PROCESOS DE TRANSFERENCIA EN BIORREACTORES La medición de la capacidad de transferencia de masa, oxígeno, en un biorreactor aerobio es de suma importancia, por cuanto dicho valor determinará la productividad del sistema. La característica general de los problemas de transferencia de masa en un sistema fermentativo es que el oxígeno pasa desde una fase a otra en la cual se encuentra el microorganismo. Las distintas etapas presentes en este fenómeno son:
Transporte del oxígeno desde la fase gaseosa hacia la interfase gas-líquido.
Difusión del oxígeno a través de la interfase gas-líquido.
Transporte del oxígeno a través de la fase líquida hasta las vecindades del microorganismo.
Difusión del oxígeno en la interfase líquido-sólido (célula).
Difusión intrapartícula (intracelular)
Reacción bioquímica intracelular.
Una de las particularidades de la ocurrencia de este fenómeno es que todas estas etapas se dan en serie. Se ha determinado, por ejemplo, que en microorganismos unicelulares la etapa limitante la constituye la difusión del oxígeno en la interfase gas-líquido, de modo que la velocidad neta de transferencia de masa se expresa en términos de un coeficiente de transferencia requerido a la fase líquida, el área de la interfase y un gradiente de concentraciones de oxígeno entre la interfase y la fase líquida. Sin embargo, en fermentaciones fermentaciones donde se forman agregados celulares o “pellets”,
la difusión del oxígeno a través de los agregados se constituye el paso limitante. Es decir, el producto del coeficiente de transferencia de oxígeno y el área de la interfase gas-líquido representan un índice de la capacidad de aeración de un biorreactor. El valor de este parámetro depende del diseño del biorreactor, del grado de agitación (o consumo de potencia por unidad de volumen de biorreactor), del flujo de aire (medidos como VVM), de la viscosidad del medio, de la presencia de antiespumantes, entre otros. En consecuencia, el diseño y las condiciones de operación del biorreactor deben ser tal que satisfacen los requerimientos de oxígeno por el microorganismo. Consideremos una burbuja de aire moviéndose en un líquido en fermentación. El oxígeno debe pasar desde el interior de la burbuja hacia el líquido y posteriormente ser consumido por los microorganismos. Hemos señalado una serie de pasos o etapas en este fenómeno tan complejo; sin embargo vamos a restringir nuestro estudio a sólo tres etapas, como son:
El transporte de oxígeno desde el se no de la burbuja hacia la interfase,
La difusión del oxígeno a través de la interfase gas-líquido.
El transporte a través del líquido.
Por lo tanto, evaluar la transferencia de oxígeno en un sistema de fermentación implica el cálculo de las resistencias diversas al paso del oxígeno de la burbuja de aire hasta su difusión en la cé lula.
Para el estudio de un problema de transferencia de masa, son importantes las condiciones de la interfase. Con excepción de los casos de transferencia extremadamente intensos o de acumulación de partículas sólidas en la interfase, la experiencia muestra que existe equilibrio entre las fases a través de la interfase. Es decir, si una burbuja de aire se mueve en un líquido en una fermentación, el oxígeno debe pasar desde el interior de la burbuja hacia el líquido, para finalmente ser consumida por las células. En otras palabras, la concentración de oxígeno en el gas, junto con la interfase, está en equilibrio con la concentración de oxígeno en el líquido, también junto a la interfase. Ya que existe equilibrio entre las fases en la interfase, se puede aplicar las leyes que rigen en el equilibrio. La manera más simple es por la ley de Henry: p1 = H * Ci
TEMPERATURAS A LAS CUALES SE MUEREN LOS MOHOS, LEVADURAS Y BACTERIAS La temperatura es uno de los principales factores que afectan al crecimiento y la supervivencia de los microorganismos. Cada microorganismo tiene sus temperaturas cardinales:
Temperatura Mínima: por debajo de la cual no hay c recimiento -
Por gelificación de la membrana
-
Por detenerse prácticamente el transporte de nutrientes/gradiente de protones.
Temperatura Máxima: por encima de la cual no existe crecimiento. -
Por desnaturalización proteica.
-
Por colapso y rotura de la membrana (lisis celular)
Temperatura óptima: A la que se da el crecimiento óptimo. -
Porque las reacciones enzimáticas alcanzan su máxima velocidad.
Refrigeración. - A temperaturas inferiores a la óptima, la velocidad de crecimiento de los microorganismos disminuye y los periodos de latencia se alargan mucho. - A una temperatura de refrigeración (0 - 5º C) los organismos psicrófilos crecen más rápidamente que los mesófilos. Po tanto, la baja temperatura supone un factor de selección de la flora del alimento de gran importancia. - Cuando se enfría rápidamente un alimento muchas de las bacterias mesófilas que normalmente resistirían la temperatura de refrigeración, mueren como consecuencia del «choque de frío». Esto es más frecuente en Gram-negativas que en Gram-positivas. - A baja temperatura las rutas metabólicas de los microorganismos se ven alteradas, como consecuencia de su adaptación al frío. Estos cambios metabólicos pueden dar lugar a que se produzcan deterioros diferentes, causados por los mismos microorganismos a diferentes temperaturas. - El deterioro de alimentos refrigerados se produce por microorganismos psicrofilos porque, aunque sus velocidades de crecimiento son lentas, los periodos de almacenamiento son muy prolongados. - Los microorganismos patógenos son, en su mayoría, mesófilos y no muestran crecimiento apreciable, ni formación de toxinas, a temperaturas de refrigeración correctas. Ahora bien, si la
temperatura no es controlada rigurosamente puede producirse un desarrollo muy peligroso rápidamente.
Congelación - La congelación detiene el crecimiento de todos los microorganismos. Los superiores (hongos, levaduras, helmintos) son más sensibles que las bacterias y mueren. - A temperaturas más bajas (-30º C) la supervivencia de las bacterias es mayor que en temperaturas de congelación más altas (-2 a -10º C), sin embargo estas temperaturas también deterioran el alimento más que las más bajas. - La congelación puede producir lesiones subletales en los microorganismos contaminantes de un alimento. Este aspecto hay que considerarlo al hacer control m icrobiológico. - Durante la congelación la carga microbiana continua disminuyendo. Sin embargo, las actividades enzimáticas de las bacterias pueden continuar dando lugar a más de terioro. - Tras la congelación los microorganismos supervivientes pueden desarrollarse en un ambiente en el que la rotura de la integridad estructural del alimento como consecuencia de la congelación puede producir un ambiente favorable para el deterioro microbiano.
Altas temperaturas. - Las temperaturas superiores a las de crecimiento óptimo producen inevitablemente la muerte del microorganismo o le producen lesiones subletales. Las células lesionadas pueden permanecer viables; pero son incapaces de multiplicarse hasta que la lesión haya sido reparada. - Aunque se han observado excepciones, está perfectamente establecido que la cinética de termodestrucción bacteriana es logarítmica. - Se pueden determinar para cada microorganismo y alimento los valores de termodestrucción D y z. - La velocidad de termodestrucción se ve afectada por factores intrínsecos (diferencia de resistencia entre esporas y células vegetativas), factores ambientales que influyen el crecimiento de los microorganismos (edad, temperatura, medio de cultivo) y factores ambientales que actúan durante el tratamiento térmico (pH, aw tipo de alimento, sales, etc.).
Microorganismos psicrófilos Son organismos capaces de vivir a temperaturas por debajo de los 5 °C. A veces se los llama criófilos (amantes del hielo). Sus temperaturas m ínimas de desarrollo van de −5 a +5 °C, sus temperaturas óptimas de desarrollo se encuentran entre 12-15 °C y sus temperaturas de desarrollo máximas son de 15-20 °C
Microorganismos Mesófilos
Los microorganismos mesofilos son aquellos que se desarrollan entre 15 y 35 ºC y que tienen una temperatura óptima de crecimiento y proliferación en un ambiente o medio que tenga una temperatura de 37°C. En este grupo se encuentran los microorganismos patógenos es decir los causantes de enfermedades, pues la temperatura corporal es idónea para el desarrollo de este tipo de microorganismos. Existe un grupo de aerobios mesofilos (los aerobios son los microorganismos que se desarrollan en presencia de oxigeno). En este grupo se incluyen todas las bacterias, mohos y levaduras capaces de desarrollarse a 30º C en las condiciones establecidas. En los análisis de alimentos la cantidad de este tipo de microorganismos en el alimento, refleja la calidad sanitaria de un alimento, las condiciones de manipulación, las condiciones higiénicas de la materia prima.
Microorganismos Termófilos Las bacterias termófilas son aquellas que se desarrollan a temperaturas superiores a 45ºC, pudiendo superar incluso los 100ºC (hipertermófilos) siempre que e xista agua en estado líquido, lo que se consigue si la presión es elevada como ocurre en las profundidades oceánicas. Actualmente se están descubriendo muchas especies nuevas de bacterias termófilas en chimeneas hidrotermales de las profundidades marinas, como es el caso de Rhodothermus obamensis en la Bahía Tachibana (Japón) con un crecimiento óptimo a 80ºC, Deferribacter desulfuricans en la montaña marina de Suiyo (Japón) con un crecimiento óptimo a 60-65ºC, Marinithermus hydrothermalis aislada a una profundidad de 1.385 metros, o Thermodesulfobacterium hydrogeniphilum con un crecimiento óptimo a 75ºC, entre otros. Existen organismos marinos capaces de desarrollarse alrededor de las chimeneas hidrotermales gracias a su asociación simbiótica con bacterias termófilas. Estas bacterias usan los sulfuros que les proporciona el organismo marino para convertirlos en una fuente de materia orgánica con la que el animal se desarrolla. Estos organismos marinos poseen adaptaciones bioquímicas para soportar la toxicidad del sulfuro (hemoglobinas modificadas, más volumen de sangre del habitual) y adaptaciones para eliminar este azufre tóxico. Así, en estas fuentes hidrotermales se cita al Filo Pogonophora con bacterias simbióticas en el interior de su trofosoma, al Filo Annelida (concretamente tubícolas de la Clase Polychaeta) o a la Clase Bivalvia con bacterias asociadas a las branquias (Lucinidae).
Microorganismos hipertermófilos Son hipertermófilos aquellos organismos que habitan a altas temperaturas, que normalmente llegan al punto de ebullición. Por lo común crecen bien y se reproducen a temperaturas mayores a 70 ºC,1 un calor letal para la mayoría de los seres vivos. Los hipertermófilos son procariontes, como algunas bacterias, principalmente arqueas, en las que además imperan otras condiciones extremófilas, como ser hiperhalófilas e hiperacidófilas. Muchos de ellos viven en el entorno de fumarolas volcánicas oceánicas a más de 2 000 m de profundidad, donde la gran presión del mar eleva el punto de ebullición por encima de los 100 ºC.
El récord es de la cepa arqueana 121, que sobrevivió a 130 ºC. Se cree que no pueden existir microbios a más de 150 ºC, ya que a esa temperatura el ADN pierde la cohesión.
ESTERILIZACIÓN DE ALIMENTOS Los alimentos comercialmente estériles deben ser calentados hasta una temperatura específica durante un tiempo establecido. Los tiempos y temperaturas específicos dependen del tipo de alimento a esterilizar. Los alimentos líquidos de baja acidez, como la leche, son más propensos al desarrollo de microorganismos y bacterias patógenas que los productos de alta acidez, como los jugos de frutas. El tratamiento UHT (Ultrapasteurización), se realiza en intercambiadores de calor antes del envasado. Este proceso resuelve los problemas de penetración del calor y permite tiempos de calentamiento y enfriamiento muy cortos, a la vez que minimiza los cambios no deseados en cuanto al sabor o a las propiedades nutricionales de los productos. El proceso de esterilización consiste en destruir los organismos vivos que se encuentran en los alimentos, mediante el proceso de exponerles a las temperaturas adecuadas y así poder conservarles durantes largos periodos (algunos hasta meses). La esterilización consiste en elevar la temperatura de la preparación por encima de los 65º C (temperatura donde los bacterias se desnaturalizan), se mantiene esa temperatura durante 15-30 minutos, para proceder a bajar rápidamente la temperatura hasta por debajo de los 5º C; para enfriar con rapidez se usa el abatidor de frío o bien de forma casera se recurre a un baño de agua fría con cantidad de hielo. Si el proceso de bajada de temperatura no se hace correctamente, la descomposición seguirá su curso normal, como si no hubiese esterilizado. Especialmente viable para la conservación de salsas, fondos y bases, permite su conservación por 3 o 4 meses.
