¿Por qué es importante monitorear los biorreactores SSF?

Las plantas de fermentación de estado sólido, como muchas otras instalaciones de procesamiento, están sujetas a varios tipos de perturbaciones, como variaciones en las materias primas, cambios ambientales, fallas en los equipos y errores humanos. Si estas variantes no se detectan y compensan adecuadamente, afectarán la operación y el rendimiento de la planta SSF, lo que provocará accidentes, productos fuera de especificación o pérdida de producción. Por lo tanto, para poder operar el proceso de forma reproducible y segura, algunas variables de proceso relevantes deben medirse (variables medidas) y otras deben modificarse (variables manipuladas), de forma continua o al menos periódicamente.

Necesitamos definir nuestros objetivos específicos al colocar la instrumentación en el biorreactor antes de seleccionar las variables que se medirán y los instrumentos para realizar estas mediciones. En los biorreactores SSF debemos asegurarnos de que el microorganismo crezca bien y produzca las cantidades esperadas del metabolito deseado. Para lograr esto en el caso específico de biorreactores SSF de lecho empacado operados asépticamente en modo discontinuo, por ejemplo, debemos detener el proceso en el momento adecuado, detectar heterogeneidad indeseable en el lecho sólido y evitar la contaminación por otros microorganismos. Enfatizaremos los desafíos particulares que deben enfrentarse al realizar mediciones dentro de un lecho heterogéneo de partículas sólidas.

¿Qué variables nos gustaría medir?

Aquí analizaremos las variables que deben medirse y calcularse en línea para lograr lo que se mencionó anteriormente y cómo estas variables se relacionan con los objetivos del proceso.

Temperatura del lecho. Esta es la variable más importante y fácil de medir dentro de la cama sólida. La principal diferencia con una fermentación sumergida es la heterogeneidad del lecho. Por lo tanto, se deben colocar varios sensores de temperatura dentro del lecho sólido para obtener una estimación confiable de su temperatura promedio. El crecimiento y las tasas de producción pueden verse seriamente afectadas si los puntos calientes dentro de la cama no se detectan, lo que reduce el rendimiento del biorreactor.

Contenido de agua de la cama. Esta variable está relacionada con la actividad del agua del medio sólido, que tiene una fuerte influencia en el crecimiento y las tasas de producción del microorganismo. El contenido de agua debe medirse periódicamente para evitar el secado excesivo del lecho, especialmente durante la fase de crecimiento exponencial.

Porosidad de la cama. Durante la fermentación, el crecimiento de hongos filamentosos reduce la porosidad del lecho, disminuyendo la transferencia de CO₂y O₂entre el gas y el lecho sólido y también limita la eliminación del calor metabólico. Por lo tanto, la detección de la porosidad inadecuada del lecho es una preocupación importante en el funcionamiento de biorreactores SSF de lecho de relleno estático o agitado periódicamente.

Condiciones de entrada de aire. Prácticamente, la única forma efectiva de regular la temperatura del lecho en biorreactores SSF grandes es mediante la manipulación de las condiciones del aire de entrada. Como parte del control de estas condiciones, es necesario medir la temperatura, el caudal y la humedad de la corriente de aire de entrada.

Concentración de CO₂y O₂(variables respirométricas). La evolución de los gases de escape es muy rica en información sobre el rendimiento del biorreactor. Los gases de respiración pueden informarnos sobre el estado fisiológico del cultivo y permitirnos detectar si el microorganismo está bajo estrés. Las concentraciones de CO₂y O₂y la tasa de flujo de gas global se utilizan para calcular importantes variables derivadas en línea, como la tasa de evolución de CO₂(CER), la tasa de absorción de O₂(OUR) y el cociente respiratorio (RQ). Con estas variables podemos estimar la tasa de crecimiento de biomasa específica en línea y evaluar la operación del biorreactor. 

Metabolitos volátiles. El monitoreo de los metabolitos volátiles en la corriente de salida de gas puede proporcionar una indicación sobre la tasa de producción y la actividad metabólica o ayuda para definir políticas operativas para mejorar la reproducibilidad del proceso.

pH. Al igual que en la fermentación sumergida, el crecimiento óptimo requiere un pH definido para cada microorganismo. Sin embargo, medir el pH dentro de lechos sólidos es difícil y poco confiable. La heterogeneidad del medio sólido plantea una dificultad extra. Como el pH no se puede medir en línea de manera confiable ni controlada, es una práctica común preparar el sustrato con una solución tamponada, para que el pH no cambie demasiado durante la fermentación.

Concentración de biomasa. A pesar de ser la variable más importante para evaluar el estado del cultivo, no existe un método confiable para la medición continua de biomasa en biorreactores industriales de SSF, contrariamente a la situación de la fermentación sumergida. El monitoreo de los gases respiratorios es útil para inferir qué tan bien está creciendo la biomasa. Tenga en cuenta que la heterogeneidad de las condiciones dentro del lecho sólido que es típica de los procesos SSF estáticos hará que los microorganismos crezcan de manera desigual a lo largo del lecho.

Concentración del sustrato. El establecimiento de la concentración inicial del sustrato limitante suele ser suficiente para garantizar el funcionamiento normal en biorreactores discontinuos. Sin embargo, en la producción de metabolitos secundarios puede ser necesario medir la concentración limitante de sustrato periódicamente para que se puedan establecer políticas de alimentación por lotes óptimas. En SSF esto podría ser difícil, especialmente si el sustrato contiene varias fuentes de carbono o nitrógeno que el microorganismo es capaz de usar.

Concentración del producto. Al igual que en todas las instalaciones de procesos industriales, la determinación de la concentración del producto es fundamental en las plantas de SSF para una productividad óptima y una garantía de calidad. Además, en ciertos casos, el producto resultante podría degradarse (como lo es GA₃dentro de las fases acuosas), por lo que es necesario un control fuera de línea de la concentración del producto para establecer el tiempo óptimo de fermentación.