Fermentadores de elevación neumática para la fermentación de micelio líquido de hongos

Fermentadores de elevación neumática para la fermentación de micelio líquido de hongos

Los fermentadores de columna de aire (también conocidos como reactores de columna de aire) son ampliamente utilizados y están bien establecidos en la producción de micelio líquido para hongos comestibles. Son particularmente adecuados para cepas con micelio frágil, sensibles a las fuerzas de cizallamiento, y actualmente representan el tipo de recipiente de fermentación más utilizado en la industria.

La clave de la transferencia de masa gas-líquido en estos fermentadores reside en el uso de la energía cinética del gas para impulsar la circulación del líquido, logrando así una transferencia eficiente de la fase gaseosa (p. ej., oxígeno) a la fase líquida (p. ej., caldo de fermentación). Los fermentadores de columna de aire carecen de impulsores mecánicos; en su lugar, tanto la transferencia de masa como la mezcla se realizan completamente mediante aireación. A diferencia de los tanques con agitación mecánica, no tienen partes móviles, lo que ofrece ventajas significativas como una construcción sencilla, un bajo consumo de energía y un daño mínimo por cizallamiento a las células biológicas.

El proceso de transferencia de masa se centra en el mecanismo de "elevación de gas – mezcla circulante – transferencia de masa interfacial".

I. Principio de funcionamiento: Circulación por "elevación de aire" impulsada por la diferencia de densidad.
En pocas palabras, la circulación por "elevación de aire" impulsada por la diferencia de densidad es la fuente de la agitación y la renovación del líquido:

1. Inyección de gas y ruptura:
El aire comprimido se inyecta en el líquido a alta velocidad a través de boquillas o distribuidores de gas ubicados en el fondo del tanque (generalmente en la sección ascendente). El flujo de aire a alta velocidad fragmenta el gas en multitud de pequeñas burbujas, aumentando considerablemente la superficie de contacto entre el gas y el líquido.

2. Circulación impulsada por "aireación":
La presencia de un gran volumen de burbujas hace que la densidad media del fluido en la sección ascendente sea significativamente menor que en la sección descendente (algunos fermentadores incorporan un tubo de aspiración para facilitar esto). El gradiente de presión resultante de esta diferencia de densidad, combinado con la energía cinética ascendente del gas, impulsa al fluido a formar un flujo direccional y circulante dentro del reactor.

3. Contacto y reacción:
A medida que las burbujas ascienden y el líquido circula, el oxígeno de la fase gaseosa atraviesa continuamente la interfaz gas-líquido y se disuelve en la fase líquida, proporcionando nutrientes a los microorganismos para su crecimiento o facilitando las reacciones químicas.

4. Escape de gases y retorno de líquidos:
Al llegar a la parte superior del tanque, la mezcla gas-líquido se separa; el gas (como el CO₂ producido por la respiración microbiana) escapa de la superficie del líquido. A medida que aumenta la densidad del líquido desgasificado, este fluye hacia abajo por fuera del tubo de aspiración, regresando al fondo del tanque para reingresar al circuito de circulación.

II. Estructura básica (tipo de circulación interna – estándar para hongos)

1. Cuerpo del tanque
Material: acero inoxidable 316 o 304; Tipo: tanque con camisa o tanque con serpentín serpentino.
Coeficiente de volumen de trabajo: 80%–90%; si la relación altura-diámetro es demasiado baja, la circulación es débil; si es demasiado alta, aumenta la resistencia a la circulación.

2. Tubo de tiro
(Tubo de flujo ascendente) Actualmente se utiliza en tanques pequeños de laboratorio; rara vez se ve en tanques de gran tamaño. Es un cilindro coaxial dentro del tanque; el diámetro del tubo de aspiración / diámetro del tanque es de 0,6 a 0,8. El interior del tubo constituye la zona de flujo ascendente, mientras que el espacio anular entre el tubo y la pared del tanque constituye la zona de flujo descendente.

3. Distribuidor/Boquilla de gas
Ubicado en la parte inferior del tubo de aspiración; divide el aire en microburbujas, determinando el tamaño de las burbujas y el coeficiente de transferencia de masa ($k_L a$). Las formas del distribuidor incluyen discos, cruces, etc.

4. Zona superior de separación gas-líquido
Las burbujas se rompen para liberar los gases de escape, mientras que el líquido cambia de dirección y fluye hacia abajo a través del espacio anular.

5. Equipos auxiliares (inspección, control de temperatura, tuberías de proceso, etc.)
Intercambio de calor mediante serpentines o camisas; sondas de pH/oxígeno disuelto/temperatura; puertos CIP (limpieza in situ); puertos de muestreo, descarga y alimentación.

III. Ventajas de los fermentadores de columna de aire

1. Estructura simple y bajo costo:
Los fermentadores de columna de aire carecen de mecanismos complejos de agitación mecánica, lo que se traduce en menores costes de fabricación y un funcionamiento y mantenimiento más sencillos.

2. Transferencia de masa eficiente y menor consumo de energía:
El exclusivo sistema de circulación por aireación permite una transferencia de oxígeno eficiente. Además, el consumo de energía es aproximadamente un 75 % menor que el de los fermentadores tradicionales con agitación mecánica, lo que supone una importante ventaja en cuanto a costes para la producción a gran escala.

3. Baja fuerza de corte; protege el micelio:
Esta es una ventaja clave de los fermentadores de columna de aire en la industria de los hongos comestibles. Al depender del flujo de aire para la agitación, causan un daño mínimo por cizallamiento mecánico al micelio, lo que los hace ideales para el cultivo de variedades de hongos comestibles con micelio frágil y sensible a las fuerzas de cizallamiento.

4. Alto factor de carga:
Los fermentadores con sistema de elevación neumática pueden alcanzar un factor de carga superior al 80%, lo que se traduce en una alta utilización del equipo.

5. Bajo riesgo de contaminación:
La simplificación de los sistemas de refrigeración y filtración de aire reduce eficazmente el riesgo de contaminación por microorganismos no deseados, garantizando así la calidad del cultivo.

IV. Retención de gas y coeficientes de transferencia de masa en fermentadores de columna de aire

1. Retención de gas (ε):
Esto se refiere a la relación entre el volumen de la fase gaseosa y el volumen total del reactor. Una mayor retención de gas implica una mayor cantidad de burbujas por unidad de volumen y una mayor área de contacto gas-líquido, lo cual constituye la base para una transferencia de masa eficiente.

2. Coeficiente de transferencia de masa volumétrica (kLa):
Este es el parámetro más directo y crítico para medir la velocidad de transferencia de masa. Integra los efectos de la fuerza impulsora de la transferencia de masa y el área de contacto; un valor de kLa más alto indica una mayor cantidad de gas transferido por unidad de volumen y por unidad de tiempo.

Análisis de la vía de transferencia de masa:
Aire → distribución de gas para formar burbujas → movimiento ascendente de las burbujas; el oxígeno se disuelve desde la interfaz gas-líquido hacia la fase líquida; la circulación distribuye el oxígeno disuelto por todo el tanque; el CO₂ escapa en dirección inversa desde la fase líquida hacia las burbujas para su descarga.

El coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (kLa) es el indicador más crítico para los fermentadores de columna de aire y está regido por cuatro variables: tasa de aireación, diámetro de la burbuja, retención de gas y tasa de circulación de líquido.

V. Diagrama de flujo del proceso práctico

Cultivo de primera etapa: Inocule el cultivo del matraz agitado en el reactor de primera etapa para su cultivo. Este paso es adecuado para cepas de crecimiento lento o como etapa de precultivo para tanques de producción muy grandes.

Cultivo a gran escala en la segunda etapa: Inocule una cantidad específica del cultivo de la primera etapa en el reactor de la segunda etapa; el cultivo continuado produce una gran cantidad de inóculo para la producción.

En la producción real, para la mayoría de las variedades, el cultivo en matraz agitado se inocula directamente en el tanque de producción.

En resumen, gracias a sus importantes ventajas —alta eficiencia, bajo consumo energético y baja fuerza de cizallamiento—, los fermentadores de columna de aire se han convertido en una tecnología fundamental para la producción de micelio líquido de hongos comestibles. No solo solucionan el problema de la baja eficiencia asociada a los procesos tradicionales de producción de micelio sólido, sino que también ofrecen una solución técnica fiable para lograr una producción a gran escala y de bajo coste de hongos comestibles.