fermentaciones industriales 2

FERMENTACIONES INDUSTRIALES

Cateryna Aiello Mazzarri, MSc., Ph.D. Escuela de Ingeniera Qumica Facultad de Ingeniera Universidad del Zulia 2013

FERMENTACIN

Proceso metablico llevado a cabo por microorganismos (bacterias, hongos y levaduras) bajo condiciones aerbicas y anaerobias obteniendo energa y teniendo caractersticas fsico-qumicas controladas.

Es un proceso en el que se potencia en forma deliberada el crecimiento de los microorganismos que consumen una cantidad de sustrato y enriquecen, por medio del cultivo los productos de su metabolismo.

FERMENTACIN

El proceso de fermentacin es producido por accin de las enzimas cambios qumicos en las sustancias orgnica.

Alteracin de un sustrato mediante actividad metablica de un microorganismo o de una mezcla de microorganismos para dar un producto.

El producto de una fermentacin puede ser:

Una modificacin del sustrato. Por ejemplo, las fermentaciones clsicas: la produccin de cerveza, vino y otras bebidas alcohlicas

Las clulas mas el producto de transformacin del

sustrato. Por ejemplo el yogur, queso y otros alimentos fermentados

Las clulas del microorganismo, el cual usa el sustrato como fuente de carbono y energa. Por ejemplo la produccin de levadura para el pan y la protena unicelular (PUC)

Un metabolito de inters segregado al medio. Por ejemplo enzimas, antibiticos, entre otros


AREA MICROORGANISMOS PRODUCTOS

SALUD

Bordetella pertusis Clostridium tetani Corynebacterium diftheriae

Vacuna triple

Propionebacterium sp Vitamina B12

Penicillum chrysogenun Penicilina y Estreptomicina

Streptomyces sp Tetraciclina y otros antibiticos

Bacillus sp Rhizopus nigricans Aspergillus ochraceus

Compuestos esteroidales

Escherichia coli Recombinante Interferon, Insulina

Sacharomyces cerevisiae Recombinante

Vacuna contra el virus Hepatitis B



ALIMENTOS

Saccharomyces cerevisiae Levadura de panificacin

Streptococcus lactis Lactobacillus bulgaricus

Yogourth

Saccharomyces sp Vinos, Cerveza, Sidra

Acetobacter aceti Vinagre

Lactobacillus Streptcoccus sp. Penicillum sp.

Quesos

Corynebacterium Brevibacterium sp. Auxitrficas diversas

Acido glutmico y otros aminocidos

Bacillus sp. Blakeslea trispora

Saborizantes



PRODUCCIN VEGETAL

Rhizobium sp. Inoculantes de leguminosas

Giberella fujikuroi Acido giberlico (estimulante de crecimiento vegetal)

Bacillus thurigiensis

Bio-inseticidas bacterianos Verticillum lecanii

Metarhizium anisopliae

PRODUCCIN ANIMAL

Candida utilis Clostridium sp

Protena unicelular

Paseurella multocida Vacunas

Salmonella typhymurium

Brucella abortus



INSUMOS INDUSTRIALES

Sacharomyces cerevisiae Kluyveromyces marxianus Zymomonas sp

Etanol

Clostridium acetobutilicum Butanol, acetona

Bacillus sp Trichoderma reeseii Asrgillus sp.

Enzimas industriales (celulasas, amilasas, proteasas, glucosa isomerasa, pectinasas)

Aspergillus niger Acido Ctrico

Aspergillus niger

Acido Glucnico

Xanthomonas campestris Goma Xantano

Methanogenas metano



MINERA

Thiopbacillus thioxidans

Acidithiobacillus sp. Pseudomonas

Biolixiviacin Bioxidacin

SERVICIOS

Microalgas: Cholococcum sp Coenochloris sp

Remocin de hidrocarburos

Yersinia sp. Nitrobacter sp. Thiobacillus denitrificans

Purificacin de efluentes

Aspectos Generales

Un proceso de fermentacin tpico se lleva a cabo en un

recipiente llamado

FERMENTADOR o BIOREACTOR

mediante el cual determinados sustratos que componen el

medio de cultivo son transformados por accin

microbiana en metabolitos y biomasa

FERMENTADORES - BIOREACTORES

Diagrama general del proceso de fermentacin

FERMENTADORES - BIOREACTORES

Durante la fermentacin

El crecimiento del microorganismo y la formacin del producto tienen lugar en forma simultnea

La concentracin de microorganismos va aumentando en el transcurso del tiempo, el medio se va modificando y se forman los productos como consecuencia de las actividades catablicas y anablicas.

Caractersticas de los microorganismos para llevar

a cabo una fermentacin

Ser genticamente estable en el medio de cultivo.

Poseer clulas vegetativas, esporas algunas u otras unidades de reproduccin.

Tener un crecimiento rpido y vigoroso despus de la inoculacin (sembrar microorganismos en el sustrato).

Ser un cultivo puro.

Reproducirse en un tiempo respectivamente corto.

Que no produzcan sustancias txicas .

Tiempo de conservacin debe de ser considerado (que el microorganismo no se muera rpido).

El microorganismo debe ser industrialmente rentable .

Que crezca o se desarrolle en condiciones relativamente sencillas.

Microorganismos

Los microorganismos tienen importancia en la industria farmacutica, alimenticia y la de agricultura.

El cultivo industrial necesario para la produccin de determinados productos es materia de la microbiologa (tecnologa microbiana) o microbiologa industrial.

Los microorganismos que se utilizan en un proceso, pueden ser obtenidos por aislamiento a partir de fuentes naturales o de una coleccin de cultivos.

A nivel industrial, en general, cada firma posee su propia coleccin de organismos, muchos de los cuales han sido mejorados a travs de tcnicas clsicas de mutacin o de ingeniera gentica.

Microorganismos

Colecciones o Bancos de Cultivos

Abreviatura Nombre Localidad

ATCC American Type Culture Collection , Coleccin Americana de Cultivos Tipo EUA

NRRL Nothern Regional Research Laboratory, Laboratorio de Investigacin

Regional del Norte

EUA

NCTC National Collection of Type Cultures,C oleccin Nacional de Cultivos Tipo Londres

NCTB National Collection of Industrial Bacteria, Coleccin Nacional de Bacterias

Industriales

Escocia

CDDA Canadian Department of Agriculture, Departamento Canadiense de

Agricultura

Canada

CCM Czechoslovak Department of Agriculture, Departamento Checoslovaco de

Agricultura

Checoslovaquia

CIP Collection of Institute Pasteur, Coleccin del instituto Pasteur Francia

IAM Institute of Applied Microbiology, Instituto de Microbiologa Aplicada Japn

CMI Commonwealth Mycological Institute, Instituto Micolgico de la

Mancomunidad

Reino Unido

CBS Centraalbureau voor Schimelcultur, Oficina central de cultivos de hongos Holanda

Microorganismos

El comportamiento de un microorganismo en

crecimiento es el resultado de la interaccin entre

el microorganismo y el medio ambiente en el

reactor.

Es el resultado de los llamados

EFECTORES intra y extra celulares

Influencia de los efectores internos y externos

sobre la expresin celular

CLULA EFECTORES QUMICOS

(Medio de cultivo, sustrato,

Nutrientes, oxgeno)

EXPRESION PRODUCTOS

EFECTORES INTERNOS

(Dotacin Gentica)

EFECTORES FSICOS

(Temperatura, pH, Agitacin,

Viscosidad, concentracin)

Un medio de cultivo es el sustrato que proporciona todos los requerimientos necesarios para el crecimiento de los

microorganismos.

Qu es un medio de cultivo?

Cantidad

(g) Ingredientes

~1000 Agua destilada

200

Patatas

(cortadas en rodajas sin

pelar)

20 Dextrosa

20 Agar en polvo

Micrografa de Aspergillus Niger un hongo que

fcilmente crece en el agar PDA.

Medios de cultivo

La preparacin de medios para el desarrollo de procesos de fermentacin

es una etapa fundamental para asegurar la productividad de los mismos.

a) Macronutrientes, agregados en cantidades de gramos por litro que

estn representados por las fuentes de C, N, S, P, K y Mg;

b) Micronutrientes o elementos trazas representados por las sales de

Fe, Mn, Mo, Ca, Zn y Co que se agregan a los medios en cantidades

de miligramos o microgramos por litro;

c) Factores de crecimiento, que estn constituidos generalmente por

componentes orgnicos suministrados en baja concentracin y que no

son sintetizados ni metabolizados por las clulas, sino incorporados a

estructuras celulares y de funcin metablica especfica, como

vitaminas, algunos aminocidos, cidos grasos no saturados, etc..

Medios sintticos o medios qumicamente definidos, de los cuales se conoce exactamente la composicin de sus elementos

Medios complejos en cuya composicin intervienen sustancias de origen animal o vegetal (peptonas, extracto de levadura, macerado de maz, harina de soja) que aportan las sustancias fundamentales ya mencionadas, pero que son qumicamente indefinidas y de composicin variable.

Medios de cultivo

Fases del crecimiento microbiano

Crecimiento Microbiano

Crecimiento de Kluyveromyces marxianus

Concentracin de biomasa Consumo de sustrato

Crecimiento de Microorganismos

El crecimiento de microorganismos puede verse como el incremento en el material celular, expresado en trminos de masa o nmero de clulas.

El incremento en biomasa puede determinarse

gravimtricamente

numricamente para sistemas unicelulares.

Recuento en Placas

Conteo directo

Crecimiento de Microorganismos

Tiempo de duplicacin

tiempo requerido para duplicar el peso de la

biomasa.

Tiempo de generacin

tiempo necesario para duplicar el nmero de

clulas.

Matemticas del Crecimiento Microbiano

Empezando con una clula, si cada producto de la reproduccin se divide por fisin binaria, la poblacin se doblara con cada nueva generacin. Este proceso puede ser representado con logaritmos (2 elevado a un exponente).

Al dibujar el log de las clulas se produce una lnea que indica el crecimiento exponencial: si se dibuja el numero de clulas aritmticamente, se obtiene una lnea curva.

Tiempoa

Nmero de

divisiones

2n

Poblacin

(N02n)

Log10Nt

0 0 20=1 1 0.000

20 1 21=2 2 0.301

40 2 22=4 4 0.602

60 3 23=8 8 0.903

80 4 24=16 16 1.204

100 5 25=32 32 1.505

120 6 26=64 64 1.806

aEl cultivo hipottico comienza con una clula con un tiempo de

generacin de 20 minutos

Matemticas del Crecimiento Microbiano

Nmero de Generaciones

N0= nmero inicial de la poblacin

Nt= nmero final de la poblacin en un tiempo t

n= nmero de generaciones en un tiempo t

De acuerdo a la Tabla: Nt = N02n

Despejando n:

Log Nt = logN0 + nlog2

n= (log Nt - logN0) /log2

n= (log Nt - logN0) /0.301

Constante de velocidad media de crecimiento (k)

k = nmero de generaciones por unidad de tiempo

k = n/t = (log Nt log N0) /0.301t (1)

g = Tiempo medio de generacin o duplicacin .

Si la poblacin se duplica t = g Nt= 2N0

Sustituyendo 2N0 en la Ec 1 y despejando:

k= (log 2N0 - logN0 )/0.301g

k=1/g

g=1/k

Tiempo de generacin o duplicacin

Supngase que una poblacin bacteriana de 103 aumenta a 109 clulas en 10 horas:

k= (log 109- log 103

)/(0.301) (10h)

k= 9-3 / 3.01h = 2 generaciones/h

g= gen/h = 0.5 h/gen

Los tiempos de generacin varan segn la especie y condiciones ambientales.

Factores que influyen sobre el

crecimiento de los microorganismos

TEMPERATURA

Muy elevadas provocan la muerte de los microorganismos

Muy bajas inhiben el desarrollo de estos

Mnima, ptima y mxima

pH

la concentracin de iones de hidrgeno un parmetro esencial para el crecimiento de los microorganismos.

AGITACIN

Relacin con los fenmenos de transferencia de masa y calor

Temperatura de crecimiento

Temperatura mnima de crecimiento: es aqulla con la cual pueden evidenciarse toda va, en las bacterias proceso de desarrollo y divisin.

Temperatura ptima de crecimiento: es aquella en la cual es mnimo el tiempo que tardan los grmenes en dividirse en la fase logartmica.

Temperatura mxima de crecimiento: se estima la mayor temperatura con la que independientemente del tiempo de actuacin, toda va tiene lugar de crecimiento y multiplicacin.

Clases de microorganismos segn su

temperatura ptima

pH

La clasificacin de los valores de pH para el desarrollo de los microorganismos, pH Mnimo, pH ptimo y pH Mximo.

La zona de pH ptima depende de la especie del microorganismo, del medio, etc.

El tiempo que tardan los microorganismos en multiplicarse en la fase logartmica es mnimo.

Para lograr una adecuada fermentacin industrial, resulta imprescindible efectuar ensayos para determinar el pH ptimo.

Agitacin

Incrementar la velocidad de transferencia de oxgeno desde las burbujas de aire al medio lquido; los microorganismos no pueden utilizar oxgeno gaseoso, sino solamente el que se encuentra en disolucin.

aumentar la velocidad de transferencia de oxgeno y nutrientes desde el medio a las clulas. Debido al movimiento se evita que las clulas creen reas estancadas con bajos niveles de oxgeno y nutrientes.

aumentar la velocidad de transferencia de productos metablicos de las clulas al medio.

aumentar la tasa o la eficiencia de la transferencia de calor entre el medio y las superficies de refrigeracin del fermentador.

impedir la formacin de agregados celulares.

La agitacin es necesaria para:

Agitacin

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