Cultivos de alta densidad celular por retención interna: aplicación a la fermentación continua de etanol

Abstract

El etanol ha generado gran interés por su potencial como combustible alternativo. No obstante, para que este producto sea competitivo económicamente, es necesario desarrollar procesos de fermentación que incrementen la baja productividad volumétrica lograda en cultivos convencionales (por lote o continuo), por medio de técnicas que permitan altas concentraciones celulares y reduzcan la inhibición por producto. Uno de los métodos empleados frecuentemente involucra la recirculación celular; por ello, en este trabajo se desarrolló un reactor de membrana incorporando un módulo de filtración, con unidades tubulares de 5 u,m en acero inoxidable, dentro de un fermentador de tanque agitado de 3L, para investigar su aplicación en la producción continua de etanol. Los efectos de la concentración celular y la caída de presión transmembranal sobre el flux de permeado fueron evaluados para probar el desempeño del módulo de filtración. Previa selección de las condiciones de fermentación (30 °C, 1,25 -1,75 vvm, pH 4,5), el sistema con retención celular interna fue operado en el cultivo continuo de Saccharomyces cerevisiae a partir de sacarosa. La permeabilidad de las unidades filtrantes fue mantenida mediante la aplicación de pulsos de aire. Más del 97% de las células cultivadas fueron retenidas en el fermentador, alcanzándose una concentración celular de 51 g/L y una productividad promedio de etanol, en el cultivo con retención celular, de 8,51 g/L.h, la cual fue dos veces mayor a la que se obtiene en un cultivo continuo convencional. Palabras clave: reactor de membrana, Saccharomyces cerevisiae, fermentación alcohólica, recirculación celular.

Ethanol has provoked great interest due to its potential as an alternative fuel. Nevertheless, fermentation processes must be developed by increasing the low volumetric productivity achieved in conventional cultures (batch or continuous) to make this product become economically competitive. This can be achieved by using techniques leading to high cell concentration and reducing inhibition by the end-product. One of the frequently employed methods involves cell recycling. This work thus developed a membrane reactor incorporating a filtration module with 5 u,m stainless steel tubular units inside a 3L stirred jar fermenter for investigating its application in continuous ethanol production. The effects of cell concentration and transmembrane pressure difference on permeate flux were evaluated for testing the filtration module's performance. The internal cell retention system was operated in Saccharomyces cerevisiae continuous culture derived from sucrose, once fermentation conditions had been selected (30 °C, 1.25 -1.75 vvm, pH 4.5). Filter unit permeability was maintained by applying pulses of air. More than 97% of the grown cells were retained in the fermenter, reaching 51 g/L cell concentration and 8.51 g/L.h average ethanol productivity in culture with internal cell retention; this was twice that obtained in a conventional continuous culture. Key words: Membrane reactor, Saccharomyces cerevisiae, alcoholic fermentation, cell recycling.