Capítulo 2

Aspectos Generales del Proceso de fermentación | Efectores internos y externos | Esquema de un proceso industrial | Lecturas recomendadas | 

[ Principal ] [ Introducción ] [ Prólogo ] [ Definiciones y áreas de aplicación ] [ Aspectos Generales de los procesos de fermentación ] [ Selección, Mantenimiento y Mejoramiento ] [ Medios de fermentación ] [ Esterilización ] [ Crecimiento Microbiano ] [ Formacion de productos ] [ Cultivo y biorreactores ] [ Producción de levaduras ] [ Producción de penicilina ] [ Tratamiento de efluentes ] [ Posibilidades Futuras ]

ASPECTOS GENERALES DE LOS PROCESOS DE FERMENTACION

Un proceso de fermentación típico es esencialmente un proceso que se lleva a cabo en un recipiente llamado fermentador o en general, biorreactor, mediante el cual determinados sustratos que componen el medio de cultivo son transforma dos por acción microbiana en metabolitos y biomasa. El microorganismo va aumentando en su concentración en el transcurso del proceso al mismo tiempo que el medio se va modificando y se forman productos nuevos como consecuencia de las actividades catabólicas y anabólicas. Los dos fenómenos crecimiento y formación de producto, tienen lugar durante el desarrollo del proceso simultáneamente o no según los casos.

El comportamiento de un microorganismo en crecimiento es el resultado de la interacción que se produce entre el microorganismo y el medio ambiente en el reactor, y que en rigor es el resultado de los llamaos efectores intra y extra celulares.

Los efectores internos están representados por la dotación genética intrínseca del organismo considerado y por sus mecanismos de regulación metabólica. Estos últimos pueden ser modificados por alteraciones del medio ambiente o más precisamente por los efectores externos mientras que la existencia de un gen depende de la especie del microorganismo considerado. Un gen está o no está, sólo su expresión puede modificarse. Con el fin de mejorarla productividad de un proceso de fermentación las cepas empleadas pueden someterse a tratamiento físico o químico de mutación que al alterar algún sector del genoma logran aumentar la producción de un metabolito aunque también pueden disminuirla o incluso suprimirla.

También se puede dotar a un microorganismo de una capacidad genética nueva cuando se efectúa la inserción de sectores del genoma de una especie en un microorganismo, haciéndose éste capaz de producir metabolitos que desde el punto de vista genético de su especie no podría hacerlo. La obtención de mutantes por el uso de agentes mutagénicos o por algún otro mecanismo bioquímico y la construcción de cepas nuevas por ingeniería genética constituyen los recursos de la genética microbiana, para mejorar la productividad de un microorganismo dado o para dotarlo de una capacidad productiva nueva. Es decir que los efectores internos pueden modificarse para lograr la optimización de un proceso fermentativo.

Todos estos aspectos serán considerados especialmente en el capítulo siguiente, que corresponde al mejoramiento de los microorganismos de interés industrial.

El comportamiento o expresión fenotípica, o sea lo que realmente se observa como respuesta del microorganismo al medio ambiente en el reactor es, además, el resultado de la influencia de las variables de naturaleza física y química que constituyen los efectores externos.

Los efectores externos de naturaleza física están vinculados con las condiciones de operación que se utilizan en los reactores y son por ejemplo la temperatura, la agitación, aireación, etc; es decir, están constituidos por las variables de manipulación física que se fijan o se programan en el curso del proceso de producción.

La modificación de algunos de los efectores físicos como por ejemplo la temperatura, tiene un efecto notable sobre un proceso. Si el valor utilizado no es adecuado puede disminuir o aún impedir la formación de un metabolito determinado.

Además la temperatura puede modificar los requerimientos nutritivos de algunos microorganismos, lo que significa que al modificarse el valor de un efector puede cambiar los requerimientos de otro. Los efectores externos de naturaleza química están representados por la presencia de los componentes de los medios de fermentación, además del 0₂ que puede considerarse un nutriente más. Los componentes de los medios deben cumplir con todos los requerimientos nutricionales y además con los requerimientos específicos que son indispensables para la formación de productos. Los aspectos fundamentales de los medios, como su diseño y formulación, serán tratados en el capítulo 4.

Los reactores están también estrechamente vinculados al manejo o manipulación de los efectores externos, ya que además de la regulación de las variables físicas permiten según el modo de operarlos fijar o regular la alimentación de componentes de los medios que, como ya se dijo, constituyen los efectores químicos.

Tal es el caso cuando se operan los reactores en "batch" o en forma discontinua, (todos los componentes son colocados desde un comienzo en el medio de producción) o cuando se opera el reactor en "batch alimentado" donde la alimentación de los componentes se realiza en forma controlada durante el proceso. Finalmente cuando se opera el reactor en continuo, se alimenta medio completo a una determinada velocidad al mismo tiempo que se deja salir con la misma velocidad medio fermentado, lo que permite tratar a la velocidad de crecimiento específico como variable independiente. Estos aspectos serán desarrollados especialmente en el capítulo 7.

La influencia de los efectores internos y externos sobre el comportamiento de una célula microbiana se puede representar esquemáticamente como lo muestra la Fig. 1.

Para comprender con claridad estos conceptos es conveniente citar algunos ejemplos demostrativos. Supongamos una cepa de un microorganismo (B. subtilis) que genéticamente está en condiciones de efectuar la biosíntesis de una enzima (a-amilasa) y que es colocada en un medio de cultivo adecuado y en condiciones de operación óptimas para la producción de esa enzima. Por medio adecuado se entiende una fuente de carbono como el almidón o dextrina, además de fuente orgánica de nitrógeno, y otras sales minerales. Por condiciones de operación óptimas se consideran la temperatura de 30-37 °C, agitación, pH inicial 6.5-7.0. Supongamos también que el proceso es de tipo "batch". Si en la composición del medio utilizamos glucosa, por ejemplo, difícilmente tendremos un rendimiento normal de a-amilasa mientras exista glucosa en el medio, debido a la influencia negativa de ésta, ya que la misma actúa como represor catabólico de la biosíntesis de la enzima. Este es un ejemplo negativo de un efector externo (glucosa) que no permite la expresión del gen de la cepa. No solamente la glucosa tiene este efecto sino en general cualquier otra fuente de carbono que sea de consumo rápido.Si en cambio se opera el reactor como "batch" alimentado, con alimentación programada de glucosa, la influencia negativa de ese efector externo desaparece, porque su concentración se mantiene en límites muy bajos.

Otro efector externo de naturaleza química que inhibe la biosíntesis de otros productos como muchos antibióticos es el anión fosfato. Por eso la producción industrial de esos compuestos debe hacerse de manera tal que existan concentraciones limitantes de fosfato inorgánico. Si éste esta en concentraciones de 0.3 a 300 mM generalmente se producen crecimientos celulares altos pero concentraciones superiores a 10 mM suprimen la síntesis de muchos antibióticos.

La presencia de azúcares asimilables superiores a 0.16 g l^-1 produce invariablemente formación de alcohol en proceso de crecimiento de levadura de panificación (Saccharomyces cerevisiae) aún en presencia de exceso de oxígeno. Es el de nominado efecto Crabtree. Es por ello que la producción de levadura se debe llevar a cabo con sistemas de "batch" alimentado con alimentación programada de azúcares para maximizar la formación de biomasa e impedir la formación de alcohol.

Es otro ejemplo de la influencia de un efector externo o de naturaleza química sobre la actividad metabólica de un microorganismo. Para investigar adecuadamente la influencia de los efectores externos químicos, es necesario el empleo de sistemas continuos, aspecto que será tratado en el capítulo 7.

En la Fig. 2 se presenta un esquema general de un proceso de fermentación. Como puede verse existen 4 etapas bien diferenciadas, a saber: 

1) Propagación de cultivos, lo que se realiza en el laboratorio y que comienza generalmente en un tubo de ensayo que contiene un repique reciente del microorganismo o un tubo liofilizado o congelado donde se conserva la cepa de interés o de una colonia del microorganismo previamente seleccionada. Este material microbiológico seleccionado constituye el punto de partida con el cual se debe aumentar la cantidad del mismo mediante sucesivos pasajes en frascos de volúmenes crecientes que son generalmente operados en agitadores de vaivén o rotatorios en cámaras de cultivo.

2) Fermentación: con el material obtenido anteriormente, se siembra el tanque de inoculo que puede tener un volumen de 50, 500 ó 1000 1 según la escala industrial posterior. Del tanque de inoculo se pasa posteriormente al fermentador industrial cuyo volumen, que varía de acuerdo al producto a obtener y a  suconcentración, está comprendido comúnmente entre 10.000 y 100.000 l. En algunos casos especiales, como en la producción de proteína unicelular, los tanques de fermentación pueden llegar hasta 1.000.000 l. Un proceso esencial ligado a la producción es la preparación y esterilización de los medios que se lleva a cabo también en esta etapa (previamente a la inoculación) ya sea en el tanque de inóculo o en el reactor industrial.

 3) Operaciones y proceso de separación y purificación de los productos; estas etapas comprenden en forma general y sucesivamente:

1. Separación de insolubles por filtración, centrifugación, o decantación; 

2. Separaciones primarias por extracción, absorción, adsorción, ultrafiltración;

3.  Purificación por extracción líquido-líquido, o extracción a dos fases acuosas, o cromatografía de afinidad, y finalmente 

4. Aislamiento del producto.

 4) Tratamiento de efluentes: si bien no tiene una relación directa con el producto, que es la razón de ser de la industria de fermentación, representa una etapa imprescindible porque es fundamental controlar la calidad del efluente que sale de la fábrica y que es enviado generalmente a un curso de agua, sea un canal, arroyo, un río o al mar. Es importante tener en cuenta que todas las etapas de un proceso de fermentación deben estar íntimamente ligadas e integradas ya que es indispensable que el proceso sea optimizado globalmente. Cada etapa debe considerar la importancia e influencia de los procesos y operaciones anteriores y también de los siguientes para poder cumplir con ese concepto de integración. La calidad de una cepa de microorganismo debe estar supeditada a su real capacidad de producción en el fermentador. Pero además es necesario que esa cepa, altamente productora, no produzca, por ejemplo, dificultades en la etapa de separación y purificación como es el caso de cepas de Penicillium chrysogenum que no pueden utilizarse porque producen pigmentos que encarecen las etapas de purificación. Lo mismo sucede con el uso de medios, basados en subproductos como el suero de queso, que pueden dar buenos rendimientos de un producto pero que representan un inconveniente en la etapa de purificación.

Además, el reactor y las condiciones de operación deben ser tales que aseguren la productividad máxima del proceso y la calidad del producto, que en algunos casos depende de las condiciones de operación empleadas como sucede con algunos preparados enzimáticos cuya composición es regulada según como se opere en la etapa de la fermentación y en la correspondiente a la separación y purificación.

1. A. Flechter - Physical and chemical Parameters of Microbial Growth. Advances in Biochemical Engineering Vol. 30, 7-60. Springer-Verlag, 1984.

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