El almidón es contenido en gránulos microscópico que está compuesto de largas cadenas de enlaces glucósidos de tipo 𝛼 − (1 → 4) que son enlaces lineales junto con ramificaciones en la fracción de amilo pectina siendo enlace tipo 𝛼 − (1 → 6) glucosidico, estos gránulos de almidón son atacados por la alfa amilasa, sin embargo, en las practicas industriales se necesita primero disolver el almidón en polvo con agua fría adicionando la enzima en el proceso para luego aumentar la temperatura de la lechada de almidón ya con la enzima incluida de forma muy rápida por medio de jetcookers que inyectan vapor a alta presión a la lechada de almidón posibilitando el inicio de hidrolisis de la solución, la enzima alfa amilasa proveniente de bacterias es muy estables a las altas temperaturas lo que la hace apta para la industria, esta hidroliza los enlaces 𝛼 − (1 → 4). La alfa amilasa ataca enlaces internos de esas cadenas más rápidamente que las cadenas terminales, una mezcla de productos con numero intermedio de residuos glucósidos es formado en preferencia a la glucosa o maltosa. Las razones para utilizar la alfa amilasa en el procesamiento de almidón son, primero, cortar las cadenas de almidón tal que estas no formen geles si la temperatura decrece, y segundo, es su utilización como proceso intermedio para posteriormente producir cadenas terminales a partir de la utilización de la glucoamilasa (Holik, 2005).
La evidencia de cómo actúa la alfa amilasa en el almidón esta referenciada por algunos autores, “La alfa amilasa son enzimas endoactivas que atacan las partes internas de las cadenas poliméricas de almidón, produciendo un rápido descenso en la viscosidad” (Fraser-Reid, Tatsuta, & Thiem, 2008, pág. 1451). El autor indica que la 𝛼 amilasa encuentra una cadena de almidón e hidroliza un enlace 𝛼 − (1 → 4) esto produce maltodextrinas de bajo peso molecular por un proceso llamado ataque múltiple en una de las 2 cadenas que inicialmente fue cortada. La malto dextrina producido en el proceso de hidrolisis depende fuertemente del microorganismo de origen de la enzima.
Los bioprocesos a menudo se miran como procesos modernos que permite el reemplazo de procesos más costosos y de mayor impacto al medio ambiente (Kent, 2007). La biocatalisis a menudo es útil en una bioconversion industrial donde esta debe ser suficientemente estable para una aplicación práctica y lo suficientemente bajo costo como para no afectar la economía del proceso completo.
23 En la opinión del autor “La biocatalisis viene en muchas formas incluyendo enzimas de alta pureza, un mix de enzimas, y en otros casos la enzima junto a la célula completa. La disposición de la enzima se relaciona con el costo y consideraciones de desempeño. A menudo una preparación cruda de enzimas puede ser relativamente barata, sin embargo la presencia de una actividad enzimática adicional puede afectar la pureza y el rendimiento del producto” (Kent, 2007, pág. 1391) estable que el punto de vista económico predomina en los procesos enzimáticos, dependiendo del tipo de proceso a llevar a cabo se puede disponer de diferentes grados de pureza, en los procesos industriales que no involucra productos alimenticios se da un estándar distintos de enzimas.
Otro punto de vista del autor señala “La necesidad de interactuar junto a un cofactor puede pesar en contra de enzimas purificadas en favor de una enzima en presencia de la célula completa” (Kent, 2007, pág. 1391). Señalando la necesidad de considerar cofactores como es el caso de los iones de calcio en el uso de la alfa amilasa, sin embargo, este factor se considera en su uso industrial, donde la dureza natural del agua industrial provee una concentración de cofactor suficiente para su correcta actuación, sin considerar que las nuevas enzimas industriales son muy resistentes a las concentraciones de cofactores, permitiendo disminuir la variabilidad de la biocatalisis.
Una característica que se hace mucha referencia es en la selectividad de muchas enzimas, por ejemplo, una enzima puede ser muy selectiva en el sustrato de preferencia, permitiendo utilizar sustrato no natural, sin embargo esto limita la aplicación potencial de la enzima. Por lo tanto, seleccionar y desarrollar una correcta biocatalisis para dar transformación es a menudo la llave para una comercialización exitosa de una conversión biocatalitica (Kent, 2007).
3.5.1. Bioreactor continuo de tanque agitado
La forma en que se lleva a cabo el proceso de bioconversion está relacionado con la naturaleza de la biocatálisis, el proceso en sí así como los aspectos económicos. Los principios de un bioreactor son los mismos que en cualquier proceso, maximizar la producción de un material dado al menor costo posible.
La bioconversion involucra la transformación de un sustrato definido a un producto, por lo general, son menos demandante que la fermentación en cuanto al crecimiento de células, debido a que la
24 fermentación requiere múltiples factores como oxigenación, velocidad de alimentación, y una correcta distribución de nutrientes que debe ser monitoreada. Sin embargo, la bioconversion a gran escala requiere un alto grado de ingeniería, por lo general, la configuración de un reactor debe ser construida de tal forma que considere los siguientes aspectos (Kent, 2007).
Característica y solubilidad de los sustratos y productos
Forma de biocatalisis (células completas, enzima soluble, o enzima inmovilizada)
Costo relativo de la biocatalisis sobre el proceso completo
Parámetros cinéticos de la biocatalisis
Equilibrio sustrato/producto
Grado de inhibición de la biocatalisis ya sea por sustrato o producto
Estabilidad operacional de la biocatalisis
Recuperación de producto
En el caso de producciones de grandes volúmenes de producto como es el caso de la presente memoria se utiliza un reactor continuo de tanque agitado o sus siglas en ingles CSBR (Continuous stirred batch reactor) el cual se observa en la Figura 3.6 es un tipo de reactor que se aproxima a una condición de estado estacionario donde el equilibrio de la reacción tiende hacia los productos de la conversión (Kent, 2007). Lo anterior significa que el tiempo de residencia de la reacción está relacionado con el flujo que ingresa al reactor junto al volumen del reactor, entre otros factores. Su modelamiento matemático es de acuerdo a la ecuación (ec 11.
Q ∙ (So− Sf) = Vmax∙ So
(Km+So)= (Densidad catalitica ∙ Volumen del reactor) ∙
So
(Km+So)
(ec 11)
Donde:
Densidad catalítica: Actividad catalítica máxima por unidad de volumen reactor [𝑀
𝑀∙𝑆] ∙ [ 1 𝐿]
Volumen reactor: Volumen de reacción dentro del reactor [L]
25 El tiempo de residencia en un reactor continuo de tanque agitado corresponde al cociente entre el volumen útil del reactor continuo de tanque agitado y el flujo de almidón de descarga para un estado estacionario donde el flujo de descarga del reactor es el mismo que ingresa al reactor, para lo cual la expresión matemática está dado por la (ec 12).
𝑡 = 𝑉/𝑄 (ec
12)
Figura 3.6: Esquema de un reactor continuo de tanque agitado (CSBR) (Kent, 2007).