Aplicación del LAMBDA MINIFOR en un Biorreactor de Membrana Ruminal para la Producción de AGV
La abundancia global de biomasa lignocelulósica (BLC) —como los residuos agrícolas— representa un recurso de carbono vasto y aún infrautilizado. Sin embargo, su estructura altamente recalcitrante exige una comunidad microbiana muy especializada para su degradación eficiente. Los animales rumiantes resuelven este desafío de forma natural en su rumen, donde microorganismos celulolíticos y fermentativos convierten la BLC en ácidos grasos volátiles (AGV), la principal fuente de energía del hospedador.
Con el objetivo de reproducir este proceso digestivo altamente eficiente in vitro, investigadores de la University of Technology Sydney desarrollaron un biorreactor de membrana ruminal (rumen-MBR). En el corazón de este sistema, el biorreactor LAMBDA MINIFOR de 3 L desempeñó un papel clave. Su configuración flexible, control ambiental preciso y diseño modular permitieron simular con éxito las condiciones del rumen y realizar la extracción continua de AGV mediante una membrana de ultrafiltración sumergida.
Referencia: Nguyen AQ, Nguyen LN, Johir MAH, Ngo H-H, Chaves AV, Nghiem LD. Derivation of volatile fatty acid from crop residues digestion using a rumen membrane bioreactor: A feasibility study. Bioresour Technol. 2020;317:123571. doi:10.1016/j.biortech.2020.123571. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123571
Se utilizó un biorreactor LAMBDA MINIFOR de 3 litros para el biorreactor de membrana ruminal (rumen-MBR). El sistema se configuró con dos bombas peristálticas para la alimentación continua y la extracción del permeado, agitación biomimética ascendente-descendente y una sonda multiparamétrica capaz de monitorizar el potencial redox, la temperatura y el pH.
Crédito y referencia de la imagen: Nguyen, Q. A. (2022). Microbial community analysis using next-generation sequencing (NGS) for rumen-based anaerobic digestion systems. Doctoral thesis, University of Technology Sydney. (Chapter 6: Derivation of volatile fatty acid from crop residues digestion using a rumen membrane bioreactor) https://opus.lib.uts.edu.au/bitstream/10453/164384/2/02whole.pdf
La regulación de temperatura se logró mediante el sistema de calentamiento por infrarrojos del biorreactor, que proporciona un control térmico suave y altamente preciso. Adicionalmente, se instaló dentro del reactor un módulo de membrana de fibras huecas sumergidas, fabricado con resina epoxi para alojar 20 fibras de PVDF (Fluoruro de Polivinilideno) de 30 cm de longitud y 0.04 µm de tamaño de poro, alcanzando una superficie efectiva de filtración de aproximadamente 0.02 m².
Puesta en Marcha y Condiciones de Operación
Para el arranque del reactor, se mezclaron:
- 1 L de fluido ruminal
- 1 L de saliva modificada de McDougall
- 20 g de una mezcla de ensilado de maíz y concentrado (60:40 p/p)
El bioreactor fue purgado con nitrógeno puro hasta que el potencial redox descendió por debajo de –300 mV, estableciendo condiciones anaerobias representativas del rumen natural. El contenido inoculado se mantuvo bajo mezcla continua a 150 rpm (equivalente a 2.5 Hz) mediante un agitador con tres discos de agitación, mientras que la temperatura se controló de forma constante a 39 °C, reproduciendo fielmente las condiciones in vivo del rumen.
Operación Continua y Rendimiento del Sistema
La operación continua se logró mediante el funcionamiento simultáneo de las bombas de alimentación y permeado, manteniendo un tiempo de retención hidráulica (HRT) de 57 horas, correspondiente a un flujo de permeado de 2.07 L/m²·h. Este flujo se mantuvo deliberadamente bajo para minimizar el ensuciamiento de la membrana. Diariamente, se retiraron 100 mL de licor mixto, que fueron reemplazados por una mezcla fresca que contenía 2 g de sustrato en 100 mL de saliva, resultando en una carga orgánica de 1 g/L·día (≈ 1,14 kg DQO/m³·día). Este régimen moderado evitó tanto la mezcla insuficiente como la sobrecarga microbiana. Bajo estas condiciones, el tiempo de retención de sólidos (SRT) del rumen-MBR se calculó en 480 horas.
Crédito y referencia de la imagen: Nguyen, Q. A. (2022). Microbial community analysis using next-generation sequencing (NGS) for rumen-based anaerobic digestion systems. Doctoral thesis, University of Technology Sydney. (Chapter 6: Derivation of volatile fatty acid from crop residues digestion using a rumen membrane bioreactor) https://opus.lib.uts.edu.au/bitstream/10453/164384/2/02whole.pdf
El sistema se operó durante 44 días, con monitorización continua de pH y producción de biogás, y análisis dos veces por semana de ácidos grasos volátiles (AGV), sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV) y demanda química de oxígeno soluble (DQOs) para evaluar el rendimiento y la estabilidad del reactor.
¿Sabías que…? El LAMBDA MINIFOR admite fermentación continua de doble flujo o sistemas RUSITEC - Técnica de simulación ruminal
El sistema MINIFOR puede configurarse con un diseño personalizado de doble flujo, incorporando un brazo lateral que permite dirigir el rebose hacia un recipiente de recolección, ideal para sistemas RUSITEC (Rumen Simulation Technique) y cultivos continuos avanzados.
¿Por qué se eligió el LAMBDA MINIFOR para el Biorreactor Ruminal?
La digestión ruminal depende de temperatura estable, anaerobiosis estricta, mezcla rítmica y una comunidad microbiana activa. Estos requisitos guiaron la selección del reactor, y el MINIFOR ofreció ventajas decisivas:
Control ambiental fiable
El rumen natural opera a 39 °C, y el sistema de calentamiento integrado del MINIFOR mantuvo esta temperatura de forma constante durante todo el experimento de 44 días. Sus puertos permitieron la purga con nitrógeno hasta alcanzar un potencial redox inferior a –300 mV, creando el entorno anaerobio necesario. El fermentador-biorreactor MINIFOR está equipado con un regulador de gas MASSFLOW, que permite el suministro controlado de aire o nitrógeno.
Monitorización integrada
El sistema incorporó una sonda combinada de pH, redox y temperatura, permitiendo el seguimiento continuo de los parámetros más críticos del proceso. El control del pH es esencial en estudios ruminales, ya que la acumulación de AGV puede provocar acidificación rápida. La monitorización en tiempo real del MINIFOR garantizó una operación estable.
Análisis del gas de salida para simulación RUSITEC
La integración con LAMBDA METHAMETER y LAMBDA CARBOMETER permite la monitorización continua de metano y CO₂ en el gas de escape, facilitando un análisis detallado de la fermentación ruminal y la producción de gases.
Agitación adecuada
La comunidad microbiana y el sustrato fibroso se mezclaron mediante el sistema de agitación con tres discos de silicona del MINIFOR, operando a 150 rpm. Esta velocidad fue lo suficientemente intensa para mantener el material lignocelulósico en suspensión, pero lo bastante suave para preservar la estructura microbiana, imitando la motilidad natural del rumen.
Flexibilidad para la integración de membranas
Un elemento clave del estudio fue la incorporación de una membrana de ultrafiltración sumergida. La placa superior y los puertos laterales del MINIFOR permitieron integrar fácilmente:
- Un haz de fibras huecas de PVDF (20 fibras, 30 cm, 0,04 µm)
- Una bomba de permeado para la extracción continua de AGV
- Una bomba de alimentación para la adición de saliva artificial
Esta modularidad facilitó la combinación de fermentación y separación por membranas en un solo reactor.
Resumen
Este estudio demuestra cómo el fermentador-biorreactor LAMBDA MINIFOR puede adaptarse a procesos anaerobios complejos y sistemas acoplados a membranas. Su control preciso de temperatura, agitación fiable, sensórica integrada y diseño flexible hicieron posible reproducir las funciones clave del rumen a escala de laboratorio. El éxito del rumen-MBR confirma la idoneidad del MINIFOR para:
- Biorreactores de membrana ruminal
- Simulación del microbioma del rumen
- Modelos RUSITEC
- Sistemas de cultivo continuo de doble flujo
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