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Ing. Elia Maria Bautista Guerrero.

COLEGIO DE ESTUDIOS CUENTIFICOS Y TECNOLOGICOS DEL ESTADO DE GUANAJUATO PLANTEL IRAPUATO

APUNTES PARA EL CURSO DE: Diseo de sistemas fermentativos para la obtencin de productos fermentados aplicando normas de seguridad e higiene ELABORADO POR: Ing. Elia Maria Bautista Guerrero.

Agosto Diciembre 2010

Ing. Elia Maria Bautista Guerrero.

PROCESOS DE FERMENTACIN.La produccin de alimentos y bebidas modificadas mediante procesos de fermentacin es operativa desde aproximadamente 10,000 aos antes de que se reconociera la existencia de los microorganismos, siendo tambin evidente que estas tecnologas tradicionalmente han ido mejorando gradualmente. Desde el punto de vista farmacutico, los quesos, la carne y el pan enmohecidos se han empleado en la medicina popular durante miles de aos para curar heridas y tratar las infecciones. Tradicionalmente se ha utilizado la palabra fermentacin en microbiologa industrial para describir los procesos de cultivo de microorganismos con propsitos industriales. El desarrollo de una fermentacin industrial incluye dos tipos de procesos denominados, por sus nombres en ingls, procesos upstream y procesos downstream. Los procesos upstream comprenden la seleccin y preparacin del microorganismo, la preparacin del medio de cultivo y de las condiciones de fermentacin (cultivo): 1) Propagacin de cultivos, lo que se realiza en el laboratorio y que comienza generalmente en un tubo de ensayo que contiene un repique reciente del microorganismo o un tubo liofilizado o congelado donde se conserva la cepa de inters o de una colonia del microorganismo previamente seleccionada. Este material microbiolgico seleccionado constituye el punto de partida con el cual se debe aumentar la cantidad del mismo mediante sucesivos pasajes en frascos de volmenes crecientes que son generalmente operados en agitadores de vaivn o rotatorios en cmaras de cultivo. 2) Fermentacin: con el material obtenido anteriormente, se siembra el tanque de inoculo que puede tener un volumen de 50, 500 1000 lts. segn la escala industrial posterior. Del tanque de inoculo se pasa posteriormente al fermentador industrial cuyo volumen, que vara de acuerdo al producto a obtener y a su concentracin, est comprendido comnmente entre 10.000 y 100.000 l. En algunos casos especiales, como en la produccin de protena unicelular, los tanques de fermentacin pueden llegar hasta 1.000.000 l. Un proceso esencial ligado a la produccin es la preparacin y esterilizacin de los medios que se lleva a cabo tambin en esta etapa (previamente a la inoculacin) ya sea en el tanque de inculo o en el reactor industrial. Los procesos downstream incluyen la purificacin del producto y el tratamiento de los residuos de la fermentacin, se lleva a cabo en un recipiente llamado fermentador o en general, biorreactor. 1) Operaciones y proceso de separacin y purificacin de los productos; estas etapas comprenden en forma general y sucesivamente: Separacin de insolubles por filtracin, centrifugacin, o decantacin; Separaciones primarias por extraccin, absorcin, adsorcin, ultrafiltracin;

Ing. Elia Maria Bautista Guerrero.

Purificacin por extraccin lquido-lquido, o extraccin a dos fases acuosas, o cromatografa de afinidad, y finalmente Aislamiento del producto.

2) Tratamiento de efluentes: si bien no tiene una relacin directa con el producto, que es la razn de ser de la industria de fermentacin, representa una etapa imprescindible porque es fundamental controlar la calidad del efluente que sale de la fbrica y que es enviado generalmente a un curso de agua, sea un canal, arroyo, un ro o al mar. Es importante tener en cuenta que todas las etapas de un proceso de fermentacin deben estar ntimamente ligadas e integradas ya que es indispensable que el proceso sea optimizado globalmente. Cada etapa debe considerar la importancia e influencia de los procesos y operaciones anteriores y tambin de los siguientes para poder cumplir con ese concepto de integracin. La calidad de una cepa de microorganismo debe estar supeditada a su real capacidad de produccin en el fermentador. Pero adems es necesario que esa cepa, altamente productora, no produzca, por ejemplo, dificultades en la etapa de separacin y purificacin como es el caso de cepas de Penicillium chrysogenum que no pueden utilizarse porque producen pigmentos que encarecen las etapas de purificacin. Lo mismo sucede con el uso de medios, basados en subproductos como el suero de queso, que pueden dar buenos rendimientos de un producto pero que representan un inconveniente en la etapa de purificacin. Adems, el reactor y las condiciones de operacin deben ser tales que aseguren la productividad mxima del proceso y la calidad del producto, que en algunos casos depende de las condiciones de operacin empleadas como sucede con algunos preparados enzimticos cuya composicin es regulada segn como se opere en la etapa de la fermentacin y en la correspondiente a la separacin y purificacin En los seres vivos, la fermentacin es un proceso anaerbico y en l no interviene la mitocondria ni la cadena respiratoria. Son propias de los microorganismos, como algunas bacterias y levaduras. Tambin se produce la fermentacin en la mayora de las clulas de los animales (incluido el hombre), excepto en las neuronas que mueren rpidamente si no pueden realizar la respiracin celular; algunas clulas, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias y se ven obligadas a fermentar; el tejido muscular de los animales realiza la fermentacin lctica cuando el aporte de oxgeno a las clulas musculares no es suficiente para el metabolismo aerobio y la contraccin muscular. Desde el punto de vista energtico, las fermentaciones son muy poco rentables si se comparan con la respiracin aerobia, ya que a partir de una molcula de glucosa slo se obtienen 2 molculas de ATP, mientras que en la respiracin se producen 36. Esto se debe a la oxidacin del NADH, que en lugar de penetrar en la cadena respiratoria, cede sus electrones a compuestos orgnicos con poco poder oxidante. En la industria la fermentacin puede ser oxidativa, es decir, en presencia de oxgeno, pero es una oxidacin aerbica incompleta, como la produccin de cido actico a partir de etanol. Las fermentaciones pueden ser: naturales, cuando las condiciones ambientales permiten la interaccin de los microorganismos y los sustratos orgnicos susceptibles; o artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y el contacto referido. Factores internos y externos

Ing. Elia Maria Bautista Guerrero.

El comportamiento de un microorganismo en crecimiento es el resultado de la interaccin que se produce entre el microorganismo y el medio ambiente en el reactor, y que en rigor es el resultado de los llamados factores intra y extra celulares.

Los factores internos estn representados por la dotacin gentica intrnseca del organismo considerado y por sus mecanismos de regulacin metablica. Estos ltimos pueden ser modificados por alteraciones del medio ambiente o ms precisamente por los efectores externos mientras que la existencia de un gen depende de la especie del microorganismo considerado. Un gen est o no est, slo su expresin puede modificarse. Con el fin de mejorarla productividad de un proceso de fermentacin las cepas empleadas pueden someterse a tratamiento fsico o qumico de mutacin que al alterar algn sector del genoma logran aumentar la produccin de un metabolito aunque tambin pueden disminuirla o incluso suprimirla. Tambin se puede dotar a un microorganismo de una capacidad gentica nueva cuando se efecta la insercin de sectores del genoma de una especie en un microorganismo, hacindose ste capaz de producir metabolitos que desde el punto de vista gentico de su especie no podra hacerlo. La obtencin de mutantes por el uso de agentes mutagnicos o por algn otro mecanismo bioqumico y la construccin de cepas nuevas por ingeniera gentica constituyen los recursos de la gentica microbiana, para mejorar la productividad de un microorganismo dado o para dotarlo de una capacidad productiva nueva. Es decir que los efectores internos pueden modificarse para lograr la optimizacin de un proceso fermentativo.

El comportamiento o expresin fenotpica, o sea lo que realmente se observa como respuesta del microorganismo al medio ambiente en el reactor es, adems, el resultado de la influencia de las variables de naturaleza fsica y qumica que constituyen los efectores externos. Los factores externos de naturaleza fsica estn vinculados con las condiciones de operacin que se utilizan en los reactores y son por ejemplo la temperatura, la agitacin, aireacin, etc; es decir, estn constituidos por las variables de manipulacin fsica que se fijan o se programan en el curso del proceso de produccin. La modificacin de algunos de los efectores fsicos como por ejemplo la temperatura, tiene un efecto notable sobre un proceso. Si el valor utilizado no es adecuado puede disminuir o an impedir la formacin de un metabolito determinado. Adems la temperatura puede modificar los requerimientos nutritivos de algunos microorganismos, lo que significa que al modificarse el valor de un efector puede cambiar los requerimientos de otro. Los efectores externos de naturaleza qumica estn representados por la presencia de los componentes de los medios de fermentacin, adems del 02 que puede considerarse un nutriente ms. Los componentes de los medios deben cumplir con todos los requerimientos nutricionales y adems con los requerimientos especficos que son indispensables para la formacin de productos.

Ing. Elia Maria Bautista Guerrero.

Los reactores estn tambin estrechamente vinculados al manejo o manipulacin de los efectores externos, ya que adems de la regulacin de las variables fsicas permiten segn el modo de operarlos fijar o regular la alimentacin de componentes de los medios que, como ya se dijo, constituyen los efectores qumicos. Tal es el caso cuando se