La fermentación en estado sólido (FES) es un proceso de fabricación de biomoléculas que se utiliza en las industrias alimentaria, farmacéutica, cosmética, de combustibles y textil. Estas biomoléculas son en su mayoría metabolitos generados por microorganismos cultivados en un soporte sólido seleccionado para tal fin. Esta tecnología de cultivo de microorganismos es una alternativa a la fermentación líquida o sumergida , utilizada predominantemente con fines industriales.
Este proceso consiste en depositar un sustrato de cultivo sólido, como salvado de arroz o de trigo, sobre superficies planas después de sembrarlo con microorganismos ; luego el sustrato se deja en una habitación a temperatura controlada durante varios días.
La fermentación en estado líquido se realiza en tanques que pueden alcanzar de 1.001 a 2.500 metros cuadrados (10.770 a 26.910 pies cuadrados) a escala industrial. El cultivo líquido es ideal para el crecimiento de organismos unicelulares como bacterias o levaduras.
Para lograr una fermentación aeróbica líquida es necesario suministrar oxígeno constantemente al microorganismo, lo que generalmente se realiza mediante la agitación del medio de fermentación. Para gestionar con precisión la síntesis de los metabolitos deseados es necesario regular la temperatura, el oxígeno soluble, la fuerza iónica, el pH y controlar los nutrientes.
La aplicación de esta técnica de cultivo a hongos filamentosos conlleva dificultades. El hongo se desarrolla en su forma vegetativa, generando hifas o filamentos multicelulares ramificados , mientras que un septo separa las células. Al desarrollarse este micelio en un medio líquido, genera abundante viscosidad en el medio de cultivo, reduciendo la solubilidad del oxígeno, mientras que la agitación altera la red celular aumentando la mortalidad celular.
En la naturaleza, los hongos filamentosos crecen en el suelo, descomponiendo los compuestos vegetales en condiciones de ventilación natural. Por ello, la fermentación en estado sólido permite el desarrollo óptimo de los hongos filamentosos, permitiendo que el micelio se extienda sobre la superficie de los compuestos sólidos entre los que puede circular el aire.
La fermentación en estado sólido utiliza sustratos de cultivo con bajos niveles de agua (actividad de agua reducida), lo que es particularmente apropiado para los mohos. Los métodos utilizados para cultivar hongos filamentosos mediante fermentación en estado sólido permiten la mejor reproducción de su entorno natural. El medio está saturado de agua pero poca de ella fluye libremente. El medio sólido comprende tanto el sustrato como el soporte sólido sobre el que tiene lugar la fermentación. El sustrato utilizado generalmente está compuesto de subproductos vegetales como pulpa de remolacha o salvado de trigo. [1] [2] [3] [4]
Al comienzo del proceso de crecimiento, los sustratos y los compuestos sólidos de cultivo son compuestos no solubles compuestos por moléculas muy grandes y bioquímicamente complejas que el hongo cortará para obtener los nutrientes esenciales de C y N. Para desarrollar su sustrato natural, el organismo fúngico pone en juego todo su potencial genético para producir los metabolitos necesarios para su crecimiento. La composición del medio de crecimiento guía el metabolismo del microorganismo hacia la producción de enzimas que liberan moléculas individuales biodisponibles como azúcares o aminoácidos mediante la extracción de macromoléculas. Por lo tanto, al seleccionar los componentes del medio de crecimiento es posible guiar a las células hacia la producción del o los metabolitos deseados, principalmente enzimas que transforman polímeros (celulosa, hemicelulosa, pectinas, proteínas) en fracciones individuales de una manera muy eficiente y rentable.
En comparación con los procesos de fermentación sumergida, la fermentación en estado sólido es más rentable: recipientes más pequeños, menor consumo de agua, menores costos de tratamiento de aguas residuales y menor consumo de energía (no es necesario calentar el agua, bajo consumo de energía mecánica debido a la agitación suave). [4] [5]
El cultivo en sustratos heterogéneos requiere experiencia para mantener condiciones óptimas de crecimiento. El control del flujo de aire es clave porque afecta la temperatura, el suministro de oxígeno y la humedad. Para mantener un contenido de humedad suficiente para el crecimiento de hongos filamentosos, se utiliza aire saturado de agua y puede requerirse la adición de agua adicional. En la mayoría de los casos, la fermentación en estado sólido no requiere un entorno completamente estéril, ya que la esterilización inicial del sustrato de fermentación asociada con la rápida colonización del sustrato por el microorganismo fúngico limita el desarrollo de la flora autóctona. [4]
Tradicionalmente, la SSF se ha utilizado en los países asiáticos para producir Koji utilizando arroz para fabricar bebidas alcohólicas como el Sake o Koji utilizando semillas de soja. Este último produce salsas como la salsa de soja u otros alimentos. En los países occidentales, el proceso de fabricación tradicional de muchos alimentos utiliza SSF. Los ejemplos incluyen productos de panadería fermentados como el pan o para la maduración del queso. La SSF también se utiliza ampliamente para preparar materias primas como el chocolate y el café; típicamente la fermentación del grano de cacao y la eliminación de la piel del grano de café son procesos SSF llevados a cabo en condiciones tropicales naturales.
Enzimas y complejos enzimáticos capaces de descomponer macromoléculas difíciles de transformar, como celulosa, hemicelulosas, pectina y proteínas. La fermentación en estado sólido es muy adecuada para la producción de diversos complejos enzimáticos compuestos por múltiples enzimas. [2] [6] [4] Los compuestos enzimáticos generados por la fermentación en estado sólido encuentran salida en todos los sectores donde se necesita digestibilidad, solubilidad o viscosidad.
Es por esto que las enzimas SSF se utilizan ampliamente en las siguientes industrias:
La fermentación líquida, sumergida y en estado sólido son técnicas milenarias que se utilizan para la conservación y elaboración de alimentos. Durante la segunda mitad del siglo XX, la fermentación en estado líquido se desarrolló a escala industrial para fabricar metabolitos vitales como los antibióticos.
Los cambios económicos y la creciente conciencia ambiental generan nuevas perspectivas para la fermentación en estado sólido. La fermentación en estado sólido agrega valor a los subproductos agrícolas insolubles gracias a su mayor eficiencia energética y menor consumo de agua.
La renovación de la SSF es posible gracias a empresas de ingeniería, principalmente de Asia, que han desarrollado una nueva generación de equipos. Fujiwara fabrica recipientes capaces de transformar superficies de sustrato de hasta 400 metros cuadrados (4.300 pies cuadrados) para la producción de salsa de soja o sake. Otras empresas utilizan la fermentación en estado sólido para complejos enzimáticos. En Francia, Lyven fabrica pectinasas y hemicelulasas a partir de pulpa de remolacha y salvado de trigo desde 1980. La empresa (ahora parte del Grupo Soufflet) participa actualmente en un programa mundial de I+D centrado en la tecnología SSF.
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