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Uso de Biorreactores para optimizar la producción de ácido láctico

Los Biorreactores Tecnal se desarrollan y adaptan a las necesidades de nuestros clientes. En esta oportunidad les queremos contar que los biorreactores se fabrican también para automatizar los procesos de fermentación, ya sea en modo discontinuo, alimentado o continuo, siendo los encargados de controlar diversos parámetros como pH, espuma, presión, temperatura, agitación, así como mantener el medio de cultivo en anaeróbico o aerobiosis según el requerimiento del MO o cepa utilizada.

 

Contexto y aplicaciones
El mercado del ácido láctico se ha enfrentado a una gran demanda en los últimos años debido a sus diversas aplicaciones. Entre estas, se ha utilizado tradicionalmente en la industria alimentaria, para el control del pH, la conservación y la mejora del sabor como en caramelos y gaseosas, siendo considerado seguro para su uso por la FDA (Wee et al., 2006). En la industria farmacéutica se utiliza en cremas y pomadas (Babilas et al., 2012) y en el área médica, el ácido láctico combinado con polímeros y sales ha demostrado actividad antitumoral (Jeong et al, 2016; Alsaheb et al, 2015). Sin embargo, en los últimos años, el monómero para la producción de PLA (ácido poliláctico) ha ganado una gran visibilidad porque son bioabsorbibles y por que puede utilizarse en la producción de envases de alimentos y bolsas biodegradables (Athanasoulia, 2018).
Debido a la creciente preocupación por el medio ambiente y a los continuos esfuerzos por reducir el costo de producción del ácido láctico, diversas empresas e investigadores están estudiando alternativas de producción a partir de fuentes renovables, como el uso de biomasa vegetal o residuos agroindustriales. Actualmente, los sustratos lignocelulósicos se ven como la mejor alternativa para reemplazar la glucosa de primera generación y la producción de varios bioproductos, tales como el ácido láctico (Oliveira et al., 2018).

 

Fermentación y producción
El ácido láctico se puede producir mediante fermentación o síntesis química; sin embargo, la vía fermentativa es el método más utilizado industrialmente y representa alrededor del 90% de la producción (Hofvendahl y Hahn-Hiigerdal, 2000). Es un proceso biológico, sostenible con menores costos y permite obtener el isómero puro (D o L-ácido -láctico) para la producción de PLA (Pal et al., 2009).
En el proceso de fermentación, la producción de ácido láctico por parte de las bacterias puede sufrir grandes variaciones dependiendo principalmente del medio de cultivo (nutrientes), de las especies de microorganismos, y de las condiciones del proceso.
Se han estudiado y utilizado varios medios de cultivo como fuente de carbohidratos y fuente de nitrógeno para optimizar la ganancia de biomasa celular y la producción de ácido láctico por vía fermentativa, entre ellos, biomasa lignocelulósica hidrolizada (Abdel-Rhaman et al., 2015), melaza de caña de azúcar (Coelho et al., 2011), agua de maceración de maíz (Cunha, 2016) y residuos de la industria cervecera (Mussatto et al., 2008) como sustrato principal. El permeado de suero de la leche (Domingues et al., 1999), la peptona, el extracto de levadura (Oliveira et al., 2018), la urea y el sulfato de amonio se pueden utilizar como fuente de aminoácidos y vitaminas. Además, estos suplementos de nitrógeno también ayudan en la resistencia y tolerancia osmótica en medios que contienen altas concentraciones de glucosa (Ge et al., 2010).
Las principales bacterias del ácido láctico son Lactococcus, Streptococcus, Pediococcus, Enterococcus, Lactobacillus, entre otros géneros de menor expresión (Todar, 2012). Lactobacillus es el género más conocido con mayor número de especies que se destacan en la producción industrial de ácido láctico con buenos rendimientos (Dellaglio et al., 2007 y Oliveira et al., 2018a).
Las bacterias del ácido láctico (BAL) no tienen la capacidad de sintetizar ATP; así, inicialmente descomponen la glucosa en piruvato, que luego se metaboliza en diferentes compuestos, según el tipo de fermentación. Las fermentaciones pueden ser homofermentativas, a través de la vía glucolítica o heterofermentativas, a través de la vía del fosfogliconato (John, Nampoothiri, Pandey, 2007; Hahn-Hagerdal y hofvendahl, 2000; Reddy et al., 2008).
En la vía homofermentativa, el piruvato es convertido en ácido láctico, y en este proceso un mol de glucosa genera dos moles de ácido láctico (Abdel-Rhaman et al., 2013), mientras que en la vía heterofermentativa se producen cantidades equimolares de ácido láctico y, además de este compuesto, se puede obtener CO2, etanol y/o acetato, variando según la elección de las BAL y la fuente de carbono utilizada (Todar, 2012b; Tan et al., 2017; Guo et al., 2014).
En última instancia, las condiciones y el control del proceso determinarán la eficiencia y la productividad. La temperatura tiene una gran influencia en la producción de ácido láctico, ya que influye en el crecimiento y las actividades metabólicas de las bacterias (Gao et al., 2018).
El control del pH ideal, según la especie, es capaz de multiplicar por más del doble la producción de ácido láctico. (Mussatto et al., 2008). Además, los sistemas de cultivo en modo continuo combinados con la estrategia de alimentación de nutrientes y el uso de agentes neutralizantes en el proceso, pueden reducir el efecto inhibidor de la acidez del medio y optimizar la producción de ácido láctico (Tian et al., 2014a; Abdel-Rhaman y Sonomoto., 2016; López-Gómez et al., 2019).
Los equipos utilizados deben garantizar fermentaciones controladas, sin contaminación, y con mecanismos seguros y asépticos de alimentación y toma de muestras.

 

EQUIPOS INDICADOS:

Biorreactores/Fermentador TECNAL modelo BIO-TEC-1,5V con torre de control, modelo BIO-TEC-PRO-II o TEC-BIO-FLEX-II

 

BIORREACTOR TEC-BIO-FLEX-II

Ideal para:
Fermentaciones y Bioprocesos; Cultivo de células animales y de M.O (bacterias, hongos y levaduras); Hidrólisis Enzimática y Ácida; Biomasa, Biocombustibles y Etanol de 2G; Producción de Enzimas , Vacunas y Fármacos; Control Biológico, Bioinoculantes y Biofertilizantes; Biorremediación y Tratamiento de residuos; Estudios en Minería y Biolixiviación de Minerales; Producción de aceites, cremas y cosméticos; Reacciones químicas

 

Características Técnicas:
Vaso de reacción: Convencional – Vidrio; Acero inoxidable; Vidrio + Acero Inoxidable Volúmenes totales: 1,5L /3,0L/4,5L/7,5L /15L/25L/50L – Personalizable; Volúmenes útiles: 1,0L /2,0L/3,0L /5,0L /10L/18L/38L – Personalizable Neumático – AIRLIFT y Micro algas Volúmenes totales: 3,0L/7,5L /15L/ – Personalizable; Volúmenes útiles: 2,0L/5,0L /10L/ – Personalizable
Tipo de vaso: Pared doble (con camisa); Pared sencilla con manta y serpentina interna
Tampa: Acero inoxidable 316L; Manípulos de baquelita acero inoxidable 316L; Sellado: anillo O’ring de Viton aprobado FDA
Entradas de la tapa: Pozo para Pt-100; Pozo para sensor de pH (PG13.5); Pozo para sensor de O2 (PG13.5); 1 Entrada extra (PG13.5); 1 Entrada sencilla para adición de ácido; 1 Entrada triple (para adición de base, antiespumante y nutrientes); 1-2 Entrada sencilla extra; Aspersor de aire tipo disco perforado; Sensor de nivel regulable (líquido/espuma); Tubo de muestreo regulable; Tabique para inoculo; Cojinete para el acoplamiento del ciervo-motor; Condensador de reflujo en acero inoxidable 316L; 2 Entrada para serpentina (pared sencilla)
Viene con: 6 filtros absolutos para aire con porosidad de 0,22 micrómetros; Chicana removible de 4 palas a 90º en acero 316L; Sistema de muestreo: basado en jeringa, libre de contaminación; Con reservatorio autoclavable
Cojinete/asta de agitac.: Acero inoxidable 316L, con retentor en viton
Impulsores: Rushton (seis palas planas); Opciones: Smith, pit-blade-Inclinada 45°, Naval, Ancora, Dupla Helicoidal
Sistema de agitación: Ciervo-motor con control de 1 – 3000 rpm acoplado con sensor óptico de velocidad real con resolución de ±1RPM
Controlador TEC-BIO-FLEX: Interface para control de reactor, fermentador o biorreactor TECNAL con pantalla LCD sensible al tacto de 7” colorida (800×600 pixels); Panel frontal IP65 aprobado conforme normas CE / UL; Posee 2 puertas USB siendo una para conexión de memoria flash, 1 puerta RS-232, 1 puerta RS-232/485 y 1 puerta RS-422/485; Posee entradas para sensor de temperatura Pt-100, electrodo de pH digital con comunicación RS-485, sensor de oxigeno disuelto óptico y digital con comunicación RS-485, sensor de espuma de asta conductiva, 4 bombas peristálticas (nutrientes, antiespumante, ácido y base), conexión para el control de temperatura con baño termostático o manta/serpentina, motor de agitación y conexión auxiliar para el control de fotoperiodo o monitoreo de O2/CO2 gaseoso; Llave general con indicación luminosa
Tiempo de vida: Media del backlight: 10.000 h


Almacenamiento: Automático de los datos del proceso en memoria USB (evita el uso de computador externo)- Almacenamiento
Memoria: Posee memoria para el almacenamiento y ejecución de 4 recetas programadas de acuerdo con la fecha/hora deseada
Contraseña: Posee configuración de contraseña individual para 3 usuarios

 

Beneficios y ventajas
Modelo compacto y software con las principales redes de control
Interface TouchScreen y almacenamiento de datos en memoria USB evitando el uso de un computador externo
Monitor IHM de 7 pulgadas con software incrustado para control y monitoreo del proceso, configuraciones de SETPOINT, ajustes de parámetros, calibraciones, elaboración de recetas, archivo de datos y visualización de gráficos
Controles: temperatura, pH, O2 (polarográfico y óptico), nivel, espuma, presión, agitación, torque, aireación, CO2/02 gas, sensor PAR y sistema de iluminación (fotoperiodo)
Permite trabajar hasta con 4 bombas peristálticas
Compatibles con todos los modelos y tamaños de vasos de mesón TECNAL (Con camisa/Pared Sencilla/AIRLIFT)
Permite trabajar con esterilización in situ para vasos entre 25 la 75 litros

BIORREACTOR BIO-TEC-PRO
Ideal para:
Fermentaciones y Bioprocesos; Cultivo de células animales y de M.O (bacterias, hongos y levaduras); Hidrólisis Enzimática y Ácida; Biomasa, Biocombustibles y Etanol de 2G; Producción de Enzimas, Vacunas y Fármacos; Control Biológico, Bio-inoculantes y Bio-fertilizantes; Biorremediación y Tratamiento de residuos; Estudios en Minería y Bio-lixiviación de Minerales; Producción de aceites, cremas y cosméticos; Reacciones químicas

 

Características Técnicas:
Vaso de reacción: Convencional-Vidrio; Acero inoxidable; Vidrio + Acero Inoxidable Volúmenes totales:1,5L /3,0L/4,5L/7,5L /15L/25L/50L- Personalizable; Volúmenes útiles:1,0L /2,0L/3,0L /5,0L /10L/18L/38L – Personalizable Neumático – AIRLIFT y Micro algas Volúmenes totales: 3,0L/7,5L /15L/ Personalizable; Volúmenes útiles: 2,0L/5,0L /10L/ Personalizable
Tipo de vaso: Pared doble (con camisa); Pared sencilla con manta y serpentina interna
Tapa: Acero inoxidable 316L; Manijas de baquelita en acero inoxidable 316L; Sellado: anillo O’ring de Viton aprobado FDA
Entradas de la tapa: Pozo para Pt-100; Pozo para sensor de pH (PG13.5); Pozo para sensor de O2 (PG13.5); 1 Entrada extra (PG13.5); 1 Entrada sencilla para la adición de ácido; 1 Entrada triple (para la adición de base, antiespumante y nutrientes); 1-2 Entrada sencilla extra; Aspersor de aire tipo disco perforado; Sensor de nivel regulable (líquido/espuma); Tubo de muestreo regulable; Septo para el inoculo; Cojinete para el acoplamiento del servo-motor; Condensador de reflujo en acero inoxidable 316L; 2 Entradas para serpentina (pared sencilla)
Viene con: 6 filtros absolutos para aire con porosidad de 0,22 micrómetros; Chicana removible de 4 palas a 90º en acero 316L; Sistema de muestreo: basado en jeringa, libre de contaminación; Con reservatorio autoclavable
Cojinete/asta de agitac.: Acero inoxidable 316L, con retentor en viton
Impulsores: Rushton (seis palas planas); Opciones: Smith, pit-blade-Inclinada 45°, Naval, Ancora, Doble hélice
Sistema de agitación: Servo-motor con control de 1 – 3000 rpm acoplado con sensor óptico de velocidad real con resolución de ±1RPM
Controlador BIO-TEC-PRO: Interface para control de biorreactores TECNAL, compatible con pantalla de operación Touch-Screen de 10 pulgadas, línea BIO-TEC-IHM. Posee entrada para sensor de temperatura (Pt-100), nivel de espuma por varilla conductiva, electrodo de pH, sensor de oxigeno disuelto (polarográfico u óptico), sensor de dióxido de carbono disuelto, sensor de oxigeno gaseoso, sensor de dióxido de carbono gaseoso, además de expansiones para otros parámetros mediante solicitación, tales como mezclador de gases, sensor de radiación PAR, conductividad, redox, turbidez on-line y células viables on-line. Posee conexión hasta para 5 bombas peristálticas, USB para almacenamiento de datos, motor de agitación, controlador másico/rotámetro, fotoperiodo de leds, baño termostático; Viene con: Sensor de nivel de espuma; sensor de presión digital y válvula de alivio para despresurización automática; Control automático de la temperatura del interior del vaso de reacción (muestra) operando a través de una manta y una serpentina o baño termostático (TEC-BIO-T)


Condiciones ambientales: Máximas:

0 a 50 °C a 80% UR
Botón: Encendido/Apagado con indicación luminosa en el símbolo “power”.
Cable de energía: Conforme NBR14136 c/ adaptador tripolar patrón IEC
Gabinete: Acero inoxidable 304 con pintura electrostática blanca
Potencia: En pleno funcionamiento (220 V monofásico): 2000W
Dimensiones: Ancho=370 x P=470 x A=760 mm
Peso: 25 Kg

Software

Software de control y operación con páginas para configuración, calibración, visualización de gráficos, operación, elaboración de recetas y emisión de informes (datos del proceso); Red de control de agitación/rotación; Red de control de nivel de espuma; Red de control de presión; Red de control de temperatura; Red de control de pH; Red de control de oxígeno disuelto con cascada, dependiendo de los actuadores adquiridos; Monitoreo de oxígeno y dióxido de carbono gaseoso. Ampliación para diversas variables, como redox, conductividad, radiación PAR, entre otras mediante solicitación del cliente
Sensores y actuadores: Cotizado conforme solicitación: SENSORES: temperatura, redox pH, dO2(polarográfico o óptico);dCO2, O2 gaseoso y CO2 gaseoso; BIO-TEC-MG, Mezclador de gases para O2, CO2, N2 y Aire; BIO-TEC-CM, Medidor/Controlador másico automático de escape; BIO-TEC-ROTAMETRO, Medidor/Controlador manual de escape; BIO-TEC-LED, Fotoperiodo de Leds; BIO-TEC-BP, Bomba peristáltica con control ON/OFF para dosificación de ácido, base y antiespumante; BIO-TEC-BP-ROT, Bomba peristáltica con control de escape variable para dosificación del nutriente; NOBREAK senoidal 2.4 KVA; DA-1000-REATOR, Compresor de Ar, exento de óleo con amortiguador de ruido


Beneficios y Ventajas:

Modelo completo y software con mayor red de control
Interface TouchScreen y almacenamiento de datos en memoria USB evitando el uso de un computador externo
Monitor IHM de 10 pulgadas con software incrustado para el control y el monitoreo del proceso, configuraciones de SETPOINT, ajustes de parámetros, calibraciones, elaboración de recetas, archivo de datos y visualización de gráficos
Controles: temperatura, pH, O2 (polarográfico y óptico), nivel, espuma, presión, agitación, torque, aireación, CO2/02 gas, mezclador de gases, sensor PAR, gas metano -CH4, turbidez, células viables y sistema de iluminación (fotoperiodo)
Permite trabajar hasta con 5 bombas peristálticas y con conteo de giro/volumen
Compatibles con todos los modelos y tamaños de vasos de mesón TECNAL (Con camisa/Pared Simples/AIRLIFT)
Permite trabajar con esterilización in situ para vasos entre 25 a 75 litros

Más información:
www.bairesanalitica.com