Aplicación del fermentador y biorreactor LAMBDA MINIFOR en el establecimiento de un ecosistema microbiano dentro de un biocarrier

Fig 1: Potenciando la creación de un ecosistema microbiano en un Bio-Carrier. El biorreactor LAMBDA MINIFOR en funcionamiento.

La creciente demanda de carbón ha dado lugar a una importante cantidad de aguas residuales provenientes de la industria del coque que contienen contaminantes altamente tóxicos, cancerígenos, mutágeno y desafiantes. La eliminación eficaz de estos contaminantes orgánicos de las complejas aguas residuales industriales sigue siendo una de las principales preocupaciones. Aunque los tratamientos biológicos se utilizan habitualmente, estos sólo degradan parcialmente los contaminantes, lo que da lugar a la aparición de compuestos nitrogenados tóxicos, como el nitrato (NO3) y el nitrito (NO2), que son perjudiciales para los microbios existentes en las aguas residuales.

Para hacer frente a este reto, un grupo de investigadores de China desarrolló un ecosistema microbiano biocatalítico eficiente utilizando un bioportador poroso hecho de una esponja de poliuretano funcional. Este ecosistema estaba formado por un grupo único de organismos, a los que denominaron RODM, que se obtuvieron de lugares peligrosos y poseían capacidades metabólicas novedosas para degradar eficazmente los aromáticos altamente concentrados en las aguas residuales. Para mantener y mejorar el rendimiento de los RODM, se empleó la inmovilización estratégica de enzimas. Para ello, se introdujeron enzimas de oxidación y reducción directamente en el bioportador funcional de esponja de poliuretano, lo que facilitó una catálisis enzimática eficaz de los compuestos orgánicos persistentes y una degradación efectiva de los mismos.

Referencia: Ahmad, M., Yousaf, M., Han, J.-C., Huang, Y., Zhou, Y. & Tang, Z. (2023). Development of Biocatalytic Microbial Ecosystem (FPUS@RODMs@In-PAOREs) for Rapid and Sustainable Degradation of Various Refractory Organics. Journal of Hazardous Materials, 2023, 131514, ISSN 0304-3894, doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131514

En el desarrollo del ecosistema microbiano, se utilizó un biorreactor LAMBDA MINIFOR para crear una comunidad densamente poblada de RODM. La mitad del biorreactor LAMBDA MINIFOR 7L se llenó con la esponja de poliuretano funcional, y se suministró el medio nutritivo necesario para el crecimiento microbiano con un tiempo de retención hidráulica de 12 horas.

Fig 2: Biorreactor LAMBDA MINIFOR 7L con software de fermentación SIAM para control remoto y adquisición de datos.

 La membrana de poliuretano y los lodos de siembra de RODMs aislados se añadieron al biorreactor LAMBDA MINIFOR se mezclaron. Las condiciones y los parámetros se controlaron continuamente durante 50 días hasta la fusión satisfactoria de la comunidad microbiana con el bioportador de poliuretano funcional.

Fig. 3: La imagen FESEM ilustra la caracterización de los microbios, la matriz de la biopelícula, la inmovilización de enzimas y su crecimiento constante en el biocarrier de esponja de poliuretano funcional (FPUS). (Crédito y fuente: Ahmad, M., Yousaf, M., Han, J.-C., Huang, Y., Zhou, Y. & Tang, Z. (2023). Development of Biocatalytic Microbial Ecosystem (FPUS@RODMs@In-PAOREs) for Rapid and Sustainable Degradation of Various Refractory Organics. Journal of Hazardous Materials, 2023, 131514, ISSN 0304-3894, https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131514) 

a) Formación de un ecosistema microbiano compacto y poroso sobre el FPUS, con biomasa microbiana que prospera dentro de los poros del FPUS. Esta ubicación favorece la creación de redes a lo largo de las paredes del FPUS.

b) Representación visual de la matriz de la biopelícula, formada por una variedad de enzimas y grupos microbianos interconectados por componentes de Sustancias Extra Poliméricas.

c) Grupos microbianos dentro de la intrincada matriz de la biopelícula.

d) Representación de una sola célula bacteriana con un tamaño aproximado de 2 μm.

e) Agregación de enzimas en las superficies porosas de las FPUS.

f) Enzimas funcionales formando pequeños agregados 3D.

g) Agregación de enzimas en las paredes del bioportador.

h) Enzimas que adoptan diversas estructuras para llevar a cabo eficazmente bioactividades dentro de un espacio compartido.

Resultados:

El sistema desarrollado (Matriz de Poliuretano Funcional + RODMs + Inmovilización enzimática) demostró una mejora en la tasa de eliminación de orgánicos refractarios hasta 4 kg/m3/día. Esta mejora puede atribuirse a la catálisis enzimática de los orgánicos refractarios (a una concentración de 2000 mg/L) junto con la reducción simultánea de la DQO (1200 mg/L).

¿Por qué LAMBDA MINIFOR es ideal para células y materiales sensibles al cizallamiento?

El revolucionario disco de agitación "Fish-Tail", un producto nacido del ingenioso diseño de la cola de un pez, brinda una ultra suave agitación en el Fermentador LAMBDA MINIFOR con un volumen de trabajo 35ml - 6L. Esta innovación única ofrece una solución de agitación suave y óptima, emulando el grácil movimiento de las aletas de la cola de un pez en el agua. Mediante el rítmico movimiento ascendente y descendente de uno o varios discos de agitación "Fish-Tail", se consigue una delicada acción de mezcla, que abarca orientaciones tanto horizontales como verticales. Notablemente, este método mejora la eficiencia evitando bordes cortantes y micro-eddies, características comunes de los impulsores tradicionales que se encuentran en los biorreactores. El resultado directo es un aumento de la viabilidad celular.

Los agitadores ordinarios, con sus bordes cortantes potencialmente dañinos, pueden comprometer la integridad de células delicadas y materiales sensibles al cizallamiento, como el bioportador esponjoso. Incluso los agitadores redondeados pueden provocar remolinos indeseables. Surge el dilema: ¿priorizar el intercambio gaseoso y la oxigenación arriesgándose a dañar las células, o proteger las células y sacrificar la eficacia del intercambio gaseoso?

La naturaleza ofrece una solución anterior a la existencia humana: el agitador de cola de pez. Su forma aerodinámica propulsa a los peces a través del agua sin crear remolinos perturbadores. Inspirándonos en este diseño, hemos creado un agitador para el fermentador-biorreactor LAMBDA MINIFOR que imita la eficacia de la cola de pez y elimina el riesgo de dañar las células. El disco agitador "Fish-Tail" cuenta con un borde fino y suave que garantiza que las células permanezcan intactas, incluso durante la mezcla de alta eficiencia. Esto significa que, con nuestra tecnología "Fish-Tail", puede conseguir una aireación óptima en los cultivos celulares sin comprometer su bienestar. Diga adiós a la disyuntiva entre intercambio de gases y protección celular. Abrace el futuro de la mezcla suave pero eficaz con nuestra innovadora tecnología de agitación "Fish-Tail". Descubra un nuevo reino de posibilidades en el que sus cultivos celulares y materiales sensibles prosperarán.

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