Diseño y construcción de un biorreactor “Airlift” y determinación de parámetros de operación óptimos para su aplicación en procesos fermentativos

Abstract

Se ha diseñado y construido un biorreactor airlift de 10L de acero inoxidable con la finalidad de utilizarlo en procesos fermentativos tales como en la producción de cerveza. El diseño se realizó tomando en consideración los criterios técnicos para biorreactores de agitación neumática como son el número de aspecto (HL/D), relación entre áreas Ar/Ad, volumen y geometría de la zona de desgasificación, configuración del sistema de aireación, volumen de trabajo y geometría de la base. Una vez construido, el diseño y la configuración se evaluaron en pruebas de laboratorio antes de utilizarlo en experimentos de fermentación. Estos incluyeron el efecto de la relación Ar/Ad, flujo de aire (vvm) y distancia entre el difusor de aire y el tubo de ascenso (cm) en el tiempo de homogenización (Ɵ) y el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (KLa). Se ha utilizado un difusor microporoso de 2 µm de diámetro de material sintético. Asimismo, se han utilizado dos medios líquidos: agua bidestilada y jarabe de glucosa de 14 °Brix. El tiempo de homogenización se ha determinado por el método del “pH” adicionando una solución de NaOH 2N y midiendo la variación con un pH-metro. El coeficiente de transferencia de oxígeno (KLa) se determinó por el método “gassing-out” utilizando una sonda de oxígeno disuelto. Todos los experimentos se realizaron a temperatura ambiente (20 °C). Los resultados mostraron que el incremento del flujo de aire, la relación Ar/Ad y la disminución del espaciamiento entre el difusor de aire y el tubo de ascenso resulta en la disminución del tiempo de homogenización y el incremento del KLa. Asimismo, el incremento de la densidad del fluido incrementa sustancialmente el tiempo de homogenización mientras que los valores de KLa son mínimamente afectados. Subsecuentemente se realizaron experimentos de fermentación con mosto de malta de 14 y 20 °Brix configurando el biorreactor de la siguiente manera: relación Ar/Ad = 0.8, distancia del difusor de aire al tubo de ascenso de 2 cm y flujo de aire de 0.13 vvm y se evaluó la cinética de consumo de azúcares reductores, nitrógeno amino libre, producción de etanol y crecimiento celular. Los resultados mostraron un menor rendimiento de etanol, mayor consumo de nitrógeno amino libre y mayor tasa de crecimiento celular provocado por el suministro de aire, comparado con experimentos realizados estáticamente en matraces a condiciones similares. Finalmente, se evaluó sensorialmente la cerveza producida con mosto de 14 °Brix y se comparó con una cerveza artesanal comercial. Las cervezas producidas tuvieron una mayor puntuación con respecto a los atributos de olor, sabor y color. Los resultados obtenidos en el presente estudio pueden servir para proponer futuras investigaciones en el campo de las fermentaciones utilizando biorreactores airlift.