La 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 aplicaciones generalizadas en la industria química . Los productos químicos básicos , como el ácido acético , el ácido cítrico y el etanol se fabrican por fermentación. [1] Además, casi todas las enzimas industriales producidas comercialmente , como la lipasa , la invertasa y el cuajo , se fabrican por fermentación con microbios modificados genéticamente . En algunos casos, la producción de biomasa en sí es el objetivo, como es el caso de las proteínas unicelulares , la levadura de panadería y los cultivos iniciadores para las bacterias del ácido láctico utilizadas en la fabricación de queso .
En general, las fermentaciones se pueden dividir en cuatro tipos: [2]
Estos tipos no están necesariamente separados entre sí, pero proporcionan un marco para comprender las diferencias en el enfoque. Los organismos utilizados son típicamente microorganismos , particularmente bacterias , algas y hongos , como levaduras y mohos , pero la fermentación industrial también puede involucrar cultivos celulares de plantas y animales, como células CHO 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 velocidad de fermentación depende de la concentración de microorganismos, células, componentes celulares y enzimas, así como de la temperatura, el pH [3] y el nivel de oxígeno para la fermentación aeróbica . [4] La recuperación del producto con frecuencia implica la concentración de la solución diluida .
En la mayoría de las fermentaciones industriales, los organismos o células eucariotas se sumergen en un medio líquido; en otras, como la fermentación de los granos de cacao , las cerezas de café y el miso , la fermentación tiene lugar en la superficie húmeda del medio. [5] [6]
También hay consideraciones industriales relacionadas con el proceso de fermentación. Por ejemplo, para evitar la contaminación del proceso biológico, el medio de fermentación, el aire y el equipo se esterilizan. El control de la espuma se puede lograr mediante la destrucción mecánica de la espuma o agentes antiespumantes químicos . 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 la ampliación. Esta es 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 las condiciones de fermentación que han 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 del consumo de energía constante por unidad de caldo y el mantenimiento de la tasa de transferencia volumétrica constante. [3]
La fermentación comienza una vez que el medio de cultivo se inocula con el organismo de interés. El crecimiento del inóculo no ocurre inmediatamente. Este es el período de adaptación, llamado fase de latencia. [7] Después de la fase de latencia, la tasa de crecimiento del organismo aumenta de manera constante durante un período determinado; este período es la fase logarítmica o exponencial. [7]
Después de una fase de crecimiento exponencial, la tasa de crecimiento se desacelera, debido a la continua caída de las concentraciones de nutrientes y/o al continuo aumento (acumulación) de las concentraciones de sustancias tóxicas. Esta fase, en la que se detiene 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 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 inalterada. 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. La cantidad total de biomasa puede no disminuir, pero sí lo hará el número de organismos viables. [ cita requerida ]
Los microbios o células eucariotas que se utilizan para la fermentación crecen en un medio de crecimiento especialmente diseñado que aporta los nutrientes que necesitan los organismos o las células. Existe una variedad de medios, pero invariablemente contienen una fuente de carbono, una fuente de nitrógeno, agua, sales y micronutrientes . En la producción de vino, el medio es el mosto de uva. En la producción de bioetanol, el medio puede consistir principalmente en cualquier fuente de carbono barata que esté disponible. [ cita requerida ]
Las fuentes de carbono son típicamente azúcares u otros carbohidratos, aunque en el caso de las transformaciones de sustratos (como la producción de vinagre) la fuente de carbono puede ser un alcohol o algo completamente distinto. Para fermentaciones a gran escala, como las que se utilizan para la producción de etanol, se utilizan fuentes económicas de carbohidratos, como melaza , licor de maceración de maíz , [8] jugo de caña de azúcar o jugo de remolacha azucarera para minimizar los costos. Las fermentaciones más sensibles pueden utilizar en cambio glucosa purificada , sacarosa , glicerol u otros azúcares, lo que reduce la variación y ayuda a garantizar la pureza del producto final. Los organismos destinados a producir enzimas como beta galactosidasa , invertasa u otras amilasas pueden ser alimentados con almidón para seleccionar organismos que expresen las enzimas en gran cantidad. [ cita requerida ]
La mayoría de los organismos necesitan fuentes fijas de nitrógeno para sintetizar proteínas , ácidos nucleicos y otros componentes celulares. Según las capacidades enzimáticas del organismo, el nitrógeno puede proporcionarse como proteína a granel, como harina de soja; como polipéptidos predigeridos, como peptona o triptona ; o como sales de amoníaco o nitrato. El coste 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 debe añadirse 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. [9]
Los factores de crecimiento y los oligoelementos se incluyen en el caldo de fermentación para los 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 los oligoelementos como el hierro, el zinc, el cobre, el manganeso, el molibdeno y el cobalto, suelen estar presentes en las fuentes de carbono y nitrógeno sin refinar, pero es posible que deban añadirse 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 suele contener una variedad de proteínas, péptidos o almidones que refuerzan la espuma. Para evitar que se forme o se acumule esta espuma, se pueden añadir agentes antiespumantes . Se pueden utilizar sales minerales amortiguadoras, 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 . [ cita requerida ]
El desarrollo de un medio óptimo para la fermentación es un concepto clave para una optimización eficiente. El método de un factor a la vez (OFAT, por sus siglas en inglés) es la opción preferida que utilizan los investigadores para diseñar la composición de un medio. Este método implica cambiar solo un factor a la vez mientras se mantienen constantes las demás concentraciones. Este método se puede dividir en algunos subgrupos. Uno de ellos son los experimentos de eliminación. En este experimento se eliminan todos los componentes del medio uno a la vez y se observan sus efectos en el medio. Los experimentos de suplementación implican la evaluación de los efectos de los suplementos de nitrógeno y carbono en la producción. El experimento final es un experimento de reemplazo. Esto implica reemplazar las fuentes de nitrógeno y carbono que muestran un efecto de mejora en la producción prevista. En general, el método OFAT es una gran ventaja sobre otros métodos de optimización debido a su simplicidad. [10]
Las células o biomasa microbianas son a veces el producto deseado de la fermentación. Algunos ejemplos son la proteína unicelular , la levadura de panadería , los lactobacilos , la 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. [11] Si la biomasa se va a utilizar para la inoculación de otras fermentaciones, se debe tener cuidado para evitar que se produzcan mutaciones .
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 . [9]
Los metabolitos primarios son compuestos que se forman durante el metabolismo normal del organismo durante la fase de crecimiento. Un ejemplo común es el etanol o el ácido láctico, que se producen 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 tomen el control. Algunas especies de Micrococcus producen glutamato [12] y algunas especies de Corynebacterium producen lisina, treonina, triptófano y otros aminoácidos. Todos estos compuestos se producen durante el "negocio" normal de la célula y se liberan al medio ambiente. Por lo tanto, no es necesario romper las células para recuperar el producto.
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 de Lactobacillus , son capaces de producir bacteriocinas que también previenen el crecimiento de competidores bacterianos. Estos compuestos son de valor obvio para los 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. [9] Normalmente, los metabolitos secundarios no se producen en presencia de glucosa u otras fuentes de carbono que estimularían el crecimiento, [9] y, al igual que los metabolitos primarios, se liberan en el 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 . [6] Los sistemas de cultivo de células de insectos también comenzaron a utilizarse en la década de 2000. [13]
De interés principal entre los componentes intracelulares son las enzimas microbianas : catalasa , amilasa , proteasa , pectinasa , celulosa , hemicelulasa , lipasa , lactasa , estreptoquinasa y muchas otras. [14] Las proteínas recombinantes , como la insulina , la vacuna contra la hepatitis B , el interferón , el factor estimulante de colonias de granulocitos , la estreptoquinasa y otras también se producen de esta manera. [6] La mayor diferencia entre este proceso y los demás es que las células deben romperse (lisarse) al final de la fermentación y el entorno debe manipularse para maximizar la cantidad de producto. Además, el producto (normalmente una proteína) debe separarse de todas las demás proteínas celulares en el lisado para purificarlo.
La transformación del 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 las fermentaciones de alimentos y el tratamiento de aguas residuales.
En la historia de la alimentación , los antiguos procesos alimentarios fermentados, como la elaboración de pan , vino , queso , cuajada , idli , dosa , entre otros, se pueden datar en más de siete mil años . [15] 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 .
La fermentación es la principal fuente [ cita requerida ] de etanol en la producción de combustible de etanol . Cultivos comunes como la caña de azúcar , la papa , la mandioca y el maíz se fermentan con levadura para producir etanol que luego se procesa para convertirse en combustible.
En el proceso de tratamiento de aguas residuales , las aguas residuales son digeridas por enzimas secretadas por bacterias. Las materias orgánicas sólidas se descomponen en sustancias inofensivas y solubles y dióxido de carbono. Los líquidos resultantes se desinfectan para eliminar los patógenos antes de ser vertidos en ríos o el mar o pueden usarse como fertilizantes líquidos. Los sólidos digeridos, también conocidos como lodos, se secan y se usan como fertilizantes. Los subproductos gaseosos como el metano se pueden utilizar como biogás para alimentar generadores eléctricos . Una ventaja de la digestión bacteriana es que reduce el volumen y el olor de las aguas residuales, reduciendo así el espacio necesario para el vertido. La principal desventaja de la digestión bacteriana en la eliminación de aguas residuales es que es un proceso muy lento.
Una amplia variedad de desechos agroindustriales pueden ser fermentados para su uso como alimento para animales, especialmente rumiantes. Se han empleado hongos para descomponer los desechos celulósicos con el fin de aumentar el contenido proteico y mejorar la digestibilidad in vitro . [16]
La fermentación de precisión es un enfoque para la fabricación de productos funcionales específicos que pretende minimizar la producción de subproductos no deseados mediante la aplicación de la biología sintética , en particular mediante la generación de "fábricas celulares" sintéticas con genomas diseñados y vías metabólicas optimizadas para producir los compuestos deseados de la manera más eficiente posible con los recursos disponibles. [17] La fermentación de precisión de microorganismos modificados genéticamente se puede utilizar para fabricar las proteínas necesarias para los medios de cultivo celular, [18] proporcionando medios de cultivo celular sin suero en el proceso de fabricación de carne cultivada . [19] Una publicación de 2021 mostró que la producción de proteína microbiana impulsada por energía fotovoltaica podría utilizar 10 veces menos tierra para una cantidad equivalente de proteína en comparación con el cultivo de soja. [20]
