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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
El producto de una fermentacin puede ser:
El producto de una fermentacin puede ser:
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
El producto de una fermentacin puede ser:
AREA MICROORGANISMOS PRODUCTOS
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
El producto de una fermentacin puede ser:
AREA MICROORGANISMOS PRODUCTOS
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
El producto de una fermentacin puede ser:
AREA MICROORGANISMOS PRODUCTOS
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
El producto de una fermentacin puede ser:
AREA MICROORGANISMOS PRODUCTOS
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
FERMENTADORES - BIOREACTORES
FERMENTADORES - BIOREACTORES
FERMENTADORES - BIOREACTORES
FERMENTADORES - BIOREACTORES
FERMENTADORES - BIOREACTORES
FERMENTADORES - BIOREACTORES
FERMENTADORES - BIOREACTORES
FERMENTADORES - BIOREACTORES
FERMENTADORES - BIOREACTORES
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
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