FACTORES PARA EL ESCALADO DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DECELULOSA POR FERMENTACIÓN ESTÁTICA

Luis Alfonso Caicedo'>, F. P. De Franca', L. Lopez'

Recibido: 31/08/01 Aceptado: 14/12/01

Palabras clave: celulosa bacterial, ace-tobacter, fermentación estática

Keywords: bacterial cellulose, aceta-bacter, static fermentation.

RESUMEN

En la producción de celulosa bacterianapor el método estático, el factor de rendi-miento Yp/s es afectado por la concentra-ción de glucosa inicial y el tiempo defermentación. Bajas concentraciones danvalores altos de Yp/s al inicio de la fer-mentación, mientras que altas concentra-ciones requieren tiempos largos paralograr valores comparables. El área su-perficial aumenta la producción de celu-losa, pero existe una relación (áreainterfacial/volumen de medio) límite apartir de la cual la celulosa producida porunidad de área comienza a descender.Existe una relación lineal entre el espesorrelativo de película, definido como (altu-ra de película húmeda/altura de líquido),y el área por unidad de volumen de me-dio. El espesor relativo límite (altura depelícula = altura de líquido) se encontra-ría para una relación área- volumen teóri-

ca de 1,1 cm', pero en la práctica se de-terminó que este valor es de 0,8 cm' parano afectar el rendimiento de celulosa.

ABSTRACT

In the production of bacterial cellulosethrough a static method, the yield fac-tor Yp/s is affected by the concentra-tion of the initial glucose and thefermentation time. Low concentra-tions give Yp/s high values at the be-ginning of the fermentation, wherehigh concentrations require long timesto achieve comparative values. Thesurface area increases the celluloseproduction; however, there is a valueof interfacial area to liquid volume re-lationship that gives the greater valuesof cellulose per unit area. There is a li-near relationship between the film re-lative height defined as (wet filmheight/liquid height) and the interfa-cial area per medium unit volume. Forthe film relative height limit (wet filmheight = liquid height) correspondsthe theoretical value 1.1 cm', but thepracticallimit determined was ca. 0.8cm-l.

1* Universidad Nacional de Colombia. Telefax 57(1)3165334 E-mail:lcaicedo@ing.únal.edu.co2 Universidad Federal de Río de Janeiro, Escuela de Química.3 Universidad Federal de Río de Janeiro, Instituto de Macromoléculas.

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INTRODUCCIÓN

La celulosa es conocida por ser el prin-cipal componente de las plantas. Sin em-bargo, en los últimos años la celulosa deorigen bacteriano (BC) ha adquiridogran importancia por sus propiedades,que en algunos casos son superiores alas de la celulosa de origen vegetal (1,2). Dentro de sus aplicaciones se en-cuentran las de adsorbente, espesante,sustituto de piel, soporte de células e, in-clusive, materia prima para la obtenciónde papel de alta calidad (1,3,4). Dife-rentes bacterias, como Pseudomonas,Acetobacter, Achormobacter, Alcali-genes, Agrobacterrium, Rhizobium ySarcina, producen celulosa (5); sin em-bargo, las bacterias del género Aceto-bacter, en especial la A. Xylinum, sonlas más empleadas (5,6,7,8. Dentro delas técnicas propuestas para su obten-ción están el método estático y el agita-do. El primero es el más empleado anivel de laboratorio, y el segundo es elmás estudiado en los últimos años porproducir una mayor transferencia deoxígeno que favorece la producción decelulosa; sin embargo, presenta el in-conveniente de inducir en la célula lapérdida de la capacidad productora decelulosa (6, 9, 10).

Con miras a aumentar la productivi-dad, se han aislado especies más esta-bles a la agitación (11) y se ha propuestoefectuar una remoción periódica de lacelulosa producida en cultivos estáticos(6), y nuevas formas de reactor y de su-ministro de oxígeno (12). De otro lado,la celulosa obtenida por el método estáti-co, además de presentar algunas propie-dades diferentes respecto a la obtenidapor el método agitado (1), se produce en

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forma de película, la cual se empleacomo sustituto de piel (3). La produc-ción por el método estático se ha realiza-do especialmente en erlenmeyers yfrascos rouxe (1, 6), Y los estudios hanestado encaminados a estudiar variablescomo temperatura, pH, y tipo y concen-tración de sustrato (13, 14). A pesar delo anterior, pocos trabajos han sido pre-sentados con miras a estudiar las varia-bles que afectan su escalado. El presentetrabajo intenta estudiar el efecto de la re-lación área/volumen y de la concentra-ción del sustrato sobre la producción deBC en un cultivo estático.

PARTE EXPERIMENTAL

Microorganismo

Se usó un cultivo mixto de bacteriasAcetobacter, aislado de una cultura delhongo del té. La cepa se conservó enun medio compuesto por infusión de té(Camellia sinensis), preparado calen-tando a ebullición por 15 minutos 12 gde té seco en 300 mL de agua destila-da; 1% p/v de extracto de levadura y10 giL de glucosa. Este medio se este-rilizó a 120°C por 20 minutos, se ino-culó con el cultivo mixto, se dejó en laestufa por 4 días a 30°C y se almacenóa 4oc. El inóculo se preparó de igualforma, sustituyendo la infusión de tépor agua.

Medio de producción

El medio empleado para la etapa inicialcontenía extracto de levadura al 1% p/vy glucosa en concentraciones de 10, 20,50 Y 200 giL; fue esterilizado a 120°C

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por 20 minutos e inoculado con 10 mLde cultivo mixto.

Condiciones de experimentación

Fueron empleados para el estudio inicialfrascos cónicos de 500 rnl., con 150 mLde medio. En la segunda parte, para elestudio del efecto de la relación área/vo-lumen, se emplearon frascos cilíndricosde 7,6; 8,9; 10. Y 12,9 cm de diámetrointerno, y 150 mL de medio que conte-nían 20 giL de glucosa y 1%p/v de ex-tracto de levadura. La esterilización y elvolumen de inóculo fueron los mismosque en los ensayos anteriores. La tempe-ratura fue de 30°C.

Análisis

Los azúcares fueron analizados porHPLC con una columna Sugar Pack,agua des-ionizada como fase móvil y re-

fractómetro como detector. La celulosafue retirada mediante filtración en losdías 2,4,5,6,7 y 9 de acuerdo con el en-sayo, lavada con agua destilada y colo-cada en 150 mL de solución de NaOH al0,1% p/v, en ebullición, por 5 minutos.Después, fue lavada con agua destilada,colocada sobre láminas prepesadas devidrio y secada en la estufa a 30°C hastaobtener peso constante.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Efecto de la glucosa

Para estudiar el efecto de la concentra-ción inicial de glucosa, se escogieron lasconcentraciones iniciales de 10,20,50 Y200 giL. Los resultados se presentan enla figura l. Se observa que la velocidadde consumo de glucosa aumenta con laconcentración inicial de sustrato; sinembargo, la velocidad específica, defi-

10día

-+-glucosa 20 gIL ...... glucosa50 gIL -glucosa 10 gIL

Figura 1. Consumo de glucosa en función del tiempo para diferentes concentraciones inicialesde glucosa.

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nida como velocidad de consumo porunidad de masa de sustrato inicial, esmenor a medida que aumenta éste, locual puede indicar un efecto inhibitoriode la glucosa. De otro lado, con 10 giLse logra una conversión total a los sietedías, mientras que para 20 y 50 giL, alos nueve días sólo se alcanza cerca del90 %, Y para 200 giL la conversión nosobrepasa el 50 %. Esto indica, desde elpunto de vista del escalado, que altasconcentraciones de sustrato favorecen elconsumo pero alargan el tiempo de pro-ceso aumentando las posibilidades decontaminación.

Al analizar la producción de celulo-sa en la figura 2, se concluye que, en lasfases iniciales, la velocidad de forma-ción se ve inhibida por la alta concentra-ción de sustrato inicial, pero al final lavelocidad se incrementa, lo cual indicaque en las primeras etapas del procesohay un gran consumo de sustrato que se

4.5

3,5

....JCñ 2,5..UI.2 2:::sQiU 1,5

0,5

transforma en compuestos intermediosque posteriormente se aprovechan para laproducción de celulosa. Esta formaciónde intermediarios se hace más rápida a al-tas concentraciones. Lo anterior se co-rrobora analizando la figura 3, en la quemuestra el factor de rendimiento celulo-sa:sustrato (Yp/s) en función del tiempopara las diferentes concentraciones. Para10 giL, el valor de Yp/s permanece casiconstante durante los 9 días, aunque senota un ligero incremento en el últimodía, posiblemente por el empleo de un in-termediario por parte de las células; para20 giL, el valor es bajo al inicio, lo queindica una ligera inhibición de la reacciónde formación de celulosa, pero luego seestabiliza y se mantiene en intervalos queoscilan entre 0,3 y 0,35 glg. Para 50 y200 giL de glucosa, la etapa inicial se ca-racteriza por una alta transformación deglucosa y baja conversión a celulosa, ylos Yp/s son menores de 0,05 glg, pero a

5

día s10

Figura 2. Producción de celulosa en función del tiempo para diferentes concentraciones inicia-les de glucosa.

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I ....... 10 gIL glucosa -+- 20 gIL glucosa ...... 50 gIL glucosa I

5 6 10

tiempo (die.)

Figura 3. Variación del factor estequiométrico celulosa:glucosa (YP/S) con el tiempo para di-ferentes concentraciones iniciales de glucosa.

tiempos mayores hay aprovechamientode los intermediarios para formar unagran cantidad de celulosa. Para bajasconcentraciones, la formación de inter-mediarios es poca, y prácticamente laglucosa se transforma en celulosa direc-tamente, pero con bajos rendimientos.Estos resultados concuerdan con los ob-tenidos por Dudman (14) para A. aceto-genum, donde concentraciones altasrequieren tiempos largos para una ma-yor producción de celulosa y, por ende,para 50 y 200 giL, los valores de Yp/spara tiempos cortos son menores en re-lación con los de baja concentración.Las oscilaciones que se presentan en losvalores de Yp/s durante la fermentaciónpueden deberse al acople de las dosreacciones involucradas. Como se pue-de ver, en 10 y 20 giL existe un valor lí-mite de Yp/s que depende de laconcentración inicial, lo cual hace pen-sar que existe un valor económica y téc-nicamente más eficiente.

Efecto de la relación área/volumensobre la producción de celulosa

Con el fin de estudiar el efecto de lageometría del fermentador sobre la pro-ducción de celulosa, se estudiaron paraun mismo volumen de medio cuatroáreas interfaciales gas-líquido, emplean-do frascos de diferente diámetro. Elefecto del área se aprecia en la figura 4,a partir de la cual se puede concluir que,a medida que se amplía el área, se incre-menta la cantidad de celulosa producida,lo cual evidencia un efecto de la transfe-rencia de oxígeno sobre el proceso. Sinembargo, se ve una tendencia a alcanzarun valor máximo. Con el fin de verificarla influencia del área interfacial sobre laformación de producto, se determinó lacelulosa producida por unidad de áreaen función del área por unidad de volu-men de medio (figura 4); se observó quepermanece constante en un valor mediode 0,014 g/cm", hasta una relación cer-

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0.014

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O ~ U U U U U U U Uárea por unidad de volumen (cm")

Figura 4. Producción de celulosa por unidad de área para diferentes relaciones área/volumende líquido.

cana a 0,80 cm", a partir de la cual cae avalores de 0,011 g/crrr', aproximada-mente, lo que indica que existe una altu-ra mínima de líquido que permiteobtener la máxima producción de celu-losa. Para alturas superiores de líquido,existirá un volumen no aprovechado,posiblemente limitado por la transferen-cia de masa, y para inferiores, se reduci-ría la producción de celulosa por ocupartodo el volumen líquido disponible. Loanterior se corroboró graficando el es-pesor relativo de la película húmeda, de-finido como la relación entre el espesorde la película húmeda y la altura del lí-quido, contra la relación área/volumendel líquido, como se muestra en la figura5. Se aprecia que existe una relación li-neal entre las dos variables. Para un va-lor límite de espesor relativo de películahúmeda de 1, donde la altura de la pelí-cula es igual a la altura del líquido, elárea por unidad de volumen es 1,1 cm',pero el límite práctico obtenido de la fi-gura 5 que no afecta el rendimiento decelulosa por unidad de área es de 0,8crn', aproximadamente.

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CONCLUSIONES

La producción de celulosa por el méto-do estático depende de la concentracióninicial de glucosa y del tiempo de fer-mentación. Bajas concentraciones danen corto tiempo valores altos de Yp/s,mientras que altas concentraciones re-quieren tiempos de fermentación de-masiado largos para lograr Yp/scomparables e inclusive mayores.

La producción de celulosa está con-trolada por la transferencia de oxígeno,lo cual se facilita aumentando el área su-perficial del fermentador. Sin embargo,existe un valor límite de altura del líqui-do que garantiza la mayor producción decelulosa por unidad de área.

AGRADECIMIENTOS

A la División Nacional de Investigación(DINAIN) y a la Facultad de Ingenieríade la Universidad Nacional de Colombiapor la financiación parcial de este pro-yecto.

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0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,2 0,4

área inlerfaclall volumen medio (cm·')

0,6 0,8 1,2

Figura 5. Variación del espesor relativo de la película húmeda respecto a la relación área: vo-lumen de líquido.

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