Industria: Fermentación en Estado Sólido

Phil Ayres, Serafim Bakalis, Dennis Sandris Nielsen, Christian Beenfeldt

Aumentar la escala no necesariamente es la mejor solución.

Introducción
La fermentación en estado sólido (FES) es un proceso de fabricación biológica en el que hongos, bacterias u otros microorganismos crecen sobre sustratos sólidos húmedos y los transforman mediante su actividad metabólica. Es una de las tecnologías de bioprocesamiento más antiguas de la humanidad, con origen en prácticas de fermentación de alimentos de miles de años de antigüedad. Durante el siglo XX, se encontraron aplicaciones para la FES que van más allá de la producción tradicional de alimentos y comenzó a utilizarse ampliamente en la fabricación de enzimas y metabolitos. En los últimos 25 años, evolucionó, además, como plataforma de biofabricación, lo que posibilitó producir biomateriales compuestos cultivados principalmente sobre residuos agrícolas y forestales. Mediante una cuidadosa selección de microorganismos, sustratos y protocolos de cultivo, se puede ajustar estos materiales para exhibir una amplia variedad de propiedades térmicas, acústicas, estructurales y de otra índole, con aplicaciones en envases, aislamiento, productos para interiores y materiales de construcción. A medida que la FES aplicada a la biofabricación pasa de usos de nicho a una adopción industrial más amplia, surgen preguntas acerca de cuáles son los modelos adecuados y responsables para escalar la producción. La cuestión del escalado resulta igualmente pertinente en los sistemas alimentarios, en los que la transición hacia alimentos basados en plantas y derivados de la fermentación genera demanda de modelos productivos capaces de alcanzar volúmenes significativos y, al mismo tiempo, mantener la sostenibilidad y la eficiencia en el uso de los recursos. En lugar de considerar el escalado como un desafío específico de los sistemas alimentarios o del entorno construido, ¿podríamos concebir nuevos modelos de colaboración en torno a problemáticas compartidas? Es precisamente esta premisa la que ha sustentado la inversión en una planta piloto de FES de última generación, actualmente en etapa de definición de alcance y diseño, en el Campus Kalundborg, un centro educativo, de investigación e innovación de Kalundborg especializado en biomanufactura, biosoluciones y biotecnología, que estará plenamente operativo en 2028.

En este artículo analizamos de qué modo las restricciones biológicas y materiales de la fermentación en estado sólido representan un desafío al escalado industrial convencional. Destacamos el potencial de los modelos de producción distribuidos y biorregionales, así como el papel de la planta piloto de FES del Campus Kalundborg en el ensayo de nuevas infraestructuras intersectoriales, formas de colaboración y trayectorias hacia una biofabricación resiliente. La planta piloto tendrá una capacidad de producción de aproximadamente 600 litros de material, distribuida entre una serie de tambores rotativos.

Desafíos del escalado de la FES dentro de los modelos industriales existentes
Históricamente, el escalado industrial se ha asociado con la concentración de la producción y la búsqueda de eficiencia mediante sistemas de fabricación cada vez más centralizados. Este paradigma se aplicó con éxito a la fermentación líquida, en la que grandes instalaciones, insumos homogéneos y entornos estrictamente controlados permitieron obtener resultados previsibles a escala industrial. Sin embargo, al aplicar el mismo paradigma a la fermentación en estado sólido (FES), esta lógica puede alcanzar rápidamente sus límites. La FES opera bajo restricciones y condiciones materiales para las cuales el paradigma dominante del escalado industrial, basado en enfoques de gran tamaño, centralizados y estandarizados, puede no ser adecuado. Podría requerirse una lógica infraestructural diferente. Por lo tanto, abordar productivamente la FES no implica solo mejorar los reactores o refinar los sustratos, sino también reconsiderar cómo se organiza la producción biológica en el tiempo y el espacio, cómo se relaciona con la disponibilidad de recursos y cómo circula el valor dentro de las regiones. En este contexto, las infraestructuras piloto, como la planta piloto de fermentación en estado sólido del Campus Kalundborg, en Dinamarca, adquieren relevancia porque ofrecen un espacio para explorar, poner a prueba y llevar a la práctica las implicancias de esos límites. Asimismo, esta es una infraestructura fundada sobre la base de nuevas alianzas entre campos de investigación muy diversos, como la ciencia de los alimentos, la biotecnología y la arquitectura. De este modo, constituye un ejemplo concreto de cómo la FES puede servir como plataforma para reconfigurar las relaciones entre campos de conocimiento tradicionalmente compartimentados y establecer colaboraciones entre sectores capaces de generar efectos positivos en las cadenas de suministro y de valor.

En la mayoría de los ámbitos industriales, el escalado se concibe como un proceso unidireccional: un sistema que se ha probado a escala de laboratorio se amplía gradualmente hasta alcanzar una capacidad de producción comercial. Este enfoque se basa en el supuesto de continuidad entre escalas: aquello que funciona en un matraz debería funcionar, con ajustes menores, en un biorreactor miles de veces mayor. Este supuesto sustenta gran parte de la biotecnología industrial y resulta especialmente adecuado para los sistemas líquidos, en los que pueden modelarse matemáticamente y diseñarse con relativa precisión la dinámica de los fluidos, el mezclado y la transferencia de calor. Además de estas capacidades de control y predicción, los sistemas líquidos cuentan con una amplia experiencia en medición y caracterización de precisión, capacidades que actualmente están menos desarrolladas para los sistemas de FES. La fermentación en estado sólido representa un desafío para la transferencia directa de conocimientos especializados y protocolos provenientes de los sistemas en estado líquido, porque escala de una manera diferente. En la FES, la actividad biológica suele desarrollarse dentro de una matriz compacta y heterogénea, en lugar de un líquido en movimiento. El crecimiento microbiano en la FES ocurre a través de gradientes de humedad, oxígeno y temperatura difíciles de estandarizar. Cuanto mayor es el sistema, más pueden intensificarse estos gradientes, con el consiguiente riesgo de generar zonas de actividad desigual. Esto puede comprometer el rendimiento, la uniformidad y la seguridad. Debido a estos factores, escalar la FES de manera eficaz y robusta no puede reducirse a aumentar el volumen de producción. Las características del sistema son más complejas y requieren atravesar una serie de umbrales a partir de los cuales pueden producirse cambios cualitativos en su comportamiento. El calor comienza a acumularse más rápido de lo que puede disiparse. El oxígeno no logra penetrar grandes volúmenes y/o sustratos densos. La humedad migra de manera desigual. Los episodios de contaminación localizados pueden propagarse de forma imprevisible.

Estos umbrales suelen tratarse como problemas técnicos, pero también pueden interpretarse como señales organizativas. Indican que, a partir de cierto punto, el aumento de escala no genera mejoras proporcionales de eficiencia, sino que introduce nuevas formas de inestabilidad. Desde esta perspectiva, la cuestión del escalado pasa de ser cómo atravesar esos umbrales a considerar si estos podrían señalar la necesidad de un modelo de producción completamente diferente.

Para comprender por qué la FES se resiste al escalado convencional, es necesario considerar su realidad material. A diferencia de la fermentación líquida, en la que los insumos pueden disolverse en medios relativamente uniformes, la FES trabaja directamente con sustratos sólidos. Estos suelen ser residuos agrícolas o industriales de estructura compleja, composición variable y difícil estandarización. Su contenido de humedad fluctúa según las condiciones de almacenamiento y el clima. La distribución del tamaño de las partículas varía en función de los métodos de procesamiento. Los perfiles de los nutrientes cambian según el origen, la estación del año y la manipulación. Incluso dentro de un mismo lote de sustrato, es de esperar que la heterogeneidad sea la norma y no la excepción. A pequeña escala, esta variabilidad puede controlarse mediante una preparación y una observación cuidadosas. A mayor escala, se convierte en una incertidumbre operativa significativa. Los sistemas diseñados para insumos uniformes tienen dificultades para adaptarse a esa variabilidad sin recurrir a costosos procesos de pretratamiento o regímenes de control de calidad. En muchos casos, los costos económicos y energéticos de imponer uniformidad superarán el valor generado por la fermentación. Esto plantea una paradoja: la misma característica que vuelve atractiva a la FES, su capacidad para trabajar con residuos heterogéneos de valor bajo, también dificulta su escalado dentro de los modelos industriales convencionales. Forzar estos materiales a integrarse en procesos estandarizados puede anular las ventajas que los volvieron deseables en primer lugar.

Los desafíos del escalado entendidos como oportunidades de diseño
Si las características materiales y biológicas de la FES se resisten a la centralización, sus limitaciones pueden entenderse mejor como parámetros de diseño que como obstáculos. La acumulación de calor, por ejemplo, establece un límite máximo para el tamaño del reactor. La difusión de oxígeno limita el espesor de las capas de sustrato. Las restricciones de manipulación determinan cómo los materiales pueden cargarse, voltearse o cosecharse. En lugar de intentar eliminar por completo estas restricciones, un enfoque más productivo consiste en trabajar dentro de ellas y diseñar sistemas que operen a escalas en las que estas variables sigan siendo manejables. En términos de infraestructura operativa, esto apunta hacia unidades más pequeñas y modulares, que puedan replicarse en lugar de ampliarse. Este enfoque reformula el escalado como multiplicación, más que como expansión. El modelo puede desplegarse en distintas escalas. En lugar de utilizar un único biorreactor de gran tamaño dentro de una instalación, la capacidad total de producción puede distribuirse entre varios reactores; en lugar de construir una única planta de gran tamaño, pueden distribuirse varias instalaciones menores en una región, de modo que cada una opere dentro de los límites impuestos por las características biológicas de la FES. Resulta fundamental que este modelo se ajuste mejor a la distribución geográfica de las propias materias primas. Los residuos sólidos rara vez se concentran en un único lugar. Se generan en paisajes agrícolas, plantas de procesamiento y nodos industriales. Transportarlos a largas distancias implica costos logísticos e ineficiencias, en particular debido a su baja densidad y calidad variable. Al ubicar la producción más cerca de los lugares donde se generan los residuos, los sistemas distribuidos de FES reducen las cargas de transporte, preservan la calidad de los materiales y retienen valor dentro de las regiones. En este sentido, los límites de la FES pueden redefinirse como territoriales, más que técnicos.

Las implicancias de este cambio trascienden el diseño de procesos y se extienden a cuestiones más amplias de organización territorial. Una perspectiva biorregional parte del reconocimiento de que la producción biológica está inserta en sistemas ecológicos y materiales que varían de un lugar a otro. En lugar de imponer un modelo universal, pregunta cómo configurar la producción en función de los recursos, los conocimientos y las infraestructuras disponibles localmente. Desde este enfoque, la FES deja de ser una tecnología aislada y se convierte en una plataforma de conexión entre diferentes sectores. Los residuos agrícolas pueden transformarse en insumos para ingredientes alimentarios, alimentos para animales o materiales de construcción. Los subproductos industriales pueden incorporarse a nuevas cadenas de valor. Los conocimientos locales sobre fermentación pueden extenderse a nuevos campos. En este contexto, lo que distingue a la FES es su capacidad para operar en distintos ámbitos sin requerir insumos altamente refinados. Puede trabajar con los materiales disponibles y adaptarse a la variación en lugar de eliminarla. Esto la vuelve particularmente adecuada para los sistemas biorregionales, en los que la diversidad de materiales constituye la norma. Al mismo tiempo, esta adaptabilidad plantea desafíos de coordinación. Para funcionar con eficacia, los sistemas distribuidos requieren normas compartidas, marcos de calidad y canales de comunicación. Sin ellos, la variabilidad puede convertirse en fragmentación y debilitar la confiabilidad y la integración de los mercados. Es aquí donde la infraestructura se vuelve crítica: no solo la infraestructura física, sino también las formas institucionales y organizativas que permiten coordinar nodos distribuidos.

El papel de las instalaciones a escala piloto
Las instalaciones a escala piloto, como la planta piloto de FES del Campus Kalundborg, pueden ocupar una posición decisiva en este panorama, ya que operan en un espacio intermedio donde los sistemas pueden probarse en condiciones que comienzan a aproximarse a la producción real. Esta escala intermedia es esencial para la FES. Los experimentos de laboratorio rara vez reflejan las complejidades de la manipulación, la mano de obra, el consumo energético y el riesgo de contaminación que aparecen a escalas mayores. Por su parte, la industria suele mostrarse reacia a asumir los riesgos asociados con sistemas no probados, en especial cuando su desempeño es incierto. Las plantas piloto reducen esta brecha. Permiten someter los procesos a pruebas de exigencia bajo restricciones significativas y revelar los límites prácticos que condicionan su implementación. También ofrecen un espacio en que distintos actores, como investigadores, ingenieros, operadores y socios industriales, pueden trabajar en conjunto y desarrollar una comprensión compartida tanto de los sistemas biológicos como de las realidades materiales. Quizás lo más importante sea que permiten experimentar con modelos organizativos. Las instalaciones piloto pueden poner a prueba no solo cómo funciona un proceso, sino también dónde debería ubicarse, cómo se relaciona con las industrias existentes y cómo pueden integrarse sus productos en los mercados. En este sentido, funcionan como ámbitos de negociación entre la posibilidad tecnológica y la realidad territorial.

La planta piloto de FES en Kalundborg
Aunque existen instalaciones piloto de FES en distintas partes del mundo, la planta piloto de FES del Campus Kalundborg se distingue por la combinación específica de disciplinas y actores que reúne. La integración deliberada de la ciencia de los alimentos, la biotecnología industrial y la arquitectura y la construcción, junto con su emplazamiento en uno de los ecosistemas de fermentación más importantes del mundo, crea una plataforma potencialmente singular. Asimismo, su relevancia reside menos en las tecnologías o metodologías específicas que se emplearán que en la forma en que integrará educación, investigación y participación industrial dentro de una infraestructura compartida. Si bien la plataforma presenta numerosos aspectos singulares, también incluye varios elementos ampliamente transferibles. Uno de ellos es el énfasis en la capacidad de transferencia. Al crear un espacio donde estudiantes, investigadores y actores industriales pueden trabajar con los mismos equipos y procesos, la planta piloto reduce la distancia entre la producción de conocimiento y su aplicación. Esta articulación contribuye a formar personal altamente calificado, capaz de desenvolverse con solvencia tanto en contextos experimentales como operativos y de adquirir experiencia en las sutilezas necesarias para orientar la FES hacia diversas exigencias funcionales de materiales y productos en distintos sectores. Otro elemento transferible es la atención a las restricciones del mundo real. La instalación no está diseñada para operar en condiciones ideales de laboratorio, sino para abordar la variabilidad y la complejidad de las materias primas y los procesos reales. Esto permite comprender de manera más realista qué puede y qué no puede hacer la FES, y ayuda a evitar las expectativas exageradas que suelen acompañar a las tecnologías emergentes.

Un tercer elemento clave es la construcción de alianzas intersectoriales. Desde el inicio, la visión y la implementación se orientaron a fortalecer alianzas entre actores de los sistemas alimentarios, la ciencia de los materiales y el entorno construido. Esto generará oportunidades de transferencia de conocimientos y colaboración que serían difíciles de alcanzar dentro de instituciones compartimentadas. Esto resulta especialmente importante para la FES, situada en la intersección de múltiples campos. Por último, la planta piloto adopta una perspectiva abierta al escalado distribuido. Aunque ofrece un sitio central para la experimentación, no presupone que la producción terminará centralizándose. En cambio, respaldará el desarrollo de protocolos y sistemas adaptables a diferentes contextos.

Al mismo tiempo, existen aspectos significativos del contexto de Kalundborg que no son fácilmente transferibles. La región cuenta con una extensa trayectoria de simbiosis industrial, en la que las empresas desarrollaron mecanismos para intercambiar energía y flujos de materiales. Esta historia produjo tanto infraestructura física como confianza institucional, dos condiciones que no pueden reproducirse rápidamente en otros lugares. Los marcos regulatorios, los sistemas educativos y las estructuras de financiamiento también cumplen un papel fundamental. La capacidad para articular la formación profesional, la educación superior y la participación de la industria depende de configuraciones institucionales que varían ampliamente entre regiones. Lo que funciona en Kalundborg puede no trasladarse de manera directa a otro contexto.

Igualmente importante es la densidad de la actividad industrial. La proximidad entre las actividades de fermentación biotecnológica, producción de energía y manufactura en Kalundborg genera una concentración de conocimientos especializados y recursos que favorece la experimentación. En las regiones en las que esa densidad no existe, deben desarrollarse formas alternativas de coordinación, en general a través de mayores distancias. Incluso en el nivel de los sustratos, la especificidad es relevante. Los tipos de residuos disponibles, sus cantidades y su distribución estacional variarán de manera significativa. El diseño de sistemas de FES requiere un conocimiento detallado de estos factores, que no pueden trasladarse desde otro contexto sin adaptación.

La capacidad de transferencia de los enfoques más que de los modelos técnicos
Quizás la enseñanza más importante de Kalundborg no sea un modelo técnico, sino un enfoque: uno que parte de las condiciones locales, construye alianzas entre sectores y utiliza la infraestructura piloto como espacio de aprendizaje iterativo. Al abordarse de esta manera, los límites de la FES se vuelven productivos y promueven la formación de alianzas que, de otro modo, podrían no surgir. Las industrias de fermentación de alimentos, por ejemplo, poseen conocimientos profundos sobre sistemas microbianos, control de la contaminación y estandarización de procesos. Estos conocimientos resultan directamente relevantes para las aplicaciones emergentes en biomateriales y construcción, en las que deben gestionarse procesos biológicos similares a escala. Sin embargo, estos sectores permanecen relativamente aislados. La FES ofrece un espacio común en el que sus conocimientos pueden converger.

De manera similar, la agricultura y la construcción se interrelacionan. Los residuos de cultivos pueden superar sus usos de valor bajo y convertirse en insumos para aislantes, paneles y otros materiales. Los sistemas ganaderos también pueden integrarse mediante la producción de alimentos mejorados para animales y materiales destinados a los establecimientos agropecuarios, lo que genera relaciones circulares entre producción y consumo. Los residuos forestales y agrícolas pueden combinarse en sustratos híbridos y reducir la presión sobre cada flujo de recursos por separado. Los flujos de desechos industriales provenientes de los procesos de fermentación pueden revalorizarse como insumos ricos en nutrientes. En todos los casos, las restricciones de la FES, como su dependencia de materiales locales, su sensibilidad a la escala y su necesidad de una manipulación cuidadosa, pueden convertirse en las condiciones que vuelven pertinentes estas alianzas.

En conjunto, estas dinámicas apuntan a modelos reconfigurados para la biofabricación mediante FES. En lugar de concentrar la producción en grandes instalaciones, puede resultar más viable y robusta una red distribuida de unidades de mediana y pequeña escala. Las unidades se conectan mediante sistemas compartidos de conocimiento, monitoreo digital, estructuras cooperativas y cadenas de suministro coordinadas, en lugar de hacerlo mediante la concentración física. Este modelo no implica falta de estandarización. Por el contrario, requiere marcos sólidos que garanticen la calidad y la compatibilidad entre los distintos emplazamientos. Lo que cambia es la localización de la producción, no la necesidad de coordinación.

Este enfoque distribuido se alinea con preocupaciones sociales más amplias. Fortalece la resiliencia regional al reducir la dependencia de infraestructuras centralizadas. Permite retener valor dentro de las comunidades. Reduce las emisiones del transporte asociadas al traslado de biomasa voluminosa. También genera oportunidades para formas más diversas de participación en las economías de base biológica.

La fermentación en estado sólido constituye un caso especialmente revelador que cuestiona el paradigma dominante del escalado industrial. La limitación térmica, la variabilidad de los materiales y la complejidad de la manipulación de la FES definen restricciones que no son simples barreras por superar. Son señales de que podría resultar más adecuado otro modelo. Uno de los objetivos centrales de la planta piloto de FES es demostrar cómo abordar productivamente esas señales. Al proporcionar un espacio para experimentar en condiciones reales y fomentar alianzas entre sectores, esperamos que se convierta en un banco de pruebas que posibilite la aparición de nuevas formas de producción.

Lo que está en juego, en última instancia, no es solo el futuro de la FES, sino la cuestión más amplia de cómo se organiza la biofabricación. Si ha de convertirse en un componente significativo de los sistemas de producción sostenibles, debe adecuarse a las realidades materiales de las regiones en las que opera. Esto requiere un cambio de perspectiva. En lugar de preguntarnos cómo escalar la FES para que encaje en los modelos industriales existentes, la pregunta pasa a ser cómo podrían reconfigurarse esos modelos en respuesta a sus características.

En este sentido, los límites de la fermentación en estado sólido no son fallas de ingeniería. Son fronteras que definen una trayectoria diferente y potencialmente más resiliente, en la cual la producción biológica es distribuida y adaptable, y está estrechamente vinculada con los territorios y las comunidades de los que obtiene sus recursos. La planta piloto de FES del Campus Kalundborg proporciona la infraestructura necesaria para aprender a construir productivamente dentro de esos límites, en lugar de intentar eliminarlos.