El proceso de producción consta de tres etapas: preparación del inóculo, fermentación y separación y purificación del producto. El inóculo se prepara inicialmente en un matraz Erlenmeyer(SFR-101) de 1L de capacidad con 250 mL de medio de cultivo inoculado con una colonia bacteriana crecida en Placa de Petri por 24 horas. Este medio se utiliza para inocular (10 % v/v) un fermentador (SFR-102) de 5L con 2,25 L de medio de cultivo, siendo éste el inóculo a utilizar para la obtención del ramnolipido. Para la fermentación se utiliza un fermentador de tanque agitado (FR-101) de 50 L de capacidad donde se transfieren 22,5 L de medio de cultivo estéril, 2,5 L de inóculo y 1% v/v de aceite residual para un total de 25 L de volumen de trabajo. Al finalizar la fermentación en 50 horas, el medio de cultivo que contiene el biosurfactante es separado de la biomasa mediante centrifugación (DS-101) y para su purificación se utilizó el método de adsorción/desorción según la metodología descrita por Tiso y col. ¹⁶⁾ La biomasa que contiene el PHA es tratada con una mezcla de surfactante-hipoclorito para la recuperación del polímero según la metodología descrita por Choi y Lee. ¹⁷ Finalmente ambos productos son secados por liofilización.

Para realizar la simulación se tuvieron en cuenta los resultados de producción de ramnolipidos ORA9 obtenidos a nivel de laboratorio, en un biorreactor de 5L con 2,5 L de medio de cultivo y utilizando aceite de soya frito como fuente de carbono. En estas condiciones se alcanzaron concentraciones de 3 g/L de ramnolipidos y un 22% de PHA en la biomasa, en 50 horas de fermentación.

Se analizaron dos alternativas de obtención del producto:

Propuesta 1: Obtención de ramnolipidos

Propuesta 2: Obtención simultánea de ramnolipidos y PHA.

La simulación se realizó con el programa SuperPro Designer V 9.0 y en ambos casos la metodología consistió de dos pasos principales: i) Entrada de datos para la simulación y ii) Proceso de simulación.

Primeramente, se definió el modo de operación discontinuo por las características del proceso, con un tiempo de operación anual de 6602 horas (275 días y 24 horas/día). Luego se registraron los componentes y las mezclas que intervienen en el proceso. En este trabajo se registraron como componentes puros: agua destilada, biomasa, dióxido de carbono, etanol, hipoclorito de sodio, nitrato de sodio, nitrógeno, oxígeno, PHA, ramnolípidos, restos celulares, sales, aceite de soya residual, ácido sulfúrico y agua de proceso. Se registraron las siguientes mezclas: aire, tampón fosfato, medio de cultivo, solución surfactante y solución regeneradora. Posteriormente se construyeron los diagramas de flujo para ambas alternativas adicionando las unidades de proceso y las operaciones unitarias para cada una de estas unidades según el esquema definido. Finalmente se inicializaron los equipos, las operaciones unitarias y las corrientes de entrada.

Una vez introducidos todos los datos del proceso, se realizó la simulación. Se obtuvo el reporte de los balances de masa y energía, la estimación del tamaño de cada equipo y la planificación de cada operación. Igualmente, se reportaron las cantidades de los residuales del proceso.

Se especificaron las corrientes residuales y las emisiones a la atmosfera. Se elaboró el reporte ambiental que da una evaluación cualitativa y cuantitativa de cada corriente.

El diagrama de flujo de la propuesta tecnológica, con los equipos requeridos, se muestra en la figura 1. En la misma solo se procesa el sobrenadante libre de células para la obtención del ramnolípido.

Fig. 1

Una de las ventajas que tiene el empleo de un simulador es su capacidad de modelar los aspectos que son dependientes del tiempo en un proceso discontinuo, lo cual permite la generación automática de la planificación de todo el proceso¹³. En la figura 2 se observa la planificación de cuatro ciclos de producción consecutivos de la propuesta tecnológica 1, con un resumen de la planificación delamisma (esquina superior derecha). Cada ciclo se representa con un color diferente.

Fig. 2

En esta figura se muestra la ocupación del equipamiento de una planta con una sola línea de producción. Los equipos se presentan en el eje vertical mientras que en el eje horizontal se muestra el tiempo de ocupación. No se presenta todo el equipamiento requerido para el proceso; varios equipos como filtros, compresor y otros equipos menores fueron excluidos.

La producción de un lote de producto tiene una duración de aproximadamente 144 horas (figura 2). Este es el tiempo requerido desde que se inicia la preparación del inóculo hasta la purificación del producto final; pero como la mayoría de las operaciones tienen una duración menor, es posible iniciar un nuevo ciclo de producción cada 52 horas. Múltiples barras en la misma línea representan las diferentes operaciones que comparten un mismo equipo (ej: SFR-101 y C-101) y el espacio en blanco entre las barras situadas en una misma línea representa el tiempo ocioso del equipo. El equipo con menor tiempo ocioso entre ciclos consecutivos es el denominado “cuello de botella” que en este caso sería el fermentador FR-101, el cual determina el máximo número de ciclos productivos por años. Su tiempo de utilización (aproximadamente 52 horas) es el mínimo tiempo posible entre ciclos consecutivos. Basado en lo anterior y asumiendo que la planta trabaja 275 días por año, la misma procesa 126 lotes de producto, produciendo aproximadamente 67 kg de ramnolípidos anuales.

Por otra parte, como se observa (figura 2), los equipos utilizados en la separación y purificación están más tiempo ociosos que activos, por lo que pudiera instalarse varios fermentadores que operaran en modo escalonado y utilizaran el mismo equipamiento de separación y purificación. De esta forma la planificación del proceso quedaría como se observa en la figura 3.

Fig. 3

Bajo estas condiciones se logra una disminución de la duración del ciclo productivo hasta aproximadamente 37 horas con el consiguiente aumento del número de ciclos por año hasta 177 y se logra aumentar la productividad hasta aproximadamente 95 kg de producto al año

Algunas compañías biofarmacéuticas han instalado más de 4 líneas de biorreactores por línea de purificación con el objetivo de lograr ciclos de producción menores de dos días. Esta acción mejora el desempeño de la planta y a la vez minimiza el costo por kg de producto. ⁽¹²

Los equipos requeridos para esta propuesta se presentan en el diagrama de flujo mostrado en la figura 4. A diferencia de la propuesta 1, en ésta, además del sobrenadante libre de células para la producción del ramnolípido, se procesaría la biomasa para la obtención del PHA.

En la figura 5 se observa la planificación de cuatro ciclos de producción consecutivos de la propuesta tecnológica 2, con un resumen de la planificación de la misma (esquina superior derecha).

Fig. 4

Fig.5- Ocupación

Como se observa en la figura, no hubo cambios en la duración del ciclo productivo para producir un lote del producto (144 horas), ni en el número de ciclos de producción que se realizan al año (126), produciéndose 67 kg de ramnolípidos y 11 kg de PHA. Las operaciones que se ejecutan para la separación y purificación de ambos productos (ramnolipidos y PHA) se realizan de forma paralela no afectando la duración del ciclo de producción.

Al igual que en la propuesta tecnológica 1, en ésta también se observa mucho tiempo ocioso en los equipos utilizados en la separación y purificación de los productos, lo cual se minimiza instalando varios fermentadores escalonados que utilizarán la misma línea de purificación de producto, tal como se muestra en la figura 6, mejorando de esta forma la productividad de la planta.

Fig.6 -Ocupación

Bajo estas condiciones no solo se logra una disminución de la duración del ciclo productivo hasta aproximadamente 37 horas sino que además se aumenta la productividad hasta aproximadamente 95 kg de ramnolípidos y 16 kg de PHA.

Para realizar este análisis se tuvo en cuenta el Reporte de Impacto Ambiental generado por el software. Previamente se clasificaron las corrientes de salida en residuales sólidos, líquidos, orgánicos y emisión.

El proceso de obtención de ramnolípidos genera como residuales líquidos las aguas provenientes fundamentalmente de los procesos de separación y purificación del producto; como residual sólido la biomasa (en el caso de la propuesta tecnológica 1) y residuales gaseosos debido a la actividad microbiana de la fermentación.

En ambas propuestas tecnológicas, los residuales líquidos son los más generados con valores de 13 927 kg/año y 14 855 kg/año para las propuestas 1 y 2 respectivamente, y los componentes mayoritarios son el agua (53 %) y etanol (11-12 %).

El residual sólido (en la propuesta tecnológica 1), consistente en biomasa microbiana, se puede tratar térmicamente para su inactivación ¹⁸ antes de su deposición. En la propuesta tecnológica 2 este problema no se presenta pues la biomasa es utilizada para recuperar un segundo producto de alto valor biotecnológico como son los PHA.

Por otra parte, el CO₂ que se emite en ambas propuestas es similar (15-16 kg/año), producto de los procesos fermentativos que se realizan para la obtención del ramnolipido, y el mismo no contribuye al aumento de gases con efecto invernadero teniendo un impacto negativo bajo en el medio ambiente.