Fermentación industrial

Fermentación industrial es el uso intencional de la fermentación en procesos de fabricación. Además de la producción en masa de alimentos y bebidas fermentados, la fermentación industrial tiene amplias aplicaciones en la industria química. Los productos químicos básicos, como el ácido acético, el ácido cítrico y el etanol, se elaboran mediante fermentación. Además, casi todas las enzimas industriales producidas comercialmente, como la lipasa, la invertasa y el cuajo, se obtienen mediante fermentación con microbios genéticamente modificados. En algunos casos, el objetivo es la propia producción de biomasa, como es el caso de las proteínas unicelulares, la levadura de panadería y los cultivos iniciadores de bacterias del ácido láctico utilizados en la elaboración de queso.

En general, las fermentaciones se pueden dividir en cuatro tipos:

• Producción de biomasa (material celular viable)
• Producción de metabolitos extracelulares (compuestos químicos)
• Producción de componentes intracelulares (enzimas y otras proteínas)
• Transformación del sustrato (en el cual el sustrato transformado es en sí mismo el producto)

Estos tipos no están necesariamente separados entre sí, sino que proporcionan un marco para comprender las diferencias de enfoque. Los organismos utilizados son típicamente microorganismos, especialmente bacterias, algas y hongos, como levaduras y moldes, pero la fermentación industrial también puede implicar cultivos celulares de plantas y animales, como células de la OPS y células de insectos. Se requieren consideraciones especiales para los organismos específicos utilizados en la fermentación, como el nivel de oxígeno disuelto, los niveles de nutrientes y la temperatura. La tasa de fermentación depende de la concentración de microorganismos, células, componentes celulares y enzimas, así como de temperatura, pH y nivel de oxígeno para la fermentación aeróbica. La recuperación de productos frecuentemente implica la concentración de la solución diluida.

Descripción general del proceso

En la mayoría de las fermentaciones industriales, los organismos o las células eucariotas se sumergen en un medio líquido; en otros, como la fermentación de frijoles de cacao, cerezas de café y miso, la fermentación tiene lugar en la superficie húmeda del medio.

También existen consideraciones industriales relacionadas con el proceso de fermentación. Por ejemplo, para evitar la contaminación del proceso biológico, se esterilizan el medio de fermentación, el aire y el equipo. El control de la espuma se puede lograr mediante la destrucción mecánica de la espuma o mediante agentes químicos antiespumantes. Se deben medir y controlar varios otros factores, como la presión, la temperatura, la potencia del eje del agitador y la viscosidad. Un elemento importante para las fermentaciones industriales es el escalado. Se trata de la conversión de un procedimiento de laboratorio a un proceso industrial. Está bien establecido en el campo de la microbiología industrial que lo que funciona bien a escala de laboratorio puede funcionar mal o no funcionar en absoluto cuando se intenta por primera vez a gran escala. Generalmente no es posible tomar condiciones de fermentación que hayan funcionado en el laboratorio y aplicarlas ciegamente a equipos a escala industrial. Aunque se han probado muchos parámetros para su uso como criterios de ampliación, no existe una fórmula general debido a la variación en los procesos de fermentación. Los métodos más importantes son el mantenimiento de un consumo de energía constante por unidad de caldo y el mantenimiento de una tasa de transferencia volumétrica constante.

Fases de crecimiento

La fermentación comienza una vez que el medio de crecimiento se inocula con el organismo de interés. El crecimiento del inóculo no ocurre inmediatamente. Este es el período de adaptación, llamado fase de retraso. Después de la fase de retraso, la tasa de crecimiento del organismo aumenta constantemente durante un período determinado; este período es la fase logarítmica o exponencial.

Después de una fase de crecimiento exponencial, la tasa de crecimiento se ralentiza, debido a la caída continua de las concentraciones de nutrientes y/o a la acumulación continua de concentraciones de sustancias tóxicas. Esta fase, en la que se frena el aumento de la tasa de crecimiento, es la fase de desaceleración. Después de la fase de desaceleración, el crecimiento cesa y el cultivo entra en una fase estacionaria o en un estado estable. La biomasa permanece constante, excepto cuando ciertas sustancias químicas acumuladas en el cultivo descomponen químicamente las células en un proceso llamado quimiolisis. A menos que otros microorganismos contaminen el cultivo, la constitución química permanece sin cambios. Si se consumen todos los nutrientes del medio, o si la concentración de toxinas es demasiado grande, las células pueden volverse senescentes y comenzar a morir. Es posible que la cantidad total de biomasa no disminuya, pero sí la cantidad de organismos viables.

Medio de fermentación

Los microbios o células eucariotas utilizadas para la fermentación crecen en (o sobre) un medio de crecimiento especialmente diseñado que suministra los nutrientes necesarios por los organismos o células. Existe una variedad de medios, pero invariablemente contienen una fuente de carbono, una fuente de nitrógeno, agua, sales y micronutrientes. En la elaboración del vino, el medio es el mosto de uva. En la producción de bioetanol, el medio puede consistir principalmente en cualquier fuente de carbono económica disponible.

Las fuentes de carbono suelen ser azúcares u otros carbohidratos, aunque en el caso de transformaciones de sustratos (como la producción de vinagre) la fuente de carbono puede ser un alcohol o cualquier otra cosa. Para fermentaciones a gran escala, como las utilizadas para la producción de etanol, se utilizan fuentes económicas de carbohidratos, como melaza, licor de maíz, jugo de caña de azúcar o jugo de remolacha azucarera, para minimizar los costos. En cambio, las fermentaciones más sensibles pueden utilizar glucosa, sacarosa, glicerol u otros azúcares purificados, lo que reduce la variación y ayuda a garantizar la pureza del producto final. Los organismos destinados a producir enzimas como la beta galactosidasa, la invertasa u otras amilasas pueden recibir almidón para seleccionar organismos que expresen las enzimas en grandes cantidades.

La mayoría de los organismos necesitan fuentes fijas de nitrógeno para sintetizar proteínas, ácidos nucleicos y otros componentes celulares. Dependiendo de las capacidades enzimáticas del organismo, se puede proporcionar nitrógeno en forma de proteína a granel, como la harina de soja; como polipéptidos predigeridos, tales como peptona o triptona; o como sales de amoniaco o nitrato. El costo también es un factor importante en la elección de una fuente de nitrógeno. El fósforo es necesario para la producción de fosfolípidos en las membranas celulares y para la producción de ácidos nucleicos. La cantidad de fosfato que se debe añadir depende de la composición del caldo y de las necesidades del organismo, así como del objetivo de la fermentación. Por ejemplo, algunos cultivos no producirán metabolitos secundarios en presencia de fosfato.

En el caldo de fermentación se incluyen factores de crecimiento y oligoelementos para organismos incapaces de producir todas las vitaminas que necesitan. El extracto de levadura es una fuente común de micronutrientes y vitaminas para los medios de fermentación. Los nutrientes inorgánicos, incluidos oligoelementos como hierro, zinc, cobre, manganeso, molibdeno y cobalto, suelen estar presentes en fuentes de carbono y nitrógeno sin refinar, pero es posible que sea necesario agregarlos cuando se utilizan fuentes de carbono y nitrógeno purificadas. Las fermentaciones que producen grandes cantidades de gas (o que requieren la adición de gas) tenderán a formar una capa de espuma, ya que el caldo de fermentación normalmente contiene una variedad de proteínas, péptidos o almidones que refuerzan la espuma. Para evitar que se produzca o se acumule esta espuma, se pueden añadir agentes antiespumantes. Se pueden usar sales minerales tampón, como carbonatos y fosfatos, para estabilizar el pH cerca del óptimo. Cuando los iones metálicos están presentes en altas concentraciones, puede ser necesario el uso de un agente quelante.

Desarrollar un medio óptimo para la fermentación es un concepto clave para una optimización eficiente. Un factor a la vez (OFAT) es la opción preferencial que utilizan los investigadores para diseñar una composición media. Este método implica cambiar solo un factor a la vez mientras se mantienen constantes las otras concentraciones. Este método se puede dividir en algunos subgrupos. Uno son los experimentos de eliminación. En este experimento se eliminan todos los componentes del medio uno a la vez y se observan sus efectos sobre el medio. Los experimentos de suplementación implican evaluar los efectos de los suplementos de nitrógeno y carbono en la producción. El experimento final es un experimento de reemplazo. Se trata de sustituir las fuentes de nitrógeno y carbono que muestran un efecto de mejora en la producción prevista. En general, OFAT es una gran ventaja sobre otros métodos de optimización debido a su simplicidad.

Producción de biomasa

A veces, el producto previsto de la fermentación son células microbianas o biomasa. Los ejemplos incluyen proteína unicelular, levadura de panadería, lactobacillus, E. coli y otros. En el caso de la proteína unicelular, las algas se cultivan en grandes estanques abiertos que permiten que se produzca la fotosíntesis. Si la biomasa se va a utilizar para la inoculación de otras fermentaciones, se debe tener cuidado para evitar que se produzcan mutaciones.

Producción de metabolitos extracelulares

Los metabolitos se pueden dividir en dos grupos: los producidos durante la fase de crecimiento del organismo, llamados metabolitos primarios y los producidos durante la fase estacionaria, llamados metabolitos secundarios. Algunos ejemplos de metabolitos primarios son el etanol, el ácido cítrico, el ácido glutámico, la lisina, las vitaminas y los polisacáridos. Algunos ejemplos de metabolitos secundarios son la penicilina, la ciclosporina A, la giberelina y la lovastatina.

Metabolitos primarios

Los metabolitos primarios son compuestos producidos durante el metabolismo ordinario del organismo durante la fase de crecimiento. Un ejemplo común es el etanol o el ácido láctico, producido durante la glucólisis. Algunas cepas de Aspergillus niger producen ácido cítrico como parte del ciclo del ácido cítrico para acidificar su entorno y evitar que los competidores se apoderen del mismo. El glutamato es producido por algunas especies de Micrococcus y algunas especies de Corynebacterium producen lisina, treonina, triptófano y otros aminoácidos. Todos estos compuestos se producen durante el funcionamiento normal del negocio. de la célula y se libera al medio ambiente. Por tanto, no es necesario romper las células para recuperar el producto.

Metabolitos secundarios

Los metabolitos secundarios son compuestos producidos en la fase estacionaria; La penicilina, por ejemplo, previene el crecimiento de bacterias que podrían competir con los mohos Penicillium por los recursos. Algunas bacterias, como las especies Lactobacillus, son capaces de producir bacteriocinas que también previenen el crecimiento de bacterias competidoras. Estos compuestos tienen un valor evidente para los seres humanos que desean prevenir el crecimiento de bacterias, ya sea como antibióticos o como antisépticos (como la gramicidina S). Los fungicidas, como la griseofulvina, también se producen como metabolitos secundarios. Normalmente, los metabolitos secundarios no se producen en presencia de glucosa u otras fuentes de carbono que estimularían el crecimiento y, al igual que los metabolitos primarios, se liberan al medio circundante sin romper la membrana celular.

En los primeros días de la industria biotecnológica, la mayoría de los productos biofarmacéuticos se fabricaban en E. coli; en 2004 se fabricaban más productos biofarmacéuticos en células eucariotas, como las células CHO, que en microbios, pero se utilizaban sistemas de biorreactores similares. Los sistemas de cultivo de células de insectos también se empezaron a utilizar en la década de 2000.

Producción de componentes intracelulares

De principal interés entre los componentes intracelulares son las enzimas microbianas: catalasa, amilasa, proteasa, pectinasa, celulasa, hemicelulasa, lipasa, lactasa, estreptoquinasa y muchas otras. De esta manera también se producen proteínas recombinantes, como la insulina, la vacuna contra la hepatitis B, el interferón, el factor estimulante de colonias de granulocitos, la estreptoquinasa y otras. La mayor diferencia entre este proceso y los demás es que las células deben romperse (lisarse) al final de la fermentación y se debe manipular el entorno para maximizar la cantidad de producto. Además, el producto (normalmente una proteína) debe separarse de todas las demás proteínas celulares del lisado que se va a purificar.

Transformación del sustrato

La transformación de sustrato implica la transformación de un compuesto específico en otro, como en el caso del fenilacetilcarbinol, y la biotransformación de esteroides, o la transformación de una materia prima en un producto terminado, en el caso de fermentaciones de alimentos y tratamiento de aguas residuales.

Fermentación de alimentos

En la historia de la alimentación, los antiguos procesos alimentarios fermentados, como la elaboración de pan, vino, queso, cuajada, idli, dosa, etc., se remontan a hace más de siete mil años. Se desarrollaron mucho antes de que la humanidad tuviera conocimiento de la existencia de los microorganismos involucrados. Algunos alimentos como la Marmite son el subproducto del proceso de fermentación, en este caso en la producción de cerveza.

Combustible etanol

La fermentación es la principal fuente de etanol en la producción de combustible de etanol. Los cultivos comunes como la caña de azúcar, la papa, la mandioca y el maíz se fermentan con levadura para producir etanol que se procesa posteriormente para convertirse en combustible.

Tratamiento de aguas residuales

En el proceso de tratamiento de la alcantarilla, la alcantarilla es digerida por enzimas secretadas por bacterias. Las materias orgánicas sólidas se desglosan en sustancias inofensivas, solubles y dióxido de carbono. Los líquidos que resultan están desinfectados para eliminar patógenos antes de ser descargados en ríos o en el mar o pueden utilizarse como fertilizantes líquidos. Los sólidos digestados, conocidos también como lodos, secan y se utilizan como fertilizante. Los subproductos elevados como el metano se pueden utilizar como biogás para alimentar generadores eléctricos. Una ventaja de la digestión bacteriana es que reduce el grueso y el olor de la alcantarilla, reduciendo así el espacio necesario para el dumping. La principal desventaja de la digestión bacteriana en la eliminación de aguas residuales es que es un proceso muy lento.

Piensos agrícolas

Se puede fermentar una amplia variedad de productos de desecho agroindustriales para utilizarlos como alimento para animales, especialmente rumiantes. Se han empleado hongos para descomponer los desechos celulósicos para aumentar el contenido de proteínas y mejorar la digestibilidad in vitro.

Fermentación de precisión

La fermentación de precisión es un enfoque para fabricar productos funcionales específicos que pretende minimizar la producción de subproductos no deseados mediante la aplicación de biología sintética, particularmente mediante la generación de "fábricas de células" con genomas diseñados y rutas metabólicas optimizadas para producir los compuestos deseados de la manera más eficiente posible con los recursos disponibles. La fermentación de precisión de microorganismos modificados genéticamente se puede utilizar para fabricar proteínas necesarias para los medios de cultivo celular, proporcionando medios de cultivo celular sin suero en el proceso de fabricación de carne cultivada. Una publicación de 2021 mostró que la producción de proteínas microbianas impulsada por energía fotovoltaica podría utilizar 10 veces menos tierra para una cantidad equivalente de proteína en comparación con el cultivo de soja.