'ace lones con el microorganismo, par. as1 poderincorpcrar conoeimientos més precisos con respecto alcrecimiento. Al respecto se han desarrollado los siguientestt'abajos entre otros: el modela de un nutriente simple que e.Agar en una caja de petri.

12

?ara éste mooele téorlco de creclmlento dei honqo se lei~corporaron los efectos de transferenCla de masa y calor porGeorgluo y Shuler \1986). Wei et al (1981) usaron gelatinaCjmc un aqente solidificante para producir un sustrato modeloseml-s611do, tratando de· tener caractéristicas muy similaresa la FES. Con este soperte se facilita el estudio de las~lnéticas de crecimlento midiendo direct...nte la biomasadado Que la gelatina es disuelta aumentando ligeramente lacemperatura y la biomasa es recuperada por c.ntrifugaciOn.Mitchell et al (1986) proponen un sustrato modelo que sediferencia de! de Wei et al (1981) por que proporciona unamayor rigidez a la temperatura ambiente usando un agent.solidificante que es la KQPpa-Carragenan. En su .studio secomcaran el creclmlento en su sustratQ y en tubérculos deyuca, teniendo un.menor rendimiento prot.ico en su sustratomodelo, por 10 aue este sustratomodelo a~n esta sujeto aestudios de efectos nutricionales.

Ademàs de los paràmetros optimos d. crecimiento asicomo el estudio de soportes modelo, también se han estudiadoalgunos parâmetros fisicos como la importancia dei agua enla FES. Estâ a sido estudiada recientemente bajo aspectos=uantitativos (Nisho et al 1979; Raimbault y Alazard 1980;Hoekim e-I; al 1985). El concepto de Aw (actividad dei agua)fue propuesto por Narahara et al (1982) el cÎ..\al es unparàmetro representativo para expresar la limitacion de aguaausente en el crecimiento para explicar el crecimiento de loshongos en sustrato solido. Oriol et al (1988) observo elefectc de la Aw durante la fermentacion de almid6n de yucacon Asp. niger' y mediante un câlculo teorico basado en laecuaciOn de Ross demostro que la Aw dei sustrato decresehasta 0.85 caSl al final de la fermentaciôn. La Aw fueincrementada cuando se utilizo bagazo de caNa como losmayores ranges de crecimiento y conversion de sustrato abiomasa fueron obtenidos con este sistema, confirmando Que ladispo~ibilldad dei agua es un factor critico en la FES desustratos almidonados ya Que estos tienen una mayor capacidadde retenciOn de aqua.

13

OBJETIYOS 1.

Q&JETIVQ ~ERA~.

SeleC:Clonar- un .ocorte teoric:amente "ideal".biolOgic:amente ln.rte. bien definido tante a nivel de los~~ram.tro. 11.ic:c. (Ferma. Poresidad.Den.1dadl come a niv~l

Q~imic:o (pH. Selec:t1vidad ionica>. Que cueda .ervir en elfuture c:omo'Yn seperte modele para .studies b•• teos de FES.

~TI'y'OS eARTICUke~œl,

PRIM~RA PARTi'

Par~ ~sc:o~~r un soporte mod~lo haremgs dif_rentescomparac:iones de los sQporte~ ~$c:oQidos estas c:amparac:ion.sson:

A) Estudio biblioQr~1ic:o Para çonoc:~r un m'~imo deparametro5 fi5ic:os y Quimic:os d. 105 diterentes soportes.

B> Analizar si existen inhibidgr@~ Q@l 'r.~irn~@Rlg Qara ~1

m~croorgani5mo~ ni~r y si ~Mi§t@n, tratar g~ g~§miRYir

sy ~fec:to m.diaRt~ ~lQ~n tr~'~miWR~g,

C) Efec:tu~r dit.r.n~.~ D~u.b •• p.r. .1 Anili§i§ 1i§icacamel Or~n.je, capacidad de .~.cr,i~R y gCUD.~'~R ~e la.voluman~5 ($êlide, l~quida y 9a••o.o) en .1 r ••~tgr.

§.~GUNpA PARTE:

En funciôn de 10. An.l1.1. fisicos y lA ~r•••nci. aal.lseneia de inhibidot". s.1.cc1enAr- une d. la••000I"'t•••

A) Cuantificar de manera ~r.c1.a el cr.clmi.nto d.e§e.rQil~ niger. sobr-. el seport. s.l.cclon.do m.dlant. lacuantificaciôn d. oreteinas y az~car•• , adem•• de cuantific.rla humedad. la actividad del aQua, la c.ida d. ~r'.lQn, 1_distribuciôn del tama~e de ~art1cula, .1 di.metro m.dl.nc d.particula, el pH. el consume d. OX1Q.ne y 1. ~roduéciôn ded 10:: ido d. ciu·bono.

BJ Analizar-' lnt.ror.tar 10. r.sultades d.l crecimi.ntaae Ascergillus niger sobre .1 soporte mod.lo .scoOldo.

14

PARTE Il

CARACTERI2ACION FISICA VBIOLOGICA DE LOSSOPORTES.

1~

Sabernes '~e ,e~<isten lI\..~chos pat'amet.ros fisicoql~imicos

para caracterizar un seperte adecuado para la FES. Lamult.it.ud de estes pararnetros hace dificil escoger .....n soporteideal. En funciôn de 10 anterier. nosotros hemos escogidosolo tres parametros que n~s parecen los mAs convenientes,para poder decir si un soporte tendra las caracter1sticasadecuadas para ser usado en FES.

En esta parte se pretende analizar algunos efectosbiolôgicos y fisicos de los soportes en estudio. Con respectoal aspecto bio16gico pretendernos observar si este ejercea19~n efecto inhibidor sobre la velocidad de crecimiento deea~~ ni~~t cepa 10 UAM-I. En el aspecto f1sico deseamosconocer las caracterlsticas de absorci6n mâxima deI soportesin que éste presente fen6menos macresc6picos de drenaje <elvolumen de agua por volumen de reactor debera de ser mâximo)

1.- El hecho de escoger estos soportes tiene como fundamentoque:

- Sen disponibles comercialmente.- Son inertes biolôgicamente (apriori).- Pueden retener una alta cantidad de agua.- Poseen algunos parAmetros fisicoqulmicos ya conocidos.

2.- Les diferentes soportes utllizados en este estudioson:

(FI-l)(Amberlita IRA-900).

1.-2. -3. -4.-5. -

Esp',Jma de polil.~retanc' del:.ajaEspuma de poliuretano de altaEsponja de celulosa. (ES-l)Fibra sintètica de celulosa.Resina de intercarnbio iônico

densidad.densidad.

<PO-l)<PO-2)

A continuaci6n se muestràn fotograf1as al microscopiede cada une de los soportes arriba mencionados.

16

!=oto No h l'Jos mLlestt'a al Pol iL.lt"etano de ba~a densldad <PO­lI. se puede observar que el tama~o es grande e irregular, nopresenta una estructura fibrosa. Escala de referencia lcmrepresenta 37.5 mlcras aproximadamente.

Fot.Q. t'Io ~~ F'oliuretano de al ta c;Iensidad <PD-2>, se puede verque el tama~o de para es màspèqu~~o que el del PO-l, Bstepoliuretano ~s màs comoacto. Escala de referençia lcmequival~ a 50 micras.

17

Cota No 3. Esoonjade celulosa (ES-l), laestructura de forma irregular, con un tama~o

en forma oval en algunos casos. Escala lcmmicras aoroximadamente.

cual posee unade Dora pequehoreoresentan 32

FotQ No 1. Fibra sintetica de celulosa , tiene una .structurafibrosa, la cual presenta espacios entre fibras se pu.deconsiderar a las fibras cerne cilindres que tienen un diametrepromedlO de 10 micras. Escala de referencia lcm representa 26,micras.

18

EQiQ ~Q ~~ Resina macrorr~ticular de intercambio ionico(apmplificada 50 veces su tamaNo aprox.). Se puede observarque presentan una forma definida de .sfera con un tamaNo departlcula tambièn définido. Cortes!a de Rohm and Hass.Philadelphia. 1987.

19

s :. F'ARAMETF:OS FIS:COQUIMICQS ~ \.QS SOPORTEi

Los parâmetros fis1coQu1micos que conocemos cara losdiferentes soportes son:

Espuma de poliuretano de baja densidad (PO-l):), sin colorante, sintético. hidrofObico, porosovolumen), densidad real de la estructura (1.1compres1ble y 51n posibles elemento. aproveehablasmicroorganismo.

<17 I<Cil 1111(98 ï. eng/cm! )por el

Espuma de poliuretano de Alta densidadKg/m3 ). con colorante sint*tico, hidrofObica,en volumen ), poco compresible, densidad(:strl.lc:tLwa (1.1 Çj/cm") y sin posibles elamentospor el microorganlsmo.

(P9-2) , (120poro.a ( a8 "rea! de la

aprovachab les

Esponja de celul~sacomercial (ES-1): con colorante,higrosc:opica, porosa, compresible y con posibilidad dedegradaC:lon de la estructura de e.te soport. por elmict'oot'gan 1smo, densidad real de la estructura 1. ~ Q/crf.

Fibra de celulosa comereial <FI-1): Con colorante,higroscopica. porosa. pbco eompresible y con posibilidad dedeqradacion de su estructura. densidad real de su estructura1.5 ÇJ/c:n~

Rssina de intercambio i6nico (AMB-IRA-900). Sincolo~ante. hiqrosc6cica. de forma e.f.rica, cpn una porosidadbien defilida y sin posible••1.mentQ~ utilizabl.s por elmie t'OOt'gf,," l smo.

:0

Comodeseamos,lnteractuarutilizado.

ya se ha dicho anteriormente el soporte quedebe de presentar como caractQr1stica el nocon el medio de cultivo, ni con el hon~o

Esta parte deI experimento se llevara a cabo a nivel decaja de petri, mediante la cuantiticaci6n deI diâmetrocuadrado deI crecimiento de e~e~ni2!~ cepa UAM-10comparândose con un estandar (bagazo), para as1 poderdeterminar cualitativamente si el soporte interviene dealguna manera durant. el crecimiento deI hongo.

La medida deI diâmetro cuadrado, .. realix6 a nivel decaja de petri de 10 cm de diâmetro, las cuales' contenian alsoporte molido mezclado con un ..dio de cultivo estéril. Unavez inoculado las cajas se colocaron dentro de unaincubadora a una temperatura de 32 ·C. a las que se le. tuemidiendo el diâmetro en tunci6n deI tiempo. En la figura. ~.1

.e puede observar el equipo utilizado.

21

INCUBADORA DE TEnPERATURA REGULABLE.

TEnPERATURA DE OPERACION 32 ·C.

CAJAS DE PETRI DE le cn DE DIAnETRO.

oCONTROL DE TEnPERATURA.

Fig. 5.1 DISPOSITIUO EXPERlnEHTAL UTILIZADO •.

22

2.- MEDlpA DEL DIAMETRO DE CRECIMIENTO.

El hongo se de.arrolla en las caja. formando 10 que .econoce como colonia, Qeneralmente en forma de circunferenc1a.De ahi partimos para medlr el diâmetro horizontal y vertical.promediarlo. y elevarlo. al cuadrado teniendo a.i el di.metrocuadrado de crecimiento deI hongo. Esta medida .e realizO conuna regla transparente y para verificar con un vernier. La.medidas s. realizaron para todo. 10. soport.. utilizado. ycorrelacionândolo. con una muestra control en cada une de la•• ~perim.nto.. '

3.- MODO ~ OPERACION

Primeramente .e parti6 de un cultivo .emilla d. BaaLniger. cepa UAM-l0 que sirvié' para inocular nue.tra. caja••

Cada une de los .oport•• fueron molido. en un molino desolidos malla ~O, teniendo asi un tama~o de particula1.111 i fOt'me. Los soportes mol idos fueron ••cados .n una e.tu"aa 60 Oc durante 48 hora.. Post.riormente se toma un ;ramo desoporte seco y molido .1 cual se me;cla con ~O ml d. mediePa~a Destroxa AQar (PDA), .e colocan en matrace. e~lenmeyer

de 250 ml y •• e.terilizân a 110 lb de pre.iOn durante 1~

min. Luego en condiciones est_ri le. se vacian en ~aja. depetri de 10 cm de diâmetro previam.nte e.terilizad.. y .edeja s6lidificar a temperatura ambiente. Finalmente.einOCl.llan con 8.aIL.. aiRer par picadl.\ra en el centro y .eincubàn a 32 ·C. En funciOn deI ti.mpo .e va midieodo eldiâmetro de crecimi.nto del hongo.

Con 10 ql.le respecta al tratami.nto de l,O. sopert.s ••tese realiz6 con: HCl, NaOH, NH40H. Coh.i.te en lavar lossoportes de la siguiente manera. Se toma 1 9 de .oporte s.cey se le agregan 100 ml de la .olucion con la que s. de.e.t ratar L·d SOpot'te y se somet. a ag i taciOo m.cân ica medianteun caframo a 40 rpm durante 1 hora aproMimadament••Posteriormente se enjuaga con agua corriente ha.ta que el pHdeI agud de enjugue sea igual al deI agua corri.nt., una v.zlavado se seca el soporte nuevamente a 60·C durante 48 hora.y se pruceden cl utilizar como anteriormente •• menciono. A laamberllta no se 1. die tratamieoto, par que la re.ina a ••rtratada con HCl 0 con NaOH •• r.g.nerada, es d.cir que .u.cargas de intercambio son r.novadas.

23

Las fi9uras 6.1. 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 Y 6.6 raprasentanal di'metro cuadrado en funci6n deI tiempo de crecimiento,para los diferentes soportes evaluados.

En funci6n da los rasultados obtenidos podamos afactuaral siguienta an'lisis. Con raspacto a los poliuratanos (fig.6.1 y 6.2) al .ajor cracimianto sa obtuvo con el POliuratanosin tratamianto, sa9uido po~ los tratamientos c:on basas (NaOHy NH40H) aunqua al crac:imianto as li9aramanta m's r'pido anal PO-l ya que sa llag8 al mismo nival con una difa~anc:ia da20 horas aproximadamanta.

Mtantras qua para la esponja el crecimianto es cast nulocuando no hay tratamiento. Posteriormente se lo~ra taner unincremento da la superficie hasta tener un maxime da 6 cm(fig. 6.3) 10 cual tan solo representa un 10 r. deIcrecimiento registrado en el patr6n, por 10 qua aun con altratamiento con HCl el crec:imianto as MUY poc:o.

La fibra tambi.n presanta un c:racimiento MUY pobraCLlando no •.,a t"ecibi do tratamiento (fi9. 6.4), postar iormantael mejor tratamiento fue c:on NH40H y se logro inc:ramantar enun 100 ~ el crecimiento pero aun asi tan solo es al 60. ~

apro~imadamenta delc:recimianto ragistrado c:on al patron.Finalmenta con la amberlita (fig. 6.5), sa tiana un

cracimianto MUY similar al obtanido c:on al pa\r6n (bagazo daca"'a) an url tiempo similar, ya qua los poliuratanos tambianalc:anzBn este nival de cracimianto (fig. 6.6).

En la (fi9. 6.6) sa pu.da obsarvar una comparaciOn daldi'matro cuadrado da cracimiento para sais soportas <PO-l.PO-2, ES-l, FA-l, AMB. IRA~900 V BAGAZO) ascogidos. A simplavista podemos decir qua la esponja y la fibra tienan un pobracrecimient,o comparandolos con los,damas soportes. Como unarespuesta de estos experimentos podemos dec:ir qua la fibra yla asponja presentan fac:tora. da inhibic:i6n sobra alcrac:imient.o de e~eL o1$1~!:. y este se ha majorado por untratamiento. Va que solo medimos un parametro proporc:ional a •la suparficie de cracimiento deI microorganismo al cual as aldi'matro c'.~adrado. Por aste hecho no tenamos una raspuastadireeta para poder decir c:ual da los soportas as al m'safieiant. a nival de crecimiento, para dar una raspuest.concreta necElsitamos cuantificar la biomasa an funci6n daltiampo. Hemos tratado da cuantificar la biomasa sObre'fibrasy asponjas medianta (Lowry, Micro Kjendalk y peso saco) , parodado que el crecimianto as bajo. Los rasultados obtanidosno eran representativos dabido a la disparsion quaprasant.ban. Barrios (1987) raporto los problemas qua sa

24

pueden encontrar durante la cuantific.ci6n de biomasautilizando el mëtodo de Lowrv. el observ~ que existeinterferencia entre el mëtodo V un poliuretano sintetieo.

En conclusion si este estudio no permitio determinartotalment. si eaeL C19~C ereeio m.s sobre al9uno de lossoporte. seleceionados. al menos permitioobservar quealgunos soport.s neeesitan de un tratamiento. para que elhongo pueda crecer V al9unos otros no. Esto nos hace suponerque este tipo de soportes <sin tratamiento) no presentainhibido~es para el creeimiento del hon90. lo cual resultainteresant. para nuestros objetivos de trabajo.

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FIG. 6.1 CURVA DE CRECIMIENTO SœRE POLIURETANO 1.

25

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27

TIEMPO EH~

FIG 1 6.6 ~I~ ce.. CfEIMIENTO ~ LOS DlFEF9ITESSCFORTE5.

2D

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o•s:....Cl

Las columnas son colocada$ en una c.mara de saturaciOn,la ,='.~al contiene un volumen de AgUa que OCLlpa la parte baja.Dicha c:'rnara se c:oloda dent,:"o de una incubadora a 32 Oc coneste sistema no. ace"camos il un 100 Y. o::'e humedad t".lat·iva erlla ,:.mara.

IMCU8ADORA DE TE"PERATURA REGULA.LE.

+ TAP~MES +~.., ?-L15?~Ci fI-

M~DID~D H~DID~D

1 1 11 1 11 1 11 1 11 1 11 1 1

::: ,BII18 :::114

1--....,11

1.1 1 ...11 •• 1

- - - - - - - - - - - - - - - - - A C3 U A - - - - - - - - - - - - - - - - - -]------------------------_.-----------------

Fig. 9.1. DISPOSITIUO E~PERI"ENTAL UTILIZADO PARA

EL E~PERI"ENTO DE DREHAJE DE LOS DIFEREMTES SOPORTES.

30

2.- MEDIDA DE LA HUMEDAD.'

La humedac fue medida mediante dit.rencia de pesos. Lamuestra es pesada en un. balanza digital reQistrando asi eloeso humedo. Luego la muest t~~ es secada a 60·C durant. 48horas teniendo asi el pese del soporte seco. Entences lahumedad se cuant11ica mediant. la siQuient. relaciena

M H20w .---------- X 100

M TOTAL• • • •• ( 1 )

Donde: M H20 es el pese d.l agua en grames.l"! TOTAL es el pese d.l aQua + el pese del seperteseco en grames.

3.- MODO ~ OPERACION.

Los soporte. pr.viam.nte deb.rân estar melides y aecoscomo anteriormente se ha descrite. Para cuantificar lahumedad inicial del sopert•• S. teman 3 grames de seport•••depasltan en una caja de petri d. 20 cm d.' d1âmetro. S.colcca sobre una balanza digital y se precede a agregar aguadestil~da lentamente mezclande continuamente hasta el valorde humedad deseado. Una vez d.terminada esta humedad inicial,se toman 5 gramos de sepert•••co y mol ide se 1. agrega aguahasta tener la humedad deseada y se empaca en la. columnas devidrio evitando que haya escurrlmiento per compactacién. Unavez empacada la celumna se tapa con un tapén de aluminie enla parte superior y se intreducen en la c&mara de saturacién.Esta s~ pone dentro de la incubadora a 3Z·C durant. 20 horas,al término de este tiempo s. saca la muestra y se mide lahumedad. Pat~a med i r la humedad se teman sei. mu.stra. adi fet~er)tes n l ve] es del tubo y se procede a pesar cada muestray medi0nte diferencia de p••es conocemos la humedad.

.~ 1(; A~,~' !S:~ ~ :"02 F:ESL:LTAOOS EXPERIM~NTALES.

Dentre de nuestre desarrollo exp.rimental hemos vistaous los Qradlentes de humedad en el reacter sen perjudiciale5a nuestras objetlvos. par tal efecto mediante el fe~Omeno dedE satUl~aciOI"l hemos tratado de 11e9ar al punto de eQui 1 i bt~ioantre la fuerza de retenci6n (capilaridad ) y la 1uerza de~ravedad. si lleqam05 al eQuilibrio entre estas 1uerzas nohabr~ gradientes de humedad y no tendremos drenaje.

~as variables utilizadas son las siguientes:Wi = Humedad inlcial.Wf = Humedad final.Vli= Velumen liquide inicial.Vlf= Volumen liquide final.Vs = Volumen sOlide.

Les volumene. se calculan de la siguiente manera:

Masa dei liquide.Volumen liquide (Vli)= -------------------------------

Oensidad real deI liquide.

Masa .eca dei sODorte.Volumen sOlide (V5)- ---------------------------------

Oensidad real dei soporte.

1. • ç;~Q. dei Pel iuretano l (PO-l)

* ESTUOIO DE LA HUMEDAO ~ SATURACION.

En el casa deI PD-1 para el estudio de la humedad desaturaci6n. la humedad inieial (Wi) fue deI 95.8 ~ la cualrepresenta la humedad de absorcion m~xima dei soporte. En la(fig. 10.1) se pl.leden ver diferentes resultadosexperimentales de humedad final (Wf) después de 20 horas.Existe un gradiente axial de hum.dad en el reacter, estegradiente se da a un nivel entre 0 y 7 cm de altura. Estegradiente se manifiesta en la parte inferior dei reaetorteniendc una humedad dei 86 X en premedio. Esto nos indica unacumularTl1ento de·. aÇlua en el fondo dei reactor. y unescurrlmiento dei agua durant. las 20 haras de experimento afuera deI reaetor. E~tre 7 y 18 cm de altura dei reactorpodemos ver Que hay una tendencia hacia el equilibrio con unahumedad dei 67 %.

32

L~ (f~9. 10.~) muestra las distribuciones de losvolumenes'de liquido inicial, final y de s61ido en funci6n dela altura. Despuès de 20 horas en ~l reactor constatamos queno hay I.Wi3radiente a::-dal d~l v.:.lurnen de la fase s61ida <Vs),ql_~e est.a .:".::upa.::i,~:ort por volumen de react.or es baja (4:'-:) pere,homogenea es decir que el empaque deI soporte al inicio ydurante el procesO se mantiene constante. Despuès de 20 horashay un escurrirniento deI liquido, de 10 veces MaYOr conrespecto a la parte alta deI reactor. La (fig 10.3>representa el balance de volumen de agua inicial y final lacl~al se .::.btuvc. de la fi·~ura 10.2. Observamos que despuès de20 hot-as ·..e es.=w-re mas deI 30 Y. deI volumen de agua inicial,esto muestra que nos encontramos por encima dei punto deequilibrio dentro deI reaetor.

18

"'" Yl~a 15~

'oJ1N 121•..• 9-...oC

e.

-.~0

60 70 90 ~o 100

.....~.-(S)

EJ.:2,:" .!.Q..!..!.rë::::·q:·et- irnent.os.de absc1t-c i (ln

d,::spl.~ès de 20

perfiles axiales de humedad. obtenidos eon •Para el PO-l Wi represet"lti\ la humedad itücialm~xirna deI PO-l y W~ representa la humedad

hot-as de exper imento.

33

8020

! ~.

O+------:--.....-r----"""9""-----fo 40 60

V...... 1tlIdII (S)

EisL 10.2 perfil.. axiale. d. 10. volumene. del 11oUldoiniciai (VIi), de sôlidc (Vs> y d. volumen liauide fin~l

(VIf) cbtenido par. el PO-l.

wY1io

80

A- 1PO-II...,60

f•,r~

40CI

1..0

20:lit

Ei~ t~~~ Balance entre 10. volumene. de liquida inicial yfinal para el PO-l,

34

Para l189ar hasta el valor de la humedad de equilibrioes declr sin gradientes axiales en el reaetor. Es neeesariorealizar varios experimentes en los cuales se les varia lahumedad inicial hasta lle9ar a un valor de equilibrio. La(fig. 10.4) t"IOS mu.st.ra el valor de .la humedad de equilibrioaleanzado. Este valer Fue aproximadamente deI 67 ~ quecorresponde a el valer de equilibrio va eneontrado en la(fig 10.1> entre 7 V 18 cm de altura.

En la (fig. 10.5> se puede ver que los volumenesinicial V final de ocupaei6n de la fase liquida son casiiguales <5.3 /. apreximadamente>; 'el volumen de la fase s61idaes de un 2 % en promedio. Como se ve en la (fig. 10.6> elvolumen de 8gua inieial V final estan en equilibrio. es decirque no hav escurrimiento durante las 20 horas dele:><.perimento. Sin embargo el volumen de a9ua ocupado es pobt-.5 %, el reactor contiene aproximadamente un 93 r. de aire.

la,..1 150

'W'1N 12J.~,

9.....C

6

3

'J .~J

Yi---+

10 80

............w·(.)Ei2L lQL~ Perfi.l axial de humedad obteniendo con una humedadiniei~l del 69 % para el PO-la

35

Ji

1; ~ VH~ ~ Il Vs '~'t! I~ 1 1If

J.".. , ,

~ i 1III

,;1 1~ ~ i,,"• 1

~• ~

~ J 1.- i-~j

c1PO-l1'\~

!~

01 2 3 4 ~ b

V...... (.)

!=ie,. ~ Perfiles .>:ia1•• de 10. volumene. de 1 i QI..Ii doinicial (Vli), de s6lido (Vs) y de liQuido final (Vlf) parael PD-l.

10,0

~.,:2.1I:,1"

i 7,5 a...,........5,0~

11-~ 2,5>

0,0\/li Ylf

Fi~.10.~ Balance entre los volumene. de liQuida inicial yfinal para el PQ-l .

En el caso del poliuretano 2 <PO-2) la Wi de sa~uraci6n

fue del 89.3 ~ (fi~. 10.7>. Existe un ~radiente en la par~e

baja del reactor entre 0 y ~.~ cm de altura pero es menosdr'.~ico que en el easo deI PO-l. En la parte superior deIreactorentre 4.~ y 18 cm alcanzamos el equilibrio el cualcorresponde a una humedad de164 ~. Si anall~amos losvolumene. deI liquido al inicio y al final tenemos que elVlf es casi constante con un valor de 9 ~ entre 4.~ y 16 cm.(Fi~. 10.6>. El volumen solido (Vs) que ocupa den~ro delreactor es ligeramente Mayor que en .1 caso del PO-l. esto espor la denstdad, del PO-2 la cual es mis Alta que en el casodoit 1 PO-l.

Haciendo el balance de la (fi9. 10.9) tenemosun balancenagativo ya que nos eneontramos por arriba del valor deequilibrio y en eonseeueneia perdemos un 30 X de a9ua en 20horas aproximadamente.

le lPO-zl,..

~1'5 W1

~/li 12~~

9.,..• ,1

o+---......--~,...---..,..--~'0 '70 80 . 90 100

W-Ha4-W-(.)EiiL 12LZ Perfile. axiales de humedad para el PO-2 donde Wirepre.enta l~ humedad inicial de absoreion mixima par. el PO­:2 y la Wf t"epre.enta la humedad despu.s de 20 horas dee;t<per i mlilnt.,:,.

37

18 ~,..i 1~41

"'l"... 121•J ,.,-c

6

!

00

YlfIt·

1 PO-2!

10 20 JO 40. V...... (.)

F1Qyrt .lQ...iinic:ial (VU),el FO-2.

~.rfil•• axial •• d. 10. vQlumen.. d. l1~uidO

de solido (V.) y d. ll~uido final (Vlf) para

Eis 10.9 Balanc:. entre los volum.n.. de 11~ui~o iniC:lal(V li) Y hna1 <V 1f) cara el PO-2.

38

En la (tlÇ. 10.101 se mu.stran dlferen~e. corridas cor~lf~r~nte~ Wl. todas muestran una tendencia al equi1ibrlo conl.:na "1umedac fin"'.1 entt'e e'l 60 y 65 7. acro;-:1madamente. Pat"ece~e- que para e~te soporte e~iste si.more acumulamiento dea.;.. ua en la pa·-·te baJa. deI t"eaetOt", tambitin e,~ste unesCw"rimlento de agua a tuera CIel reaetor an e.te easo no11egamos hasta ei va10r de la humedad de equilibrio perovienda los porcentajes de vo1umen de agua (fig. 10. 11)tenemos que el equilibrio puede ser incluldo entre 50 y 60 %de humedad. También se ooservÔ que el empaaue deI reactor no~s funciOn de la humeClad~ el volumen de la fase sOlida sequeda en promedio de un 5 1.. Si esto 10 traducimos a volume~

'5e ver'a (fig. 10.11) c:;ue el VIf es casi constante a 10 l"argDjel reactor 8 % pero si se manifiesta una aeumulac:i6n deI 167. de agua en el fonda dei mismo y el Vs se mantiene con unvalor cel 5 %. De todo 10 anterior se puede deeir que lahumedad de saturaciOn tiende a un punto de equilibrio en elcual el VIi es casi igual al VIf y que es 10 que nosotrosdeseamos.

181 PO-2 1-.

1 150w1III 12J,..:r 9....

oC

6

3

0~ 60 70 80'. ...........

~ 1(1.10 Per-"iles axiales ~o" diterenteslnieiales (Wi) para el PQ-2.

39

t!. ~

J .,~ ,.1

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YI • r • •, I.Z 't.~j •a,

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•0a 1 la Il la

VI_•• e.)

~iàl 10.il ~@~filii iMial•• ~. 18i Y8\ym&RI§ 81 li.Yi88fl~èl (Vif) Y li Y81ymiR io ••lli. (Vi).

~n .1 c••o d@ 11 fll~è ('1=1), §~18 m8§'~êmê§ êl~••Yltêde de un .M~.pimeM'o (fiQ. lO.l~). in I@RII @m~êièffl§.

,con unA hum.dad d•••t~~&~lO"a.l '0 %. D.§~~•• i@ 20 R§~à§

•• V8 cla~'amente la .)u.t."~ia d. un Q~.dutnt. Q~. VA a••doun 74 Y. a un aB Y., no e. tan drA.tica camo .n el ca.a de 10.ooliuretanos, pero t~mbi.n e. clara Que no nay una tendenClaque defina el punto de eQu11ibrio del soporte. El Vlt •• d~l

62 Y. mientras Que el VI f varia dado el Qt'l\diente de hum.d.d.En promedio 14 perdida del volumen liquida e. dei :, Xapro}:imadamente (fiQ. 10.13), re.ultanda a.t un balanet'ne9ativo. El Vlf 11u=tua entre 20 y ~O~, mientra. que .1inicial es del ~4 X Y el Vs e. del ~ X muy similar al de 10.poliuretanos. La <fiQ. 10.14) muestra Que duran~e la. 20hora~ se escurre casi un :0 % del aQuA lntcial

40

100et' go.....w-y-(.)

O+-----,...--......---,--.....---t'70

e:.is:.. 10.12 Perfile. axiale. de hl.lmedad para la FI-l, Wiarepr~senta la humedad inielal de absorei6n m'xima de la fibray la Wf: representa la humedad final de.pu•• del experimento.

eo

~..., 60..,•"0...~•.. 40~

•li1.1• 20~

o

~ 10.13 balance entre lOB volumenes. de liquido inicial y~lnal para la Fibra-l (FI-l).

41 ,

,::-i9. 10.14 pet'fi1e. axiale. de le. volumene. de lien.lidoinlcial (VIi). volumen de sOlido CVs) y volumen liQuido final(VIf) obtenldo9 para la (FI-1).

* ESTUDIO ~ ba HUMEpAD ~ EQUILIBRIO.

Realizando una serie de experimentos y teniendo cemovariable el % Wi, presentames solo uno de ello. en donde laWi fué deI 70 X. En la figura. 14.15 vemo. que la· fibrapresenta un comportami.nto diferente a los otros .eportes, yaque en la parte m~s a1t. de1 r.actor hay una liQera perdida,pero luego la Wf se inerementa. E.to quiere deeir que .1soporte aparentemente absorbe aQua de! medio y !a humedadfinal es mayor as1 eomo.1 vo1umen liquida d.ntro d.1t"eat.:tor. El balance (fig.' 10.16) permite ver O\.le .1in·::remento de' VU fue del 5 X.La 1nterpr.taci6n al resl=leetoes Que la fibra no presenta una tendenei. definida hacia alpunta de e~uilibrio. Por 10 que ha~ valor~. altos de Wi ••manifiesta un gradients axial de humedad, 'pero para valor••bajos. de Wi (aprox. 70 %) s. manifi.sta el efacto contrariola absorciôn de agua del medio.

42

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i19 j [3'-- T"'" -.......e 15 ' ........ ,

Il 1 .."'i-' !rIf....,121

1 1 ",k'""'...1

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~3 1 1..o;j

060 70 00 90

Hum.dld (S)

Ei~~ lQ~!~ perfiles ~xiales de humedad final (Wf> obtenidos con'.II,a hwnedad inicial (WU deI 70 ~: pat"a la (FI-1).

Ei9~ !Q~!Ç Balance entre los volumenes de liquide inicial(VIi) y volumen liquida final (VIf>. para l~ Fibra 1 (FI-l>.

43

",

1

En el caso de la E8-1 ('i~. 10.17> se muestran dosresultados para un~ Wi del 93.9 %, la cual corresponde a lahumedad de s.tur~ci6n. S. va qUQ les 9radientQ$ son MUYsimil~res par. l~s dos Muestraz dicho 9radiente es pequeho.Analiz~ndo 10$ porcentajQs ('i~. 10.18) tenem05 una pèrdidadal 20 ;,; en VIf cl';.r.. I·~specta al it"l1cial. Est.o ·;e:t"lera ·:lf..H:'=: elresultado deI balance sea negativo.

Graficando los volumenes ocupados dentro deI reactor(fig. 10.19 ) tenemos ~ue ~l volumen liquido inicial es de64 % mientras que el volumen liquida final es deI 40 % y elvolumen s6lido es de tan solo un 5 %. El balance entre elvolumen de a9ua inicial y final presenta una pérdida deI 30 %como consecuencia deI ascurrimiento dentro deI reactor (fig.10.18).

i8 .... WI

1S,...e0

1;':w1...1 9..~

~..6..c3 -1

10

EiO 90 100Humed.d-w-(I)

fi~ lQ~12 Perfiles axiales de humedad para la ES-l donde Wirepresenta a la humedad inicial y Wf la humed~d final.

44

eo

,..,1 ES-lI! 60

§J 40..J

20:0

VIf Vli

~ '10. ta Balance entre 10syoll.\menes de liol.lido inir.::~al

(\,JlU ~I final (V!.f) en el c::aso Cle la (ES-1).

1a 1 Dnsidad 1': 44 kg 1m3

,.., Ylf! 15 l /~ le" Yli~

~....,11"t

12N1•..

9 lES-lI:J.,..<

6

:3 1"'a m0

0 20 40 60 eoYolum.n (.)

FlC'!.. JO, le;. i='et-~::i, le"" a>:iales <:.le los volumEP.r'l.. de 11qlddc,. ir> lcial (VIi). 'flnid IVl1') '1 de' s61 ide (V~3) para 18\, <ES-1) •

••

renemos ahora un. Wi deI 70 ~ ('i~. 10.20). Ob~ervamo5

~~••stamos ~er~1I deI punto de equilibrio (sin .,.~tos dedrenaje). Este se observa mejer en 1. ('i~. 10.21) .n la cualob.erVIlMQS que el volumen .~lido es deI 2.e ~ v el deIliquido es deI 9 ~ apro~iMad.ment.. ~a ('i~ 10.22) ~O~

mu.~tra un balance equ1librado, ~Qr 10 ~ue ~e puede concluirque .1 punto de equilibrio ~~t. cerea d.l 70 X de hum~dad.

Et', .1 c:aso de 1. esporJja hemos t,t'.t.•do de empll~.t' milS ".1soporte s~lido dentrQ deI re.c:tor. De esta man~ra hamos11:I~iIt"ad':1 '.m ~6 i: de oc:uPllci'Or'l de vo1r.lmen de 1. ' ••e liquidaiy un Mayor volumen de ocuPllci6n de III ,.s. s6lida. Sinamb~r~o ~l ries~o de em~ac.r es el de ~eneriir nosotros ~ismo3

w, escurrimiento 10 que afectarl. la humedad deI sist~ma

teniendo problemas de homogeneidad 10 cual, no es convenidnt~

por el obJetivo de este trabaJo.

0+-----....,..----..-,-------465 70 ~r

,· ....1

Humedld-w-(I)00

•

Eii~ !Q~~Q Perfiles axiales de h~medad para la ES-1 dond~ Wit-ept-'2Set"ltë:1 la hl..lmedad it"licial Y Wf la hl"Hlledad finill.

46

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Ylf~rrJ'

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·'0' Id!00.

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1 ES-l ,

20, ~ 10

Volu..... (s)

o+I-..........,....r-----.,.----..--.................-o

E!2~ lQ~~l Perfiles axiales de los volumenes liquidosiniciel y final (VIi y VIf respec~ivamen~e) asi como deIvolumen s61ido (Vs) pare la ES-l.

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11 Densid8d 8p: 351m31

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51:::1...CI>

(1

Vli Ylf

Ei~~ !Q~Z~ B~l~nce en~re los volumen~s d. liquido inici~l

(VIi) y volumen de Iiquido final (VIf) p~ra le ES-l.

47

5. ÇASO DE LA fi~SINA i..8.MBEF/LITA IRA-90Cn.·

A nivel de la amberlita oresentamos la (fig. 10.23). LaamberlitalleQa con una Clerta humedad, pero sabemos que lamàxima caoacidad de absorciOn de esta resina es de159 X. Por10 cual en esta parte delexperimento solo verifieamos siEste valor de numeoad es la humedad de equilibrio. Mediantela figura 10.23 podemos aoreeiar que no existen gradientesdentro dei reacto~, acemàs Que se puede constatar queefectivamente la numedad de equilibrio si esta en el rangodei 59 ~~.

En la (fig. 10.24) se presentan los volumenes de la faseliquida inleial, final y de la fase sOlida. Constatamos quela fase solida ocupa un 39 ~ Y la fase liquida al equilibrioun 39 ~ Y oedue~mos que la fase gaseosa ocupa un volumen dei36 X.

Yf-+2(1 -1

.1..1

:0 Ji,1

it) -Ti__---..-__r-__..,.....__.,

'"'E~1N,....,..-<

50 70

Fiq. 10.23 P~rflles axiales dehumedad final (Wf> obtenidoscon una humec~d lnielal eWi) dei 59 % para la amberlitaIF:A-~.i'OO.

48

Se han viste princic.lm.nt. dos t1pe9 de comportamientclEl primere •• aL de 10. poliur.tanos que pr.9.nt~n un

~rad1.nt. d. humad.d ,~al.tiv~m.nt. ;rand. y como consecuenciaun. p.~dlda da a~u•• El otrc e•• nivel la fibra y la ssponj~

Que cu.n~Q no••ncontramos por .ncima del puntQ de .~uilibrio

hay ;r.di.nte. d. humadad le. cUA1e. no son muy ••veres, perosi estames por debajo de este va1er hay un 1en6meno deab.erci~n que oermite cue el balance tenga un mayer Volumenliquide final que Volumen liquido inicial 10 cual no es muyconvenlente. Final~ente el de la amberlita Que no presentagradlentes de humedad para un alto contenldo de Bgua.Mediante el anàllsis de resultados podemos establecer cualesson los diferentes velumenes de ocupaciOn para las diferentestases (S011dë:o\. l iq\,.lida y gaseosa) eri la COIl.lmna. La (fig_~0.:4) muestra. para cada soperte Ipoliuretano, esponja,cagazo. YUCB y amberlita). los diferentes valores enoorClento pa~a las dtferentes fase5. En el case delpColll.t"~~'i::C\nc) teliem05 I.lr1i;\ OCl.lp~c:j,6n de a91.1a (Vl= 5.5%), ml.l)lb~:~ un pcr~entaJe de la fase 9~seosa alto (92.4%). En elcase! ',''= la espon,'j ..\ se l"'Ic)ta 1.\11 aumento sl.\stalil:ial de llS'ocuP2ci6n por la fase liauida (Vl=36X) con comoactacion ys(~)lld.:, del (9.6~/~) con l.ma t'edl.ICci~n notable de la fasegaseosa CVa=54.5%). Estos valores pueden ser comparados a losreport~dos nara oagazo (Vl=2~.5X, Va=68.5%, Vs=7X). Para laamberlJta y la yuea tenemcs valores similares. 10 cual es1~teres2nte ya que se pueden correlacienar alQunos par~metrcs

facilltando a51 la c:omparaciOn entre un soporte or9ànice Y unSODorte Inerte. tal es el case de la amberlita IRA-900.

49

120

- 100~

1- '/ :<:>;~CI

"0 ao 1:::::·.•"•A.

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"• 60 : :: : .:.: : :u•"• 40c1:J-• 20>

0

• F"SE SOlI()"• FAS[ LlQUIOA(J FASE GASEOS~

10.24 Reoresent~ciOn de les velumenes de ecup~ci6n d~

liquide y gas dentro del r&~ctor para los diferentesF 1(;••

SC) l :l de.;.S;O~) 0 t' t; t: 51 •

En esta parte deI trabajo se utilizaron varlOS soportes:Poliuretano de alta y baja densidad. esponja y fibra decelulosa '1 una resina (..mberl i tll IRA-90(1). Estos fLlet~Qn

comoarados con Yuca y Bagazo, los cuales se escogieron comosoportes de referenc1a. Los resultados obtenidos en elestudio de inhibidores asi como en los aspectos de drenaje '1la compara~i6n de algunos parAmetros fislcoquimicosreportados en la literatura par.. algunos de los soportespermitiO seleccionar un soport. modela (teoricamente y baJDnuestros puntos de selecciOn). A continuaciOn se presenta unatabla <10.25) Que muestra las ventajas y desventajas de losdiferentes soportes ut·ilizados para la selecciOn. ~l soporteseleccionado fue la rasina <amberlita IRA-900). est~ resinaes un material bien definido tante a nivel fisico: Debido aoue posee una forma esférica. tamaNo de particula biendefinldo, porosidad '1 densidad conocidas. Como a nivalouimico: rango de pH, fOrmula estructural asi como suselectivid~d iOnica.

Se considera que la amberlita no presenta sustanc.ia5inhibidoN\S sobt'e el c:t'ecimiento de Asp.~ nige!:, cepa Il).

ademàs permite mantener sln .scurrimiento un alto porcentajede agua dentro de su .structura porosa sin necesltarcompactaciOn; su porosldad interparticula en cada experiment~

es identica.

SOPORTI 1IIIIIIDORIS UI Us Ua 1I0M0GDŒIDAD FOJDIA DAros DISP.y. li: li:

PO-l Y 2 NO 5.5 2.1 92.4 UGULAI IRJŒGULAR POCOS

36* * *15·1 SI 9.6 54.5 UGULAR IRRIGULAR .UllfOS

rl·1 SI ,.25 5 11 IlGULAR IRIIGULAR 'UNIIlOS

AMBIRLIrA NO 39 a5 36 BUDtA arnICA IIICHos

BAGIlZO NO 24.5 1 68.5 REGULAI 1JUlEGULA1 IIINIIlOS

*YUOl NO 29 31 31 MALA IRREGULAR 111"11105

rABLA 11.25 UEHTAJAS y DISUDtTAJAS. UTILIIADOS COMO ClnUIOS JE SELICCIOK.

Ul : Uolu~n li,uido.Us : Uol~n solido.Ua : Uo UMfR gas.oso.* Ualo~s obt.nidos con cOMpact.cion.

5:.

PARTE III

CARACTERI2ACION DEL CRECIMIENTODE Aspergillus niger SOBREAMBERLITA IRA-99B.

53

L~ Amberlita IRA-900: Es un~ resina de intercambioiOnico, producto de la tacnolog1a quimica mod~rna. Estaresina es una particula esfèrica de 0.53 mm de diâmetroF'I"Om.di..:,. E»tas !=' ..ql.uilf"ias F-i1rticulas ..stan cornputiist·as con~rUPOE i6nicos fijos como parte d. la estructura de lar.sin~, m•• ~rupO$ m~yiles de c.r~a opuesta que son libres yv.~an atrav'. 0 por todos loz interst1cios de la resina.

La re.ina e.co;ida para ••t. trabajo .s la AmberlitaIRA-900 (Cl) que •• una re.ina fuertem~nt. b'sica y cuva.structura es la si~ui.ntel

CHa -+

CH N R3Cl

Adernàs pc-se.:.:::j:~' t-C'P i edades:

o

rnlcras.2.5 Ct. :2::-c59 /;.

Esférica.1. 07 9/I:m~O.€.72 ':r/crn~

0.53 mm de di'metro.16 ë:~ 50 mesh.

0-14.(Cl) y 140°C (OH)~

CaCO::~/ ft,.meq/rnl.

çon NaCl 0 cc~ Hel.de~ioniz~ciOn par su Qstabilidad.

puede t- e';ene r' a r

t.Jt i 1 i z a pa r' ë\ 1a

FOI"rna:Dt:2ns i dad rea 1 :Densidad aparenteTamari():Rango de diâmœtro lsoport& humedc)Rango de di'metro de los porosHurnedad de retenciOnRan90 de pH:~emp. max. de op~~aciOn: 170~:

Capacidad tot.1 de intercambio: Kg

B. ESTUDIO D~ ~ ACTIYIDAQ~ e2Ua ~ LA AMBERLITA.

S 11 JUSTIFICACION.

En la 1ermentaciôn sôlida e. sabido Que el nivel dehumedad .s importante para que el microorganismo puedacrecer. La actividad deI agué (Aw) es un par~metro

importante, el cual nos da una idea de la disponibilidad deagua en .1 soport.. Sab.mos Que por debajo de una ciertaactividad de agua el microorganismo no se desarrolla, por 10que en e.t. caso el agua es limitante ya que no .e encuentradisponible gara el hongo.·

S 12 pEFINICION P.&. ba ACTIVIPAQ os. e.wJ.8.'!..

A temperatura ambient., el equilibrio termodin~mico

entre el aQua dentt'o de un medio hllmedo y el vapot', seproduce mediante una relaciôn entre la humedad del medio y lahumedao t'elath.. (HR) deI aire, la cl..I.l es igua1 a laàctividad de aQu. (Aw). Esto se puede e.cribir comol

Pv (T)

HR = Aw = -------------PyS <T>

Pv (T)= PresiOn parcial de equilibrio deI vapor con eldei mediea una temperatura T.

PyS <T)= PresiOn de vapor de saturaciôn a unatempet'a tut'a T.

Esta ec:uaci6n es llamada isotet'ma de desot"'c:i6n,el camine termodinâmico escoQido para establecerrelaciOn se hace con la humedad decreciente.Seisoterma de desorci6n.

ciet'ta

cuandoesta

11ama

C~-. la f,:.t.':";:Wëlf1ë1 lJ.l se F'l~ede ,:.bset"vëI'- el disF'osit.ivoexperim~nta! usado para medir la actividad del agua deIseport6. ~a muestr~ se deposita en una cajitad~ plàstico laçl~a l.:>=', ":':0 l':":~et"i el :::::{'-1( I)ECP,GON) • Un pe':I'.~'2f"ic. vent. i l ,~do:lt"

penl; ih~ 1a '.: l t-CU 1ac i ôn de 1 aire sc.bt-e la Sl~;::'et"fic: i e de 1.:'1rn..~e~ti"é"'; :=<t::el;':t"ëlt",dc' ,::1 e'=lI..Ii 1 ibt"io deI Yëlp·:'t-. Un senSC't"infrarojG ;nJde 1_ temperatura de la superficie de la muestrël.eliml~ando la n~çe5idad ~e esperar el equilibrio t~rmico. Unespejo int.erno enfr1a hasta llegar a l~ condensaciOn deIvapor de agua ala temperatura deI punt.o de 1"'00:10. Un sistemade c6mputo interne mediante las temperat.uras de superficie yel punto de roc10 calcula la actividad de agua (Aw). Est.esist.ema permite una lect.ura de Aw en un tiempo no mayor il los5 minui:..cos.

, __

F üt.o:::",;u-:, f l ê:I 1:3. 1 : [:! i SF':'S i t i 'y'C' i='i,ll" El i'Iled il- 1a ë:~c.±:. i v i dad de agl~a

deI :~.oF·od:e. (C-:;-l DECril:.ïON)

2. tl~~IDA D~ L~ ACTIVIDAD DEL AGUA.

Las medidas se realizaren cada 30 minutos sobre lamisma muestra. Para efectuarlas se colaca la muestra en lascajitas deI CX-l (DECAGON) y se intreduce en él. Se accianael mecanisme y el senser determina directamente el AN y latemperatura de superficie. Esta medida se efectua en untiempe ne mayor de 5 minutes.

3. tLOOO Qg, gF'ERAÇION.

Se teman 2 Qrames de seperte (AMBERLITA) sece y se leaQre9an 2.88 ml de agua destilada para tener una humedad deI59 % ~n oas& hameda. Se mez~la y .e tem. un. gart. la cual se~oloca centre oe unas cajitas de pl~.tice e.peciales delDECAGON, evitando Que la muestr. reb••e la mitad deI nivel cel~ caj~. Se registre el p.so de la muestr~ y.e lntroduce enel DECAGON. se tom. la lecture correspondtente de Aw yTemperatura. Se saca la caja y para secar se introduce en un.incubador~ a 30 Oc aproxlmadamente 5 min. Se re~istra

nUEvamente el peso y se efect~a la medida correspendiente.Eeta metodolegfa se repite hasta Que la Aw se vuelveconstante.

En el cag~ de las isotermas de adsorci6n .e coloca un.muestra de un gramo secQ SObre un ba~o Marla para Que elsoporte absorba la humedad del medie. Se registran les pesoshL\med(.i~: pat'a ccmoc;et' 1a humedad cOI't'espond i ente. Pat'a med i l'la Aw crocedemos de la misma manera que en el case de lasisotermas de desorciOn. hasta lle9ar ~ una muestra que no~uede adsorber més agua y la lectura deI sensor ••~.-::onstantf.?

57

S 14 ANALI5IS DE ~OS RESULT'ADOS EXF'ERIMENTALES.

1 • - COMF'A~:AC 1ON DE LAS 1SDTERMAS DE ABSORC 1ON Y DESORC 1ON.

Representamos 'en la (fig.14.1> las isotet~mas dedesorciOn y adsorciOn de la amberlita IRA-900. En el casa dela desarciOn constatamas,' ~Lle el limite higroscOpico semanifiesta m~s b menas eh ~n'20. % de humedad base hûmeda y un40 ~'; base seca.

Este valor corresponde a un 0.9 Aw. Podemo$ observar queexiste una fuerte histé~esis,la curva de absorciOn estalejos de la CLlrva 'de desorcién 'B 30°C. En el casa de laabsorC10n no 'se puede ir més 'lejos de un Aw ,de 0.9 oarasuperar este valor 'se necesitaria mucho més tiempo para quela resina absorbiera el vaDor de agua necesario parsincrementtr ~l valor de Aw.

Para ooder evaluar la disoonibilidad deI agua oar~ elhongü se estucl~ la actividad deI agua Aw en el soporte. LaCflq 14.2) muestra comparativamente la Aw dei bagazo, la yuca(dates reportados por Oriol et al (1988» y la amberlita enun ranqo reportado como importante para el desarrollo de lafermentaciOn (0.8 < A w < 1). En esta figura Memosrelacicnado la Aw de los tres soportes en funcion deIipv€-:I"sa de la humel1ad (base seca). Notamos OLle E):ist:r:.~ I.\nfactor de 5 entre las cendientes de'la yuca y el bagazo conrespecta a la amberlita. Podemos deClr que para un mlsmc'/i:lltH' de Aw tenemos mayot~ cantidad dé aqua en la amber-:L i të:\QUE la que se encuentra en el baqaza y yuca. Co~parando elvalor de las pendientes (fig. 14.2) podemos ver que el aguapst~ menas disponible en la amberlita que en el caso de les~c~orte5 agr1colas (~uca y bagazo).

S 14 ANALI5IS DE ~OS RESULT'ADOS EXF'ERIMENTALES.

1 • - COMF'A~:AC 1ON DE LAS 1SDTERMAS DE ABSORC 1ON Y DESORC 1ON.

Representamos 'en la (fig.14.1> las isotet~mas dedesorciOn y adsorciOn de la amberlita IRA-900. En el caso dela desarciOn constatamas,' ~Lle el limite higroscOpico semanifiesta m~s b menas eh ~n'20. % de humedad base hûmeda y un40 ~,; base seca.

Este valor corresponde a un 0.9 Aw. Podemo$ observar queexiste una fuerte histé~esis,la curva de absorciOn estalejos de la CLlrva 'de desorcién 'B 30°C. En el caso de laabsorC10n no 'se puede ir més 'lejos de un Aw ,de 0.9 oarasuperar este valor 'se necesitaria mucho més tiempo para quela resina absorbiera el vaDor de agua necesario parsincrementtr ~l valor de Aw.

Para ooder evaluar la disoonibilidad deI agua oar~ elhongü se estucl~ la actividad deI agua Aw en el soporte. LaCflq 14.2) muestra comparativamente la Aw dei bagazo, la yuca(dates reportados por Oriol et al (1988» y la amberlita enun ranqo reportado como importante para el desarrollo de lafermentaciOn (0.8 < A w < 1). En esta figura Memosrelacicnado la Aw de los tres soportes en funcion deIipv€-:I"so de la humel1ad (base seca). Notamos OLle E):ist:r:.~ I.\nfactor de 5 entre las cendientes de'la yuca y el bagazo conrespecta a la amberlita. Podemos deClr que para un mlsmc'/i:lltH' de Aw tenemos mayot~ cantidad dé aqua en la amber-:L i të:\QUE la que se encuentra en el baqaza y yuca. Co~parando elvalor de las pendientes (fig. 14.2) podemos ver que el aguapst~ mencs disponible en la amberlita que en el caso de les~c~orte5 agr1colas (~uca y bagazo).

lm1«)

,,13J o OESCRCICJ'l 9-

1

120 A FUDCltl'l 60 ..J a:

~110

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l~!6100 1

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4D ...... /,,' ~ ~N :J)

.. / ..~~ ID2D N10 ,lil'...8,0 0.1 0.2 o.:) O." o., o.e 0.7 O., 0.8 1.

FCTIVIOFtO DEL FOJ1 CoW)

Fig. 14. 1 CCMPARACION OE ISOTERMAS PARA LA AM8ERLITR.

:. 4 ~ ~ 10 Il• l'tri. Ha•• • _.1.... ... 89••

Fig. 14.2 ComparicM" d. iY .nt,.. la lJuca, bague ... &mb.rUt&

los datos d. Yue. ':1 Baguo SOft 105 n,ortHos por Orl01 (1'88).

0,98

1j

j):r'.

,1;\1

"~- . 11..

':1,88 ~"=~III'~'..~

t•

0,780

c ê:STUDIQ ~ LA DE5HIDRATACION DE !-A AMBERLITA.

S 15 JU5TIFICACrDN.

Sabemos Que la amberlita retiene un 59 X de la humedad(base humeda) sin presentar tenOmenos de drenaje, pero estacapacidad de retencién baJO otras circunstancias esimportante. En nuestro caso SI la resina no presenta drenaie,pero tiende a secarse répidamente puede implicar problemaspara el ct"ecimiento de l:llüL.. Diger ya que el hongo para crecernec•• lta de la disponibilidad dei a~ua en la cual seeDcuentran disueltos los nutrientes (eD este caso debido aque trabajamos con un soporte impregnado con medio decultIve). Por 10 taDto esta parte dei estudio resultanecesaria oara pOder tomar desiciones posteriores.

S 16 F'RINCIF'IO DE~ EXPERIMENTO.t

En este experimento se trata de evaluar la resistenciaQue ofrece el soporte a la deshidrataciOn. meoiante una saisaturada de agua Que impene una clerta humedad relativa alsistema. K25D4 (HR)= 96 %. KND3 (HR)= 89 %, estas saleseJercerén un efecto de deshldratacién sobre el seporte debidoa que la actividad de agua de la resina es superier al 0.98%. Este experlmento se realizOa una temperatura de 35·Cy hasta que el seporte llegO al equilibrio.

En el desarrollo dei experimento se utilizé una c~mara.

de la cual eD la parte superior se suspendia una base endond~ ~e deposita el soporte con un a humedad dei 59 X (baseh0meda) y en el fonde se tiene una soluciOn de K2S04, la cualimpone una humedad relativa deI 96 %. La camara tue cerradahel"méticamente e intt'oduClda denU"o de un baNo SI :::;.5 oC, elmonlteH'eo se realizll cël.da 24 rlel'as hasta llegat" al pun~o d.?&oullibrio en dondese cambio la sai (KN03) la cual imponeu~a humedad relativa deI 89 % Y se procedio de la mism~manera Que con la primer. salo La (fio. 17.1) mue~tra eldlsoosit1VO experimental u~ado.

COMHUMEDAD.

~ERA.

taPDiTUM 'DE OPERaCIOIr 35'C·TAPADERA

*AGUA-

FRASCO J:USOPORTEDE~ .1 l,. 59:v. DE

UIDRIO~ .

BAS!:

_·_···SA L-········............ --_ .... _-•••••Je iS 0 .. · .•.. -

2. - MODO !LI;. OPERee.ION.

Para ooder observar el e1ecto de la deshidrataci6n deIsoporté en funciOn deI tlempo se tomO el peso hUmedo inicial:., ' se t'egistt'O la pet'dida de peso cada 24 horas hasta llegat­al punto de eouilibrio. Este procedimiento se realiz6 parados sales K2S04 y KN03.

5 18 ANALI..§1...§. PJ;, kOS RESULTADOS, E~EBIMENTALES.

En la <fiq. 18.1) se encuentra representado el cambio dela humedad <base h~meda) contra el tiempo y podemos ver que3e necesltan 13 dias para deshidratar en un 50 X al soporte.Esto es importante ya que el sooorte presenta una resistenciaa la deshidrataci6n. El punta m~s importante es que en 2 diasel soporte solo pierde un 3.5 X 10 cual realmente no esconsiderable si tomamos en cuenta que los experimentos quevamos a realizar duran aproximadamente 30 horas y que ademasse haee pasar una corriente de aire saturado de humedad.Debido a esta creemos que el soporte no presenta problemas dedesh idt"atac i 6n qLle pud i ~en t-epet-CLtt i r en 1 a dispon i b il idadde agua para el honqo. Pcdemos decir en conclusi6n que eltiempo de respuesta al mecanismo de deshidrataci6n no escomparable al tiempo de fermentaciOn.

ô:

CI l<2S04 (~%)

•\\\.,.,--.-..

2Q1.--..I..........-'--................L..-.L.--..l.--J---IL...-"--..L..."""'-....I.""..,Jo 2 3 ~ 15 e 7 1 sa 10 II II 13 14f 15

T19PC EN CIAlFig. ".1 a=ECTO ce LR liJf!DIlO RELflTIVfl œ.. JECIO sae Ut

FlMSERLITFl.

~OS reauerimiento5 nutricienale. de 10. mlcroer~anismes

son un 'f <'.'':' tOI' impol,-ti\rl'Ce pat'. 0\.1& e.te cresca ach,c::uadtl'ment:œ.En el cas~ de ~~~ O_~~ se han utilizade diver.e. medio. de:ultivo. pero ~l desarrellc y aprev.chamiente vari'. Per 10Que en Este estudlo neB hemes bas.do en el medie Czapeckmodificado ~on el cu~l se han ebtenide buene. resultadosmanteniè'i,do 1", l'el,,,ciôn C/N cOrllstant. y vat"'itl'ndo la l'''ltlacionde nitrO~enQ or~ànlco e incrQ'nico para ver la in11uenc:ia dteste macroelemento sobre el crecimiente del microrQani.mo encl.lestiOn •

.:: J. ~:;oen mento lie ba.a .n la. nece.idade. nutric ional••dei ;nlcr'oorClanlsrno pat". codel~ des"rrellar.e adecuadamen't. en-,"ul',cion di? Id comoQslciOn de! medie de cultive.

62

S 21 DISF'OSIT!VD EXPEF-:IMENTAL..,.MODO Q~. OPERA~Ç1.Ç1'~ •..

1. - DESCRIPCION I2ê:.QjSPO$ITlYQ EXPERI.t1ENTA~.

El crecimiento dE ~ niaer ceps 10 ·se rea!lZ0 ani-olumnas de vidr10 d&.crita. cor Raimb.ult et al (1980). Enla fotoQr.fl_ 21.1 lUI ob.ervan ~~Ii cell.lmnaB t"eclénemOtll':iH.1ë\Scon el soperte 1__ltura de lecho empacado ~s de 12 cmaproxlmadamente. Para los di1er.nte$ Excerimentos raali~aJcs

la altura deI lecho fue de 7 cm. Las columna. fueroncoloctlda6 en un ba~o dw aQua de temperatura controLada ~ 35 DCy con un tlujo de aire de 2 l/h. Este aire fue .umini3tr~do

medillnte una bomba. Que mllnda el aire • ~In . pl"lillnturti\d(:lI' vde~oue5 • un humid111clldor en la pllrte inter10r dm la co!umn.('fiÇj.21.1>.

FotCÇlrflf111 21.1 Columr1••.emctlcllda. con el .ouartemoc 10 (Amber11t. ïRA-900)

1.-& 1.-& L-& 10-& L-& L-&X=X=X===X=X=X===-1 1 1 1, 1._, 1 1

1 1 r 1,1 1 1 1

1 1 1

~PECDA.1-1oC-2

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c-a

1-I-

I

c-aC-2

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1----I-I1

111111

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: ~~ :~ ~~ t-,!i} f.:?'" .."{D '"UJ 'T!J '.,Qj t.:: ~I

aJ ----__..r_-_-_-_l..-..-S-1

.........

rlG. 21.1 srSISTI* EXPDltO.'NtAL UtlLllADO "M IL CRlCIItIDftO Il ...."lllta1 ni",.

L~s prot~inas fuer6n cuantificadas mediante el m'todecolorimètrico de Lowry (1951). Para este se toma un gramo d.soporte h~m~do de5puès de la f.rm.ntaci6n~ .1 cual s. coloea0n un v~so de pr~cipit.dos de plistico. Esta mu.stra sesuspet"lde o:,:.;:.n SO ml de agua d.stil ..da V s. S.P".'.mec~nicamente mediante el ultraturrax a SOOO rpmaPt"oximadarn~t"lt.e dt.wante 1 minut.o. T.nlendo ct.üdado d. noft"a9met",tat" la amt-et"l i t.a. eon .st.a op.t'.ciÔt' la biomasa .sseparada deI sor-";:It"te~ La biema~a q ...eda et' .1 sobrenadat"l't.• elcual es separado con una pipeta automitlca. Esta operac16n s.repite hi;",\:,t,QI 1:enet" Iibt'e de sopcwte a la blomasa. t.QniendC'lunicament.<;: bi.:,rnël::.' ·:m el "aso. S. homogeniza ."lue"amet"lt.• en .1...~l i:.t"at.l..Wt·ë\ ..: è,I"uno=l"ltando el t.'iGllftPo de ex!='osicl0t', asi CCtItlO 1.a"e l oc" i dcT.'1d l :::': (1 (II) n:·rt\. De est.. rn.ze: la s. t.oma 1. rn1 .t"l un t ...~b,,\de ensaye ~ S~ le a9re9& 1 ml de NaOH 1 N.

Se tapa y se coloca en un ba~o a temperatura de ebl~llici6n

durante 5 min, para detener la reacciOn inmedi~tamente sedeberà de poner en baf"io de hielc-. Lina vez ft-ia la muestra se­le agregan 5 ml de l~na soluciOn que esta cornpuest.a por:-50 ml de soluci6r. A: 20 9 de carbc.nato de sodie en 1000 mlde NaOH 0.1 N.- 1 ml de soluciOn B: 2 9 de tartrato de sodio y po~asio en100 ml de agua destilada.- 1 ml de soluci6n C: 1 9 de sulfato de cobre en 100 ml deagua destilada. Se agita en el vortex y se deja reposa~ en laobscuridad 30 minutes, posteriormente se agrega 1 ml dereactivo de Folin-Ciocalteu diluido 1:1 con ëlgua destilada.Se a-;ita en el vot-tex y se deJa repo'sat- en la obscuridad 30minutas. Finalmente se ~ide la absorbancia a 750 nm,comparando contra un estàndar utilizande filtre rojo. Lasmedidas son realizadas por duplicado en cada experimento.

Con los datos de la curva estàndar de absorbancia yconcentrac16n, se realizO una regresiOn lineal obteniendo lasiguiente ecuaciOn reordenada:

y + O. 01 688:]x = --.----------------- •••••••••••••• (1)

O.00E.045

x = ConcentraciOn de proteina ~n mg/l.V = Densidad Optica que se obtenga deI problem~.Coeficiente de correlaci6n de: 0.99

Lo~ az~eares r~siduales fuer6n medidos mediant. elmètodo Fenol-sulf~rieo (modificado). Una vez separada labiomasa del soperte el sobrenadante se filtra y se efectuauna diluci6n 1:2 y 1:1 se9~n el tiempo de fermentaci6n. Luegose toman 2 ml de muestra y se le 'a9regan 4 ml de reaetivoFenol-Sulf~rico prevlamente preparado (50 mg de fenol en 50ml de H2S04). Al agregar el reaetivo se deberi hacerlentamente ya que la reacei6n es exotèrmica. se agita en' elvortex y se deja enfriar a tempera~ura ambi~nte durante 20minutos Y despuès se le' inmediatamente la absorbancia ~ 480nm. Con los dato~ de absorbaneia contra concentraci6n sere~liz6 una regresi6n lineal obteniendo la siguiente ecuaci6nI....=,:""denadë:~ :

y 1 = 680.3176 * Xl+ 3:.2 ........ (2)

Yi = Cor~entraci6n de .z~car en mg/l.Xl ~ DensiJad 6ptica deI problema.Coefieient. de correl~cion: 0.9946

para utili~~r la ~cuaci6n vilase la noba.

El pH es rn€:dido de 111 si'iiluient.• mlkt..et·a. Se t.omat.. 2.5 ilde muestra y se le agregan 25 ml de '.gua destilad~. se agitac:on lH"1 (.::aft"arne:. cku"at·.t.e 5 minutos y se det·ermina el F·I·"Irnediante lm F·,:.t.enci6met.t·o 1I1ectr6t.. ic:o.

NOTA: Fat".:, hacet- L~SO de la ecuaei6n (2) y (:)\ ctlda q"~1liîl seefect~e la lecturB de un~ mU8stra problema cl~b~r~ de l~~r~ê

lWICI mI..H'",,;t.t"ë:i de O::(:W!CI::Jnt..t· ..~I:::ion· cot..oeidil (de l~ ~1..WVtl p.t.t·~,t.. )F'al-<::~ 2\:: i .: •• tK..:et.. ~: 1 f.ct.ot· de QIOt' ot" COt.. que '.IL ~ l·~!\b.j~l Yc0rreg~r l~s dato~ axperimen~i\les.

3. MODO DE OPERACION

* COMPOSICIQN ~ LOS MEDIOS UTILIZADOS

Les medies de cultivo para este Experimente sonb.sicamente i9uales. Le aue difiere e. la relaci6n denitrOQeno erQânice e inorQ.nico coma •• puede apreciar en laliiQulent. tabla.

RELACIDN C/N = 12.

--------------------------_._----------------------~-----'CDMPONEN"rES

RELACIONDE NITFIDGENODRGANICO E1II/ORGAN l CO

SACAR OSA

1

01100

û5

II

2517~

1 II :

30:50

IV

75:25

v

100: (1

65

CNH4)2S04 1 1(). 74 1 8. 06 5.37 o

1UF~EA 1) 1.22 2.44 3.66 1 4.88:------.~--,---.-----.-----.-,---------------------------------1i f(2HF'04 1:':: 1 :2 1 :2 1 2 2 1

i--------------------------------------------------------1i M~Sa4 1 1 1 1 1 1 1

t-~--,---,------~-----~----~--I--~----------~------------~--I1 1 1 1 1

I_· __ ' "~''''_ ~..- ..... -,.--.--- ••.--.----••-.---••-------....-----.-----------... 11FeS04 0.02 0.02~-----~-------.------.--~--~--.----.--~-------------------------t

Tabla 21.3.1: Composiciôn de los diferent.. mediesutili:ados en el proceso de •• lecciôn. Las cencentracione.estan dadas en 9/1.

P~ra estas exp&rim.ntos lascondiciones exp&rimentales son:

- Humedad iniclal dei soporte. ~8 X- Flujo de aire. 2 l/h- Tem~.ratura de oper.ciOn. 35·C- Cantidad de sepert. uti11zado por columna. 5 ~ <.ecos>- Cant1dad de inôcylOI 1 ES e.poras/~ s. seCo- pH d.l media de cyltivoi 2.1- pH de l~ amberlital 5.5

:t: ~gIQ~QbQ~I.e

rBerBMIsN-IQ P&b ?QeQBIg~

L~ amberlita IRA-900 tiene una cierta humedad cuando11.g~ al laboratcrio. Entonce. 10 primero que se hace essec.. 1" la. ~Inbel"lit.a a 7ÙoC durante 48 horas y ajustar el pH a~.5 con Hel 1 N. para esto por cada gramo de amberlita secase le agregan 4 ml de AgU. destil.da. se agita y se agregaHCl 1 N hast.• lm pH de 5.!5 (lect....wil deI pot.enciOmet.t"o). Un.vez terminado este paso se elimina la Mayor cantldad desobrenadante y se enjuaga el soporte, para 10 cual se agregan2 ml buffer de fosfatos pH 5.5. por cada gramo de soporte unavez enjuagado se decant. para elimlnar la mayor cantidad deSObl"enadant.e y se F't"ocedtl a secar dUrant.• 46 haras a 70·C.

Se prepara el media de cultivo (tabla 21.3.1) y seajusta el pH a 2.7 con Hel 1 N Y • 30 ml demedio •• le.dicion~n 2 gotas de tween 80 y se e.tartltz. por separadodlH"ante 15 min êI 15. lb de presiOn. Lina vez est.• l"i 1 el mediccon tween se utiliz~ para la suspensiOn de .s~or.s, el conteose efect~a en c'mara de Newbilhu.~. se calcula el volumen enque se tendr"'n 5 E:=: eSpOt"ikS y el volumen necesario pal"a t.enerel 58;': de hurnoE!dad se lo·;lt"a agregando medio de cultivo.

Una vez agregado el volumen necesario se mezcla y seempaca en las columnas de vidrio. ~ue en la parte superiorllevan un tapOn de algodOn y en la pa~te inferior unhumidifi·=adc.t" a tr-avés dei c'....al pasa el aire.

68

El tiempo de operaciOn escoqido flle de 30 horas pasadoe=te tlemoo se cuantificarâ la biomasa. los azûcaresl-esiduales vel pH.

S 22 ANALISI5 DE RESULTADOS EXPERIMENTALES

Si se considera la cantidad de proteina alcanzada alfinal de la fermentaciOn (tabla 18.1); se puede destacar Quela relaciOn de nitrOqene' erqânico e inorgânice <50:50)prcporClona un mejor crecimiento deI micreorganisme (ennuestro caso). Ademâs se puede observar Que conforme aumentala cantidad de nitr6gene ergâni~e tambi*n aumenta el pHfinal. este se debe a que la Urea (fuente de nitr6geneorgànico) ejerce un efeoto amortiguador en el proceso. Lo Quees impo~tante es que con la misma relaci6n de nitr6geno(50:50). tamblén se obtiene un pH muy cercano al repertadoDot' r:aimbault (1980) para el crecimiento de 8§2.:.. niger sotJt'e'/UCè,

Como ya se dijo el medio III. relaci6n de nitr6genoorganico e Inorgànico (50:50). fué el Que proporcionO unma/or creci~iento esto es una mayor cantidad de proteina. Loanterlor se corrobcracon la cantidad de aZùcares residualescuantiflcados al fInal deI experimente, ya Que se encuentranen menor proporclOn Que en los otros medios utilizados.

Par 10 eue respecta CI la humedad final no se presentarenv~riaciones slgnificativas ya Que la variaci6n es de un 2 a3% con reepecto a la humedad inicial (59 X). Esto se debe alareslstencla que ofrece el soporte a la deshidrat~ci6n.

Con todo esta podemos decir Que el media adecuado paranueEtros cbjetivos es el media III. Sin embargo estosexperimentes son bastante semeros. per 10 Que es necesariomeJorar el crecimlento deI microorganismo~ Para 10 cual sepuede variar la concentraci6n de azûcargs, aumentar larelacion C/N, asl como el adiclonar algunos microelementos yvariar los volumenes de ineculaci6n.

RELACION DEMEDIO NITROGDtO IN~UL FrNAL P~f~l~ AZUCARES le HUNDAD

(NH4)2S04 - 'Itg/ 5' RESlDUALIS FINAL.UREA. .) rtg/, S.s (*)

!, .-;J1 1. -. 4.6 2.6,: ).' ·1~25 8.65 55.15" "

1

II 75-25 4."', , ~"'~f'1~ . S.12 8.47 56.25,,:k-. •

III 5' - 5' 4.36 3.5' 6.35 7.89 56.55

III 25 - 75 4.26 4.12 5•• 8.3' ' 56.92

U • - 1. 4.39 4.51 5.26 1.88 57.38,

rABLA 18.1 IESULrADOS DEL CRIeuu DIlO DE ASPfrri Il us nipl' SOBRE AMBIRLItA. VARIAICDO-LA COHCOORACJOH DE HITROGEHO PARA UH CIH =12

<* Mg d~ prottina por gr~1o de soportt seco)

~. CARACTERIZACION DEL

~~l Ct'eclmiento de tt~... o..i.Q.l;U:, a sida estu(:ilado sobt'ealgunos soportes org~nicos, pero se a observaoo que Estos,8J2rcen una influencia directa sobre el creclmiento deImicroorganismo. En n~estro casa es necesario generarirl'fonllac:i6n ac:ei"ca deI compot'tamiento deI hongo dL\I"'3n"te SLIfase de cree ~iie~to, para asi determinar SI el so~orte eneEtLlc:1 io ~'ea l m'ô.?n te pl\ede ser ut il i zado coma un sopot-te modela.De Esta manera pOdemos saber si el soporte seleccionadopreeenta taracterfsticas similares en cuanto al creclmiento..:;::.n ~'especto a los sopm'tes LIt i Il zados en FES. coma Bagë.~zo yYU.Cëi.

70

El desarrollo deI experimento esta basado en lascondiciones 6ptimas de crecimiento deI hongo ya conocidascome: requerimientes nutricionales. temperatura y pH. Conestes parémetros esperamos que el hongo pueda desarrollarseadecuadamente sobre el soporte. Mediante un muestreoperiOdico deseamos conocer la cinética de crecimienta. elconsurne de sust.rat.,:.. la variaci6n deI pH. la pt"OdlKCiOn deC02 y el consuma de 02. la disponibilidad de agua. lahumedad. la caida de presiOn. la desviaciOn deI tama~o de laspart1culas y la variaciOn deI diametro promedio de part1cula.Can tedos estas par'metros podremos comparar con otrosestudios realizadas anteriormente sobre soportes almidonados(Yuca) Y sobre .bagazo de ca~a.

S 25

Para este experimenta se utilizaron columnas de vidriodescrltas por Raimbault et al en 1980 (vease fotografia 17.1y figura 17.1) dichas columnas estan colocadas dentro de unba~o de temperatura controlada a 35~. las columnas en laparte Inf@rlor tienen un ~~rnidificador atravès deI cual pasael aire eue es suministrado mediante una bomba de vacio elflujo de 2 l/h es regulado rnediante llaves de paso (ver fig.21. 1) •

El pH de la amberlita tiene que serHel IN. Para esto vease pagina No.(tratamient6 deI soporte).

71

ajustado a 5.5 con68 met.cujo 1og1 a

L~ compo~ici6n deI medio de cultivo es la siguiente:Sac&ro~a 65.00 9/1CNH4)2S04 5.37 9/1UREA 2.44 ~/l

K2P04 :.00 9/1M~S04 1.00 illI<C:1 1.00 .;11F&604 0.0: ~/I

I.m.. V.Z: PI'epan,do el rn.die, de c:~,ltivo se ajl".l5t.a el pH a Z.7con Hel 1 N •• tQm..n 40 ml y .e le a;re;an 2 ;ota. de tweenSO y 5. est.rili:a durant. 1~ min a 1~ lb de pre.iOn, seliiInfr'h y .1 rolllldil~ .:on tween ..e emplea para el cont.•o de~iPQr.~ .si ~u. a••~ad. al m.traz con e.poras V .e .'ec:t~a

l~ ~u~p.nci6n B••~it.n m.diant. l".In agit..dor m..gn'tico V elconteo 5. h~c~ rn.diante un.. c.mara de N.uwahuer almicroscopio. s. cal~ul. cl".Ial es el volumen nec.serio paratener el n~mero de esporas <1 E8 esporas/g s.5eco.). ElYolum~n de ~~ua necesarlO par .. tener el 59 X de humedad enbase h~med. $e compl~taré con el madio de cultivo estèril.

Humedad ini~ial 5~ %In6cul0 1 E8 ~spcras/9 s. secopH inicl01 deI medio de cultivo 2.7pH i r, leI <;\ l .J.:? l .:.;ç.,:::'o:.:. t" t·€ 5.!:;Temp~r~tur~ d~ 0~~r~ci6n 3S~C

Flujo d~ clire 2 l!hCOndlCiG~es no ~stériles

Fuerza de empaque gr~vitatoria.

Una vez teniendo el soporte y el medio de cultive conel pH desead~ y conociendo el velumen de esporêS ê uttliz.rse pn:'clË~·:h:i! Lt peSë:~I- .5 '3 de SOpot"t.e se le agregê el voh,.mel'l deesporas q~e cüntenga 5 ES espor~s y se completa al 59 % dehl..IUI'3·j;;..,j c.:.l"t lo€::di,;:. de çt,,~lt..ivcl> se mezelê perf'ectaIllQt"lt·e y s.ti!proced0 a emp~car l~~ columnas. las cu.les tienen en el fendo

~.-.

J ..

un oedazo de al~od6n oara eVltar que el sooorte caiga de lac:olumna, una vez empacadas las columas se coloca un tap6n dealgodOn en la parte suoerior. las columna~ son montadas sobreun s~turador y este conectado al flujo de aire. Una vezarmado el sistema se introduce en un baNo a 35 oC paraincubaci6n po~teriormente se van retirando las columnas e~

funciOn dei tiempo, para poder seguir asi la cinética decreclmiento. Para poder seguir la cinétlca de consumo de 02 yproducciOn de C02, asi como la caida de carga se tomO unacolumna y se conecto directamente a un cromatOgrafo (Gow Mac)y para la caida de carga esta misma columna se conecto a unmanOmetro de aQua. Los anàlisis Que se efectuan para tal casoson:

- Proteina.

- Azdcares residuales.

- pH.

- Actividad dei aqua.

- HLlllledad.

- Caida de presiOn.

Consumo de 02 y oroducciOn de C02.

- VariaciOn de! diàffietro promedio dei espectro de particula.

1.- Proteina metodo de Lowry (vease capitulo 17 secci6n A)

2.- Azûcares re lduales métodocapitulo 17 secciOn 8)

Fenol-Sul f\kico (vease

3.- pH ('i€'aSe c:.pituJ.o 17 seccion C)

4.- Acti~idad deI ël9ua ~vease ca~tulo 13 secci6n 2)

5.- Hûmedad (vease capitulo 9 secciOn 2)

-..,..l '.'

6.- Caida de presion, para esta medida la columna utilizadat. i erle una sa 1 i da· en 1a part·e infet- i Cot- 1a '=l~a 1 esta cone,=t.adaa un manOmetro de agua (fig.25.7.1>, por 10 que mediante eldesplazamiento deI agua gue se encuentra contenida dentre deImanOmetro, podemos conocer la caida de presiOn generada porel crecimiento deI hongo en funci6n deI tiempo.

7.- Consumo de 02 y producciOn de C02. Para efectuar estosanèlisis se utilizo una sola columna, la cual se conectodirectamente al cromatOgrafo de gases. Para conocer elporcentaje de 02 y C02 consumido y producido respectivamenteatraves deI tiempo, que correlacionado con el flujo de 2 l/hnos permite conocer el volumen de 02 consumido por el hongoatraves deI tiempo de experimentaciOn. La columna utilizadapara estas determinaciones fue una columna doble tipo CTRI.la figura 25.7.1 muestra el dispositivo empleado para mediria caida de presiOn y el consumo de oxlgeno.

8.- El dièmetro deI espectro de partlcula fue medido almicroscopio, para tal efecto se toma una muestra y se colocasobre un portaobjetos, se coloca sobre el microscopio decontraste .de fases y con el objetivo de 40 se realiza lamedida deI diàmetro de particula de 100 esferas. Cabemencionar que une de los lentes deI microscopio pose unagt-aduaci·:.tl de (1 a ·~o 0 l,:) q ..~e es igual de 1) a 900 mio=ras, elconteo tlene que ser ràpido para evitar que la muestra seseque y ~ue el tama~o de particula se vea afectado.Finalmente se calcula el diàmetro promedio mediante unanàlisis estadistico.

CROnATOGRAFO.GOII-MAC,

nAfHlnETRO(TUBD EN U)

PECERA •

.JRE~UADOR

H: TDE •

COL!JMNA

Il 7~:~·f:.,)~ 3 5'C :::::=1

@+-5AIURADO .......

"OPORIE DEPRESHTURADOR ACRIL CO.auFIG. 25.7.1 SISTEnA EXPERInENTAL UTILIZADO PARA CUANTIFICARCA IDA DE PRES i ON YEL CONSunO DE 0)(1 GEMO. 74

S 26 ANAL ISIS Q.~ l:OS E~~;;J-ILTADOS.

En la (fig. 26.1), estan reoresentadas las cinéticas decreclmiento (medida por oroteinas (Lowry (1951). de consumode azdcares (medida oor el métodode fenol-sulfûric~

(Montgomery (1961)Y caida de presiOn (cuantificada con unmanOmetro de agua. En la (fig. 26.2) estan representadas lascinéticas de consumo de 02 (OUR), producciOn de C02 (CDPR).as! como el coeficiente respiratorio Que es el cociente deproduccl0n de C02 entre el consume de 02 CQR).

En trabajos anteriores el tratar deseguir la cinéticade crecimiento mediante la cuantificaciOn de prote1nas nohab1a dado grandes resultados, ya Que la presencia deligninas oroduce lnterferencla en dicho método. En nuestrocaso el soporte como no es organico no presenta li9ninas,ademés la utillzaciOn de esta técnica ha sido posible por quela blomasa es separada deI soporte casi completamente.Obtenie~duse un sobrenadante con la biomasa la cual sehomogeiniza para ooder tener una a11cuota retiresentativa ypoder etectuar los anàlisis. Esto nos permitio hacerconfiables y reproaucibles nuestros resultados •

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D.D Go0 W iD ww 20 :KI ~

TleflO (hr.,.Fig. 20.2 ParfIles de œ consumldc CQl..R:>. cœ

prcducido (CDPR) ~ Cceficienie rsspircicrio (GR).

Medlante los resultajos obtenidos deSDués de varlOSI;?>:pet'.ltnentas. hemas abset-vado qLle el ct-Ecimiento de flsp.rugE.!2 sot'~'e amoer-lita, pt'est:mta una fase lag a de l'-etal-doé2n":t'!-2 9 '1 1(' hOI"as, mientl"as CiLle la fase e>:panenclal a decrecimlentc se mantiene nasta las 23 haras y la fase deman":enlmlento c estacionaria a partir de las 23 ho ras defremeGtaciOn. Este comoartamienta es muy similar al reoartadcpot' 01"]01 (CreC'lmiento de i~~ niget' sabt'e yuca(1988». Al~espectD cabe menClanar que aunque el crecimiento sea similarne es tan abundante came en el casa de Oriol. N050trosAlacanzamos un màximo de ~.27 mg de proteina por gramo desopart2seco. La cinética de consuma de az~cares (fig. 26.1)presenta un perfil, que nas permite carrelacionar lasdiferentes fases de crecimiento deI honga. can la cinética deproteinas. Si a esto aMadimas que el consume de az~cares alfinalizar el proceso (30 haras) es deI 90 %. tenenienda asiun rendimiento deI sustrato (Ys)= 0.1679 mg blamasa/mg desustrato consumido. y un rendimlento de transfarmacIOn deaz~cares a proteinas (Rx) deI arden de 0.067 10 cualreoresenta un 6.7 %. La t~sa especifica de crecimiento (Mu),fue calculada a partir de la cinética de Drateina~. Par8poder conocer Mu, la clnética de oroteinas se ajuste a unmodela logistico. El cual SUDone que el crecimiento es taleue para \K ) 0):

dw------ = ------------------

dt

Integrando la ecuacién (1), tenemos:

w = ------------------------- (2)

Estalogistico.

funci6n es conocida como func16n de crecimientoEsta curva tiene forma de S. Notese que para t=O

0<..w =

1 + B( 3)

v cuando t -, 00 w= 0( . Por 10 tanto oC y B son lascondiciones iniciales de la fl.lnciOn y es el Vë\ lot'asintëticG de la TLlnclOn pèit'a t=O y para podet" tener ela.iLlste El " o..'

Si tomamos de la ecuacién (2) ~tcrecimlento lineal (Monod) tenemos que:

y deI modelo de

üX

dt= (Mu) X (4)

inteqt'andC! v reat'~'ey 1ando lë\ ec. (4) tenemos:

:~< - e(MLl) t

+ Xo (5>

podemos observar que en la ec. 4,<Mu>t -kt

e y en la ec. 2, e

POt" la tanto -k = <i'1u) la cual t'ept'esenta la tasa especi'f'icade crecimiento. A~licando el modela logistico, para nuestrosdatos. tenemos la siguiente funciOn.

f (/.' -

(c *>: )f~ * e

-····-···~-:-~-·:-~-~·-~ië-.x)-i

7'• 1

( 6)

Donde:

A= 0.312B= 0.132C= 0.224

si correlacionamos la ec. 4 con la 6. podemos ver que:

0<.. = AD = Bk = C

Par 10 tante la tasa especifi~a de crecimiento0.224 l/ht·s.

(Mll) =

El perfil de velocidad de consume de 02 (fig. 26.2).presenta un perfil similar al de la proteina. de donde sepuede observar que existe una diferencia de 4 a 5 horas ~ntre

la méxima actividad respirateria y el tiempe de biomasam'xima. estos resultados corroboran 10 reportado par Oriol(1988) en donde el encuentra una diferencia de 2-3 horas.para 61eL O!~êr ~obre al~id6n de yuca. El hecho de quenosotros tengamos un Mayor intervalo de tiempo. puedeatribuirse al consume de az~cares en nuestro caso al llegar ala fase de mantenimiento el consumo es deI 85 %. Si tomamosen cuenta que parte de esta az~car la utiliza el hongo ent-espiracio:~:ot"1 It,gi,=cl es qllE: al faltat" aZ~lcalo et-I el medici elcoeficiente respiratorio tendera a bajar. esto se puede veren la (fig 26.2) ya que el QR durante las primeras horas semantiene constante en un valor de 1. posteriormente empieza abajar. Retomando 10 anterior Y graficando el 02 consumidocontra el consumo de az~res obtenemos una relaciOn de 0.137moles de 02 consumido por cada miligramo de az~car consumida(fig.26.3) con una correlaciOn de 0.98 si tomamos en cuentaque para oxidar una molècula de sacar05a se necesltan 12moleculas de 02. übtenemos que el 17.44 % de la sacarosa seconsume en re5piraciOn.

! (1 "-------------------.,i,81' '~ = - 3..756 + 0,137:-: R =ü.::-8 _ "'-1

_~_.o' 0 !

.0.0--/0-- .161 ..0'" 1

,j J __.o..~~··-·o ...-~o.- -•. ~ ..-

:: ~.- ..--o-..-.···-··...·----o ot~····__._--.-___._____.-.--_r__--............__,_---.--

30 40 50 60 70 60 90Azuc~ns coftsumides (m", _s.s)

fi9. 26.3 Consomo d. ~UC~rtS COfttu consumo dt 0278

~~ este es~ujiQ 52 lnC!UVe el Bnalisis de caida decaroa '~19' 26.1'. Se ~uede ver que el Dertil de caida decarq~ se pueoe c~rr~iacio~armuy bien con lacinética decreclffilento. ~5tC se atribwye a 10 ~iquiente; tonforme elhorDa creee ~e gene~a una ~ueva fase s611da dentre deIreactor. est2 fase 501ida es el mIcelio deI hongo y es anl'/eli,!t2~'pa.t'tlclJiat' (roto. 26.1). ya que en este caso elhonÇJo c,-ece sot'!-'e el sc·oot-te y no dent~'o deI mismo. Estepro'.c»' '.::...\2 ::;e ;::a'.'?~-e U:-'d otJst~'u.cci6n 31 flu.io de ait'e.genS':I,::,:-'CJ':::' a",~ ",F-- c.:;\idë. de cat'Çlç..• o~ü'a e~L flujo de 2 l/h. elma~1~0;~lQ~ s~ccGtr3dc ~o~ 5 mm de 3GUa desplazada. Este'1::11:-;,- ï-':_':':'::~':~ set- :;equef'ic. 0.::·2!'0 lo :;.ntet"::;'5:,:,nte es, que con esteranoo ~e v~~~r2S S~ ~~ec2n c~nCCEr !~5 Duntos màs importantesde J.-3. Cl!V::tl::::2I ·.:::e ~:T"<l!T!l'?nto~ eJ. lnlcio de esta y el momentoen ~ue en~r2m05 ~ ~a jase d~ mantanimiento 12 y 25 horasre5~ec::::ivamente. P0r 10 tanto.este oaràmetro resultaimpclt't",r<'",lc~ c;_",., e:::t.:;, ca.ida de C2I\"·C).3 e~.; consecuencia deIct'e'':::::::'I~eni~::: y I11E·r:jl ..:>,-,te e""te oodemos tt'ata~' de cL..Iantificat' Linamedid~ dE ~iama~a indirecta. correlacionando ambos.

~ C~ t ~~:.(.J \' ::;'.·f 1 t;':\ 2~'=-\ .. 1 Ob 5E'i'~' 1 ae: l ~)n alde 8_2~)~ r.I.LgX~r: sob t'e el '= '-JLGt- tO'!.

'7 :[ "i:" Hi.!. C t' ,;;;. 0"

.•" .~'"l

;

microscopio deI crecimienteEscala de referencia 1 cm =

Mediante el perfil de pH (fig. 26.4) se puede observarql.•e ,j'.u-ant.e lct'",- pt-irnet-as hot-as, se rnantiene cc.nstant.e ya '=1U'::;:

nos encontramos en la fase de acoplarniento. Posteriormente sepuede observar una rèpida àcidificaci6n, esta es en elperiodo de de la fase de crecimiento. Finalmente a partir dela 25 hOt-a',,", se pres~nta un liget-c, incl-ernent.cl, el '='.lal sepuede aLribui~ a que el hongo entra en una ètapa deë\ut.(~,l i .:: i's •

Por 10 que respecta a la Aw (fig. 26.5), cabe mencionarque la presiclOn de los valores es de 0.003 y que el rangode las medidas es peque~o. Sin emba~go se puede observar quedurante la fase lag se mantiene constante la Aw con w) valorde (0.97 7), posteriormente se ve una tendencia de incrementoen la parte de crecimiento hasta llegar aun valor méxirno de0.984. Esto es debido a que el hon90 es capaz de imponer unacierta actividad de agua con un valor cercano a 1 (Oriol ycol. 1989). Aunque tambièn es posible que la disminucion delos az~cares pueda favorecer esta tendencia.

Con reipecto a la hurnedad <fig. 26.5), esta se mantienecasi constante en promedio 57 % (base h~meda), tan soloperdiendo un 2 %. Est.o es importante ya que observando la(fig. 26.6), vemos que la distribuciOn deI tama~o departiculas contra el tiempo no se ve afectada por variacionesdràsticas en la humedad, teniendo as! una variaciOn deIdiàmetro Mediane (DA), que oscila entre 630 y 640 micras(fig. 26.7', con una dispersiOn deI 5 % aproximadamente. Este(DA) fue obtenido de la gréfica de barras (fig. 26.6). El

he,::!"p:, de '=lue el fltdo de ait"e' ne. vat-ie dl.H"arlt.e laf':tïrp=nt<::,ci'~lt'I :::.. 'E' (j.:=:t,,:;:: <;·d '_l S 1:. de 1.H"1ë:1 mi.=t",:,v~dv"lla de altC::1Pt"I"o:::i:~i(':'n, :=.dc:rnà,:;:, '~I"'I l='I··c,medio el diarnet.t"() rnedic. de 1.=.,j i 5 t.1 i bue i '~:'1'1 .j,~ p.::. ,.. t! Clll 215 no;:. .=amb i SI a t. t· c::~ vès d,: 1 t. i ernpc., 1acaida de carg~ ~ue ocurre es debida unicarnenteal crecimient.odeI hOt"I'~lC' 'lU':::: ':>::: llev2\ ëI cë\bc. ""n el espë\cio int.et·pat·tfcl.dë•.

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~ 1"1 "'1-; :1) JOTit-"'po t"n (hrs)

fi9- 26-." Comp~r.cÎon d. los p.rm.s df' crf'cilni8t., pH.

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61

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0.117 °O'--.......6--.........--~-_...a...._- ......----',...r/J10 1& 213 2Ii ..

T18'Rl EN. t-œA5

FIG. 26.5 Cineticos de proteino t i. de Humedad ~ aW.

40

• Fr Ti~mp(l (1

• Fr T~po 10

30 1 IJ Fr Ti~mpo la'" 1 ~ Fr Tit'mpo 22"1

~

00 ~"'"ec.~

== 1~

10

o425 510 595 680 765 850

DiGID.tro • p~rticulu (Ilm).

dl

100

675

,..=. 650'-J

0..."Il 6~e•..ca. 6000....

~~Ile-0...c 550

c::: ....s:J0 10 20

Ti.mpo (hrs).

Fi4J.26.7 Yariacion fI.1 flM....tro ... p.rtlcul. obt...itlo

d~ la (fi,. 26.6).

El e<.:tLldio de c:aracte~~izaclon de cl'ecimiento deAsc.nloer, sobre amberlita IRA-900. esta basado. en I~

distribuCIOn homoQenea deI medio de cultivo as! como deIinOculo. ademàs de un pH inicial adecuado, Lina humedad ytemoeratLira ootimas. Todos estos paràmetros permiten uncrecimiento selec~ivo dei nongo. Debido a la altaconcentraclon de esporas no se reQuieren condicionesaseotic3s para el proceso. Le cual permlte comprobar una delas ventaJas de la FES. sobre la fermentaci6n liquida.

En esta parte dei trabajo se encontraron resultadosintere55nte~, el primera es que el crecimiento deI hongo selleva a cabo sobre la particula, formando una especie demalla alrrededor de la esfera. Adema~ este crecimiento generainformacion para la cuantlficaciOn de la caida de carga. Estepunto es importante ya que anteriormente en otros trabajo5 no~e nabia tornado en cLienta. al parecer se puede encontrar unfactor de corre lac iOn Que relacione la biomasa con la caidade ca~qa. Por otra parte el trabajo presenta algLlnasventaJas una de eilas es Que separamos en un 100 % la biomasadeI soc·at'te C,-j() t~elativa facilidad. Lo QLle pet~mite que la=.·pruebas de cuantificaciOn de protefnas y azdcares seanrapidos y reproducibles. Los resultados encontrados puaden~5er como2'.t'ados con estudios de crecimiento para t1êlL... D.igeeen soportes de tipo orgénicc. AunquE los resultadQ~

encontrados son menores que los reportados para los estudloemenClonados. Cabe sehalar que parte de los obJetivos de estetrabaJo era la car~cterizaciOn deI crecimiento dei honQosobre el SOp0rte y no la de optimizaci6n. Por 10 Que resoectaal sooor~p se observe que este no se deforma durante elcreclmiento deI hengo, as! como la variaci6n deI tamaho daparticula se mantiene en un range constante. Este socorteoermitio hacer màs sencillos los anàlisis as! como tener unmEJor control sobre el oroceso.

8,·.,... '

La irnpclt-t.arlcia de lm sopc,rt.e rnodelo est.a basada erl lasvent.ajas y. cat-a.=terist.icas deI rnismo. Debido a est.o . seselècciono un soportebajo los criterios de: inhibidores.capacidad de ret.enciOn de agua y conocimientos de paràmetrosfisicoquimicos. El soporte selecionado fue la amberlita IRA­900. Esta presen~a las siguientes ventajas para el estudiobasico de FES. Estas vent.ajas son:- No presenta inhibidores para el crecirniento de e§e~Dlg§r

- Tiene una alt.a capacidad de ret.enci6n de èl.gua sin presentarfenOmenos de drenaj~ rnacroscOpicos.

- Conocemos bast.antê informaci6n sobre dicho soporte: forma,t.ama~o, porosidad, select.ividad, etc.

Las caracter!sticas que presenta el soporte selecionadopermitio evidenciar el t.ipo de crecimiento deI hongo. Esto esel tiempo en que se llevan a cabo cada una d~ sus fases decrecimiento, fase lag, fase exponential y fase estacionaria,asi como el t.ipo de crecimiento dent.rO deI reactor, que es anivel interparticula.

F'c.t- e.tt-ë;1 P<::\t-t.e e~.t.e tipc. de ct-e,=imient..•:;t F·.~nni t.E:evidenci<:<'l- '=11.~e la fc'nnaci'~.n de un,,; nueva fase sOl ida dentt·odeI t-,~.':ICt.O'·, esto es el ct·ecimient.c. deI hC,,",go, que genet'a tU",

efect.r:, .~i-I la caida de ,=at"9a. Es.·t.e fenOmen,:. nc. habia sidc.corre13cionado anteriormente. pero puede correlacionarse paratratar de cuant.ificar la biomasa de manera indirect.a.

T,::'lrnb i '~n ~:,'2 ob',;et-VO que dl,H"ant..e el '=t-e.= irn i ento n,:. "",ay '.Inadestrucci6n de la matriz ni deformaciOh deI soport.e. Por 10que respecta a la cuantificaci6n de biornasa y az~cares parecemàs sencilla que con soportes de tipo orgànico. En el casa dela biomasa esta es separada en su totalidad deI soport.emediant.e una separaciOn mecànica, ademés el soporte no esfragmentado por 10 que puede reutilizar mediante untratamiento adecuado.

Con 10 anterior se puede ver que el soporte seleccionadoF''-Jedo::~ '~::"2t' ut.iliz<'1do cc.rno un sc,pc:'t't.e ,rnclljelc. en est.udic"'",experiment.ales a nivel de dise~o de react.ores asi como en elmodelami~nto mat.emàt.ico.

34

Finalmente Dor 10 que respecta a este trabajo, elobietiva de cat'actet'izat' el ct'ecimiento de Asp r'iClet' sobt'e elsoparte se cumplio ampliamente, ya eue se conoce el tipo decrecimiento sobre el mismo y el tiempo que tarda. Pero existeun factor importante no s~ tiene un alto contenido de biamasay el consumo de azûcares es deI 90 % debido a esto si sequiere optimizar el crecimiento dei hongo es necesarioincrementar la cantidad de azûcar inicial, ya que en nuestroca~Q el sustrato (azûcar) puede Jugar un papel limitantetenlendo as! un bajo contenido de biomasa.

85

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88

ESTUDIO EN REACTOR DIFUSIVO ISOTERMICO .DE LOS PARAMETROS DE LA CINETICA

DE CRECIMIENTO DE Asp. niger.

1. 1Il.D'ICCIOI

La fermentecion .n ..tedo tiltdo ea un conj umo de fen6menos beatlnte compl.joq"ICO~lel' btoloofa Ula termodi nimice.St tn11 uuen las condtctones dl cultivo (mldlo dlcult1vo~ mfcnJ09ln1lmo~cancentnci6n .100.I.mentosr ...• ) ~ no 81 debe olvtder que.lmlcroogentemo tt.ne que "'ronar...n un embt.nte bi.n eapecffico. En le -vorie de 101C8IOS .. sople en 101 reecto..... un eln de composlc16n en oxf"no de un Z1 11 Uen dtox1dode cerbono de un 0 •. St nembarvo~ otru condteto.. pueden 1er 1. IRIS epropt... pera.1 crecfml.nto 0 le producct6n de metabolttoe.ctertoe eutorea mostreron quel. condt­clones emblentel. podfen 1n11 ut r sobre el crect mtento dei hongo g le produccfon de losmetabolltoe (BlJerec"rue ucol.~ 1980).

2. OBJUlm

El objettvo dl este trebeJo.~ en prtmer luger ~ bUlCtr un ststeme tfstco de reec­tor en el euel ae podrian deaecoplar los fen6menoa _net.les que occuren dunnte UMfermentlct6n. Es dlctr un stateme.n d6nde .. puede mlntmtzer un fen6meno e fln de stm­pllcer le '1 nterpretec16n de los resultedOl.

Retbhun " Shul.r <1983) eatudtlron .n un nector no leotermtco II dlf.-ton dei02 UC02 con un austreto de lOge. St nembervo no p.....nIl.r e conel Ulto.. por .1hlcho que el IOporte es complejo Utembten que existen tres fenome.. ICOpledoa: difUlt6nQe3eOR~ trensporte térmtca "crectmlento dei hongo.

Pire nte eetudio Ulllremot el IOporte modelo.,. bt.n canctentldo <enexol) porel eual conocemos un m6x1mo de perimetres ftatcoqufmtcoa. Dt..ftenmoa un reector dett po t~rmtco pen quedernoa aolamente canclot fenome..:dlfust6n Ucrect mtento. Eneete reactor 18 desarronari dunnte 1. fermentàct6n un gradlente axial de C02 " O2 e fl nde estudiar 1. tnf1 uenet. de este gradt.nte IObr••1erect mtento.

3. DESeRI,PeIOI DEL DISPOSlTlm EXPERlnEITAL

El sisf.eRWI experi mentel usedo.n le reeltzect6n dl 101 experi mentos .. eneuentrenquemetizado en II fiCjurl 11.1d "consta nenctal ment. de:1. Sumt nistr. de 11 ce por med10 de une bombe de 1/4 de Hp. El 11 ujo de et re ... entes de.ntrer el .turedor por un presaturador .1 euel se.•neuentre e UM temperetun de 34 etregullde con el empleo de UM peril1e electrice.2. Sltundor. El rec1 pim1'e contt... Igue deattlldlel t'''1 que el pr....uredor " el 11 rese aumintatre la en forma de pequenal burbuJ••mpleendoce pen eato pequenos burbu­jeedora comerc1eles.3. 'f61yulR de bronce. Son uttltzedla pere f1Quler el fi ujo de et re t ndlpendtente pere ceder~r. .4. TermoQlrg. Son de ttpo Keromel-el umel Ucontn buuen e le medldI de le temperlture• le dtfer.ntes Iltuns dei reector. . ' .S. Amber11tJ. Es el soporte expen mental.6. Tlpo..,. En todollos 81ttOl de le col umM dl muettreo son ~10C1d01 tepo.. espectel.que fecntten 11 expertmentect6n .n cuelqute,.. de 101 C8IOI ue- el gredt.nte de tempe­reture 0 .1 de diox1do de cerbone-oxf9lno.7. 1[JÇubldort. El el sttio espectftco do" de ll1Y11 cebo le fermentect6n e une tempen­tura de 35 0 C.a. CrolDltognrfo de MW. se empl88 pere medtr la concentrecto... '" 02 g~. dentro

/ ·

\ Flujo de,

.', ·:ure

/

Taponestem C02pe ~1uestrecl dera 0'1t

.:.

ura

<' '" ~ TaponFigura IL 1 a: Reactor con muestreos

,1

----...) Fluj 0 de

IJ Humlo?dad.

,"u'~r'................................., .............................:::==:::::::::·Ul··•.•....•••..............::::::::::::",+---1--+.............. "1 •••••• 11 ••••••.....•...••..................................................................................•.............................................................................................:=:::=::::::::.........••..•=:::::::::::::' ........•...................................r •••••• , ••••••:..::..::..::.....•...•.....'::,.::,.:::1-:...-.....•...•••••••••••a••."'.••.......................-.:a:u:: \

,("7CI~m:..:Là-~"

(.:Jfrlber l i ~.~)

Figura II.1 b: Reactor para las medidas de los parametrosbiologicos

\

LI8ÂCI(1RÀ

lN1".'

~JISTÀ FRONTAL DE LÂtAMARA DE FERMENTACION ,~ ~'.f

c~Tuet"l:.~c ~,

deu u u " u~•••a•• Ajuste............ ...::....................::..:......

5 columnas..::......................................::..::......-::..............;11 •••••

t~'j~ cie~.Io ...,...1

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't." ~;t\;"i' .' '•. ' '.:~)~' ~,~ " ~'''' '" t - .. '~~I..;O; 'J~"

- - - - --- . .. - - .. . . . •Figura II.1 c: Dispo~itivo experimental -

SlSTEMAEXPERIMENTAL

HIRE

(l)1

Il Il '~)o 0 TERnOPAR

~!Il UO III ,J,,,,,,,,,L.., "",,',.., lofl) """"..., l """".., i1 00000000 1 00000000 1 00000000 i t-) 00000000 1 \1~ (-00000(,(; r-' 00000000 r--' 0000('000 r 00000000 r

II 1 0" 1('00000(;0 1 r00000000 L, 00000000~ 000')0000 L,r' 000000002 00000000 0000000(, 00000000

1 R~UHil 1 Si ~~~~~~~~ 'Ii }2' ggggg~gg~ ~gg~gggg g~~g~~gghl"1 li 0 ~ ~ggggggg ~g~g~ggg ~ gg~~gggg L, 00000000

i 1 1 00('00000 1 00000000~ 00000000 1 ilMBERLITA (

1 ~II 0 g~g~gggg, s' ~~~~g~~~ ~ ~~~~~H~ 2' r" ~gggggg~ ~r1

'1 o(~)oiS ~ggg~ggg~ 00000000 00000000 00000000 <oooooooo~ 00000000 00000000 0000000000000000 L, 00000000 00000000 00000000100000000 00000000, 00000000 oooooooo~

1 0 C' 0 00000000r 0000(-000 00000000 1 L..-) 1 00000000 '. J

li 0 ' ,1 00000000 00000000 00000000 r ~ 00000000, 00000000 00000000 000000001 00000000

INCUBHDORA :7)

FiguraII.IH:Dispositivo experimental completo

de le columM. J,,:.

se uttlizeren" tt poe de colum... q.. midln 8 cm de lI'" por 2 cm de dllmetre(fiO. Il.l.-b). Une de .1188 ti•• ori11cios de .proximedemente 0.5 cm de dï.metro .10l.rvo de 11 colum.. qUl'airvieron pen muestreer 1. evoluciôn deI axfoeno consurnido ,dtoxhlo de cerbono producido emplMndo jeringu de 100 Jil. Ademét estoe orificiOl8Îrvenpere medtr los orldlen. de temperltu,=",. Los oriftcios.l tOUll que 1. perte tnferior de1. col umne • ene.ntr.!, tepedos con tepo... de l'Iule. Lo otn col umne tembt6n .. eneuen­tra tap8d8 par la perte tifenor ~ pere no tiene oriftcios eloleroo. Esta se Il1O pen lasmedI_de pH~ bumedld~bio..... .

La condtc1oM:8 experi mentel"lOn la Momentee:- el medlo de culttw Ules dlferentes copntrectOn13 de el.mentos USIdes aon ai mU...... a10$ dellnex8 1(p. 72 ).- La tempentura de i ncubact6n es de de 35 OC.- El flujo de 81re q. _mpone en la perte arribe deI reector perpendlcularmeRte aladirecciôn Z~ es de 10 lIbr.

4. RESUUADOS y DISCOSIOI

4.1 y.rI.'" .. 1. tI_.otln 1" 1. " ••••• [lldu ..1 110

se pretente noure Il.211 Vlrilc16n,contre el ttempode la temperaturl deI 81re ,de le bumeded cIIllt re medtdol .n el fi ujo ... It re en le pertelrribI deI reector. se obler­VI que la tempereturl deI lire se quedl coiaatente durlnte toda la fermentlc'l6n en un Vllorde 34.61C. este velor este a1rnillr en promedlo aIl tempereture que se midi en el nector(fiO.l1.3). '

LI humeded rellttve deI aire (HR) medtdl con el senaor de bulbo seço, humedo esconatlnte durente todIll fermentaciôn. El Vllor _ quedl en promedto 1 un 97 •.

4.2 Pern)" " •••rat,r., "M'CS C, .H , Id._.

. Se presente fioun Il.3 los perflles de temperaturl obten1doa por dtfereotes ttem­pol de fermentec16n... oblel'Vl que no ut. ondtenta en ellecllo , que en promedto 11temperature .. qUldq en un 34. 51C.~ temperatun aimillr Il. temperature superficilldeI atre (nO.l1.2). Podemos ua conclutr que.,l reactor no presentl oredtentes de tempere-turl , q. no aitte trlnsporte por conduci6n termtce en II dt recct6n Z. .

En II nGure Il.4oblervamos que la humedld deI aoporte Il q.... 1 un 58.:1: 1.5• duraRte todIll fermentec16n. Tlmpoco no Il obaerve nt ftQun trldllote de humedld en ladtreccionZ.· , ..

El pH (110.11.5) dtsmtnuyede 4.9 a 3 de menen limilar alo q.. _ encontr6 conun reector convective (IIIIXOI~ p.80~ ftO.26.4). No preantl tndlentea lXial.. durante 11ferment8ct6n.

se presenta en los II nGura Il.6 peml.. de bio..... dtferremea flempoa de fer­mentect6n. _ oblerve un lumento emn li bto.... de Ir"" hectl l''jo del r-œr. Losvelorea de bio...oMentdollOn comperabl.. 1 los obtenldoa en reector convecttvo(anexo I.~ p.7S, nt. 26.1 ).

,4.2 rerol... Al2Jf.h. Ill'" .....n.,

se prellnte en 111 figures 11.6 bi.... Il.8111 vertectOnll contn.l Uempo dll C02 V02 medidoa e diferentea eltures del reector. LIS figures Il.8 ... Il.1 0 nos maestren losperfll.. de C02 ... 02 e dtfere. ttempos de fermentect6n. PodernDI oblerwr que elcen­zemoa un 12 • de 002 Vun 8 • de O2 en le perte beJe del reector. Ext.te un fenomeno ....cumulect6n por.l hechp q.. m.te un re8tltencte de dtf.ton.OI8ndo un bllence de materte de 02 (eq.l) UC02 (eq. 2). puedl celculer Ils..deproduc16n de C02 (CDPR) UCOD8umo de 02 (OUR) en cede mvela del ,..., Upare dtfe-

.. T.nta tt.mpos.

a 02 1 a t= D 02 . a2 02 1 i)2 l + OUR ( 1)

a C02 1 a t :: 0 cO2 . a2 C02 1 a2 Z + CDPR (2)

Do~ coeftctente ef8cttvo de dtfllSton de 02

DCo~ coeftct.nte efecttvo de dtfUlion de C02t: tiempoz: axis de trensporte.

LOI coeftctentea efect1vos de dtfUlion IOn coeftclentea mecroacoptcotlos c..l..tomen en cuente le porostdld dellecho poroso.

se preaente en 111 ngures Il.1 0,11.11 ,11.12101 velores de le tasa de consumo de 02e dtferentea Mvel.. pare dtferentea ttem.. de fermentect6n. se observa un eumento de letue contre el tt.mpo ... un mex1 mo en le perte blje del reector. A.... mvel del estudlo •podrfe deci r q...1COAlumo de oxf"no .. mil réptdo en le perte baje del reector q.. enlos prtmeros nivel... Ette feno meno '.rfe bien correlectoMdo con un mixtmo de biomeseen el fondo de 11 columne (flg Il.6). '

Con 'lOI 'l81orn de 11 tue de CORlumo de oxf"no (OUR) ... de 11 bio..... le puedededuc1 rel coeflct.nte de ecttvtded resptntorte IXJ2. este rellct6n. acrtbe:

OUR • IXJ2 . X (3)

X: Btomae 9 fIeCOl g de seporte fIeCO.

PresentlmOl ngure Il. 13 pare los dtferenta mvel.. del reector le tell de consu­mo de oxf"no (OUR) en funcion de l, bio..... (X). El velor promedio del Q02 n de 0.14ml °2/0 h. velor 11 mUer el encontredo por RAI MBAULT ( 1980). .

4.3 ••n lM'••11'....... QZ • COz .ltn .1 "0••....", ..se pretente en le ftguri Il.1 41. Ylrtlct6n de le bto......nfunct6n dll U.mpo

'.j

pere dtferenfes mwles. Observe... q.. existe en1. pri meres laDres de 18 fermentacion(ng.l1.15) hllJ mis biomese lbejo deI reector que Irnbe. Pance que el creclm1ento deIho. podrie errence mie tempreno 0 mM npt....en .1 te...l rMetor .bfdo el..condic1onea de C02 U02 (fit. Il.7 UIl.9). La f. de Qlrmtnac10n podri'1 aer ln11œnci_por 1. condic1ones de C02 IJ O2 diferentas el. qœ ae enc_ntren dl costumbn.

- ,.......----------..,.. 100.

!!35.8 ,..,. r. 'e 1 -;:... ... H.R. 98 •~ Zë 35.4 1

d 96 :~ -C 35.0 S11& 94 ....

e •134,6 92 A~3E Ë~ 34.2 +---r---.....,...----r---,r---+ 90 ~

6 10 12 14 16 18 z:TIE"PO ( ...RAS)

FtCJ.lI.2: Vlnoci6n de la temperetun IJ de II humededreletive del et rI contre el tilmpo.

• a .. • • • 9h• tOh

. • 11 h

• 12b

• 13 h.A. • • a 14 b& 15h

• 16h

••• It ••-8

33 34 35 36Te.,.r.t.r••l ...n. (!!C)

Ftg.l1.3: V8fiec16n de 18 temperetUr8 deI medioen funcion de le eltun.

o

-2......&5u-• -4..:1 '.--C-6

0

+ «30 ..,......z::u -2- • -ta _

1N

1C -4 .0 +0 El •~:=~ + De..,~

C -6

+ • CUI •

B Ot«RAS

• 8HORAS+ 10HORAS

• 12HORAS

• 14 HORASa 16HORM

6557-8 +-........-~__--r----.-""T""--.r---r---.r---I

55 S9 61 63HUt1EDAD-W-(S)

Fig.lI.4: Veriacion de 18 humed8d en funcion de 18 81ture.

0

D ... El • OHORAS""E -2· • 10HORASCil D •• iii • 11.=SHORAS..."

1<> 13 HORAS

-4. D • - III • 14 HORAS= a 1~HORAS......C D •• El

-6

a .. • •-e .

2 3,H 4 5

fig.lI.5: Veriecion del pH en funcion de le aliure.

El •• <> • aIII t-a.• t-8h

•• • .. • D • t- 1t»... t-12h

El • • liID • t- 14h.D t-16h

• • • <> a

Il • • • D

• • •

o

""& -2CI

..."1

N1 -4•..;,...-C -6

-81 2 3 4 5

Bi....-X-(..'I.•.•.)fig.II.6: Variecion de la biom8sa en func10n de la a1ture.

15Il10

• Z· -0.9• K=...,2.5

• Z=-3.9

• z:a -5.4

• z:a -6.9

1213 1.-TI ["PO (IIJRAS)

fig.ll.6 bis. Var1aciôn de 18 concentracion de C02 prodUCldocontre ~I tl~rnpo pert one"l"" enu....

14

,..>......:.t..

15

• F.5C028h

• F.SC02 9h

• h5 C02 lOb

• F.S C02 llh

• F.s C02 12ha F.S C02 lJh

0.. F.'5 Co2 14~Sh

A F.5 C2 15,25h

•

-34 -1 4ALTURA (CH~ ,

fig.II.7: Var1aclôn de la concentract6n de C02 producidoen funci6n de la altura para dtferentes tiempos.

"!s•LI.I

&.iCIQ..o -f--.......--r----.----,.-__r----y..;;;.,.

-7,4

-"-NBwc

8- B.. •- •N{,

0 0

•; 4..,~ 22

0+-----....-----.-...-.-,------...-.-,---9 10 11 12 13 14 IS

TIE"PO ( ...RAS).fiOJI.8: Var1aciôn de la concentracton de 02 consumido

contra el tlempo para diferent88 alturas

f,

10 -

B

••••D

•o A

-1,4 -5,4 -3.1.-1 4

fig.l1.9: Variacion de la co&\AHl'ot~2 con~umidoen func16n de la a1ture para cftferentes t1empos.

f.s028hF.S029hf.5021Ohr.S0211hr.502121\r.s 0213"h502 14,St.f.S 021S,2Sh

0

ah

Î -2.,h10h

"......•~-4~-c

-6

7 f) 9 10O.r6 1E05 (fieln/(e.56 ,,»

fig.II.1 0: Veriecion de le t838 de consumo de 02en funcion de l~ elture pare dif.rent. tiempœ.

-8 +--,..--r--__-"""""T'-_-..,--~___46

0.....---------------..

-e -2

"......•~ -4--c

-6

~~

14 16 18O.r-1 EOS (t1ele./(e.3- ..»

Fig.!l.l1: Verlecion de le tese de consumo de 02en funcion de le elture pare dtferent., tiempœ.

-8 +--__--.,...--__--~---___f12

0.---------"""-----___,.....! -2~

•~• -4.,-C-6

t~ h

14.5h

-8 +-.......,__--r--.,.....---.--......---I20 22 24 26

O.r-1 EOS (lta'es/(e.3••»· fig.ll. 12: Variacion de la tasa de consamo de 02

en tunciôn de le elture pere diterenta tiempos.

B z. -.9 cm• Z· -2.5 cm• Z--3.9cm~ Z=-S.4 cm

• Z= -6.9 cm

..... 3'T""....-----r---------,......II•If)1~2

"No•., .

• , 1o-•ex=0 0 +--_-__.--9""'""-__- ........-__.----.1

3 5 7·Bi.....-X.16

45-<.'. s.s)fjCJ.l1.13: Determinecion del coeflciente de le ectividad rnpiratoria Qo2

188

Il a-.9Ofn •• z=-2.Scm• z--3.9 cm , ,0 z=-S.4 cm

• z·:"'6.9cm ,El· , •• 1· 1•

,.• ,:

, •· •• • • , .

4

26

6

8

10 12 14 16Tt..... (11er••>

Fig.II.14: Variacion de la biom8sa contra el tiempo paradtferentes alturas.

" 12.....e 10

•-1..,ow-•X1

1oi

10,S

B z.-.9 cm• z=-2.~ cm

• z·-3.9 cm0 z=-S.4 cm •.• z=-6.9cm •

• 1•0 •. •0 • •El

•.

8,5 ( '.S )Ti.... HèraFig.!!. 15: Variaci6n de la biorn8S8 entre 7.5 IJ 10.5 !lores

pera diferenm a1turas.

ESTUDIO EN REACTOR CONVECTIVO (10)DE lOS PARAMETROS TERMODINAMICO y BIOlOGICO

DE CRECIMIENTO DE Asp. niger

,""

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1. IIIIROD΂IOI

Como helnOS visto en los enexol 1 y Il My necaided de realizar estudios en sist~

mes simpl1flcedos que perririten conocer II interecct6n entr.lot f.n6menos de trenafe­rencie de mes8y celor y le c1néttcede crectmiento deI mtcnJ09Intamo. Unoa de 108 trebe­jos (H. HareM,.. "col .• 1984) que existe en este cempo mUlStren le neceaided de emplierlos eonoc1 m1entoa blatcos pere 1r hec11 un mejorermento de II product1vtdld de los reec­tores de FES. Los reectores eatit1coa yi 0 de tipot mezcledoa necesitan un mejor control delos paremetros "termobtlOQtcoa" . Dos esfuerzos son necesertos perelogrer este objettyo:el prlmero eacoger 108 panmetrOI qu1en los rn6t innuyen en el dalrono de 18 fermenta­cion; el secundo es bU8C8r los aenaores los mis edlptedoa pare controler el proctlO.

2. OBJUlYO

El objet1vo de este eatudio fue .n pri mer 1ugar de dlaer.r un reector moduler dttipo convect1vo en donde los fenomenos de trensporte de 111188 .rie untdtncctonel. Estereoctor .ré inatrumentedo pere me_jer con precision Ils condtciones termodinemiceade .ntr8d8 deI 81re. Adem6s•• pretende desarrolllr une instrumentlc16n 81rededor deIreector pere medtr locelmente Ils venebles deI stateme. Los pnmeros experlmentos.haran empecendo el reector con el .porte modelo centenzedo en el enexo 1de este re­porte.

3. PMllpelOI DEL SISTEN ElPEalnEUAl

El st"'me experimentel empl"'.lo conformen: un penel de tnstrumentol. un

bano de temperaturl coRStente .., un reèctor de lecho empecado.El Pinel de tnstrumentes nune el equtpo dl .....ct6n deI ststeme expertmeml ..,

el equtpo del1tmentlci6n~ 81 nector. de lin I8turado. En II flgun 111.1 (toto 1) •muntre un dtegrlme dll Pinel de inatrumentol~ en d6nde • llimeRte ein~ medilnte UIIIbombe de VlCfo (12) 1 dos humidtflCIdDna conectedos en .rie (15 .., 17) ~ los cUileacuentan con reai8t8nci. de CIIlentemtento (14.., 16) que pernriten mantener 1 temper~ture conetlnte II tempereturl deI puRto de rocto deI etn. pnYto 1 esto. el Itn PIII 1trwee de _ filtrOl (1 .., 3) de elre~ un meno_ro (2) .., ..n rotemetro (4) pen nNJul.,.el flujo dlullIo. El"n~ une vez saturldo. aie IUmenta Il bano dl tempentun constante.

El equtpo de medtct6n 10 formen: uncontrolador de fluJo (6) ~ dos ClJI& de Mtchpen termoper (7 .., 8). un -cltspl""'- 0 pentene pere le lectun de JI temperatun (5) ~

dos rIQuJldorea de volteje perl 11& nsttenci. de CIIlentemiento (9 .. 13) ~ un cromet6-grafo de geses (10) .., su inteQndor (11). .

El beno de tempenrtun conetante provee cie egUi perl 11 chaquete dl celentaRrientodeI reector ~ 1dem6a de IDIntener II tempenture del"re (temperature deI lire aeco)consunte durlRte su trl..,ecto hlcilll entrlda ciel reector. Este beno constl~ ver fig.! 11 2~

de une conexton con chaquete (18) ~ que conduce el"re saturldo en los humtftcadores~ lundepostto (19) ~ el c..l contténe dos trlmpa ........ (20 .., 22) U un serpentfn (21) ~ 1travée de 101 cuelee. hece circuler el elre perl _p••1ir por otn conexion con che­quete (24) ~ hlctl el reector. En Im_ conex1ones ~ (18 .. 24) • hIce ct reullr ..... deIdeposito 1 tnvés de aus rnpectiVII chlquetlS. Ade"'.• cuente con UIII bombe periatal­tica (23) que proporcione un flujo de agUi 1 tempenrturl conetante perl .Umenter 1.chlquet8 deI reector.

En lu figuru 111.3 (foto 2) .. muestrl un dt8lJreme deI reactor empleedo~ esteconstste de 6 modulos (foto 3). de vtdrio .., acrfUco~ ensamblebles (26) los cueles posten4 puertes perl muestreo de gesea (32) ~ pen termoperes (33) IJ perl ITllnometros de U.En este siaterne el l'ire lJ elegUl pen II chaquete, entnn por le perte inferior deI reec­for ~ el lire etreviese ellecho de ImberUte v.le por II perte auperior (29).

Se presente en II figurl 111.4 UIII compereci6n entn II humeded nIlU'II medidlcon el senaor (seneor de tipo bulbo aeco Vhumedo) lJ II humeded relative delltsteme di­ae1ledo (1 6.1 7) V(21). Pire el sisteme II humedld nlet1ve .. dedeuce medtlnte unetibIa (tempereture seca \1 de punto de rocfo). observemos que le aistelTll de humidtftce­cton deI It re funetone bien pen un re.. de humedld relltive de 60 • 1 100•. El errorque tenemos entre los dos (sensor-ststeme) es menos de 1 •.

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4. CO'PlCIO'ES EI'EII "EHALES

Les condiciona experi mentel. fueron 11$ sigutent.:.. El medio de cultivo • si mUar a 10 descrito en el anexo 1(p. 72 ) solo cambio la

concentraci6n de azucer (2 veces m6s~nservendo un elN de 12 Vla humeded iRic1al(53 SC). .~ .

- La temperetura de incubacion es de 34 te- El 11ujo de aire de 40 lIhr.se midioa cade horas de la f.rmentecion~ en los 6 ntveles deI reactor (direccion

Z):- la concentracion de~ V~ con jerlnges de ges de 100 Jll mediante un crome-

togrefo degeses;" ;"- la temperatura; ~- la caide de prest6n;

IJ en la entrlda Vsalidl deI reactor la hurnedad relative deI ai re V.l 11 ujo.

5. RESULIADQS y DISCOSIOI

PrnentalnOS los prlmeros resultados de un experlmento de fermentacion en esteli po de reactor. La figura Il1.5 nprasente durente la fermentaci6n le veriaci6n de la con­centrec16n de C02 productdo a tres ntveles deI reector (27.5 cm. 57.5 cm. 82 cm). seUN pere rnedir el COZ un 11ujo de air. bejo (13.5 lIhr) pen evitar une dtluci6n deI C02en el aire. Se observe que la produci6n de C02 .mptlZlala 16 hora .n la parte alte deIreactor " que no se detecta C02 .n la parte baja deI reactor. El mexi mo de produccion ntaobeervedo a1. 26 hores Valcenze para este 11 ujo de ai rI un12 SC a la .11de deI reactor.

Eate ar........ deI C02 ..te bien correlecionldo con u.. aubide de la temperaturaen la niveles 27.5 cm V57.5 cm (ntJII.6). Se encuentra tembt6n un meximo de tempe­rature e 181 26 horis de la fermenteci6n. La tempenturi lube .n promedto de 2 2 C~ laeUil corresponde a UM mevor ecttvtdld metab6Uce. No se observe gredf.ntes axiales detemperatura ~ so161a temperatura es dtferente en la entrade Vla .Ude deI reector.

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se presenta en le fioura 111.7 le variacion durante la fermentacion de la caida decerga a tres n1veles del reactor (O cm~ 51.5 cm, 82' cm). En todoS los n1veles la C81da decer<j8 errence el.. 19 ho,... ~ ..te tiempo ..te t,mile,. .10 encontredo co el Co2 y le tem-perature. La ceide eumen" haste llegar a les 36 boras un 38 cm de &gue. Pere el flujoUMdo (4211hr) este valor de caide es beatantee1to, no se puede despreciar. Despues deles 26 boras~ velor que corresponde al meximo de producci6n de C02, la caide de t8rOSsigue subiendo. El hecho que el C02 dismi nue no quiere decir que se pare el crecimiento dehongo. Sigue creciendo h8$ta que lleoue a 18 f~ de menteni miento en donde el creei mientodecrece

ANEXOIIl-21. INTRODUCCION

Exbten diferente~ métod03 de cuonUficacion de biomo~~ 103 cueles tienen diferen­tes caracteristicas , ventajas y desventajas. L03 métodœ de cuantificecion de proteineusados 10 més frecuentemente son :

- El método de Kjeldh81- El método de lO'w'rlj.

El método de Kjeldhal se besa en le preei pitacion de les proteines orgénices conacido tricloroecético "SU posterior dioestion con écido sulfùrico en presencia de un cata­lizador.Esta determi naciones cœntit8tiva y esti me el contenido de proteine total, esta es i nel u'J8pohpéptldos, ami noécidœ y otros compuestas nitrogenadœ. presentes.

El método de Lo'W'r':.l se basa en la reaccion de lu proteines con el reactivo deFoli n-Cioca1teu. Las variaciones en este método pueden deberse 81 pH, tiempo de reccion,concentracion de los reectivos, 8zUcares " productos celulosicos. En este método elcolorno es estrictamente proportionsl 818S concentrecienes de les protein8$.

Entre sus ventajas estân : se pueden medir el contenido de proteines en fraccionesenzimat1cas, se puede medir en meze18s de tejidos eon proteines, mediciones de cantidedesmuy peque?ias 0 sol uciones dil uides. Las rezones por las que no se recomienda user éstemétodo son: no se puede apllcar 8 muestras con 81to contenido de materiales liQnocelulosi­CO~, no ~ puede aplicar 8 muestras con fenoles y el rango de li nearidad es de 0- 300 mo/lo

Existen otras métodos de numeracion de mohos como son el de enumeracion. Cadeespors es capez de former une colonia 0 un talo despues de ser fnoculedo en un medio. Eloumero de colonie:s corresponde 81 numero de espores viables preaentes en el inOcul0.Teniendo en cuenta la dil uciôn, podernos saber la concentrecion de la muestra. Este Glti mométodo nos de une idea de la c8ntided de microorgenismos presentes en une mtmtre , perono nos diee su estedo de desarrollo. .

También se puedemedir le biomase mediente une medida de la concentrecfon de~ 0 ~. Considerendo une relecion entre la tase de consumo de oxigeno " la biomesa(sato y col. ,1983) se puede, conociendo el coeficiente de rendimiento (Y0:2) " de mente­nimiento (mo2), deducir la cineliee de crecimiento. Sin embargo, para tnltia1izer el mo­delo se necesita conocerel equivalente en esporas de la bfomesa inicial y tambien los va­lores de V02 " ~ las cueles puedenser dependiente de otras parametros.

2. OBJETlYO

. En 01 onoxo' <p. 76 ,1i9. 26.1 ) homoo mootrCldo que 10 çOido de corgo mé relo-Cl0naœ con el crecimiento deI hongo. El obieti~de este trabajo es tratar de 38C8r une re­lation entre la calda de prèsion' y la biomasa. L'S1raz6n de obtener une correlacion entre labiomesa y la presion total de la fese g8Seose es de facilitar el proceso en experimentosde fermentaciôn, eli mi nando el probleme de alteracion de las condiciones existentes debido8 la extrecciôn de mue3tres pare su anélisis CJfllemés se podrla permitir el monitoreo delproceso a diferentes interY810s de tiempo durante tode la fermentacion.

S8bemos que tres parametros puede i nfi u1 r sobre la calde de carOl 11 netca ([rgun,1952):

- el flujodeaire,- el diametro roediano de la distri bucion (le las particules,- la porosidad dellecho.En estos tres parametros dos pueden sef considerados como constante durante 18

fermentacion. El flujo de aire, bien control. mediante une microY81vula yel diametromediaoo de la distri bucion de particules 10 cuel se qued8 constante durente la fermenta­cion (Anexo I~ p.81, fig. 26.6, p.82, fig.26. 7). Hemos observado (Anexo l, p.79 Joto26.1) que el creei miento deI hongo es solemente ~uperficial. En e~te caM el hongo tapapoco 8 poco los poros augmentado la calde de presi'on.

En primer paso estudiaremos la infh$ia del flujo de atre sobre la cinética de..~reci miento. 0e8pues trataremo8 mediante le- tiy de DARCV de celcular el coeficiente depermeabihdad g&seosa en fUQCion de 18 biorn8$§. Este coeficiente de permeebilid8d nos de­beri'a permitir mediante une medide de caide'_,carga y del fiujo de aire correspondientede eV81 uar la biomas8. .

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3. PESeIIPCIOI pEL SIITEN EIPERInEUAL

se presente en le nCJure 111.1 .. el atlte'" expert mentel utntzedo pere medi r 18

caida de car91 durante une fermentacton. El ststema se compone de un be1lo de agua regu­181do en temperetura, de un prehumtdtflcador sumerQido en el baoo Ude une col umne defermentecion. Pere medir 1. preeion tot.l de 1. feee galllDII • UI8 un menômetro de egueen forme de U. Un bombe sumt nistra el 81 re al prehumidificedor, el fi ujo de ai re tue re­lJulado con une microwlvulva.

Se presenta en la figura 111.1 a el l'Ïatema de ferIMntacion con au humidificador '.!su col umna de 15 cm de la"JO U2 cm de diametro. Otsponernos en la parte baja de 18~lumna un al90d6n '.! un pepel filtro pera qua eT soporte (amberlita IRIt-900) imp"'9nadodeI medtode cultiva no $8 cee. Ellecho empecado ttene une a1ture de 65 mm '.! une densidadeparentl de empeque de 0.672 9/cm3.

Un ststema de pecere (Anexo l"p.64, fl9.21.1 ) nos perm1t1ra medlr la b10masa adiferent" tiempos durante la fermentacion. .

4. COIDICIOla DePERI "EDALES

la preperecion deI medio de cult1vo es simUar al estudto preliminar(Anexol,p.72).los flujos de aire usados durante los diferentes experimentos son los siguientes:2 lIhr, 8 lIhr y 15 lIhr. .la temperatura dei ncubeciôn es de 35 te..

5. RESULTADOS y DlSCPSIOI

5.1 1.0••1...1 0.1•••Ir••'0 1. cl_CI !II creet.'e.te

la figura 111.2 representa la evol uctôn de la btomese contra el tiempo para dite­rentes valores deI l1ujo de aire. PodemD8 obaerver que no existe caf ninguna influencia'sobre la cinética de crecimiento para un rango de flujo de aire de 2 a 20 lIhr. la giermi­necton dura entre 10 a 11 h Yla fase de matentm1ento empteze a las 21 horas. De estasdtferentes curvas se sec6 une eiRétiea promediada que considereremos eomorepresentati­va de las ci neticas esteblectdes para los diferentes flujos.

5.2 E"'I.,.... J. ct_ttClM crlel••'te ... 1. CIl....Clr.

Se presentanen les figuras t11.3, 11I.4,111.5, 111.6 1. evoluciones de labiol1l8S8 '.!de la cafda de carga pera tr88 fi ujos diferentes. Se nota entre 1. dot venables una buenacorrelaci6n. Durente la feae de oerm'nacfon (0 a 11 hores) no existe ntng6n crec'mtentodeI hongo, la eoida de carge si9ue constante. Desp., la cefdl de carp augmenta siguienctoel crecimiento deI hongo. Despun de les 21 horas c..ndo empieza laf.. de menlenimien­to, la ea1d8 de car" s10ue constante de conform1dad con la b'omasa.

Para evaluar el coeficiente de permeebilided 9U8OM USlmos la le'.! de DARCY .Y1ene:

r V =K. DPI DZ (4)

En donde:P 88 la praion de la faae 9111088 IMdida con el menometro

Z e3 la a1ture dellecho porœoK es el coeftclente reletivo de le fese g8$eOS8r es II rne3e vol umicI, deI 81 reVes la velocidad deI aire

Coooclendo et vslor de la calde de cerge pere un flujo d8do se puede determll'l8r elcoeficlente de permeebl1idad reletive Que le corresponde lJ expresar este coefieiente enfunclon de le bio~ medido.

la flgura 111.7 represente 18 evolucion deI coeficiente de permeabi11daden funcionde la b10mese pere diferente3 fl ujos. Observemos que el coef1e1ente de permeeb111d8d Kdismi nue de menere importente entre 2 y 3.5 mg de proteine8 por gremos de 8Oporte MCO.

Hés allé de 3.5 me} de protei l"i8S/g s.s el coefieiente msmi nuye menœ rapido mostrandoQue exista pan este velor de biomesa un fenomeno partieular al nive' deI tremporte de lafese C)83eOse. Muctm trabejos fueran hechos para la determinecion deI coeficiente de per­meabihd8d liquide y (j88eOSa en el casa de los suelos. En el C8SO dei transporte deI 98s eneStas medios porosos, el coeficiente de pemeabilidad se acerce deI zero para un etertocon­tenido de ague. Este aguela cual ocupa el espacio interparticula se opone al traMporte dela fese gaseos&. En nuestro ceso el probleme presenta algunas stmilitudes, el hongo colo­niza el espacio l nterperticula y tape los poros. El ai re encuentre une resistencia \l lacaide de earga puede augmentar de manera importante en el reector. En un reactor de 90cm de aUun y de 4 cm de diametro, 10 cual corresponde 8 un cerge de 800 9 de 50portehumedo y para un 11 ujo de 200 lIhr hemos ob$ervado el fi nal de une fermentacion unecaida de presion de 2 metros de agua; la caida iniefal s1endo unos 12 cm. Esta cambio decalda la euel tue cau~ ~to por el crecimiento dei t'longo puede ct vece3 boter 185 men­gueras deI nujo de aire de entr8d8. Este tipo de parametro puede ser importante parapoder d1 meM10nar de maners 8decu8da los s1stemas de ventl18C16n pere este t1 po de btore­actores.

1 • •

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fig 111.2: Veriecion de le bi0mesa contre el tiempopere diferente$llujos de eire.

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contre el tiempo pere1 un nujo de Z lIhr.

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contra el tlempo per.un flujo de 8l/hr.

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60"•Ifig.III.6: Verieçt6n de le bio....-- Vde le celdl de cerga

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•

1

AlExa IVPRDYECTO DE BIDREACTORES PARA

FERMENTACION EN SUSTRATO SOLIDO

Realizado por: Ing. Rùal L6pez UlibarriM.C. Mariano Gutiérrez Rojas

Departamento de Biotecnologla, Universidad Aut6noma MetropolitanaIztapalapa. Apdo. Post~l 55-535. Tel. 686.03.22, ext. 338. Fax.6.86.89.66.

ANTECEDENTES E INTRDOUCCION.

La FermentaciOn en Sustrato S6lido CFSS) ha sido objeto de interésde diferentes investigadores en el mundo por ser un sistema quepresenta importantes venta jas, tales como: manejar bajos volumenesde matet'iales, obtenci6n de pr'oductos concentr'ados, utilizat' LInatecnologla relativamente sencilla y la posibilidad de realizardicho procesa en forma séptica, entre otros CHelsentine, 1972:Cannel y Moo-Young, 1980). Por otro lado, presenta algunasdific:ultades como la utilizaciOn de una gr'an cantidad de mana deot:)t-ë.~,. la necesidad de pt'ett'atar la matet'ia prima y el manejo de unmaterial heterogéneo en el fermentador CRaimbault, 1980; Mao-Younget al., 1983), en donde la actividad de agua desempeNa un papelmuy importante COriol et al., 1988a).Estos temas han sido estudiados por diferentes investigadores 10que ha producido una serie de diseNos de fermentadores para FSScon diferentes enfaques CLonsane et al., 1985), entre los quedestaca la naturaleza heterogénea deI material a transformar .•La heterogeneidad deI media de cultivo en un fermentador parasustratas sOlidos, en donde la transferencia de calor y masa sonlos factures limitantes, es une de los principales problemas quepresenta éste tipo de procesos, y se ha tratado de resolveruti1i;~ando :

a. lechos pequeNos en charolas, en donde la altura deI lechoapenas alcanza los 5.0-6.0 cm;b. columnas empacadas con un diàmetro inferior a 10.0 cm einmersas en baNos de temperatura controlada yc. mezc1ando el medio de cultivo en forma intermitente 0

contlnua.

El tipo de FSS Cestàtica 0 dinàmica) estA directamente re1acionadacon las cat'acter'lsticas r'eolOgicas deI medio de cultivo. De losdifet'entes mater'iales que se utilizan en estos cultivas, los dealto contenido de carbohidratos camo los tubérculos, al prepararsey mezLlarse (LOpez-Uliba~ri et al, 1989), forman aglomerados quedificilmente pueden separarse provocando una baja en la eficienciadeI transporte de masa y energ1a. Otros materiales con un altocontenido de polisacàridos (celulosa, hemicelulosa, etc.>, puedenprepararse para un proceso de FSS y somete~se a un mezclado, queLlsLlalme.nte debe set' suave (1-5 rpm) , con 10 cual se logr'an r'educirlos g't"ad ier1 tes dti'l media de fltrmentaci6n, favot'eciendo latr"ansfet'encia de masa y Einer'g1a.

2

En general, los fermentadores para FSS se pueden clasificar, par~l movimiento dei material a transformar en:

a. estAticas, que son aquellos en donde se coloca el matet'iala termentar con una densidad de empaque predeterminada ypet'manece .1n mavimienta a 10 lat'go dei pt'oceso defe·t'men tac i 6n. yb. dinAmicD5. Que son aquellos en los que se coloca elmaterial a fermentar poco a poco, en un proceso continuo asemicontlnuo (Gibbons et al., 1986), 0 en una sola etapa, enun proces~ por lotes (Huerta-Ochoa et al., 1986) y que duranteel prcceso el material se mezcla, con movimientos usualmentesuaves (1-5 rpm) en pulsos 0 en continuo.

Existen otros tip05 de bior.actores para FaS que no pueden Serclasificados como din~micos estrictamente, debido a que elmovimiento deI mat.rial a f.rm.ntar no es de tipo mecànico, estosson 105 lechos fluidizados con aire (Hong et al.,1989) 0 llquido(Adi':::asmito et al., 1987).El ,:cmcepto convencional de FSS implica la utilizaci6n deImaterial s61ido camo sustrato (almid6n, glucasa, celulosa,hemlcelulosa, etc) y ademàs como soporte flsico de losmicroorganismos (hongos y levaduras, principalmente) para lograrla biotansformaci6n deseada. Sin embargo, existe un conceptodiferente de FSS en el cual se utiliza un medio de cultivo"~;intético" ab~:;(jt'bido en un sopot'te que pOt' sus Ci:H'actet'lsticas sesupone inerte (fibras, plàsticos, ect.). A estas procesos se lesconoce:~ como Fet'mentaci6n en Sustt'atos f'CIdsm-'bidas (FSA) (Dt-iol, etal, 1988b) y se utilizan en donde se t'eqLliet'e un conb'ol pt'ecisodeI media de cultiva y evitar asl perturbaciones posibles debido ala heterogeneldad deI material. La investigaci~ de estos procesosusuaimente se ha llevado a cabo utilizando reactores de lechast:"iI'P')':'ddos (Huet'ta, et al 1990).

REVISION BIBLIDGRAFICA

Se revisaron las publicaciones mas recientes sobre biorreactorespara la FSS y se analiz6 el tipo de biorreactor relacionado tantocon el 5ustrato como con el microorganismo utilizados, haciendanotas de las caracterlsticas principales deI mismo. Estainformaci6n se estructur6 en una base de datos y el listado sepresenta al final de este anexo.

OBJETIVO y DEFINICIDN DEL TRABAJO.

El pt'esente trabaJo consiste en disef'fat' y/a seleccionat' unprototipo de biorreactor para F5S a nivel laboratorio (2.0 a 3.0litl'os de volümen de operaci6n) con el cLlal' sea posible investigat'aspectos de ingenierla particulares y poder resolver algunosproblemas que se han presentado en el e~calamiento en trabajost'ealizados antet'iot'mente pOt' nuestt'o gt'upo de investigaci6n(Gutiét't'eZ~R'ojas et al, 1989). El diseflo final deI prototipocontemplat'â un alto gt'ado de instrumentaci6n y se cilcondicionarà

debede

deI

3

para estudiar los siguientes .speetos de los proeesos de FSS:

1. Cinétieas de producciOn de biomasa y metabolitos, evaluandolos sistemas de control de tempet~atut~a y aet~eaci6n, asl comalos instrumentos de medici6n en general.2. Determinaci6n y evaluaci6n de ,los par4mett~os deescalamiento mas relevantes, esto es, el establecimiento del~scoeficientes de transferencia de masa y energla en elcontrol deI proceso.:3. Anâlisis de la eficiencia de agitaci6n y el mezclado y surelaciOn con la transferencia de calor y masa, como un sistemaanâlogo a los reactores catallticos heterogéneos.4. Aplicaci6n de la teot~la de contt'ol de reactot~es.

JUSTIFICACION A LAS BASES DE DISEAO DEL PROTOTIPO DE FSS.

Uno de los problemas màs grande. que presentan las FFS es ladeficiente transferencia de calor y masa, la que provocaconsiderables gradientes d~ temperatura (Saucedo et al, 1990) yde gases; una manera de disminuir estos gradientes es mezclando.Los sistemas dinàmicos, de acuerdo a la bibliografla consultada,se han empleado para la prdducciOn de biomasa (Baldensperger etal, 1985; Durand ,y Chet~eau, 1988) y metabolitos camo etanol(Gibbons et al 1986 y Sato et al, 1988) y enzimas (Deschamps etal, 1985), en doMde la reologla deI sustrato provoca un mezcladoineficiente y el esfuerzo cortante puede propiciar rupturacelular. Sin embargo, con el estudio de sistemas de mezclado suave

se puede Jogt~at~ aumentat~ la eficiencia deI pt~oceso sin dat'fo alas estructuras celulares. Este mezclado puede ser contlnuo 0

di scon t; l nua.Por otro lado, para obtener un medio ambiente adecuado para losmicroorganismos en procesos de FSS, es necesario proveerlos de lat,.:?mpet'.:,d;ut'a y la humedad detet'minadas como 6pt imas 0 10. mascercano posible a ellas, 10 que induce por un lado, al diset'fo deun 5istema de control de temperatura deI medio sOlido y por otro,al control de temperatura y humedad deI aire de proceso para FSSaet'6b i as.Estudios sobre transferencia de calor, han demostrado que elproceso de transferencia convectiva de calor es mucho masimportante que el de transferencia conductiva (Saucedo-Castat'fedaet al 1990), por 10 que se puede afir~ar que el control detemperatura deI proçeso se realiza principalmente por dos vias:con el aire de pro~eso y con el mezclado. Desde este punta devista, el aire utilizado en el proceso tiene dos objetivos:pt~oveet~ de un ambiente aer6bico al medio de fermentaci6n yc:ontt"olat' la tempet~atLlt'a deI medio.En un principio, el aire de proceso se utiliza para calentar elmedio a la temperatura adecuada y posteriormente se utiliza paraevitar el sobrecalentamiento debido al calor metab61ico generadodUt~c:\nte la fet~mentaci6n.

En procesos de FSS anaerObios, latemperatura deI proceso secontt"'ç:llar en fOt'ma indirecta por medie de intet'cambiadot"escalor'internas a por chaqueta, 10 que aumenta la dificultadcontt~ol.

4

El manejo de mBteriales ~6lidos 0 semis61idos de FFS presenta masdificLll.tad cDmpat'àndolo can el manejo de 11Quidos, como en lasfermentaciono:?s sLlmet'gidas tt'adicionales, 10 que at'igina lanecesid3d de dise~ar Lin biorreBctar para FSS donde la manipulaci6nde 361idos y llquidos sea minima y de forma accesible. Estalmpllca que en la carga y descarga deI biorreactor se Lltilice laminima energla posible y en el menor tiempo, 10 Que se puedeloc.lt'c.1t' IJtili~ando disposiciones geométt'icas en donde la fuen:a de9t"·avE.'dad achie favot'ablemente pat'a dicha oplit'aci6n.El desat't-'ollo deI pt'oc:eso de fet"mentaci6n es la t'espuesta efectivadeI sistelil2 ) solo se puede evaluat' detet'minando el consuma deIsustt'ato, el inct'emento de biomasa, la evolLlciOn deI COz, elcomportamlenfo de pH, el campartamiento de la humedad deI mediast.lidij y la:;ipat'iciOn de pt-'oduc:to (si 10 hay), entt'e ott'OS, y quecJependen din'ctamente deI dlset'lo deI ':sistema completa, POt' 10 queun sistema ri~ muestreo de material sOlido y de gases de m~nera

sen~illa es 1e suma importancia.Pat"c:, di<;;minLltt' los pt"oblemë\s de preparaciOn deI media de CLIltivo,se Jebe inclL'lr en el dise~o deI biorreactor Lin dispositivD parala D.dicUJn.,Je liQuidos al interiot" deI mismo, el cual puedepel"iitlt" IE\\dici6n de agua, sales minet"ales en soluci6n, in6cula,pt"e(>.lt""'Otes, etc., al iniclo 0 dut'ante el pt'oceso.

También E:::> l,npOt'tal,te podet' t'ealizat' Lina supet'visi6n visuë\li1,dE'I'ial denl;t'D deI biatTeactOt' dLlt"ante al procesC!, pues se.. /I.;'tet··rr.ill.:.;'·' P'H" ejE~mplo, t?l desat't'ollo de una colot'aci6n'.ief 1 Cl to'r", 1,'2 (f, .~::.c: ladD.

deIpu€~de

o un

F'C1 t lu t.;:-,nto, F.'l disef'fo final deILO,I!:J(it"'dtcW:U) "lut i \10 deI pt"'esente tt'abajo,

prototipo de FSSdebe con temp 1at':

pat'a

dinàmico de velocidad t'egulable y mi.~ZC 1ada(,,'f ie 1 er··,t2.Sistem~5de calefacci6n y enfriamiento eficientes.

, 8ist0m3 de fàcil carga y descargaPosibllidad de muestreo peri6dico.

~ Sistem3 de adici6n de sustratos y nutrientes liquidos.> Posibilidad de revisi6n visual interna durante el procaso.

El diseno d~be contemplari rlst: l 'umpn t;ac i. 6n:

la implementaci6n de la slÇjuiente

> !3l.:.'r, '501 es de tèmpet"atLlt"<3 deI medio.} Senswres de temperatura y humedad deI aire de proceso.:> SL'r'SDt"es de tluio de ait'e de pt'oceso (entt'ada/sal ida).

Senso. es para COz y Oz a la salida deI reactor.

El sistema de fermentaci6n final deberà permitir controlar:

> La temperatura deI medio solido.\ La temperatura y.humedad d~l aire d~ proceso.~La velocidad de mezclado y su perioricidad.> La aeJiciOn de agua y 0 nutriantes al medio."" L a a e n~a c 1On (f lu j 0 de ai t'e) •

5

P2r~ lugrar los objetivos dedlsenO seNalados, es necesario~!,·,tet'fliinat- 'os equipos pet'ifét-'icos necesat~ios que componen el::',i'stema dE fet'mentaciOn, el mînima t'equet'ido es el siguiente:

~ Sistema de acondicionamienta de aire filtrado (aire saturadoa la temperatura de ~roeeso y aire seco).

Indicador/controlador de temperatura deI proceso.Indi~adores de temperaturas puntuales dentro deI

f et-'m('n t c< du t'.Valvulas eléetricas actuaderas (solenoides) para control deI

d. i t-·e.> Motor de velocidad regulable.} lnterfase para captura de datos en linea par cemputadora.

(Op c i ':Jn al) .> Multiplexer p~ra captura de datos en linea multicanal( (Jp c i onal) .

COlflputadora pat~a lEi captut~a/pt'oceso de datos en 1 inea(Ope ional) .

Prototipos seleccionados.

C,)" bCISE' E'rl el estudio t'ealizado de los difet~entes fet~mentadot~es

Id'i Il:::acic!s en FSS. se sE'i"falan tt~es disef'los coma los adecuacjos p"H'aser e~tuJiados a nivel laboratorio (2 - 3 litros de volumen deUpE'I,~.ci6rj,l, y qu~;> consisten en (jisei"fos basados en L!quipûseXlstpntes para el me7clado de sOlidos (Perry, 1983) identificadoscomu:

1. l'i:;>mbe.t' t'otatot'J.o. (Fig. 1)

Mezclador de s6lides de caseesMpzclsdur de sOlidos de gusano

geméles,vet~tical.

o en V. (F ig.(Fig. 3)

2)

El dlsef'fo de estas prototipos incluye todos los sistemas antesmenclonados y se esquematizan en las figuras especificadas. Aunqu8todos estos equipos cumplen en teorla con los requisitos~5tablec]dos, eXlsten parêmetros que solamente pueden ser,::~vë,•. lu':,}i:lC)s POt' e:-:pf.:'I'imentac::i6n, como: volumen mê:<imo de opet"dci61l,crH'l':;U"'ii) C!i2 enet'y 1 a, t j ~?mpos de mezc 1ado, etc.

CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES

Con base en el anàlisis bibliogràfico y.en la aplicaci6n dedifE~t'entes e::pet'iencias en tt'abajos de investigaciOn antet'iot"es,es posible 3firmar que: d. 10. equipos seNalados tienen la.cat'a .. -tet'isticas l1ecF'sat'ias pat~a Set' utilizados como pretotipos deinve"til,)aciùn de laboratot'io y b. la e)(pet~imentac~6n con esteseqLlipos, set'vit'â pat'a establecer los parâll1.'tt~o. da selecciOn alcompararlos en términos de eficienci. y productividad.Se recomienda conatruir el prototipo sef'lal~do como na~ero une, eltambCl,t'. t'ota~ot'ie, pOt~ lie t' el qUE pt'esenta un disef'lo 1ft•• vet'sâtil ysusceptible de adaptarse a las necesidades antes descritas.Posteriormente se podrâ analizar la posibilidad d~ construir losdos t'estantes.

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2

1

FIGURA 1. Esquema del Prototipo l, Fermentador para Sustratos Sôl idos tipo TarnborRotatorio. 1. Cuerpo del Fermentador. 2. Motnr. 3. Sistema de reducciônde velocidad de giro. 4. Propulsor.5. Soporte con rodamiento. 6. Conducto distrubuidor de fluidos. 7. Sensores de Temperatura (2). 8. Asperso~res (3). 9. Bafles a 90°. 10. Mirilla. Il. Sisiema para toma de muestra12. Sistema de muestreo de aire en continuo. 13. Soporte del conducto ­distrubuidor de flilidos. 14. Sello hermético fijo a la tapa. 15. Entra­da de aire. 16. Entrada de liquidos. 17. Salida de gases. 18. Sello hermético fijo con salida.

14 4-4--

3

13

FIGURA 2. Esquema del Prototipo II. Fermentador para Sustratos Sôlidos tipocascos gemélos 0 en 'V' • 1. Cuerpo del fermen'tador. 2. Motor.

3. Sistema de reducci6n de velocidad de giro. 4. Conducto distri­

buidor de fluidos. 5. Entradas para carga del material. 6. Mirilla7. Aspersores. 8. Sensores. 9. Sistema para muestreo de aire. --­

ID. Descarga del material y toma de muestras Il. Sellas herméti­cos. 12. Soportes de' cuerpo. 13. Entrada de fluidos. 14. Salida ­

de gases.

11 •

l12

10

FIGURA 3. [squema del Prototipo III. Fennentador para Sustratos Sôlidos tipogusano vertical. 1. Cuerpo d~l fennentador. 2. Sistema de transmi-

siôn de movi iento. 3. Mezclador tipo gusano 0 tornill0 sin fin. ­4. Sistema para toma de muestra. 5. Entrada de fluidos a la chaqu~

ta. 6. Salida de fluidos de la chaqueta. 7. Corte transversal de ­

la chaqueta. 8. Mirilla. 9. Entrada para carga del material.

10. Entrada de aire. 11. Sal ida de qases. 12. Oescarga. de 1mstèrhl'.

Pige No.061'l11'10

FIdII Titulo dli ..Uculo P1ëhclC:iàl

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Sporotrichua Cassa••pulVII"UlentUi. roats.

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BiotlCh.BiOIIIg. Vol.32, pp. 155-260

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