Revista Cubana de Ciencia Agrícola ISSN: Instituto de Ciencia Animal Cuba

Transcripción

1 Revita Cubana de Ciencia Agrícola ISSN: Intituto de Ciencia Animal Cuba Valiño, Elaine C.; Ibarra, Adibet; García, aneiy; Izquierdo, Elena; Dutet, J. C. Decripción de la fermentación del bagazo de caña por Trichoderma viride M5-2 en un biorreactor etático mediante un modelo fenomenológico Revita Cubana de Ciencia Agrícola, vol. 45, núm. 3, 211, pp Intituto de Ciencia Animal La Habana, Cuba Diponible en: Cómo citar el artículo Número completo Má información del artículo Página de la revita en redalyc.org Sitema de Información Científica Red de Revita Científica de América Latina, el Caribe, Epaña y Portugal Proyecto académico in fine de lucro, dearrollado bajo la iniciativa de acceo abierto

2 45 Aniverario Revita Cubana de Ciencia Agrícola, Tomo 45, Número 3, Decripción de la fermentación del bagazo de caña por Trichoderma viride M5-2 en un biorreactor etático mediante un modelo fenomenológico Elaine C. Valiño 1, Adibet Ibarra 1, aneiy García 1, Elena Izquierdo 2 y J. C. Dutet 2 1 Intituto de Ciencia Animal, Apartado Potal 24, San Joé de la Laja, Mayabeque, Cuba 2 Intituto Superior Politécnico Joé Antonio Echevarría, Facultad de Ingeniería Química, La Habana, Cuba Correo electrónico:evalino@ica.co.cu Para decribir la fermentación del bagazo de caña por Trichoderma viride M5-2 en un biorreactor etático mediante un modelo fenomenológico, e utilizó el programa FERSOLID (Dutet e Izquierdo 24). Lo dato utilizado fueron lo coeficiente de rendimiento, la caracterítica del reactor y el tipo de modelo cinético. Como alida del programa e obtuvo el comportamiento del flujo de aire en función del tiempo y el temporal de la concentración de biomaa, de utrato y humedad del ólido. Lo reultado obtenido en la decripción del modelo predicen un valor contante de flujo de aire durante todo el tiempo de fermentación, i e mantienen contante la temperatura de entrada y alida del aire. La concentración de utrato motró un comportamiento imilar a la diminución que e obervó experimentalmente. La biomaa final fue comparable con la etimada en el experimento a travé de la proteína verdadera. Lo porcentaje de humedad inicial y final, calculado por el modelo fueron prácticamente iguale, lo que no coincide con lo reultado experimentale, donde hubo un incremento progreivo de la humedad del utrato. Con ete trabajo e comprobó que e puede utilizar el modelo para evaluar el funcionamiento del biorreactor, a partir de la comparación entre la información experimental y la predecida por el modelo. No obtante, lo reultado de humedad merecen mayor atención para lograr el mejor ajute inicial, y tener en cuenta el metabolimo microbiano. También e poible uarlo en el dieño de la operación de un biorreactor, iempre que e cumplan la prediccione fundamentale en la que e etableció el modelo. Palabra clave: modelación, fermentación ólida, biorreactor, Trichoderma viride, bagazo La modelación matemática contituye una herramienta importante en la imulación de lo proceo fermentativo. El dearrollo de la computación y de lo itema informático permite aprovechar cada día má u ventaja y avanzar en el conocimiento de lo diferente proceo; ademá de ahorrar recuro y acelerar el reultado de la invetigacione (Torre y Stuart 22, Pandey 23, Raghavarao et al. 23 y Singhania Reeta et al. 29). Para decribir lo proceo de fermentación en etado ólido e han utilizado do tipo de modelo fundamentale: lo macrocópico y lo de diperión. Lo modelo macrocópico e baan en un balance global de energía en el fermentador, al coniderar la tranferencia de calor al aire, la generación de calor metabólico y la pérdida de calor a travé de la pared del reactor. Ete tipo de modelo no e adecuado para etimar el perfil de temperatura del aire con repecto a la altura de la cama de ólido, ni tampoco para predecir la humedad del ólido (Rodríguez et al. 1991). Lo modelo de diperión parten de la aplicación de la ecuacione de fenómeno de tranporte para decribir el perfil de temperatura del aire en el interior del reactor (Ali Fanaeia et al. 29), mientra que la evolución del cultivo, el conumo de oxígeno (Rajagopalan y Modak 21) y la generación de producto metabólico e decriben mediante ecuacione que repreentan un patrón de crecimiento del microorganimo y expreione relacionada con el balance de maa (Mitchell et al. 22 y Dutet 24). cuyo aporte fundamental e que conidera, ademá del balance de energía, el balance de agua y por tanto, permite decribir el comportamiento de la humedad del cultivo. En ete modelo, toda la prediccione e baan en la velocidad de conumo de oxígeno que e obtiene experimentalmente, por lo que u uo etá concebido para itema en operación en línea. Eto contituye una limitación, cuando e quiere imular o dieñar eto itema, ya que la mayoría de lo dato que aparecen informado en la literatura e relacionan con la velocidad de crecimiento máxima de lo microorganimo y con el coeficiente de rendimiento biomaa/utrato (Dutet 24). También exite el inconveniente de la epecificidad de lo proceo de fermentación en etado ólido, ya que cada proceo tendrá caracterítica particulare en dependencia del utrato, el microorganimo, el biorreactor y la condicione de operación que e utilicen. De ahí que ea neceario bucar modelo que logren la imulación del proceo lo má cercana poible a la realidad, e decir, encontrar lo modelo de mejor ajute a la verdadera condicione experimentale que e utilicen. El objetivo de ete trabajo fue decribir el modelo matemático de Weber, aplicado a la tranformación del bagazo de caña por la cepa Trichoderma viride M5-2, en un biorreactor etático de fermentación ólida. Materiale y Método Para la decripción del modelo de Weber et al. (1999) e empleó el programa FERSOLID, creado

3 45 Aniverario 268 ecuacione de dicho modelo (Izquierdo 2). Lo dato neceario para utilizar el programa fueron lo coeficiente de rendimiento, la caracterítica del reactor y el tipo de modelo cinético. Como alida del programa, e obtuvieron el comportamiento del flujo de aire en el tiempo que e debe uminitrar al itema, y el comportamiento temporal de la concentración de biomaa, la concentración de utrato y la humedad del ólido. Lo reultado obtenido con ete programa e compararon con lo informado por Ibarra et al. (22) con lo que fue poible decidir i el modelo matemático era atifactorio o no para decribir el proceo de fermentación en el biorreactor. La conideracione para el planteamiento de la ecuacione del modelo de Weber et al. (1999) fueron la iguiente: - El itema termodinámico al cual e aplican lo balance etá contituido por el medio de fermentación con toda u fae (ólido eco, agua, aire y célula). Por tanto, e un itema eudo homogéneo. La parede del reactor contituyen la frontera con el medio ambiente. - Para el balance de materiale e conideró olo el agua, el utrato, la biomaa y el oxígeno. Eta implificación e un procedimiento común en lo proceo de fermentación, debido a u complejidad. En cao de exitir la formación de un producto extracelular en cantidade apreciable, también e puede coniderar. - El calor metabólico generado durante el proceo de fermentación e puede relacionar con el conumo de oxígeno. - El mecanimo fundamental para la extracción del calor metabólico e la evaporación del agua del ólido. - El flujo de aire reponde a un patrón ideal tipo pitón. En ete cao e obtienen la iguiente ecuacione: t t ( 1 ε). i C i.h + ε. i {( 1 ε )(. X.C + X.C ) + ε.c } j x h a C.h R.Δ H F. 1 j j = a z = R y F a. z La ecuación (1) repreenta el balance de energía, mientra que la ecuación (2) el balance de agua. En eta ecuacione: h - repreenta la entalpía C - la concentración de componente, i y j en la fae ólida húmeda y gaeoa, repectivamente R o y R - velocidad de conumo de oxígeno y de producción de agua por el metabolimo F a - flujo de aire eco por unidad de área del fermentador y - humedad del aire ε - poroidad de la cama x g 2 Revita Cubana de Ciencia Agrícola, Tomo 45, Número 3, 211. h a - entalpía del aire X - fracción de agua en el ólido y la biomaa x ΔH o - el calor etándar de combutión de un número importante de molécula orgánica. Otra conideracione que permitieron continuar implificando la ecuacione fueron: - La acumulación de entalpía en lo gae e depreciable comparada con la aociada al ólido húmedo. - La variación temporal de la temperatura e deprecia con repecto al tranporte convectivo de calor. - La poroidad de la cama e contante. - Exite un equilibrio entre el aire y el ólido húmedo en cualquier altura del reactor. - El contenido de agua de la biomaa e contante. - Para el balance de oxígeno, e conidera que la variación temporal de la velocidad de conumo e baja con repecto al tranporte de calor por convección, y que la velocidad de conumo del oxígeno e independiente de la temperatura para una diferencia requerida o fijada para el proceo que e define como la diferencia entre la temperatura de entrada y alida en la dirección altura. Por tanto, en la ecuación (1) R o e un valor contante para un tiempo determinado en todo el biorreactor, independientemente de la poición. - Con relación al planteamiento de lo balance de materiale para el utrato y la biomaa, e conidera que la velocidade de producción de la biomaa, aí como de conumo del utrato, on proporcionale a la velocidad de conumo de oxígeno a travé de lo coeficiente de rendimiento repectivo. Por tanto, para un valor de tiempo determinado on contante y tienen un único valor en todo el biorreactor. - El término cinético, que repreenta la producción de agua por el metabolimo, e conidera que e proporcional a la velocidad de conumo de oxígeno a travé del coeficiente de rendimiento agua-oxígeno /o. - La entalpía aociada a lo ólido y la acumulación de biomaa e depreciable con repecto al calor metabólico generado. - La entalpía aociada con el término de acumulación de agua e depreciable comparada con el tranporte axial convectivo. Partiendo de la conideracione anteriore, e implifican la ecuacione báica (1) y (2) y e exprean entonce de la iguiente forma: R.Δ H.Z t F 1a a= H T H T [ ( ) ( )] d C d t ( 1 eε ). = ( X. ). / o x e x / o y R F. ( T ) y ( T ) En eta ecuacione, T y Te repreentan la temperatura de alida y de entrada del aire en el itema, repectivamente (la que e fijan en a Z t e 2a

4 45 Aniverario Revita Cubana de Ciencia Agrícola, Tomo 45, Número 3, repreentan lo rendimiento agua/oxígeno y biomaa/ oxígeno, repectivamente. La ecuacione cinética que relacionan la velocidad de conumo de oxígeno con la velocidad de producción de biomaa, de conumo del utrato y de producción de agua por el metabolimo on: 1 R =. R x 3 x / o Donde R x repreenta la velocidad de producción de biomaa que e puede exprear por la ecuación (4): d C x =. R 4 x d t La velocidad de conumo de utrato y la velocidad de conumo de oxígeno e pueden relacionar por el coeficiente de rendimiento utrato oxígeno /o egún: d C =. R 5 / o d t La velocidad de producción de agua en el metabolimo y la velocidad de conumo de oxígeno e relacionan coeficiente de rendimiento /o por la expreión: R = / o. R 6 o De manera imilar e relacionan la velocidade de producción de biomaa y de conumo de utrato a travé del coeficiente de rendimiento biomaa utrato, ecuación: R =. R 7 x x / Con el objetivo de eliminar la retricción de diponer de dato del conumo experimental de oxígeno para uar el modelo propueto, Dutet e Izquierdo (24) preentaron una metodología que combina lo enfoque cinético y termodinámico del proceo de fermentación. De eta manera, con el uo de lo coeficiente de rendimiento del proceo, que relacionan la velocidade entre do componente del itema, e poible relacionar la velocidad de conumo de oxígeno con cualquier otra velocidad de conumo medida experimentalmente y uar el modelo in medir la velocidad de conumo de oxígeno. La ecuacione del modelo que permiten etimar lo diferente coeficiente de rendimiento a partir de conideracione termodinámica e preentan a continuación: Para el coeficiente de rendimiento biomaa utrato: x / = σ σ b.γ.γ b.η 8 Para el coeficiente de rendimiento biomaa oxígeno: x / o 3 h η =. 2 σ.γ ( 1 η ξ ) 9 / o m.γ = η.γ Para el coeficiente de rendimiento utrato oxígeno: / o x / o = 11 x / Con eta decripción e determinará i el modelo matemático e atifactorio para la toma de deciione. Reultado y Dicuión La cinética del proceo de fermentación con ete hongo, obtenida experimentalmente e muetra en la figura 1. Se tomó como bae el comportamiento de la concentración de utrato ólido eco con repecto al tiempo, procedimiento imilar al uado por Saucedo-Catañeda et al. (1992). En ete cao e obervó un patrón de conumo de utrato lineal, obteniéndoe la iguiente expreión cinética: C =. 2 t b η p. 1 η donde la pendiente de la curva (M) e igual a.2 kg/h. En la tabla 1 y 2 e muetran lo parámetro etimado a partir de la olución de la ecuacione del modelo y de la caracterítica de operación del biorreactor. La concentración de utrato ólido eco, hallada a travé del modelo, muetra un comportamiento imilar al obervado experimentalmente (figura 1). La figura 2 preenta lo reultado del programa para el crecimiento lineal del hongo T. viride M5-2 obre el bagazo de caña. En eta figura e predice un valor contante de flujo de aire durante todo el tiempo de fermentación, i e mantienen contante la temperatura de entrada y alida del aire. El comportamiento del flujo de aire e imilar al obervado experimentalmente por Ibarra et al. (22) y García et al. (22), quiene utilizaron un flujo contante de 3 L/min, equivalente a.91 kg/m2. De la upoicione planteada, olo la conideración relacionada con el patrón de flujo pitón del aire a travé del reactor e la que debe er garantizada por un conjunto de variable de dieño y de operación, no tomada en cuenta en el modelo propueto. El biorreactor utilizado en ete experimento fue el dieñado por Carraco et al. (1999) que atiface una de la upoicione fundamentale del modelo, y e que e pueden depreciar lo gradiente de temperatura en la direccione radial y angular, 1

5 45 Aniverario 27 Revita Cubana de Ciencia Agrícola, Tomo 45, Número 3, 211. kg de ólido eco/m3 de reactor C = -.2t R 2 = Tiempo (h) Figura 1. Comportamiento cinético del bagazo con la cepa T. viride M5-2 en un biorreactor etático de fermentación ólida (EE ±.128, NS) Tabla 1. Parámetro etimado para la fermentación Parámetro x/ σ b γ b σ γ ε η ξ p x/o /o /o Valore Ecuación Erickon et al Sup. Ec.8 1-η-ε Ec.9 Ec.1 Ec.11 Tabla 2. Condicione de operación del biorreactor Parámetro Valore Altura de la cama de ólido (m).3 Temperatura de entrada del aire (K) 33. Concentración de ólido inerte (kg/m 3 ) 1. Concentración de utrato (kg/m 3 ) 6. Humedad inicial del ólido (%) 65. Preión en el fermentador (Pa) 1. Concentración inicial de biomaa (kg/m 3 ).35. M o d e lo lin e a l P arám etro M [ kg /h ].2 Tem peratura de alida del aire (K ) 31 A trá Tiem po de ferm entación (h ) F lu jo d e aire Tiem po Concentración de biom aa Tiem po C oncentración de utrato Hum edad del ólido

6 45 Aniverario Revita Cubana de Ciencia Agrícola, Tomo 45, Número 3, aire. La tabla 3 ilutra la ditribución de la temperatura en el biorreactor, de acuerdo con la caracterización realizada por Ibarra y García (2). Para la caracterización del biorreactor, la cámara cambio e tal que la humedad del medio permanece contante. Sin embargo, lo predecido por el modelo no coincide con lo reultado experimentale (figura 4), donde hubo incremento progreivo (65 a 71 %) de la humedad del utrato en el biorreactor. Ete incremento Tabla 3. Comportamiento de la temperatura en la ditinta altura del biorreactor Temperatura ( C) Tiempo (h) T (aire) T (h1) T (h2) T (h3) T (h4) de fermentación e dividió en cuatro punto por u altura (h1, h2, h3 y h4), y cinco punto con diferente radio (1*, 2*, 3*, 4*, y 5*) en cada una de la capa (figura 3 A y B), con el objetivo de analizar el comportamiento de la humedad y la temperatura del utrato. Lo porcentaje de humedad inicial y final calculado por el modelo on prácticamente iguale, ya que upuetamente al diminuir la maa de ólido eco y evaporare agua al mimo tiempo, la magnitud de ambo pudo etar aociado a la acumulación de agua producida por el metabolimo del hongo y a la deficiencia técnica de ete biorreactor en el itema de ditribución del aire húmedo, donde ocurre un pequeño arratre de agua en la línea de entrada de aire, apecto que no toma en cuenta el modelo. Rouo et al. (1991) fermentaron bagazo de caña de azúcar con Trichoderma harzianum en fermentadore de columna durante 64 h. Eto autore informaron que el contenido de humedad durante el curo de la A B h 4 h 3 h 2 h 1 1* E 4* D 3* A 2* B 5* Orificio de la cámara de aire

7 45 Aniverario 272 Revita Cubana de Ciencia Agrícola, Tomo 45, Número 3, Humedad (%) F=3 L/min Hum (modelo) Tiempo (h) Figura 4. Variación de la humedad del utrato durante el tiempo de fermentación en un biorreactor etático (Ibarra et al. 22). fermentación e incrementó de 7.5 a 72.9 %. Medina (1998) indicó que para la cepa Apergillu fumigatu 155v obre bagazo de caña de azúcar, en el biorreactor utilizado en el experimento, la humedad también aumentó y motró u valor máximo de 78 % a la 58 h (P<.1). Ravelo (1999) utilizó Trichoderma viride A5 obre bagazo de caña y obervó que la humedad en el biorreactor ociló entre 71 y 76 % (P<.1). Valiño et al. (2) fermentaron bagazo de caña con Trichoderma viride M5-2 en condicione imilare, pero con mayor tamaño de partícula del bagazo y también obervaron incremento de la humedad del utrato en el biorreactor. Eto ugiere que para ete tipo de equipo aunque e utilicen microorganimo diferente exite una tendencia al aumento de la humedad durante la fermentación. De ahí que ea neceario bucar modelo, lo má cercano poible a la realidad, que logren la imulación del proceo en ete tipo de biorreactoree. E decir, modelo de mejor ajute a la verdadera condicione experimentale que e utilicen. El valor de biomaa predecido por el modelo, 16.4 kg/m 3, e comparable al etimado experimentalmente a travé de la proteína verdadera, el cual fue de 21,5 kg/m 3 (Ibarra et al. 22). El uo de ete programa para predecir lo valore de biomaa alcanzado al final del proceo fermentativo repreenta una ventaja para la fermentacione en etado ólido, debido a la dificultad para determinar directamente el valor de la biomaa obtenida, la cual e etima por método indirecto como la proteína verdadera (Dutet 24 y Valiño 24). Con ete trabajo e comprobó que e puede utilizar el modelo para evaluar el funcionamiento del equipo, a partir de la comparación entre la información experimental y la predecida por el modelo. No obtante, lo reultado de humedad merecen una mayor atención para lograr el mejor ajute inicial, y tener en cuenta el metabolimo microbiano. También e poible uarlo en el dieño de la operación de un biorreactor, iempre que e cumplan la prediccione fundamentale bajo la que Fanaeia Mohammad, A. & Mahmoodzadeh, B. 29. Modeling of temperature gradient in packed-bed olidtate bioreactor. Chem. Engineering and Proc. 48:446 Carraco, T., Valiño, E., Medina, I. & Ravelo, D Dieño y evaluación de un biorreactor para la fermentación en etado ólido. 33:429 Dutet, J.C. & Izquierdo, E. 24. Aplicación de balance de maa y energía al proceo de fermentación en etado ólido de bagazo de caña de azúcar con Apergillu niger. Biotecnología Aplicada 21:85 Erickon, L.E., Minkevich, I.G. & Erohin, V.K Application of ma and energy balance regularitie in fermentation. Biotechn. Bioeng. 25:1595 García,., Ibarra, A., Valiño, E., Dutet, J.C., Orama, A. & Albelo, N. 22. Etudio de un itema de fermentación ólida con agitación en la biotranformación del bagazo de caña de azúcar por la cepa Trichoderma viride M5-2. Rev. Cubana Cienc. Agríc. 36:265 Ibarra, A. & García,. 2. Etudio de do variante de fermentación en etado ólido del bagazo de caña biotranformado por la cepa T. viride M5-2. Trabajo de Diploma. Facultad de Ingeniería Química. Intituto Politécnico Joé Antonio Echevarría. Ciudad de La Habana, Cuba Ibarra, A., García,., Valiño, E., Dutet, J., Albelo, N. & Carraco, T. 22. Influencia de la aireación en la biotranformación del bagazo de caña por Trichoderma viride M5-2 en un biorreactor etático de fermentación ólida. Rev. Cubana Cienc. Agríc. 36:159 Medina, I Etudio de una cepa de hongo celulolítica en itema de fermentación en etado ólido. Trabajo de Diploma. Facultad de Ingeniería Química. Intituto Politécnico Joé Antonio Echevarría. Ciudad de La Habana, Cuba Mitchell, D.A., Berovic, M. & Krieger, N. 22. Overvie of olid tate bioproceing. Biotech. Annual Rev. 8:183 Pandey, A. 23. Solid-tate fermentation. Biochem Eng. J. 13:81 Raghavarao, KSMS., Ranganathan, T.V. & Karanth, N.G. 23. Some engineering apect of olid-tate fermentation. Biochem Eng. J. 13:127 Rajagopalan, S. & Modak, J.M. 21. Modeling of heat and ma tranfer for olid tate fermentation proce in tray

8 45 Aniverario Revita Cubana de Ciencia Agrícola, Tomo 45, Número 3, fermentación en etado ólido. Tei de Maetría en Biotecnologia. Intituto de Ciencia Animal, Mayabeque, Cuba Rodríguez, J.A., Torre, A., Echevarría, J. & Saura, G Energy balance in olid tate fermentation proce. Acta Biotecchem. 11:9 Rouo, S., Raimbault, M., Viniegra-González, G., Saucedo- Catañeda, G., & Lonane, B.K Scale-up of cellulae production by Trichoderma harzianum on a mixture of ugar cane bagae and heat bran in olid tate fermentation ytem. Micol Neotrop. Appl. 4:83 Saucedo-Catañeda, G., Lonane, B.K., Navarro, J.M., Rouo, S. & Raimbault, M Potential of uing a ingle fermentation for bioma build-up, tarch hydrolyi and ethanol production. Appl. Biochem. Biotech. 36:47 Singhania Reeta, R., Kumar, P., Soccol, C. R. & Pandey, A. 29. Recent advance in olid-tate fermentation. Biochem. Engineering J. 44:13 Torre, V. & Stuart, R. 22. La modelación en lo itema moderno de requerimiento para el rumiante. Una perpectiva de trabajo promioria. Seión: Modelación y imulación de proceo fiiológico y nutricionale. En: Mea redonda NUTRIFIS 22. Intituto de Ciencia Animal, Mayabeque, Cuba Valiño, E.C., Elía, A., Torre, V., Ravelo, D., Carraco, T. & Albelo, N. 2. Potencialidad lignocelulolítica de la cepa Trichoderma viride M5-2 obre bagazo de caña de azúcar en un biorreactor de fermentación en etado ólido. En: Diverificación 2. VI Congreo Internacional obre azúcar y derivado de la caña. Palacio de la Convencione. La Habana, Cuba. p. 113 Valiño, E., Elía, A., Torre, Carraco, T. & Albelo, N. 24 Mejoramiento de la compoición del bagazo de caña de azúcar por la cepa Trichoderma viride M5-2 en un biorreactor de fermentación en etado ólido Rev. Cubana Cienc. Agríc. 38:145 Weber, F., Tramper, J. & Rinzema, A Simplified material and energy balance approach for proce development and cale-up of Coniothyrium minitan conidia production by olid tate cultivation in a packed bed reactor. Biotech. & Bioeng. 65 (4). Recibido: 6 de enero de 21