ES2258542T3 - Soporte de inmovilizacion que comprende un medio poroso. - Google Patents

Soporte de inmovilizacion que comprende un medio poroso.

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Abstract

El uso de un soporte de inmovilizacion de celulas para la produccion de liquidos fermentados, dicho soporte de inmovilizacion comprendiendo un medio poroso, dicho medio poroso comprendiendo al menos una capa de fibras de acero que han sido sinterizadas, dichas fibras de metal teniendo un diametro entre 1 micram y 30 micram y dicho medio teniendo una porosidad de al menos 70%.

Description

Soporte de inmovilización que comprende un medio poroso.
Campo de la invención
La presente invención se relaciona con el uso de un soporte de inmovilización de células en un proceso novedoso de fermentación continuo. Más particularmente, este proceso de fermentación es usado en la producción continua de cerveza.
Antecedentes de la invención
La inmovilización de células de fermentación es una técnica que puede ser aplicada en la industria de la cerveza. Esta requiere la retención de células catalíticas dentro de un fermentador y su suministro con nutrientes.
Para obtener un sistema eficiente con una alta productividad y para asegurar la calidad del producto terminado, un número de requerimientos deben ser cumplidos. Primero que todo, el soporte debe tener una alta resistencia mecánica, debe ser químicamente inerte y no debe ser tóxico para las células.
Además, un alta capacidad de carga debe ser lograda. La capacidad de carga es definida como el peso de las células con relación a la superficie del soporte. En adición, el soporte no debe tener un efecto negativo en el suministro de nutrientes a las células inmovilizadas.
Además, el sistema debe ser eficiente, fácil de operar y debe ofrecer altos rendimientos.
Tanto debido a la capacidad de carga limitada y/o las limitaciones difusionales de los soportes conocidos ninguno de ellos ha sido implementado exitosamente en las instalaciones industriales de producción de cerveza.
La inclusión o encapsulación de células de levadura en un gel polimérico, tal como perlas de k-carrageenan o alginato de calcio tiene la desventaja de que el proceso es inestable por ejemplo debido a una liberación no controlada de células al disolver el polímero.
Otros soportes de inmovilización están basados en la atracción de células de levadura cargadas negativamente por los grupos cargados positivamente del soporte tal como los grupos DEAE de celulosa modificada. Sin embargo, el uso de DEAE es dependiente de los lechos fijos, los cuales son difíciles de usar en la fermentación principal, debido a limitaciones de difusión y canalización por CO_{2}. Otra desventaja de los métodos basados en tales soportes es que otros grupos cargados negativamente tales como proteínas son también atraídas y tienen que ser eliminadas por adelantado por ejemplo por precipitación.
Un grupo más reciente de soportes para inmovilización está basado en la colonización de levadura en un medio poroso tal como perlas de vidrio porosas o material cerámico tal como carburo de sílice. Sin embargo, su uso requiere bombas de circulación o inyección de CO_{2} en grandes cantidades en la unidad de fermentación.
Sumario de la invención
Es un objeto de la presente invención proporcionar el uso de un soporte de inmovilización de células con una alta resistencia mecánica, que es químicamente inerte, fácil de manipular y el cual puede ser fácilmente limpiado, que permita una rápida colonización y una ventilación eficiente con CO_{2}, con una alta superficie específica, que está por lo tanto caracterizado por una alta capacidad de carga, en los procesos de fermentación, y más particularmente en la producción continua de cerveza.
De acuerdo a un primer aspecto de la invención el uso de un soporte de inmovilización de células es proporcionado. El soporte es en particular apropiado para la inmovilización de células de fermentación tal como la levadura.
El soporte para la inmovilización comprende un medio poroso que tiene una porosidad que es mayor que 70%. Más preferiblemente, la porosidad del soporte es mayor que 75% y más preferiblemente aún mayor que 80% por ejemplo 85%.
Un soporte caracterizado por tal alta porosidad puede ser obtenido formando al menos una capa de fibras, tal como fibras poliméricas o fibras metálicas. Posiblemente, el soporte comprende partículas de polvo en adición a las fibras.
Para evitar la migración de fibras, es preferido que cierto grado de unión entre las fibras sea obtenido.
Técnicas para proporcionar bandas de fibras poliméricas son por ejemplo el hilado por calor y presión, hilado en capas o fusión por soplado.
El soporte comprende al menos una capa de fibras de metal que han sido sinterizadas. Preferiblemente, el medio es compactado.
Posiblemente, el soporte es una estructura de capas que comprende un número de capas. Cada una de estas capas comprende una banda de fibras de metal.
Las diferentes capas son apiladas para formar una estructura de capas. La estructura de capas así obtenida es entonces sinterizada y compactada.
El diámetro de las fibras de metal está entre 1 \mum y 30 \mum, por ejemplo entre 22 y 30 \mum.
Las diferentes bandas de la estructura de capas pueden ser hechas de fibras del mismo diámetro o tener un diámetro diferente de la fibra.
Las fibras de metal usadas para el soporte de inmovilización de acuerdo a la invención puede ser hecho de metal convencional o aleaciones de metal.
Aleaciones preferidas son el acero inoxidable tal como el acero inoxidable 316L, Hastelloy®, Inconel®, Nichrome®, Aleación HR.
Estos materiales son inertes, neutrales en sabor y aprobados como alimentos. Ellos están caracterizados por una alta resistencia mecánica y una alta resistencia química.
La compactación es preferiblemente hecha por una operación de prensado isostático en frío, ya que esto permite obtener un medio con una distribución del tamaño de poro homogénea a lo largo de toda la superficie.
Puede ser preferido maximizar la superficie disponible del medio poroso en un volumen mínimo del fermentador.
Maximizando la superficie disponible, la capacidad de carga es maximizada.
Preferiblemente, la capacidad de carga es mayor que 100 g/m^{2} y más preferiblemente mayor que 150 g/m^{2} por ejemplo mayor que 200 g/m^{2}.
Una alta capacidad de carga resulta en mayores rangos de reacción y en un rendimiento de la producción mejorado.
Como se mencionó anteriormente, la porosidad del soporte es preferiblemente alta.
La estructura de poros abiertos hace posible la ventilación con CO_{2} eficiente y permite la rápida colonización de las células. Una ventilación eficiente con CO_{2} es un requerimiento absoluto para obtener un óptimo transporte del material.
La alta porosidad del material de la invención es una gran ventaja sobre los soportes existentes, tal como los soportes de SiC, los cuales están impedidos por sus limitaciones difusionales. Estas limitaciones resultan en un impacto negativo en la ejecución de la levadura.
Debido a que los poros están homogéneamente distribuidos a lo largo de toda la superficie, el proceso de fermentación ocurre de manera homogénea.
Además, debido a la alta porosidad del soporte, la capacidad de carga es alta.
El soporte usado de acuerdo a la invención tiene la ventaja de que puede ser diseñado para una transferencia de masa óptima.
Preferiblemente, el soporte tiene una estructura abierta con una gran superficie disponible.
Diferentes realizaciones pueden ser consideradas.
El soporte puede tener una forma tubular o alternativamente puede comprender varios tubos del material de acuerdo a la presente invención, colocados de forma concéntrica uno alrededor del otro.
El medio puede ser plegado, ondulado, plisado o rizado antes de que un tubo sea formado.
Posiblemente, una capa separadora puede ser proporcionada entre dos tubos concéntricos consecutivos. Una capa separadora apropiada es una malla, por ejemplo una estructura tejida regular que comprende alambres de metal. También esta capa separadora puede ser plegada, ondulada, plisada o rizada.
Alternativamente, un número de tubos concéntricos que comprenden una malla pueden ser colocados uno alrededor del otro y entre estos tubos concéntricos el medio de acuerdo a la presente invención, ondulado o no, puede estar dispuesto.
En una realización preferida, una banda que comprende fibras de metal es enrollada a lo largo de su eje longitudinal para formar un tubo envolvente circu-
lar.
También en esta realización puede ser aconsejable hacer uso de una capa separadora. Una estructura de capas que comprende el soporte y la capa separadora es de esta manera enrollada.
Tanto la banda de fibras de metal como la capa separadora pueden ser plegadas, onduladas, plisadas o rizadas.
Un soporte de inmovilización de células usado de acuerdo a la presente invención presenta la ventaja que puede ser fácilmente escalado por ensamblaje modular.
Una ventaja adicional del soporte de inmovilización es que puede ser fácilmente limpiado, por ejemplo por un lavado en sentido inverso. Ya que el lavado en sentido inverso repetido es permitido, los soportes tienen una larga vida.
El medio puede ser esterilizado de forma química o por esterilización con vapor.
El soporte es usado como soporte de inmovilización para la producción de líquidos fermentados. En particular se pretende su uso para la producción de cerveza tanto con alta como con baja fermentación. Si embargo, también puede ser usado para la producción de otras bebidas alcohólicas.
El último objetivo es usar el soporte en la producción continua de cerveza.
De acuerdo a un segundo aspecto, el uso de un soporte de inmovilización de células de acuerdo a la presente invención para la fermentación de levadura es proporcionado. El soporte de inmovilización es particularmente apropiado para ser usado en un proceso de fermentación de levadura continuo.
Una instalación para la producción continua de bebidas alcohólicas es descrito.
La instalación comprende un bio-reactor, el cual comprende al menos un soporte de inmovilización de acuerdo a la presente invención.
Preferiblemente, este bio-reactor es un bio-reactor de tubo de aspiración de elevación con gas.
El soporte para la inmovilización está localizado en el tubo de aspiración dentro del reactor.
Preferiblemente, el soporte está colocado en la parte inferior del tubo de aspiración, más preferiblemente el soporte es colocado en el fondo del tubo de aspiración.
La inmovilización de las células de fermentación es necesaria para evitar la elusión de las células durante la fermentación continua.
Preferiblemente, más del 50% de las células en el reactor están inmovilizadas.
Esto conduce a una concentración más alta de células en el tubo de aspiración que en el anillo que rodea el tubo de aspiración, resultando en una producción mayor de CO_{2} en el tubo de aspiración.
Además, a causa de las fibras de metal sinterizadas en el soporte de inmovilización es producido gas CO_{2} adicional en el tubo de aspiración, ya que burbujas de CO_{2} surgen fácilmente sobre las aristas. De esta manera la concentración de CO_{2} soluble es disminuida lo que beneficia el proceso de fermentación.
La producción más alta de gas CO_{2} en el tubo de aspiración que en la anillo promueve la circulación del medio de fermentación dentro del reactor.
Debido a su estructura abierta con una alta porosidad, el soporte de inmovilización es especialmente útil en el bio-reactor de tubo de aspiración de elevación con gas de acuerdo a la presente invención ya que el soporte de inmovilización es de poca resistencia al medio circulante.
Dentro de la instalación, el uso de bombas mecánicas o la inyección de grandes cantidades de gas no es necesario para obtener un buen mezclado y circulación del medio de fermentación.
Por otra parte, la mezcla y la circulación del medio de fermentación es accionada por el CO_{2} producido por las células de levadura.
Consecuentemente, la instalación de acuerdo a la presente invención puede ser considerada como una instalación de eficiencia energética.
La circulación del medio de fermentación favorece una fermentación continua estable. Posiblemente, el movimiento del medio de fermentación puede ser optimizado por inyección adicional limitada.
El soporte de inmovilización es especialmente útil en el paso primario de la fermentación.
Debido a que en tal instalación, el uso de bombas no es más necesario, se disminuye el riesgo de contaminación.
El riesgo de contaminación es de particular importancia en un proceso de fermentación continua.
De acuerdo a un tercer aspecto de la invención un método para la producción continua de cerveza u otras bebidas alcohólicas por medio de un proceso de fermentación es proporcionado. El proceso de fermentación es llevado a cabo en un bio-reactor, tal como un bio-reactor de tubo de aspiración de elevación con gas con un soporte de inmovilización como el descrito anteriormente.
Un método preferido comprende los siguientes pasos:
-
proporcionar un soporte de inmovilización como el descrito anteriormente;
-
inmovilizar levadura sobre dicho soporte;
-
suministrar nutriente a dicho bio-reactor, preferiblemente de una forma continua;
-
transferir una cantidad de cerveza, preferiblemente de forma continua. La cerveza transferida puede adicionalmente ser tratada, la cerveza es por ejemplo transferida a un tanque terminal para un tratamiento terminal.
Breve descripción de los dibujos
La invención será ahora descrita en más detalle con referencia a los dibujos acompañantes donde
- la Figura 1 a la 6 muestra un sección transversal de diferentes realizaciones de los soportes de inmovilización de acuerdo a la invención.
- la Figura 7 muestra la instalación para la fermentación continua.
Descripción de las realizaciones preferidas de la invención
Un medio poroso posible para un soporte de inmovilización comprende dos capas, cada una de estas capas comprende una banda de fibras de metal.
Una primera capa comprende una banda no tejida de fibras de metal con un diámetro de 22 \mum. La segunda capa comprende una banda de fibras de metal con un diámetro de 30 \mum.
Las fibras de metal son obtenidas por medio de un proceso de estiramiento como por ejemplo es descrito en US 3,379,000.
La primera y segunda capa son puestas en contacto una con otra y en un paso subsiguiente la estructura de capas obtenida es sinterizada y compactada por una operación de prensado isostático en frío.
El soporte de inmovilización tiene un peso de 1200 g/m^{2} y una porosidad de 76.78%.
Diferentes realizaciones hechas a partir de este medio poroso pueden ser consideradas. En principio, cada diseño del soporte que comprende un medio con una alta porosidad y caracterizado por una alta capacidad de carga puede ser usado en la producción de bebidas alcohólicas. En las figuras 1 a 6 algunos ejemplos ilustrativos son mostrados.
Con referencia a la figura 1, un soporte de inmovilización 10 comprende 3 tubos espaciados, concéntricos 11, 12, 13.
El medio poroso es enrollado en forma de un tubo 11, 12, 13 y es soldado. Un número de estos tubos pueden ser colocados de forma concéntrica uno alrededor del otro para formar un soporte de inmovilización.
Preferiblemente, los tubos tienen una sección transversal circular o elíptica.
El soporte tiene por ejemplo una longitud de 1500 mm y un diámetro exterior de 100 mm.
El tamaño y número de los tubos determina la superficie disponible del soporte y como una influencia directa la capacidad de carga del soporte.
Opcionalmente, una capa separadora es interpuesta entre dos tubos adyacentes concéntricos.
La sección transversal de una realización preferida de un soporte de inmovilización 20, que comprende tres tubos concéntricos 21, 22, 23 y capas separadoras 24, 25 entre dos tubos adyacentes, es mostrada en la figura 2.
La capa separadora es por ejemplo una malla tejida regular, plegada en el espacio creado entre los dos tubos adyacentes.
La figura 3 muestra la sección transversal de una realización adicional.
El soporte de inmovilización 30 comprende tres tubos espaciados, concéntricos 31, 32, 33.
El medio es ondulado antes que los tubos sean formados.
Posiblemente, una capa separadora puede estar dispuesta entre dos tubos adyacentes concéntricos.
Enrollando el medio la superficie disponible por unidad de volumen puede ser incrementada.
La figura 4 muestra una realización en la cual una banda de fibras de metal con una porosidad de 85% es enrollada a lo largo de su eje longitudinal para formar un tubo envolvente circular. La sección transversal del soporte es una curva en espiral.
El tubo envolvente circular tiene una longitud de 1500 mm y un diámetro exterior de 100 mm.
El medio poroso puede ser plegado, ondulado, plisado o rizado antes de ser enrollado.
La figura 5 muestra una forma alternativa de enrollar el medio poroso para aumentar la superficie por unidad de volumen.
La realización de la figura 6 es obtenida por
-
formar una estructura de capas poniendo el medio poroso 61 en contacto con la capa separadora 62;
-
enrollar la estructura de capas para formar un tubo envolvente circular.
La capa separadora 62 es por ejemplo una malla plegada.
Alternativamente, la malla puede ser enrollada para formar un tubo envolvente circular y el medio poroso puede ser plegado en el espacio creado por la malla.
La figura 7 muestra la instalación que comprende un tanque de alimentación 1, un bio-reactor de elevación con gas y un tanque terminal 15.
Una bomba de alimentación 3 suministra medio fresco 2 a dicho bio-reactor 6 a través de la tubería de alimentación 4 y la entrada 5. Este medio se mezcla con el medio de fermentación 7. El medio de fermentación se mueve hacia abajo en la anillo 11 y se mueve hacia arriba en el tubo de aspiración 8. Esta circulación es accionada por el gas CO_{2} 10 liberado del soporte de inmovilización 9, lo que resulta en la formación de una diferencia de densidad entre la zona de elevación determinada por el tubo de aspiración 8 y la zona de bajada determinada por la anillo 11 que rodea el tubo de aspiración.
Dos medidores de conductividad 20 y 21 miden la homogeneidad del medio de fermentación 7. Los dos medidores de conductividad están conectados a un dispositivo de lectura 22 que está conectado a una computadora 23.
El sistema es accionado por el CO_{2} producido por las células de levadura.
Normalmente, el bombeo o la inyección no son necesarios.
Si una situación de no homogeneidad ocurre, la computadora 23 regulará una válvula de aire 26 de manera tal que una cantidad de gas sea inyectada ya que es necesario para la circulación óptima.
Para este propósito, la computadora 23 está conectada a una válvula de aire ajustable 26. La válvula de aire está colocada entre la línea de alimentación de gas 27, por ejemplo para CO_{2} y/o O_{2}, y un inyector 24. El inyector 24 está equipado con un filtro de aire estéril 25.
El medio 2 es fermentado por células libres en el medio de fermentación 7 y por células inmovilizadas sobre dicho potador 9.
Preferiblemente, el medio 2 es oxigenado para suministrar las células de fermentación en dicho bio-reactor con suficiente oxígeno.
La cerveza fermentada fluye a lo largo de la salida 12 a través de la tubería 13 al recipiente de la cerveza terminada 14 donde la cerveza terminada 15 es recogida.
El CO_{2} producido puede escapar a través de un respiradero 16. Es posible recuperar el CO_{2} produ-
cido mediante una instalación de recuperación de CO_{2}.
Dicho soporte 9 está fijado en el reactor mediante alambres 19. Dicho soporte 9 está fijado en el fondo del tubo de aspiración 8. El tubo de aspiración 8 es por ejemplo colocado al 14% de la altura del líquido 7 dentro de dicho reactor 6. La relación diámetro del reactor/diámetro del tubo de aspiración es igual a la raíz cuadrada de 2. La altura del tubo de aspiración es igual por ejemplo al 75% de la altura del líquido. La altura del líquido es igual por ejemplo al 66% de la altura del reactor, el 34% del espacio superior es necesario para la formación de la espuma.
Las células inmovilizadas pueden ser eliminadas por lavado en sentido inverso del soporte.
Agua caliente o fría, solución de NaOH y/o soluciones enzimáticas, tal como glucanasa y xilanasa pueden de esta manera ser usadas.
La esterilización del medio es posible, por ejemplo mediante esterilización con vapor o mediante enjuague del medio con una mezcla de ácido peracético y H_{2}O_{2} (1.5% en volumen).

Claims (6)

1. El uso de un soporte de inmovilización de células para la producción de líquidos fermentados, dicho soporte de inmovilización comprendiendo un medio poroso, dicho medio poroso comprendiendo al menos una capa de fibras de acero que han sido sinterizadas, dichas fibras de metal teniendo un diámetro entre 1 \mum y 30 \mum y dicho medio teniendo una porosidad de al menos 70%.
2. El uso de acuerdo a la reivindicación 1, donde dicho medio tiene una capacidad de carga de al menos 100 g/m^{2}.
3. El uso de acuerdo a la reivindicación 1 o 2, donde dicho soporte comprende un número de tubos hechos a partir de dicho medio, dichos tubos son colocados de forma concéntrica uno alrededor del otro.
4. El uso de acuerdo a la reivindicación 3, donde dicho soporte comprende un separador colocado entre dos tubos concéntricos consecutivos.
5. El uso de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde dicho medio es enrollado a lo largo de su eje longitudinal par formar un tubo envolvente circular.
6. Un método para la producción continua de líquidos fermentados por medio de un proceso de fermentación sobre un soporte de inmovilización de células que comprende un medio poroso, dicho medio poroso comprendiendo al menos una capa de fibras de acero que han sido sinterizadas, dichas fibras de metal teniendo un diámetro entre 1 \mum y 30 \mum y dicho medio teniendo una porosidad de al menos 70%, dicho método comprendiendo los pasos de
-
proporcionar dicho soporte de inmovilización de células en un bio-reactor;
-
inmovilizar levadura sobre dicho soporte;
-
suministrar nutriente a dicho bio-reactor;
-
transferir una cantidad de líquido fermentado, preferiblemente de una forma continua.
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