Sistemas de fermentación para ingredientes para alimentos y bebidas

Descripción general

Los productores de ingredientes para alimentos y forraje a granel, como aminoácidos, ácidos orgánicos y vitaminas, usan la fermentación como base de su producción. Los procesos industriales biotecnológicos modernos de la actualidad usan cultivos celulares microbianos cuidadosamente seleccionados y purificados, a fin de producir una variedad cada vez mayor de ingredientes y aumentar la productividad.

Durante la fermentación, los microorganismos se multiplican en biorreactores industriales, utilizando una fuente de carbohidratos como energía. El crecimiento microbiano progresa en condiciones muy controladas de aireación, velocidad de agitación, temperatura, pH y otros parámetros. La fermentación puede durar de un par de horas a varios días. Los productos finales metabólicos producidos por los microorganismos son la base de muchos ingredientes que usamos en la actualidad.

Después de la fermentación, siguen los importantes pasos de extracción y purificación de los metabolitos de interés de la masa celular. El primer paso es la clarificación del caldo primario, a fin de eliminar las células utilizadas y otros sólidos en suspensión del contenido del fermentador. La clarificación del caldo primario se lleva a cabo mediante una amplia variedad de métodos, desde el centrifugado hasta la filtración. Los fabricantes de ingredientes de la actualidad están buscando las soluciones de clarificación más rentables que proporcionen la calidad de producto más alta y el máximo rendimiento, además de garantizar la seguridad de los procesos y minimizar los volúmenes de desperdicios.

El desafío

Un productor importante de aditivos y vitaminas para forrajes necesitaba tecnología para fabricar diversos productos en un sistema cerrado. Debido a condiciones del mercado cambiantes, este productor buscaba un grado de flexibilidad en la operación, adecuado para el tipo de producto que se estaba fabricando. El caldo de fermentación tenía, en promedio, entre el 20 % y el 25 % de sólidos centrifugados, una carga de sólidos relativamente alta. Las características variables del flujo de materias primas y las condiciones de rendimiento exigían mayor flexibilidad del sistema.

Se necesitaba una máxima eficiencia de separación de los componentes deseables del caldo de fermentación a fin de lograr una calidad de fluido muy alta y constante en la etapa de purificación. La tecnología de clarificación elegida necesitaba lograr factores de concentración volumétrica muy altos a fin de maximizar el rendimiento. El sistema elegido debía ser automatizado, confiable, sencillo de operar y lo más resistente posible a los cortes de energía y las alteraciones del proceso.

La solución

Se eligió la tecnología cerámica de flujo tangencial Membralox® para esta nueva y moderna planta por su capacidad de ofrecer de manera confiable la filtración de la más alta calidad, independientemente de las características del caldo. A diferencia del centrifugado, en el que la eficiencia de separación se ve afectada por el tamaño y la densidad de las células, así como la viscosidad de los líquidos, la separación de membranas ofrece una barrera física absoluta que siempre proporcionará la separación óptima.

Asimismo, la tecnología cerámica proporcionó una solución que podía operar sin las demandas de almacenamiento, manipulación y desperdicio típicas de la tecnología de precapa con coadyuvantes de filtración. Una ventaja adicional de esta solución es la capacidad de hacer un mayor uso del flujo retenido de producto, por ejemplo, secándolo para usarlo como forraje para animales.

Se seleccionaron canales de membrana de gran diámetro para manejar los sólidos centrifugados a alta velocidad. Esto permitió lograr el mayor factor de concentración volumétrica posible y una concentración de retención superior al 45 %. A fin de maximizar más la recuperación, se usó diafiltración, lo que permitió obtener un incremento adicional superior al 25 % en el rendimiento final. Las pruebas piloto iniciales que se realizaron en un sistema a menor escala determinaron el tamaño de poro de membrana adecuado y los parámetros del proceso para ampliar la escala. Durante esta etapa, el personal de servicios Científicos y de Laboratorio de Pall® colaboró con el cliente a fin de optimizar los parámetros del proceso y proporcionar asistencia técnica en profundidad. Incluso después de la puesta en marcha del sistema, la unidad piloto continúa usándose para probar nuevas cepas de bacterias y nuevas técnicas de fermentación, lo que ha permitido el desarrollo y la mejora continuos de nuevos productos.

A partir de los resultados exitosos de las pruebas piloto, Pall ofreció más de 2200 m² de área de membrana de ultrafiltración en un diseño de módulo HCB. El rango del módulo HCB de Membralox, con su exclusiva forma de membrana hexagonal, puede obtener una densidad de empaque de membrana extremadamente alta de 285 m²/m³, lo cual reduce de manera significativa los costos del sistema de filtración.

Se pidieron tres sistemas en el transcurso de tres etapas diferentes, para adaptarse a los requisitos de capacidad de producción en constante aumento de esta planta. Los sistemas se diseñaron para proporcionar la máxima flexibilidad, alto rendimiento y control de procesos sencillo. El proceso se basa en un concepto de lote alimentado con diafiltración de lote a un volumen constante. Este concepto permite un flujo promedio alto, un área de superficie de membrana baja y una diafiltración de alta eficiencia. Los operadores pueden modificar los puntos de ajuste, como el factor de concentración volumétrica, el flujo y el índice de diafiltración, a fin de adaptarse a la calidad variable del material de alimentación y los rendimientos volumétricos que varían periódicamente. Los circuitos individuales también pueden operarse de manera independiente, en caso de desperfectos mecánicos, para que la producción pueda continuar de manera limitada. Los módulos de filtración de cerámica Membralox consisten en elementos de membrana cerámica porosa, sellados en carcasas de acero inoxidable con juntas poliméricas. Algunas de las características clave incluyen:

• tamaños de canal de alimentación con un diámetro interno de 3, 4 y 6 mm en diversas configuraciones de módulo para manejar una amplia gama de flujos de materias primas y permitir una configuración óptima del sistema; elementos extremadamente resistentes que usan una estructura de soporte de alfa-alúmina subyacente ultrapura, con un tamaño de poro de 12 µm y una porosidad del 30 %, lo que proporciona una amplia compatibilidad química, alto flujo y adecuación para la operación continua a altas temperaturas;
• diversos tamaños de poro de membrana para microfiltración y ultrafiltración.

En la filtración de flujo tangencial, el flujo de materias primas se mueve en paralelo a la superficie de filtración de membrana y el líquido purificado pasa por la membrana. El flujo paralelo del flujo de materias primas, combinado con la turbulencia de la capa de límite creada por la velocidad de flujo tangencial, aparta continuamente las partículas y otras sustancias que se acumularían en la superficie de la membrana. Como resultado, los filtros de flujo tangencial mantienen constantemente índices de permeabilidad más altos y durante más tiempo que los filtros perpendiculares convencionales. La tecnología de flujo tangencial ofrece la solución ideal para manejar aplicaciones con alta carga de sólidos.

Los beneficios

Este fabricante necesitaba un sistema rentable y flexible, capaz de lograr una calidad de permeabilidad alta y una operación confiable del sistema. El sistema Membralox ofreció lo siguiente:

• flexibilidad del sistema debido a la configuración del sistema en lotes;
• la alta recuperación de producto debido a la alta capacidad de manejo de sólidos y el uso de la diafiltración redujeron los costos y aumentaron la eficiencia de los procesos en etapas posteriores debido a la alta calidad de filtración, en comparación con las tecnologías de centrifugado y precapa;
• se redujo el mantenimiento de los procesos y el desperdicio debido a la ausencia de coadyuvantes de filtración;
• vida útil extremadamente larga debido a la construcción de elementos en cerámica;
• menor exposición del operador y protección máxima del producto debido a un diseño completamente cerrado;
• sencillez en los procesos, fiabilidad y seguridad debido a la automatización del sistema;
• ahorro de espacio gracias al tamaño compacto del sistema.

Acerca de Pall Corporation

Pall Corporation es la empresa de filtración, separación y purificación más grande y diversa del mundo. Pall presta servicio a las industrias de alimentos y bebidas con tecnología de filtración de membrana avanzada y sistema diseñados para ofrecer fiabilidad y rentabilidad. Nuestros sistemas son fáciles de instalar, sencillos de usar y satisfacen una amplia gama de requisitos de filtración. Nuestra estrategia Total Fluid Managementsm ofrece a los clientes soluciones para responder a las necesidades del proceso completo, abarcando productos de filtración, sistemas, servicios y capacitación.