Case Study Methodology: Episodes, Processes and Outcomes

I.M. Santos-Dueñas

_{, A.M. Cañete-Rodríguez}

_{, J.J. Román-Camacho}

_{, T. García-Martínez}

_,

J.C. Mauricio

_{, I. García-García}

_*

1 _{Dpto. Quím. Inorg. e Ingeniería Química, Área de Ingeniería Química, Universidad de Córdoba, Córdoba, España} 2 _{Dpto. Microbiología, Universidad de Córdoba, Córdoba, España}

*Autor principal: [email protected]

1. Introducción

La elaboración de vinagre de vino es un proceso alimentario complejo en el que la etapa de biotransformación es una operación clave para la mejora y optimización del proceso1_{. Esta etapa se lleva a}

cabo por la acción de bacterias acéticas, que producen ácido acético a partir del etanol del medio. El biorreactor necesario para el proceso es un ejemplo interesante de integración de aspectos bioquímicos, microbiológicos y físico-químicos que la Ingeniería Bioquímica ha abordado desde diferentes puntos de vista y, muy especialmente, para su modelización2-7_{. El carácter aerobio estricto de estas bacterias y la gran}

demanda de oxígeno del proceso, han dado lugar a que el diseño del biorreactor se haya dirigido, en gran medida, a la optimización de la transferencia de oxígeno desde el aire. A nivel industrial, en el biorreactor se desarrolla una microbiota compleja constituida por las especies de bacterias que mejor se han ido adaptando al medio y condiciones operativas empleadas a lo largo de los ciclos semicontinuos que se siguen en el proceso. Estas bacterias son bien conocidas por la dificultad que presentan para ser cultivadas en medios sólidos fuera del entorno en el que desarrollan su actividad; a día de hoy, todavía no se ha resuelto de forma adecuada la identificación de todas las especies presentes así como su actividad a lo largo de los ciclos. El arranque del biorreactor, siempre que sea posible, se lleva a cabo empleando inóculos, tomados minutos antes y plenamente activos, procedentes de otros biorreactores en funcionamiento, se procura que dichos inóculos se mantengan aireados o bien que el tiempo sin aireación sea mínimo. Sin embargo, por múltiples razones, no siempre es posible disponer de inóculos frescos, por lo que es necesario: a) tomar, de fermentadores en plena actividad, volúmenes de medio para ser conservados y utilizados posteriormente como inóculos, o bien, b) si se ha de realizar una parada del proceso, hacerlo en las condiciones adecuadas para que los cultivos que se mantienen en los biorreactores de producción puedan reiniciar su actividad lo antes posible. Tanto en un caso como en otro, las condiciones de conservación: concentración de etanol, de ácido acético, tiempo y temperatura, parecen ejercer una influencia importante en el tiempo necesario para la plena reanudación del proceso. En esta comunicación se muestran algunos de los resultados preliminares de un estudio más amplio sobre el problema en el que se cambian las concentraciones iniciales de etanol y ácido acético para la conservación de inóculos.

2. Experimental

Trabajando con vino blanco de la zona Montilla-Moriles con un contenido alcohólico del 12% v/v, los experimentos se han realizado, en modo semicontinuo, con un acetificador (Frings Co., Bonn, Alemania) de 8 L de capacidad efectiva. Las operaciones de descarga y carga se realicen de forma autónoma siguiendo las especificaciones establecidas. El modo rutinario de trabajo ha consistido en descargar el 50% del volumen del reactor (4 L) cuando la concentración de etanol alcanzaba un valor de 1.5% v/v, a continuación, sobre los restantes 4 L se carga vino fresco a una velocidad de 0.02 L/min hasta alcanzar una concentración de etanol de 5% v/v, a partir de ese momento la carga es semicontinua para no superar esa concentración de etanol y hasta llegar de nuevo a un volumen final de 8 L. El caudal de aire empleado es de 7.5 L aire/(h L de medio) y la temperatura 31 °C. Alcanzado un estado estable de funcionamiento, se procede a la parada del fermentador durante una semana en condiciones diferentes de niveles de etanol, entre 1.5 – 5% v/v y una graduación total (suma del % etanol v/v más % ácido acético m/v) entre 6 – 12%. Tras el periodo de parada,

se pone en funcionamiento y se estudia el tiempo necesario para que vuelvan a reactivarse las células y alcanzar de nuevo un modo estable de funcionamiento.

3. Resultados y discusión

En la Figura 1 se muestra el mejor resultado obtenido entre cinco combinaciones diferentes siguiendo un diseño experimental dentro del rango de variación indicado en el apartado anterior.

a) Etapa de conservación b) Etapa de reactivación

Figura 1. a) parada del sistema y dilución con agua hasta una graduación total del 6% para conseguir concentraciones iniciales del

2.5 % v/v y 3.5 % m/v de etanol y ácido acético respectivamente. b) arranque

En concreto, cuando se reduce a la mitad la graduación total, empleando agua para diluir el medio, y la concentración de etanol al principio del almacenamiento es del Ei = 2.5% v/v, se consigue, aparentemente,

una relación entre la acidez al principio del almacenamiento (Ai = 3.5% m/v) y la disponibilidad de etanol que

permite alcanzar una importante actividad de acetificación en tan sólo dos días tras el arranque del sistema. Por el contrario, la peor situación (resultados no mostrados) se obtiene cuando Ei = 3.0% v/v y Ai = 9.0% m/v;

en este caso, se necesitan unos diez días para reactivar el sistema. Parece, por tanto, que valores altos de acidez tienen un efecto muy importante en la disminución de la capacidad para reactivarse tras el periodo de conservación. Sin embargo, como ocurre cuando la acetificación está en pleno funcionamiento, los efectos de los niveles de etanol y acidez están muy interrelacionados4_{, en este caso, no es sólo una cuestión de}

mantener bajos los niveles de acidez sino, también, de mantener niveles adecuados de disponibilidad de etanol; por ejemplo, en otro de los experimentos realizados (Ei = 1.5% v/v y Ai = 4.5% m/v), fueron necesarios

unos ocho días para reactivar claramente el cultivo, parece, por tanto, que el escaso contenido en etanol puede tener también un efecto negativo.

4. Conclusiones

A pesar de la conocida sensibilidad de las bacterias acéticas a la falta de aireación durante cortos periodos de tiempo, es posible mantener cultivos sin aireación que pueden reactivarse tras una fase lag más o menos larga dependiendo de las condiciones en las que se lleve a cabo la parada. De las condiciones estudiadas, las mejores para la reutilización del cultivo tras la parada es cuando la concentración inicial de etanol es 2.5% v/v y la acidez 3.5% m/v.

Agradecimientos

Universidad de Córdoba, Programa Propio: 2018 Mod.4-2.

Referencias  

[1] I. García-García, I.M. Santos-Dueñas, C. Jiménez-Ot, J.E. Jiménez-Hornero and J.L. Bonilla-Venceslada. Chapter 6: Vinegar Engineering. In: Vinegars of the World, ed. L. Solieri and P. Giudici, 2009; 97-120. Italia: Springer-Verlag.

[2] S. Baena-Ruano, C. Jiménez-Ot, I.M. Santos-Dueñas, J.E. Jiménez-Hornero, J.L. Bonilla-Venceslada, C. Álvarez-Cáliz García-García. J Chem Tech Biot. 2010; 85: 908-912.

[3] J.E. Jiménez-Hornero, I.M. Santos-Dueñas, and I. Garcia-Garcia. Math Biosci. 2008; 216: 154-162. [4] J.E. Jiménez-Hornero, I.M. Santos-Dueñas, and I. Garcia-Garcia. Biochem Eng J. 2009-I 45: 1-6. [5] J E. Jiménez-Hornero, I M. Santos-Dueñas, and I. Garcia-Garcia. Biochem Eng J. 2009-II 45: 7-21. [6] J E. Jiménez-Hornero, I M. Santos-Dueñas, and I. Garcia-Garcia. Biochem Eng J. 2009-I 45: 22-29.

Zaragoza, 4-6 septiembre 2019  ‘Trends and Challenges in Chemical Engineering Research’

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