El proceso de fermentación Dra. Yolanda Serrano
La fermentación es un proceso catabólico (rompimiento de compuestos complejos a compuesto sencillos) oxidativo (intercambio de electrones) de cuyo resultado o btenemos un compuesto orgánico. El producto final varía según el sustrato. En los seres vivos, la fermentación es un proceso anaeróbico donde no interviene el proceso de respiración celular. Son propias de los microorganismos, como las bacterias y las levaduras. Aunque bajo ciertas condiciones este proceso puede darse en el tejido muscular de los animales, esto ocurre cuando h ay insuficiencia de oxígeno a las células musculares. Bajo esta circunstancias se produce ácido láctico, el cual se acumula en nuestros músculos y es el causante de dolor. do lor.
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La fermentación puede ser en presencia de cantidades limitadas de oxígeno, esto se conoce como una oxidación aeróbica incompleta. Un ejemplo del producto obtenido por este tipo de fermentación es el ácido acético a partir de etanol. Las fermentaciones pueden ser: naturales, cuando las condiciones ambientales permiten la interacción de los microorganismos y los sustratos orgánicos necesarios o pueden ser artificiales, cuando el hombre favorece estas las condiciones. El proceso de fermentación es importante en la industria para convertir granos a bebidas alcohólicas (el mosto en vino y la cebada en cerveza). Además, convierte carbohidratos en CO2, esto es para hacer pan.
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Los objetivos para fermentar los alimentos son: 1. Desarrollar una diversidad de sabores, aromas y texturas en los substratos de los alimentos. 2. Preservar los alimentos a través de diferentes ácidos como por ejemplo: el ácido láctico y el ácido acético. 3. Enriquecer los substratos de los alimentos con proteínas, amino ácidos, ácidos grasos esenciales y vitaminas.
Las fermentaciones industriales
Se llevan a cabo en fermentadores o bioreactores. En estos fermentadores el sustrato es convertido a un compuesto o metabolito con la ayuda de un microorganismo.El esquema general de un proceso de fermentación incluye: 1.
Propagación el cultivo
El microorganismo a ser utilizado en la fermentación debe ser cultivado y transferido a envases con mayor cantidad de medios para así obtener un gran número de microorganismos que será inoculada en los tanques de fermentación. El gran número de microorganismos se obtiene mediante sucesivas inoculaciones.
Cultivo bacterial antes de ser transferido al tanque de fermentación a gran escala
2.
Fermentación
a.
Tanque de inóculo- aquí se inocula el cultivo inicial. Este tanque tiene un volumen desde 50 hasta 1,000L.
b.
Tanque de fermentación industrial. Tiene una capacidad desde 10,000-100,000L. Algunos pueden tener una capacidad de hasta 1,000,000L.
Tanque fermentación industrial
Tipos de fermentaciones
1. Fermentación discontinua Una fermentación discontinua (“batch”) puede ser considerada como un " sistema cerrado". Al inicio de la operación se añade la solución esterilizada de nutrientes y se inocula con el microorganismo. A lo largo de toda la fermentación no se añade nada, excepto: •
oxígeno (en forma de aire)
•
un agente antiespumante
•
un ácidos o una base para controlar el pH.
La composición del medio de cultivo, la concentración de la biomasa y la concentración de los metabolitos cambia generalmente como resultado del metabolismo de las células, observándose las cuatro fases típicas de crecimiento: •
fase de latencia
•
fase logarítmica
•
fase estacionaria
•
fase de muerte
En los procesos comerciales la fermentación frecuentemente se interrumpe al final de la fase Logarítmica o antes de que comience la fase de muerte.
2. Fermentación alimentada (fed-batch) Aquí los sustratos se añaden escalonadamente a medida que progresa la fermentación. La formación de muchos metabolitos secundarios disminuye debido a la cantidad de glucosa que está en el medio (efecto glucosa), por esta razón en este tipo de fermentación los elementos críticos de la solución de nutrientes se añaden en pequeñas concentraciones al principio del proceso y continúan añadiéndose en pequeñas dosis durante la fase de producción. Este tipo de fermentación se utiliza en la producción de sustancias como la penicilina.
3. Fermentación contínua En la fermentación continua se establece un sistema abierto. La solución nutritiva estéril se añade continuamente al tanque de fermentación (biorreactor) y una cantidad equivalente de la solución utilizada de los nutrientes con los microorganismos, se saca simultáneamente del sistema. El costo de producción de biomasa mediante cultivo continuo es menor si se compara al del cultivo discontinuo. Un ejemplo de metabolito obtenido mediante este tipo de fermentación los esuna proteína de origen unicelular que se obtiene a partir de n-alcanos y almidones. Aunque muchas fermentaciones para la producción de metabolitos funcionan bien como procesos continuos, sólo unos pocos procesos han resultado útiles para la aplicación práctica por varias razones: a.
Muchos métodos de laboratorio operan continuamente durante sólo 20 a 200 horas; para que sea de utilidad industrial el sistema debe ser estable durante al menos 500 a 1,000 horas.
b.
Es difícil mantener las condiciones estériles a escala industrial a lo largo de un largo período de tiempo.
c.
La composición de los sustratos debe ser constante a fin de obtener una producción máxima. Sin embargo, la composición de las soluciones de nutrientes industriales son variables (líquido de maceración del maíz, peptona...) lo que puede originar cambios en la fisiología de la célula y disminuir la productividad.
d.
Cuando se utilizan cepas de alto rendimiento se producen mutantes degenerados, los cuales pueden crecer en cultivo continuo más de prisa que las cepas de producción, dando lugar a que el rendimiento disminuya con el tiempo ya que cada vez son menos células las que sintetizan el producto de interés.
4. Reactores de enzimas o células inmovilizadas Consiste en pasar el medio fresco a través de un fermentador en el cual se han inmovilizado las células o enzimas. En el fermentador se producen las transformaciones bioquímicas que deseamos y recuperamos el producto transformado tras su paso por la columna. Con este sistema se eliminan los problemas de desequilibrio (estabilidad) del sistema continuo clásico y además el producto resultante está libre de células. Sin embargo, este tipo de fermentación presenta el inconveniente de que no todos los microorganismos pueden inmovilizarse. Factores que regulan el proceso de fermentación
Entre los factores que regulan el proceso de fermentación se encuentran los factores internos y los factores externos. Dentro de los factores internos observamos la genética del organismo y sus mecanismos de regulación metabólica. Estos elementos se pueden cambiar por medio de tratamientos físicos o químicos, los cuales alterarán la genética del organismo a través de mutaciones. La mutación puede aumentar, disminuir o suprimir la producción de un metabolito. También mediante la ingeniería genética podemos cambiar este factor. Los factores externos son de naturaleza física y química. Dentro de los factores físicos importantes en el proceso de fermentación tenemo s: la temperatura, la agitacióny la aireación. En los factores de naturaleza química incluimos los componentes de los medios de fermentación, el oxígenoy los tanques de fermentación o bioreactores. Los factores químicos son importantes para el manejo de los factores externos ya que pueden influenciar la expresión celular.
Hay algunos factores químicos que pueden ser negativos, por ejemplo algunos compuestos utilizados como nutrientes pueden causar que el producto final se afecte negativamente (glucosa). Si se utiliza glucosa constantemente en el medio no se produce la amilasa, ya que ésta actúa como un supresor catabólico. Si la glucosa se administra de forma controlada se puede expresar el gene y producir la proteína de interés. Otro ejemplo es del anió n fosfato, éste debe estar a una concentración de entre 0.3 a 300mM, produciéndose así un buen crecimiento.Sin embargo, si las concentraciones son mayores se suprimen la producción del producto de interés, que puede ser un antibiótico. También se ha observado que la presencia de azúcares asimilables cuando sobrepasan cierta concentración forman alcohol al cultivarse conSaccharomyces
cerevisiae. Esta levadura es usada para producir pan. En este caso se debe utilizar la alimentación (fermentación) continua. Saccharomyces cerevisiae
Visita las siguientes páginas electrónicas para que adquieras más información sobre el proceso de fermentación ya sea en tu casa o a nivel comercial. En esta página encontrarás información para h acer tu propia cerveza (birra). Un Cornelius es un fermentador. La página se titula Cerveza Mundo. http://www.cervezamundo.com/procesos/fermentacion/fermentacion-y-maduracion-en-corni Esta página nos trae una noticia sobre la fermentación del ácido málico, impo rtante en la producción de vino. La noticia se titula Genoma y vino. http://www.amazings.com/ciencia/noticias/031002b.html Descubre en la próxima página que son las lías. El título de la página es: Trabajando con las lías. http://vinosofos.blogia.com/2008/050405-trabajando-con-las-lias.php Productos de fermentación (metabolitos primarios y secundarios)
Hay dos tipos fundamentales de productos metabólicos: primarios y secundarios. Un metabolito primario es el que se forma durante la fase primaria del crecimiento del microorganismo. Un metabolito secundario es el que se forma en la fase estacionaria del crecimiento. Metabolitos primarios microbianos.
Un ejemplo de este tipo de metabolito es el etanol. El etanol es un producto del metabolismo anóxico (sin oxígeno) de la levadura y de algunas bacterias. Metabolitos secundarios microbianos. Estos metabolitos se producen durante la fase estacionaria. Estos son los que mayor importancia a nivel industrial tienen, aquí encontramos a los antibióticos, como por ejemplo la penicilina. E n el metabolismo secundario encontramos diferencias entre un organismo y otro y se caracterizan por que:
Se cree que los metabolitos secundarios no son esenciales para el crecimiento y la reproducción. La composición del medio es extremadamente importante para producir el metabolito secundario. Generalmente los metabolitos secundarios se producen como un grupo relacionado entre si, por ejemplo, en Streptomyces se ha observado que una sola cepa de una especie produce 32 antibióticos diferentes del tipo antraciclina.
Diferencias entre el metabolismo primario y el secundario
La mayoría de los metabolitos secundarios son moléculas o rgánicas complejas las cuales requieren un gran número de reacciones enzimáticas específicas. Por ejemplo, para producir tetraciclina se necesitan 72 reacciones químicas y para sintetizar eritromicina más de 25. Referencias
Waites, M.J.; Morgan, N.L.; Rockey, J.S. & Hi gton G. (2001). Industrial Microbiology, an Introduction. Blackwell Science. 288pp. Crecimiento y síntesis del producto en procesos industriales. [Internet]. Citado febrero 28, 2009. Disponible en: http://es.geocities.com/joakinicu/
