procesos fermentativos
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Diferentes tipos de procesos fermentativos, aplicables en biotecnologia y microbiologia industrial.TRANSCRIPT
PROCESOS FERMENTATIVOS
Mena Pérez Calixto
PROCESOS FERMENTATIVOS
De:
Scrag A. Biotecnologia para Ingenieros. Sistemas Biologicos en procesos tecnologicos. Editorial Limusa. Mexico. Capitulo 14.
Madigan Michael T. Martinko John M. Parker Jack. Brock Biologia de los Microorganismos. Editorial Pearson. Madrid 2004. Capitulos 30 y 31.
Fermentation and Biochemical Engineering Handbook. Principles, Process Design, and Equipment (2nd Edition). Edited by: Vogel, H.C.; Tadaro, C.L. © 1997 William Andrew Publishing/Noyes
Merchuk, Jose. Microbiologia Industrial. 1994
http://www.javierhuertas.com/PTMA-04-06.html
http://www.catedras.quimica.unlp.edu.ar/ingenieriabioquimicaIyII/seminario6-ib2.doc
http://nostoc.usal.es/sefin/MI/tema12MI.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Biorreactor
http://www.biologia.edu.ar/microind/cultivo%20y%20biorreactores.htm
http://www.science.oas.org/Simbio/mbio_ind/cap7_mi.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Fermentaci%C3%B3n
Introduccion
El principal objetivo de un proceso fermentativo es el de obtener productos metabólicos útiles a partir de materiales biológicos (sustratos).
El proceso fermentativo comprende dos principales fases distintas: la fermentación y la recuperación de los productos.
Introduccion
Para el cultivo de microorganismos en condiciones óptimas, así como para la producción, por parte de los microorganismos, de los metabolitos o las enzimas deseadas, deben ser desarrollados procedimientos de fermentación.
Introduccion
Pero tambien el desarrollo de cepas mediante manipulación genética y/o la regulación del metabolismo mediante la optimización del medio de cultivo así como el control adecuado de los factores físico-químicos que afectan al rendimiento de las fermentaciones industriales (02, Temperatura, pH, etc).
Introduccion
La recuperación del producto o "procesamiento posterior" (del inglés downstream processing) conlleva la extracción y purificación de los productos biológicos.
La recuperación en los procesos bioquímicos difiere de la recuperación química, principalmente, en que los materiales biológicos son frecuentemente mucho más lábiles.
Introduccion
Por lo tanto, la producción de productos metabólicos útiles a partir de microorganismos con lleva una íntima relación entre la ciencia y la tecnología.
Por un lado se deben desarrollar los microorganismos de interés industrial y por otro se debe asegurar que estos microorganismos puedan crecer en gran cantidad bajo aquellas condiciones que originen el mejor rendimiento posible del producto.
Fermentacion
La Fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleto, totalmente anaeróbico, siendo el producto final un compuesto orgánico.
Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de fermentaciones.
Fue descubierta por Pasteur, que la describió como la vie sans l´air (la vida sin el aire).
Fermentacion
El proceso de fermentación es anaeróbico ya que se produce en ausencia de oxígeno.
Esto significa que el aceptor final de los electrones del NADH producido en la glucolisis no es el oxígeno, sino un compuesto orgánico que se reducirá para poder reoxidar el NADH a NAD+.
El compuesto orgánico que se reduce (acetaldehído, piruvato etc) es un derivado del sustrato que se ha oxidado anteriormente.
Fermentacion
Sin embargo, en la industria la fermentación puede ser oxidativa, es decir, en presencia de oxígeno, pero es una oxidación aeróbica incompleta, como la producción de 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 susceptibles.
Artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y el contacto referido.
Productos, reacciones y grupos microbianos responsables de los procesos fermentativos mas importantes
Los grupos que mas interesan desde el punto de vista alimentario son: enterobacterias y clostridium (Sanitario) y bacterias lacticas , propionibacterias y levaduras (Productivo)
Levaduras
Zimomonas
Lactico + etanol + CO2
Lactobacilos. Streptococcus Leuconostoc
Clostridium propionicum y Propioniobacterium
Enterobacterias
Clostridium butiricum
Biomasa + CO2
O2
Hongos comerciales
De acuerdo con Steinkraus (1995), la fermentación de los alimentos sirve a 5 propósitos generales:
•Enriquecimiento de la dieta a través del desarrollo de una diversidad de sabores, aromas y texturas en los substratos de los alimentos.•Preservación de cantidades substanciales de alimentos a través de ácido láctico, etanol, ácido acético y fermentaciones alcalinas. •Enriquecimiento de substratos alimenticios con proteína, aminoácidos, ácidos grasos esenciales y vitaminas. •Detoxificación durante el proceso de fermentación alimenticia. •Disminución de los tiempos de cocinado y de los requerimientos de combustible.
Fermentacion
En líneas generales, un proceso típico de fermentación comienza con la formulación y esterilización del medio de cultivo así como la esterilización del equipamiento.
Las células se crecen primero en un cultivo de mantenimiento (5 a 10 mL), posteriormente en un matraz (200 a 1.000 mL) y de ahí en un prefermentador (10 a 100 L) para finalmente inocular el fermentador de producción (1.000 a 100.000 L).
Fermentacion
Una vez que la fermentación se ha completado, las células se separan del cultivo líquido.
Si el producto es intracelular, se rompen las células, se eliminan los restos celulares y se recupera el producto del fluido libre de restos celulares.
Si el producto es extracelular, se purifica a partir del sobrenadante libre de células.
Biorreactor
Un biorreactor es la parte principal de cualquier proceso fermentativo en el cual se emplean sistemas microbianos para la manufactura economica de una amplia variedad de productos biologicos utiles.
Biorreactor
La funcion principal de un biorreactor diseñado apropiadamente es la de proveer un medio controlado para alcanzar el crecimiento optimo y la formacion de productos finales optimos o cualquiera de ambos, en el sistema celular particular empleado.
Se encuentran dos tipos de biorreactores de uso muy difundido:
Tanque agitado
“Air lift".
Tanque agitado
En el tanque agitado, la agitación se realiza mecánicamente mediante un eje provisto de turbinas accionado por un motor.
El aire se inyecta por la parte inferior del tanque y es distribuido por una corona que posee pequeños orificios espaciados regularmente.
Tanque agitado
El chorro de aire que sale de cada orificio es "golpeado" por las paletas de la turbina inferior generándose de este modo miles de pequeñas burbujas de aire, desde las cuales difunde el 02 hacia el seno del líquido.
El sistema de agitación se completa con cuatro o seis deflectores que tienen por finalidad cortar o romper el movimiento circular que imprimen las turbinas al líquido, generando de este modo mayor turbulencia y mejor mezclado.
Tanque agitado
El tanque está rodeado por una camisa por la que circula agua, lo que permite controlar la temperatura.
Biorreactor Air Lift
En los reactores de tipo "air lift“, el mismo aire inyectado promueve la agitación.
Básicamente consiste en dos cilindros concéntricos y por la base de uno de ellos, por ejemplo el interior, se inyecta aire.
De este modo se genera una circulación de líquido ascendente en el compartimento interno y descendiente en el externo, lo que favorece el mezclado.
Funcionamiento de biorreactores
El estudio detallado de un fermentador cae fuera del objetivo de la microbiologia industrial ya que se concentra en los principios biológicos de la biotecnología.
Sin embargo, como la tecnología de los procesos fermentativos es una amalgama de técnicas biológicas e ingeniería química, se hace necesario conocer los tipos de fermentadores disponibles sus principales características.
Los siguientes puntos son los considerados como los criterios más importantes para el funcionamiento de un biorreactor:
1.- El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante numerosos días, así como para las operaciones de más larga duración.
2.- Se debe proporcionar un sistema adecuado de aireación y agitación para cubrir las necesidades metabólicas de los microorganismos.
3.- El consumo de energía debe ser tan bajo como sea posible.
4.- Debe tener un sistema para el control del pH.
5.- El fermentador debe tener un sistema para la toma de muestras.
6.- Debe existir un sistema para el control de la temperatura.
7.- Las pérdidas por evaporación no deben ser excesivas.
8.- El diseño del tanque debe ser tal que las operaciones laborales durante el funcionamiento, recolección, limpieza y mantenimiento sean mínimas.
9.- El tanque debe ser versátil para la aplicación de diversas modalidades de procesos.
10.- Las superficies internas del tanque deben ser lisas, utilizando, donde sea posible, soldaduras.
11.- La geometría del fermentador debe ser similar a otros tanques más pequeños o mayores de la planta o a los de la planta piloto para poder reproducir procesos a diferentesescalas.
12.- Deben emplearse los materiales más baratos que proporcionen resultados satisfactorios.
13.- Debe existir un servicio adecuado de repuestos para el fermentador.
Funcionamiento
El mantenimiento de un ambiente aséptico y unas condiciones aeróbicas son, probablemente, los dos puntos de mayor relevancia que hay que considerar.
Los fermentadores más ampliamente utilizados a nivel industrial están provistos de mecanismos de agitación, dispersión y aireación así como de sistemas para el control de la temperatura, pH y formación de espuma.
Las "tareas" que realiza el biorreactor pueden resumirse del siguiente modo:
•Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo a fin de prevenir la sedimentación o la flotación.
•Mantener constante y homogénea la temperatura.
•Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
•Suministrar oxígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo.
•El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo el sistema ha sido esterilizado y posteriormente sembrado con el microorganismo deseado.
Factores fisico-quimicos que afectan al rendimiento de las fermentaciones industriales
1.- Oxígeno
2.- Temperatura
3.- pH
Oxígeno
Uno de los factores más críticos en la operación de fermentación a gran escala es el suministro de un intercambio de gases adecuado.
El oxígeno es el sustrato gaseoso más importante para el metabolismo microbiano y el anhídrido carbónico es el producto metabólico más importante.
Oxigeno
El oxígeno no es un gas muy soluble ya que una solución saturada de oxígeno contiene aproximadamente 9 mg/L de este gas en agua.
Debido a la influencia de los ingredientes del cultivo, el contenido máximo de oxígeno realmente es más bajo de lo que debería ser en agua pura.
Por lo tanto, el suministro se logra pulverizando aire en el fermentador durante el proceso.
Oxigeno
Una vez disuelto el O2 éste tiene que transferirse desde la
burbuja de gas a cada célula individual. Para ello deben ser superadas varias resistencias parcialmente independientes:
a.- La resistencia dentro de la película de gas a la interfase.
b.- La penetración de la interfase entre la burbuja de gas y el líquido.
c.- Transferencia desde la interfase al líquido.
d.- Movimientos dentro de la solución de nutrientes.
e.- Transferencia a la superficie de la célula.
Oxigeno
La ley de Henry describe la solubilidad del oxígeno en soluciones de nutrientes en relación a la presión parcial del oxígeno en la fase gaseosa: C = Donde: C = concentración de O2 de la solución de nutrientes a
cierta saturación P0 = presión parcial del gas en la fase gaseosa
H = constante de Henry que es específica para cada tipo de gas.
0P
H
Temperatura
La temperatura es otro de los parámetros esenciales para el éxito de una fermentación.
Los microorganismos que crecen a una temperatura inferior a la óptima tienen retardado su crecimiento y por lo tanto reducida la producción celular, es decir su productividad.
Temperatura
Por otro lado, si la temperatura es demasiado alta, pero no letal, se puede inducir una respuesta de estrés al choque térmico con la consiguiente producción de proteasas celulares que ocasionan una disminución en el rendimiento de los productos proteicos.
A fin de obtener rendimientos óptimos, las fermentaciones deben ser llevadas a cabo en un margen estrecho de temperatura y a ser posible constante.
Temperatura
La velocidad de producción de calor debida a la agitación y a la actividad metabólica de los microorganismos no se ve compensada por las pérdidas de calor que resultan de la evaporación, por lo que se debe recurrir a sistemas de refrigeración.
Dentro de éstos, los más utilizados en las fermentaciones industriales son las camisas de agua.
Temperatura
La relación temperatura-velocidad de crecimiento esta dada por la ecuación de Arrhenius:
µ = Ae –Ea/RT
Donde µ = velocidad de crecimientoA = constante de ArrheniusEa = energía de Activación (kcal/mol)R = constante de los gasesT = Temperatura absoluta
pH
La mayor parte de los microorganismos crecen óptimamente entre pH 5,5 y 8,5.
Pero durante el crecimiento en un fermentador, los metabolitos celulares son liberados al medio, lo que puede originar un cambio del pH del medio de cultivo.
Por lo tanto se debe controlar el pH del medio de cultivo y añadir un ácido o una base cuando se necesite para mantener constante el pH.
pH
Esta adición del ácido o base debe ser mezclada rápidamente de tal manera que el pH del medio de cultivo sea el mismo en todo el fermentador.
Agitacion
La agitación es la operación que crea o que acelera el contacto entre dos o varias fases. Una fermentación microbiana puede ser considerada como un sistema de tres fases, que implica reacciones líquido-sólido, gas-sólido y gas-líquido.
1 La fase líquida contiene sales disueltas, sustratos y metabolitos. Puede existir, en algunos casos, una segunda fase líquida si existe un sustrato inmiscible en agua como por ejemplo losalcanos.
2 La fase sólida consiste en células individuales, bolitas de micelio, sustratos insolubles o productos del metabolismo que precipitan.
3 La fase gaseosa proporciona un reservorio para el suministro de oxígeno, para la eliminación del CO2 o para el ajuste del pH con amonio gaseoso.
Agitacion
Una adecuada agitación de un cultivo microbiano es esencial para la fermentación ya que produce los siguientes efectos en las tres fases:
1 Incrementar la velocidad de transferencia de oxígeno desde las burbujas de aire al medio líquido; los microorganismos no pueden utilizar oxígeno gaseoso, sino solamente el que se encuentra en disolución.
2 Aumentar la velocidad de transferencia de oxígeno y nutrientes desde el medio a las células. Debido al movimiento se evita que las células creen áreas estancadas con bajos niveles de oxígeno y nutrientes.
3 Impedir la formación de agregados celulares.
4 Aumentar la velocidad de transferencia de productos metabólicos de las células al medio.
5 Aumentar la tasa o la eficiencia de la transferencia de calor entre el medio y las superficies de refrigeración del fermentador.
Tipos de fermentacion
En función de los flujos de entrada y salida, la operación de un biorreactor puede ser de tres modos distintos:
• Lote (Batch) o discontinua
• Lote alimentado (Fed-Batch)
• Continuo o quimiostato
Fermentación discontinua
Una fermentación por lotes (Batch) o discontinua 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, permitiendo que se lleve a cabo la incubación en condiciones óptimas de fermentación.
Fermentacion discontinua
A lo largo de toda la fermentación no se añade nada, excepto oxígeno (en forma de aire), un agente antiespumante y ácidos o bases para controlar el pH.
La composición del medio de cultivo, la concentración de la biomasa y la concentración de metabolitos cambia generalmente como resultado del metabolismo de las células observándose las cuatro fases típicas de crecimiento: fase de latencia, fase logarítmica, fase estacionaria y fase de muerte.
Fermentacion discontinua
Cuando se ha alcanzado el nivel deseado de reacción, se vacía el reactor, se limpia y el proceso se repite.
En los procesos comerciales la fermentación frecuentemente se interrumpe al final de la fase logarítmica (metabolitos primarios) o antes de que comience la fase de muerte (metabolitos secundarios).
Desventajas
- Dificultad de controlar la velocidad de crecimiento, excepto variando la composición del medio o las condiciones de proceso.
- Altas concentraciones de nutrientes pueden inhibir el crecimiento debido al aumento de la presión osmótica del medio o toxicidad de nutrientes.
- Alta demanda de oxígeno puede generar una limitación debido a una insuficiente capacidad del reactor para transferir O2 al medio.
- Inconvenientes para remover calor.
- Tiempos muertos entre procesos disminuye la productividad.
Fermentacion discontinua alimentada
Una mejora del proceso cerrado discontinuo es la fermentación alimentada.
En los procesos alimentados, los sustratos se añaden escalonadamente a medida que progresa la fermentación.
La formación de muchos metabolitos secundarios está sometida a represión catabólica (efecto glucosa).
Fermentacion discontinua alimentada
Por esta razón en el método alimentado los elementos críticos de la solución de nutrientes se añaden en pequeñas concentraciones al principio de la fermentación y continuan añadiéndose a pequeñas dosis durante la fase de producción.
RESERVORIO BOMBABIORREACTOR
F(t)SR(t)
VR = Vf - V0
V0, X0, S0
Vf, Xf
Fermentacion discontinua alimentada
El batch alimentado es particularmente útil en procesos en los que el crecimiento celular y/o la formación de producto son sensibles a la concentración del sustrato limitante, es decir cuando el rendimiento celular o la poductividad de la biomasa o del metabolito buscado se ven afectados.
Así, este método se emplea cuando se quieren evitar fenómenos de inhibición por sustrato y se requiere alcanzar una alta concentración de biomasa.
Ventajas
- Limitar la demanda de O2 del cultivo.
- Obtener altas concentraciones de sustrato evitando el efecto osmótico y tóxico de nutrientes.
- Incrementar la tasa de produccion (metabolitos secundarios, proteínas recombinantes) para maximizar el coeficiente de rendimiento.
- Maximizar el crecimiento celular (efecto Crabtree en levaduras).
Fermentación continua
En la fermentación continua se establece un sistema abierto.
La solución nutritiva estéril se añade continuamente al biorreactor y una cantidad equivalente de solución utilizada de los nutrientes, con los microorganismos, se saca simultáneamente del sistema.
Fermentación continua
En algunos sistemas continuos el medio nutriente es inoculado con el cultivo microbiano al entrar al reactor y los organismos llevan a cabo su actividad a medida que el líquido fluye a través del sistema y salen del sistema junto con el medio.
Fermentación continua
Los organismos pueden separarse de la corriente que lleva al producto y reciclarse para inocular el líquido de alimentación.
En un sistema continuo con mezcla completa, las condiciones son uniformes en todo el reactor, en un equilibrio de mezcla de nutrientes, organismos y productos.
Ventajas
- Opera por periodos largos; tiempos muertos bajos.
- Costos de operación y trabajo bajos.
- El cultivo se mantiene con coeficientes de crecimiento constantes.
- Crecimiento balanceado, composición celular constante.
-Generación de biomasa constante como productividad y conversión.
- Volumen de reactor reducido en comparación a la productividad similar en proceso por lotes.
Desventajas
- Alto costo por alta calidad de equipos y accesorios.
- Requiere gran reservorio para almacenamiento de medio o suministro continuado de sustrato.
- Esterilización continuada, separación continuada de producto y niveles de purificación.
- Biosensores sofisticados y automatización computarizada para operación óptima.
Desventajas
- Se incrementa el riesgo de contaminación debido a la amplia operación.
- Posibilidad de mutación, incremento de fagos por los cambios genéticos debido a la presencia de plasmidios e incremento de estos.
- La conversión total de sustrato exige sistema de multiniveles, inmovilización celular o recirculación celular que encarece el costo de operación.