El papel y el enfoque de diseño del control del pH en el proceso de fermentación biológica

Introducción

Fermentación biológica La fermentación es un proceso que se basa en la actividad metabólica microbiana para transformar sustancias. Se utiliza ampliamente en la industria alimentaria, farmacéutica, ambiental y bioquímica. El pH es uno de los parámetros ambientales clave que afectan el proceso de fermentación, ya que no solo influye directamente en el crecimiento de los microorganismos, la actividad enzimática y la generación de metabolitos, sino que también está estrechamente relacionado con la composición del medio, el transporte de oxígeno y el funcionamiento del fermentador. Por lo tanto, un control adecuado del pH es esencial para optimizar el proceso de fermentación y mejorar el rendimiento y la calidad del producto final. Este artículo analizará el papel del pH en el proceso de fermentación biológica y las pautas de diseño para un sistema de control de pH.

Efecto del pH en el proceso de fermentación biológica

1. Afectan el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos.

Cada microbio tiene un rango de pH óptimo para su crecimiento, que generalmente se puede dividir en las siguientes tres categorías:

• Microorganismos acidófilos (pH 1,0-5,5): como las bacterias lácticas, los mohos, etc., crecen bien en ambientes ácidos.
• Microorganismos neutros (pH 5,5-8,0): La mayoría de las cepas de fermentación industrial, como levaduras, bacterias, actinomicetos, etc., son adecuadas para crecer en condiciones neutras o ligeramente ácidas.
•  microorganismos basófilos (pH 8,0-11,0): como las cepas productoras de proteasa alcalina, adecuadas para crecer en condiciones alcalinas.

Si el pH del entorno de fermentación es demasiado alto o demasiado bajo, inhibirá el crecimiento de los microorganismos e incluso provocará la muerte celular. Por ejemplo, el pH óptimo de la levadura es de 4,0 a 6,0, y un pH inferior o superior a este rango afecta su metabolismo de los azúcares, lo que a su vez afecta la producción de alcohol u otros metabolitos.

Sistema de fermentación sólida MIKEBIO

2. Afectan la actividad enzimática y la acumulación de metabolitos.

Las enzimas son catalizadores importantes para el metabolismo microbiano, y la actividad de la mayoría de ellas está estrechamente relacionada con el pH. La actividad enzimática suele ser óptima dentro de un rango de pH determinado, y un pH demasiado alto o demasiado bajo puede provocar cambios conformacionales o incluso la inactivación de las enzimas. Por ejemplo:

•  amilasa: El pH óptimo es de 6,0 a 7,0, y un exceso de ácido o base reducirá su eficiencia catalítica.
•  Proteasas: Los distintos tipos de proteasas tienen diferentes valores de pH óptimos. Por ejemplo, la pepsina (pH 1,5-3,5) es más activa en ambientes ácidos, mientras que las proteasas alcalinas (pH 8,0-10,5) son más activas en ambientes alcalinos.

Además, los cambios de pH también afectarán la formación de metabolitos, como el proceso de fermentación del ácido láctico; un pH demasiado bajo inhibirá el crecimiento de las bacterias lácticas, lo que resultará en una producción reducida de ácido láctico.

3. Afectan la permeabilidad de la membrana celular.

El pH afecta la estabilidad y la permeabilidad de las membranas celulares, regulando así el intercambio de nutrientes y metabolitos.

•  En condiciones de pH óptimas, la estructura de la membrana celular de los microorganismos es estable, la permeabilidad iónica es normal y se garantizan las actividades metabólicas normales.
•  Un pH demasiado bajo puede provocar la degeneración de la capa lipídica de las membranas celulares y afectar la absorción de nutrientes.
•  Un pH demasiado alto puede destruir la función de las proteínas de la membrana, hacer que las células pierdan la capacidad de regular los metabolitos y provocar la muerte celular o un desequilibrio metabólico.

4. La eficiencia de transmisión de oxígeno se ve afectada.

En la fermentación aeróbica, la solubilidad del oxígeno está relacionada con el pH. Ciertos valores de pH pueden alterar el equilibrio iónico del medio y afectar la solubilidad del oxígeno en la fase líquida. Por ejemplo, en un ambiente alcalino, la solubilidad del oxígeno puede disminuir, lo que afecta la tasa de crecimiento de los microorganismos aeróbicos.

Enfoque de diseño del sistema de control de pH

Para garantizar la estabilidad del proceso de fermentación, es necesario establecer un sistema de control de pH eficiente. Un sistema de control de pH óptimo debe incluir monitorización del pH, mecanismo de compensación, ajuste automático por retroalimentación y registro de datos. A continuación, se presentan los puntos clave para el diseño de un sistema de control de pH.

1. Monitorización de pH de alta precisión y selección de sensores.

La monitorización del pH en tiempo real es la base del control del pH; entre los sensores de pH más utilizados se incluyen:

•  Sensores de pH con electrodos de vidrio: Son los más utilizados, adecuados para la mayoría de los procesos de fermentación, pero requieren calibración y mantenimiento regulares.
•  Sensor de pH óptico: adecuado para algunos entornos de fermentación específicos, como fermentadores de alta temperatura y alta presión, no apto para electrodos de vidrio.
•  Sistema de monitorización de pH en línea: combinado con el control informático, permite la adquisición de datos en tiempo real y la regulación automática.

El sensor de pH debe instalarse en una posición que evite la interferencia de las burbujas, y se debe realizar una calibración periódica de dos o tres puntos para garantizar la precisión de la medición.

2. Sistema de compensación automática de pH

Cuando el pH se desvía del rango establecido, es necesario añadir automáticamente ácido o base para ajustarlo. Los reguladores más utilizados son:

•  Reguladores de ácido. Como HCl (ácido clorhídrico), H₂SO₄ (ácido sulfúrico), ácido láctico, ácido acético, etc., que se utilizan para reducir el pH.
•  Reguladores alcalinos: como NaOH (hidróxido de sodio), NH₄OH (amoniaco), bicarbonato de sodio, etc. ₄ ₄. Estos ₄ se utilizan para elevar el pH.

El sistema de compensación suele adoptar el método de titulación o el método de adición de flujo continuo para evitar el impacto de los cambios de pH instantáneos y bruscos en los microorganismos.

3. Sistema de control de retroalimentación

Moderno fermentadores Generalmente se utiliza el algoritmo de control PID (proporcional-integral-derivativo) para lograr una regulación precisa del pH. El sistema puede ajustar la cantidad de agente ácido y básico añadido según los cambios de pH en tiempo real para evitar fluctuaciones excesivas causadas por correcciones excesivas.

4. Optimizar el cambio de pH con un sistema tampón.

Los sistemas tampón pueden utilizarse para mitigar las fluctuaciones del pH. Algunos sistemas tampón comunes son:

•  Sistema tampón de fosfato (NaH₂PO₄ / Na₂HPO₄): Es ₄ para procesos de fermentación con un pH de 5,8 a 7,5.
•  Sistema tampón de ácido cítrico: adecuado para la fermentación de bacterias lácticas o la fermentación de productos ácidos de frutas.
•  Sistema tampón de carbonato (NaHCO₃ / CO₂): Adecuado para entornos de fermentación alcalinos.

La selección del sistema tampón debe tener en cuenta la composición del medio y la tolerancia microbiana a los iones.

5. Registro de datos y regulación inteligente

La industria moderna de la fermentación utiliza el sistema SCADA (Adquisición de datos y control de monitorización), que permite registrar la tendencia de cambio del pH, analizar el efecto de la regulación del pH en el proceso de fermentación y optimizar los parámetros de regulación del pH, combinándolos con inteligencia artificial para mejorar la estabilidad de la fermentación.

Sistema de fermentación líquida MIKEBIO 30T

Conclusión

El control del pH es fundamental en el proceso de fermentación biológica, ya que influye en el crecimiento microbiano, el metabolismo, la actividad enzimática, la acumulación de producto y la eficiencia del transporte de oxígeno. Un sistema de control de pH científico y eficaz debe contar con funciones como monitorización precisa, regulación eficiente, retroalimentación inteligente y gestión de datos. Gracias al desarrollo de la automatización y la tecnología de control inteligente, los futuros sistemas de control de pH serán más precisos y eficientes, proporcionando un entorno de producción más estable para la industria de la fermentación biológica y mejorando el rendimiento y la calidad del producto final.

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