La diferencia entre fermentación sólida y fermentación líquida y el requerimiento de fermentador
La tecnología de fermentación es una de las tecnologías centrales en el campo de la bioingeniería, que se utiliza ampliamente en la industria alimentaria, farmacéutica, agrícola, de protección ambiental y otras. Según el estado del medio en el proceso de fermentación, la tecnología de fermentación se divide principalmente en fermentación sólida y fermentación líquida. Estos dos métodos de fermentación tienen diferencias significativas en las características del proceso, los escenarios de aplicación y los requisitos de equipo. Este artículo comenzará con la diferencia entre la fermentación sólida y la fermentación líquida, y discutirá sus diferentes requisitos para fermentadores.
La diferencia entre la fermentación sólida y la líquida
1. Estado del medio
Fermentación sólida: El medio de cultivo es sólido o semisólido, generalmente compuesto por sustratos naturales como granos, paja, salvado, etc., con un bajo contenido de agua (normalmente entre el 30 % y el 70 %). Los microorganismos crecen en superficies sólidas formando micelios o biopelículas.
Fermentación líquida: El medio es líquido, generalmente compuesto de agua, nutrientes y oxígeno disuelto, con un contenido de agua cercano al 100%. Los microorganismos se dispersan uniformemente en el líquido y se mezclan mediante agitación o aireación.
2. Ambiente de crecimiento microbiano
Fermentación en estado sólido: Los microorganismos crecen en superficies sólidas formando complejas redes de micelio. Dado que la transferencia de oxígeno y nutrientes depende principalmente de la difusión, existe un cierto gradiente en el entorno de crecimiento de los microorganismos (como la concentración de oxígeno, el valor de pH, etc.).
Fermentación líquida: Los microorganismos se distribuyen uniformemente en el líquido, el oxígeno y los nutrientes se distribuyen de manera uniforme mediante la agitación y la ventilación, y el entorno de crecimiento es relativamente uniforme.
3. Características del proceso
Fermentación en estado sólido:
- El equipo es sencillo y el costo de inversión es bajo.
- Bajo consumo de energía, adecuado para áreas pequeñas o con recursos limitados.
- La concentración del producto es alta y el postratamiento es relativamente sencillo.
- Pero la eficiencia de la transferencia de masa y calor es baja, y el control del proceso es difícil.
Fermentación líquida:
- El equipo es complejo y el costo de inversión es alto.
- Alta eficiencia en la transferencia de masa y calor, adecuada para la producción industrial a gran escala.
- Control preciso del proceso y fácil automatización.
- Sin embargo, el consumo de energía es mayor, la concentración del producto es menor y el postratamiento es complejo.
4. Campo de aplicación
Fermentación en estado sólido:
- Alimentos tradicionales: como salsa de soja, vinagre, frijoles negros, tofu fermentado, etc.
- Agricultura: como la fermentación de piensos, la producción de fertilizantes orgánicos.
- Biocombustibles como la producción de etanol celulósico.
Fermentación líquida:
- Farmacéutica: como la producción de antibióticos, vacunas, preparados enzimáticos.
- Alimentos: como la cerveza, el yogur, la producción de aminoácidos.
- Biocombustibles: como la producción de etanol y butanol.
Proyecto del sistema de fermentación MIKEBIO 300T
Requisitos para fermentadores para fermentación sólida y líquida
Debido a las diferencias entre la fermentación sólida y la fermentación líquida en cuanto al estado del medio, el entorno de crecimiento microbiano y las características del proceso, plantean diferentes requisitos para el diseño y el funcionamiento de los fermentadores.
1. Requisitos para fermentadores para fermentación en estado sólido
El fermentador de estado sólido debe adaptarse a las características del medio sólido para asegurar el crecimiento uniforme de los microorganismos en la superficie sólida, al tiempo que resuelve el problema de la transferencia de masa y calor.
(1) Diseño estructural
- Fermentador poco profundo: Adecuado para la producción a pequeña escala, el medio se extiende en capas finas para facilitar la difusión del oxígeno y la disipación del calor.
- Fermentadores profundos: Adecuados para la producción en masa, generalmente equipados con unidades de agitación o unidades giratorias para mejorar la eficiencia de la transferencia de masa y calor.
- Fermentador de bandejas: El medio de cultivo se coloca en una bandeja multicapa para el suministro de oxígeno y el control de la temperatura mediante la circulación de aire.
(2) Ventilación y control de la humedad
La fermentación en estado sólido requiere un suministro adecuado de oxígeno, por lo que los fermentadores suelen estar equipados con sistemas de ventilación que suministran oxígeno mediante ventilación forzada o natural.
Debido al bajo contenido de agua del medio sólido, el fermentador necesita un control de la humedad para evitar que el medio esté demasiado seco o demasiado húmedo.
(3) Control de temperatura
En el proceso de fermentación en estado sólido, el calor generado por el metabolismo microbiano se disipa con dificultad, lo que puede provocar un aumento excesivo de la temperatura local. Por lo tanto, los fermentadores deben estar equipados con sistemas eficaces de control de temperatura, como sistemas de refrigeración por camisa, serpentines de refrigeración internos o sistemas de ventilación.
(4) Remover y mezclar
Para mejorar la eficiencia de la transferencia de masa, algunos fermentadores de estado sólido están equipados con dispositivos de agitación o de rotación, de modo que el medio quede expuesto de manera uniforme al oxígeno y a los microorganismos.
El dispositivo de mezcla debe diseñarse para evitar dañar la estructura del micelio microbiano y, por lo general, se agita a baja velocidad o de forma intermitente.
(5) Esterilización y limpieza
La esterilización de fermentadores sólidos generalmente utiliza vapor a alta temperatura o desinfectantes químicos, pero debido a la complejidad del medio sólido, la esterilización resulta más difícil.
Al limpiar, es necesario eliminar por completo los residuos sólidos para evitar la contaminación.
2. Requisitos de fermentación líquida para fermentadores
Los fermentadores líquidos deben adaptarse a las características del medio líquido, asegurando que los microorganismos crezcan en un entorno uniforme al tiempo que se logra una transferencia eficiente de masa y calor.
(1) Diseño estructural
- Fermentadores agitados: El tipo más común de fermentador líquido, la mezcla y la transferencia de masa se logran mediante agitación mecánica.
- Fermentador de columna de aire: Circulación de líquido mediante inyección de gas, adecuado para microorganismos sensibles al esfuerzo cortante.
- Biorreactor de membrana: combinado con tecnología de separación por membrana, adecuado para cultivos de alta densidad y fermentación continua.
(2) Ventilación y control del oxígeno disuelto
La fermentación líquida requiere un suministro adecuado de oxígeno, y los fermentadores suelen estar equipados con sistemas de ventilación, como burbujeadores o eyectores, para aumentar los niveles de oxígeno disuelto.
Los sensores y sistemas de control de oxígeno disuelto son los componentes principales de los fermentadores líquidos para monitorizar y regular las concentraciones de oxígeno disuelto en tiempo real.
(3) Control de temperatura
Los fermentadores líquidos suelen estar equipados con una camisa o serpentín interno para lograr un control preciso de la temperatura mediante la circulación de agua de refrigeración o fluidos calefactores.
Los fermentadores a gran escala también deben tener en cuenta la distribución uniforme del calor para evitar el sobrecalentamiento localizado o el sobrecalentamiento general.
(4) Remover y mezclar
El sistema de agitación es un componente clave del fermentador de líquidos, que generalmente utiliza agitadores de turbina, de paletas o en espiral para lograr una mezcla y transferencia de masa eficientes.
La velocidad de agitación debe ajustarse según las características de los microorganismos y los requisitos del proceso, para evitar una fuerza de cizallamiento excesiva que pueda dañar a los microorganismos.
(5) Esterilización y limpieza
Los fermentadores líquidos suelen esterilizarse con vapor a alta temperatura (como en los sistemas CIP) para garantizar que el tanque y las tuberías estén estériles.
Al limpiar, utilice agua a alta presión o un agente de limpieza para eliminar por completo los residuos líquidos y las biopelículas.
(6) Control automático
Los fermentadores líquidos suelen estar equipados con sistemas de control automatizados avanzados para la monitorización y el ajuste en tiempo real de la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto, la velocidad de agitación y otros parámetros.
Las capacidades de registro y análisis de datos ayudan a optimizar los procesos de fermentación y a aumentar la eficiencia de la producción.
Sistema de biorreactor MIKEBIO para la nutrición de plantas
Resumir
Existen diferencias significativas entre la fermentación sólida y la fermentación líquida en cuanto al medio de cultivo, el entorno de crecimiento microbiano, las características del proceso y los campos de aplicación, por lo que se plantean diferentes requisitos para el diseño y funcionamiento de los fermentadores. Los fermentadores de estado sólido deben solucionar el problema de la baja eficiencia de transferencia de masa y calor, y suelen estar equipados con sistemas de ventilación, control de temperatura y agitación. Los fermentadores líquidos se centran en la mezcla eficiente, la transferencia de masa y el control automatizado, y suelen estar equipados con sistemas de agitación, sistemas de ventilación y sistemas avanzados de monitorización y control.
Con el continuo desarrollo de la biotecnología, las tecnologías de fermentación en estado sólido y líquida avanzan hacia una mayor eficiencia, ahorro energético e inteligencia. En el futuro, el diseño de fermentadores prestará mayor atención a la optimización de procesos y al aprovechamiento de recursos, lo que impulsará el desarrollo sostenible de la industria de la biofabricación.
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