Siete tipos de sistemas cerrados de fermentación en estado sólido.

Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la fermentación en estado sólido ha cambiado de la fermentación abierta tradicional a la fermentación cerrada, de la fermentación empírica a la fermentación controlada y de la fermentación manual a la fermentación mecanizada, logrando el control de parámetros en el proceso de fermentación.

Tecnología de fermentación cerrada en estado sólido

La fermentación en estado sólido (SSF) es un método de fermentación de microorganismos en una matriz sólida sin agua libre o con muy poca. La matriz no solo proporciona nutrientes y un entorno de crecimiento para los microorganismos, sino que también tiene una fase gaseosa continua y una pequeña cantidad de agua líquida, lo que hace que el sistema sea continuamente estable.

Se adhiere una capa de película de agua a la superficie de la matriz sólida, pero la fase líquida no es continua y la mayoría de los huecos están llenos de fases gaseosas. El agua del sistema se absorbe principalmente entre las partículas de la matriz sólida. Por lo tanto, en ausencia o muy poca agua libre, los microorganismos aún pueden usar suficiente agua en la matriz sólida para completar su crecimiento y metabolismo.

El sistema cerrado de fermentación en estado sólido es un espacio que proporciona un entorno y condiciones adecuadas para el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos en una matriz sólida. Puede evitar la entrada de microorganismos externos y el derrame de sustancias internas. Debe ser atóxico, resistente a las vibraciones y no corrosivo.

Debe tener un buen sistema de agitación, ventilación, disipación de calor y enfriamiento, y ser capaz de realizar operaciones asépticas. Debido a la naturaleza de los sustratos y organismos utilizados, la mezcla en el sistema cerrado de fermentación en estado sólido suele ser desigual, lo que no favorece la transferencia de calor y masa. Por lo tanto, el uso de diferentes tipos de sistemas cerrados de fermentación en estado sólido puede resolver los problemas correspondientes.

01 Sistema de fermentación en estado sólido tipo disco

Generalmente se compone de múltiples bandejas apiladas en una sala de cultivo o incubadora cerrada, con un cierto espacio entre las bandejas para permitir que el aire circule entre las bandejas y la superficie de la matriz de fermentación. El sistema no contiene un dispositivo de agitación ni medidas de ventilación forzada, lo que permite lograr una verdadera fermentación estática en estado sólido.

El sistema de fermentación tiene una estructura simple, es fácil de hacer y de bajo costo, pero tiene una mala disipación de calor. Durante el proceso de fermentación, el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos generarán mucho calor, y el sistema de fermentación en estado sólido tipo disco sin medidas de ventilación forzada provocará la aparición de diferencias de gradiente de temperatura, lo que afectará la calidad y el rendimiento del producto final.

02 Sistema de fermentación en estado sólido de lecho empacado

Su cuerpo principal es un cilindro colocado verticalmente con una placa o pantalla porosa en la parte inferior, que se utiliza para soportar la matriz de fermentación para formar un lecho de columna de cierta altura. Los extremos superior e inferior están provistos respectivamente de entradas y salidas de aire para la circulación del aire para mantener el progreso normal de la fermentación.

El sistema de fermentación es eficiente, fácil de operar, de estructura simple y adopta medidas de ventilación forzada para mejorar los procesos de transferencia de calor y masa, pero el coeficiente de transferencia de masa y el coeficiente de transferencia de calor son relativamente bajos. A medida que aumenta la altura del lecho, la tasa de ventilación disminuye y el gradiente de temperatura en el sistema de fermentación aumenta gradualmente. Cuando la temperatura excede un cierto valor, se inhibe el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos, lo que provocará daños a las bacterias.
Además, aunque la ventilación forzada puede promover la evaporación a través de la circulación del aire y así lograr el control de la temperatura, la ventilación excesiva hará que la matriz de fermentación se seque y la pérdida excesiva de agua no favorece el proceso de fermentación.

03 Sistema de fermentación sólida con tambor rotatorio

Su cuerpo principal es un cilindro horizontal o inclinado lleno de matriz de fermentación. El oxígeno se introduce desde la parte superior y circula dentro del sistema de fermentación para satisfacer las necesidades de crecimiento y metabolismo de los microorganismos. El diseño cerrado puede evitar el desbordamiento de aire caliente y húmedo y garantizar buenas condiciones sanitarias de fermentación.

A medida que el cilindro gira, la matriz de fermentación se puede girar y mezclar, lo que favorece la transferencia de oxígeno y calor, mejora la eficiencia de la fermentación y también evita que la matriz se adhiera a la pared interna del sistema de fermentación. Sin embargo, si la velocidad de rotación es demasiado alta, la gran fuerza de corte generada obstaculizará el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos e incluso provocará la muerte.

04 Sistema de fermentación de sólidos con tambor agitador

Es similar en estructura básica y parámetros de funcionamiento al sistema de fermentación sólida con tambor rotatorio. La diferencia es que el cuerpo principal del tambor de agitación permanece estacionario, mientras que el lecho es dinámico.

El sistema de fermentación está equipado con un dispositivo de agitación en el eje central para mantener la matriz de fermentación mezclada de manera uniforme mediante agitación continua o intermitente, evitar que la matriz de fermentación se condense en bloques y mejorar la transferencia de calor, la ventilación y la distribución desigual del agua. Puede promover el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos, aumentar la transferencia y la utilización de oxígeno y nutrientes y mejorar la eficiencia y el rendimiento de la fermentación.

05 Sistema de fermentación sólida en lecho agitado

Es similar al sistema de fermentación sólida de lecho empacado, pero la diferencia es que el lecho agitado tiene un dispositivo de agitación incrustado en la capa del lecho, que puede agitar de manera intermitente o continua la matriz de fermentación sólida.

Este diseño hace que la matriz de fermentación se mezcle de manera más uniforme y la ventilación interna regula la humedad dentro del sistema de fermentación, logrando un efecto de fermentación más uniforme con disipación de calor interna. Por lo tanto, en el diseño y funcionamiento del lecho agitado, el diseño y funcionamiento del agitador también es una consideración importante.

06 Sistema de fermentación en estado sólido con tambor agitador

Se trata de un equipo de fermentación que provoca la agitación mediante su propio movimiento. Está compuesto principalmente por tres cilindros interiores perforados colocados horizontalmente, cilindros exteriores perforados y el cilindro exterior de carcasa sólida más externo. La matriz de fermentación se encuentra ubicada entre los dos cilindros perforados y está dispuesta de forma suelta.

Durante el proceso de fermentación, se introduce aire y una pequeña cantidad de agua en el cilindro más interno, el aire se mueve radialmente y el agua penetra hacia abajo en el lecho. Al mismo tiempo, los dos cilindros fuera del sistema de fermentación giran alrededor del cilindro central para promover la mezcla en el lecho y lograr una mezcla básica de la matriz de fermentación.

En este sistema de fermentación, el aire y el agua que fluyen pueden controlar la temperatura, la humedad y la concentración de oxígeno, lo que favorece el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. Sin embargo, el efecto de agitación causado por su propio movimiento no es ideal y necesita mejoras adicionales.

07 Sistema de fermentación en estado sólido de lecho fluidizado gas-sólido

Consiste en una cámara vertical con una placa de fondo porosa. El gas se introduce desde el fondo del lecho de fermentación. También se instala un dispositivo de desintegración en la parte inferior para desintegrar los materiales aglomerados y suspenderlos, mejorando así el efecto de fermentación del lecho fluidizado gas-sólido.

La matriz del sistema de fermentación se mezcla de manera uniforme, lo que puede evitar gradientes de temperatura y humedad durante el proceso de fermentación y favorece el control de los parámetros del proceso de fermentación. Los efectos de ventilación, transferencia de masa y transferencia de calor son excelentes y también favorecen el crecimiento de microorganismos aeróbicos.

Sin embargo, si la viscosidad de la matriz de fermentación es demasiado alta o el tamaño de las partículas no es uniforme, se producirán diferencias en la suspensión de partículas durante el proceso de fermentación. Es necesario ajustar el comportamiento de fluidización del lecho en el sistema de fermentación optimizando los parámetros operativos, como el espesor del lecho y el caudal de aire.