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jueves, 1 de enero de 2015

SSF: FERMENTACIÓN EN ESTADO SOLIDO (PARTE I)

La Fermentación en estado sólido (SSF ) se define como la   fermentación involucrando sólidos en ausencia (o casi ausencia ) de agua libre. Sin embargo, el sustrato debe poseer suficiente humedad para apoyar el crecimiento y el metabolismo del microorganismo.

SSF ofrece numerosas oportunidades en el procesamiento de residuos agroindustriales.

Esto es en parte porque el proceso de estado sólido tienen   requisitos más bajos de energía y producen menor aguas     residuales y son respetuosos del medio ambiente , ya que    resuelven  el problema de la eliminación de los desechos     sólidos.

 Un vistazo a la historia de la tecnología de fermentación   indica que los procesos SSF estaban casi completamente
 ignorados en los países occidentales después de 1940     debido a la adaptación de tecnología de fermentación           sumergida (SMF). 

Desde el desarrollo de la penicilina que tuvo lugar en SmF   se convirtió en el modelo a seguir para la tecnología de  las   fermentaciones


Aspectos generales de la SSF 


 Una aplicación de SSF es la producción de alimentos enriquecidos  en proteína para el ganado, que involucra la utilización de residuos agroindustriales ( agrega de valor a éstos  residuos de  bajo costo y en cierta medida contaminantes ambientales).

 De hecho , esta fue una de las áreas que generó interés de
 los investigadores a nivel mundial sobre la SSF. 

 Un gran número de patentes y publicaciones han aparecido asociadas a SSF, en desarrollo de bioreactores (fermentadores), modelado y producción de diversos productos microbianos tales como  alimentos, metabolitos secundarios y a bioprocesos como
 biolixiviación , biopulping , biorremediación , etc.

Estos incluyen la selección de microorganismos adecuados y sustrato, la optimización de los parámetros del proceso y el aislamiento y la purificación del producto. 

A juzgar por la clasificación teórica, sobre la base de la baja 
actividad acuosa, sólo los hongos y levaduras eran
apropiados como microorganismos adecuados para la SSF. 
Se pensaba que debido a la alta exigencia de actividad 
acuosa, los cultivos bacterianos no podrían ser adecuado
 para SSF. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que
 los cultivos bacterianos pueden ser bien manejados y
 manipulado para procesos SSF. 

 La selección de un sustrato adecuado es otro aspecto clave de SSF.

 En SSF, el material sólido no es soluble y actúa tanto como soporte físico y fuente de nutrientes. El material sólido podría ser un sustrato sólido de origen natural tales como cultivos 
agrícolas, residuos agroindustriales o soportes inertes.

 Los soportes inertes deben ser embebidos con una solución de nutrientes de forma tal que se conserve la baja actividad
 acuosa y la alta transferencia de oxigeno.
  En relación a la selección de sustrato, podría haber dos
 principales consideraciones:

 La primera es actuar sobre un sustrato especifico para agregarle valor o aprovechar un residuo contaminante (el fin puede ser eliminar este sustrato).

 La segunda podría estar relacionado con el objetivo de producir un determinado producto de un sustrato adecuado. 
En este último caso, es necesario ensayar diversos sustratos y seleccionar el más adecuado.

 Los materiales inertes han sido utilizados a menudo
 para el estudio de modelización o de otros aspectos fundamentales de SSF.

Otros temas relevantes aquí podrían ser la selección de
parámetros del proceso y su optimización, estos incluyen
parámetros físico químicos y bioquímicos, tales como tamaño de  partículas, la humedad inicial, el pH y  
pre tratamiento del sustrato, la humedad relativa, la temperatura de incubación, agitación y aireación, la edad y el tamaño del inóculo, la suplementación de nutrientes como el N, P y oligoelementos, la suplementación de la fuente y los inductores de carbono adicional, extracción de producto y su purificación, etc. 


En los últimos años, han aparecido varios informes 
proporcionando una gran cantidad de conocimientos y comprensión de la aspectos fundamentales de la SSF y hoy se tiene mucha mas información sobre los efectos del calor y de transferencia de masa en procesos de SSF, que han sido consideradas como las principales dificultades en el manejo de sistemas SSF.  Sin embargo, todavía queda mucho por hacer en este sentido. 

Durante SSF, se genera una gran cantidad de calor, que es directamente proporcional a la las actividades metabólicas del microorganismo. Los materiales sólidos / matrices utilizadas para SSF tienen baja conductividad térmica,
por lo tanto, la eliminación de calor del proceso puede ser muy lento.

A veces la acumulación de calor es alto, lo que desnaturaliza
el producto formado y acumulado en el lecho, pudiendo haber un incremento de 20ºC por encima de la temperatura de incubación.  

 En las primeras fases de la SSF, la temperatura
y la concentración de oxígeno permanece uniforme en todo
el sustrato pero a medida que la fermentación progresa se genera calor y su transferencia está estrechamente relacionado con la aireación del sistema de fermentación. la temperatura del sustrato también es muy crítico en la SSF, ya que en última instancia afecta el crecimiento del microorganismo, la formación de esporas, la germinación, y la formación de producto.

Las altas humedades producen una disminución de la porosidad del sustrato,  impidiendo la penetración de oxígeno. Esto puede ayudar a la contaminación bacteriana.

Por otro lado, el bajo contenido de humedad puede conducir
a la mala accesibilidad de nutrientes produciendo un crecimiento microbiano malo.

En SSF las relaciones hídricas son criticas. La actividad acuosa(aw) del sustrato tiene una influencia determinante en
la actividad microbiana. En general, el tipo de microorganismo que puede crecer en los sistemas SSF se determinan por aw. 

La aw del medio es un parámetro fundamental para la transferencia de masa del agua y solutos a través de
las células microbianas. El control de este parámetro es utilizado para modificar la producción metabólica o la excreción de un microorganismo.

Modelado en SSF


Modelar SSF es otro aspecto importante, que necesita ser estudiado en detalle.  La poca información disponible en la cinética de las reacciones en los sistemas de SSF, se debe a la dificultad en las mediciones de los parámetros de crecimiento, el análisis del crecimiento celular y la determinación del consumo de sustrato, causado por su naturaleza heterogénea.

El uso de un sustrato sintético es una de las soluciones para hacer frente a este problema

Es bien sabido que la cinética de fermentación es sensible a la variación en la composición del gas ambiente e interno. El crecimiento de la biomasa puede ser determinada 
midiendo el cambio en la composición gaseosa dentro del
biorreactor. 

Otra posibilidad es la medición de glucosamina, el contenido de proteína, la tasa de consumo de oxígeno y la evolución de dióxido de carbono


Diseño de un biorreactor en SSF

Durante la última década, ha habido una mejora significativa
en la comprensión de cómo diseñar, operar y hasta escalar
biorreactores SSF.
 La clave de estos avances ha sido la aplicación de técnicas de modelado matemático para describir diversos fenómenos fisicoquímicos y bioquímicos dentro del sistema.

 El principio básico de la SSF es el lecho del sustrato solido.
 Este lecho contiene los sólidos húmedos y una fase hueca entre partículas. 

SSF ha sido convencionalmente más aplicable a hongos filamentosos, que crecen en la superficie de la partícula y penetran a través de la partícula entre los espacios en la profundidad del lecho.

 El proceso en la mayoría de los casos es de naturaleza aeróbica. 

El diseño soñado del biorreactor  debe superar los efectos del calor y de transferencia de masa, asimismo tiene que permitir la fácil de difusión y la extracción de los metabolitos.

 Si bien los fermentadores de tambores y de bandejas se han estudiado y utilizado desde hace mucho tiempo, el enfoque de los últimos años ha sido el desarrollo de fermentadores de lecho ya que podrían proporcionar una mejor economía de proceso y una mayor facilidad de manejo.


Las tendencias actuales en SSF se han centrado en la aplicación de SSF para el desarrollo de bioprocesos tales como la biorremediación y la biodegradación de compuestos peligrosos, biológicos, desintoxicación de residuos agroindustriales, biotransformación de los cultivos.

 Conclusiones

Se han producido avances significativos en la tecnología SSF en los últimos años. Varios enfoques han sido
aplicado para resolver los problemas relacionados con aspectos de la ingeniería bioquímica, que incluyen la cinética, modelado matemático, diseño de biorreactores, control avanzado de los sistemas de procesos SSF. 

El modelado podría ser una buena herramienta para los estudios de escalado pero tales resultados deben ser validados por los resultados experimentales.



 Por lo tanto, los esfuerzos continuos serían necesario para desarrollar la tecnología SSF como variable para la producción de productos microbianos en escala comercial  equivalente a la fermentación líquida.

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