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Tema 7 los procesos fermentativos
- 1. TEMA N° 7 LOS PROCESOS FERMENTATIVOS
- 2. Los procesos fermentativos y la industria • Los primeros procesos fermentativos fueron la producción de vinos y cervezas. • En el siglo XX se produjeron por esta vía otras sustancias como acetona, butanol, etanol, ácido cítrico, antibióticos, etc. • Actualmente se utiliza tanto en la producción de alimentos, aditivos, químicos, medicamentos, así como en el tratamiento ambiental.
- 3. Procesos fermentativos • Se usa en biotecnología para referirse a cualquier proceso microbiano realizado a gran escala, sea éste una fermentación o no. • Y el término fermentador se usa como sinónimo de biorreactor, refiriéndose al recipiente donde ocurre el proceso.
- 4. Objetivos de las fermentaciones o bioprocesos Generar la multiplicación de los microorganismos. Obtener productos microbianos como ser: antibióticos, aditivos, alcohol, enzimas. Convertir unas sustancias en otras por acción de microorganismos o de enzimas. Transformar un contaminante en alguna sustancia fácilmente degradable.
- 5. etapas 1 Elección del agente biológico adecuado (microorganismos, enzimas) 2 Transformación de la materia prima (en condiciones que pueden exigir esterilización, aireación, controles de pH y temperatura). 3 Separación y purificación del producto final. También las células animales y vegetales pueden cultivarse en gran escala, a través de técnicas de cultivos.
- 7. Los microorganismos industriales • Nociones sobre metabolismo Metabolismo es el conjunto de reacciones químicas de degradación (catabolismo) y de síntesis (anabolismo). Las primera liberan energía, las otras la consumen. Una parte de la energía liberada se almacena en forma de ATP y el resto es disipado como calor.
- 9. • Las principales vías catabólicas son: La respiración que requiere oxígeno La fermentación que actúa en ausencia de oxígeno que puede ser alcohólica o láctica entre otras. Otras vías importantes son: La glucólisis El Ciclo de krebs La fosforilación oxidativa.
- 11. • Por ejemplo a través de la reducción del piruvato, mediante FERMENTACIÓN varios microorganismos generan otras sustancias posteriormente como acetona, butanol, etanol, glicerol, ácidos láctico, acético, etc.
- 12. Metabolismo primario y secundario • Tenemos metabolitos primarios que se relacionan con el crecimiento de los microorganismos y la transformación de los nutrientes en biomasa. Ejs. Etanol, aminoácidos, ácido láctico, ácido cítrico y otros. • En cambio los metabolitos secundarios no son necesarios para el metabolismo microbiano, pero permiten la supervivencia en ambientes extremos o competitivos, ejemplos antibióticos, alcaloides, pigmentos, enzimas, toxinas.
- 13. Multiplicación de los microorganismos • Los microorganismos se multiplican en un medio con una cantidad limitada de nutrientes, dicha población pasará por distintas fases: 1 Fase de latencia o lag (adaptación) 2 Fase logarítmica o log (crecimientoexponencial) 3 Fase estacionaria 4 Fase de declinación o muerte
- 15. Para desarrollar un bioproceso se deberá elegir al microorganismo en función de sus vías metabólicas y las condiciones del cultivo dependen del producto deseado (metabolito primario o secundario)
- 16. Las cepas industriales • Para que el cultivo en un fermentador resulte viable, el microorganismo debe ser capaz de multiplicarse rápidamente, sintetizando una gran cantidad de productos a partir de materia prima barata. • Las cepas industriales difieren de las originales en que han sido alteradas genéticamente (mutaciones, recombinaciones), para aumentar al máximo la síntesis del producto deseado y evitar sustancias indeseables o innecesarias. • Éstas además no deben ser patógenas ni producir toxinas. • Las medidas de seguridad deben ser muy estrictas, tanto para la producción de medicamentos y vacunas como cosméticos e ingredientes alimentarios.
- 17. SELECCIÓN DE LA MATERIA PRIMA • El medio de cultivo depende de las necesidades metabólicas del microorganismo elegido, debe contener nutrientes en concentraciones adecuadas, incluyen: agua, una fuente de energía y de carbono, nitrógeno, sustancias inorgánicas, sales, minerales, etc. • Si el proceso es enzimático, deberá llevar además el sustrato adecuado, necesarios para que la enzima ejerza su actividad catalítica.
- 18. FERMENTADORES: LOS PROCESOS TRADICIONALES • Se realizan en residuos agroindustriales o forestales como grano, pajas, bagazo, aserrín. Este tipo de fermentación en medio sólido humedecido se utiliza en la producción de alimentos, ejemplo el levado de la masa del pan, la maduración de quesos, cultivo de hongos, fermentaciones del cacao, café, té.
- 20. PROCESOS SUMERGIDOS • Éstos deben adecuarse al objetivo del proceso, tomando en cuenta la esterilización, aireación y homogenización, agregado de nutrientes, aditivos antiespuma, mantenimiento del pH. • Los modelos de fermentadores más utilizados son los que cuentan con aireación y agitación mecánica, lo que facilita la distribución de los nutrientes, pero genera calor que debe ser eliminado mediante la circulación de agua fría.
- 22. • Los sistemas sumergidos son apropiados para el cultivo de microorganismos libres, pero resultan poco económicos si se trabajo con células o enzimas, que pueden ser inmovilizadas en fermentadores más pequeños. • Además de simplificar la purificación del producto, la inmovilización del producto posibilita la reutilización de la célula o enzimas, que permanecen dentro del biorreactor.
- 23. EL CAMBIO DE ESCALA • La capacidad de una cuba oscila entre 1 y 10 litros para un fermentador de laboratorio, alcanza 5.000 litros en una planta piloto y 100.000 litros en una planta industrial.
- 24. LA OPERACIÓN DEL PROCESO • Puede realizarse de forma continua o discontinua con ventajas e inconvenientes: A)En un sistema discontinuo, una vez cargado el fermentador con la materia prima y el inóculo, la fermentación prosigue hasta agotarse el nutriente. Una vez concluido se extrae el producto y se vacía, limpia y esteriliza antes de ser cargado nuevamente. Con un riesgo de contaminación relativamente bajo es más utilizado en la industria farmacéutica.
- 25. B)En cambio en los continuo, la adición de nutrientes y separación del producto ocurren continuamente a lo largo del proceso, eliminándose casi totalmente el tiempo improductivo. Aunque el riesgo de contaminación es mayor, el sistema se adapta a los procesos que no exigen asepsia, como producción de proteínas microbianas, alcohol, tratamientos de agua y otros.
- 26. RECUPERACIÓN DEL PRODUCTO • Representa un fracción considerable del costo de un proceso fermentativo. Dependiendo si el producto deseado está dentro o fuera de la célula: • Si el producto es secretado fuera de la célula, estará disperso en un volumen grande de agua, separándose por decantación o filtración. • Pero si el producto esta dentro de la célula, deberá romperse para extraerlo.
- 27. Luego de extraer el producto éste se concentra y/o purifica: El producto se concentra por sedimentación, precipitación, filtración, centrifugación, extracción con solventes, destilación, evaporación del solvente y secado. Si fuera necesario la purificación se aplica otros procedimientos como la cristalización y la cromatografía. Considerar además posible residuos que signifiquen riesgos para el medio ambiente como la vinaza que resulta de la producción de alcohol o el suero de las industrias lácteas.
- 29. MUCHAS GRACIAS