Sistemas de Fermentación

Definición de Fermentación

1. Se llama fermentación a un proceso de oxidación incompleta que no requiere oxígeno para su desarrollo y que genera una sustancia orgánica como producto final.
2. Es un proceso de tipo catabólico, es decir, de transformación de moléculas complejas a moléculas sencillas y generación de energía química en forma de ATP (adenosín trifosfato).
3. La fermentación consiste en un proceso de glucólisis (ruptura de la molécula de glucosa) que produce piruvato (ácido pirúvico) y, al carecer de oxígeno como aceptor final de electrones, el NADH producido (nicotín adenín dinucleótido) emplea para su reoxidación a NAD+ (dinucleótido de nicotinamida y adenina) una sustancia orgánica que debe reducirse, obteniendo finalmente un derivado del sustrato inicial que se oxida.

Dependiendo de dicha sustancia final, habrá diversos tipos de fermentación.

4. En el ámbito de la microbiología, la fermentación se define como un tipo de metabolismo de una fuente de carbono en el que la energía se genera mediante la fosforilación a nivel del sustrato, y en el que las moléculas orgánicas funcionan como aceptores finales de electrones generados durante la descomposición catabólica de los compuestos que contienen carbono.
5. En la microbiología industrial, se utilizan los términos fermentación y fermentaciones industriales para caracterizar los procesos o tecnologías basados en el uso de microorganismos.

Fermentación en la Industria

1. Un proceso de fermentación típico se lleva a cabo esencialmente en un recipiente llamado fermentador o biorreactor, mediante el cual determinados sustratos que componen el medio de cultivo son transformados por acción microbiana en metabolitos y biomasa.
2. La unidad fermentadora en microbiología industrial es análoga a la planta industrial química.
3. Las diferencias se deben a que los procesos biológicos requieren condiciones estériles y aprovechan sus reacciones enzimáticas, a diferencia de las reacciones químicas asistidas por catalizadores inanimados que a menudo operan a temperaturas y presiones elevadas.

Proceso de Fermentación a Escala Industrial

1. Propagación de cultivos
2. Fermentación
3. Operaciones y proceso de separación y purificación de los productos
4. Tratamiento de efluentes

Propagación de Cultivos

Se realiza en el laboratorio y comienza, generalmente, a partir de un tubo de ensayo que contiene un repique reciente de microorganismos, un tubo liofilizado o congelado donde se conserva la cepa de interés, o de una colonia del microorganismo previamente seleccionada.

Fermentación

Se siembra en el tanque de inóculo, que puede tener un volumen de 50, 500 o 1000 litros según la escala. Un proceso esencial ligado a la producción es la preparación y esterilización de los medios, que se lleva a cabo también en esta etapa.

Operaciones y Procesos de Separación y Purificación de los Productos

Comprenden, en forma general y sucesivamente, lo siguiente:

1. Separación de insolubles por filtración, centrifugación o decantación.
2. Separación primaria por extracción, absorción, adsorción, ultrafiltración.
3. Purificación por extracción líquido-líquido o extracción a dos fases acuosas.
4. Aislamiento del producto.

Tratamiento de Efluentes

Los efluentes industriales son las corrientes residuales, tanto en forma líquida, sólida o gaseosa, originadas durante los procesos industriales. Su tratamiento es un conjunto de procesos físicos, biológicos, químicos o una mezcla de todos, para obtener aguas con características adecuadas al uso que se les va a dar.

Esquema General de un Proceso de Fermentación Industrial

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Tipos de Fermentación según el Mecanismo y Producto Final

Los procesos de fermentación se pueden clasificar por los mecanismos de reacción involucrados en la conversión de las materias primas en productos.

Estas incluyen reducciones, oxidaciones simples y complejas, conversiones de sustratos, transformaciones, polimerizaciones, hidrólisis, biosíntesis complejas y la formación de células.

De acuerdo con la sustancia obtenida al final del proceso de fermentación, podemos clasificarlo en:

1. Fermentación alcohólica
2. Fermentación acética
3. Fermentación láctica
4. Fermentación butírica
5. Fermentación butanodiólica
6. Fermentación Propiónica

Fermentación Alcohólica

Es un proceso biológico en el que ciertos microorganismos, principalmente la levadura Saccharomyces cerevisiae, convierten los azúcares en alcohol y dióxido de carbono en un ambiente anaeróbico.

Utilizada principalmente en la producción de etanol, bebidas alcohólicas como cerveza y vino.

Bioetanol para combustibles.

Factores que afectan la fermentación alcohólica

• Concentración de azúcares: La cantidad y tipo de azúcar afectan la eficacia y el rendimiento de la fermentación.

Los azúcares simples como la glucosa son fermentados más rápidamente que los azúcares complejos como la sacarosa o la maltosa, que deben ser descompuestos primero.

• Temperatura: Debe estar en un rango de 20 a 30 grados Celsius para un rendimiento óptimo. Si la temperatura es alta, las levaduras tienden a morir. Si la temperatura es baja, ralentizan el proceso.
• pH: Es crucial para el proceso de fermentación. Debe estar cerca de 4.5-5, lo cual es ideal. Un pH demasiado alcalino o ácido puede inhibir la actividad de las levaduras.
• Tipo de levadura: El tipo de levadura también influye en el proceso. La Saccharomyces cerevisiae es la más común y la más utilizada, ya que es muy eficiente y tolera altas concentraciones de etanol.
• Concentración de O₂: Aunque la fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico, un pequeño contacto inicial con el oxígeno es necesario para que las levaduras crezcan y se multipliquen.
• Concentración de etanol: A medida que se acumula etanol en el medio, este comienza a ser tóxico para las levaduras. Las levaduras tienen una tolerancia limitada al etanol, generalmente alrededor del 12-15% de alcohol.

Fermentación Acética

Es un proceso biológico donde ciertos microorganismos, principalmente las bacterias del género Acetobacter, convierten el etanol en ácido acético en presencia de oxígeno.

Este proceso es fundamental en la producción de vinagre, ácido acético, conservantes y acidulantes, y para la fabricación de encurtidos.

Este proceso es típicamente llevado a cabo en un ambiente aeróbico, lo que significa que necesita oxígeno para completar la conversión del etanol a ácido acético.

Factores que afectan la fermentación acética

• Oxígeno: Es esencial para las bacterias acéticas, ya que su metabolismo es aeróbico.
• Temperatura: Debe estar en un rango de 25 a 30 grados Celsius. Si la temperatura es baja o alta, el proceso se ve afectado negativamente.
• pH: Debe ser ligeramente ácido, alrededor de 4-6 es ideal para la actividad de las bacterias acéticas.
• Concentración del etanol: El etanol es el sustrato que las bacterias convierten en ácido acético. Si la concentración del etanol es muy alta, puede inhibir el crecimiento de las bacterias.

Fermentación Láctica

Es una fermentación anaeróbica en la que los azúcares (glucosa) se convierten en ácido láctico mediante la acción de microorganismos como bacterias lácticas o incluso ciertas células animales.

La fermentación láctica ocurre en dos formas principales:

1. Homofermentativa
2. Heterofermentativa

• Homofermentativa: Este es el tipo más común de fermentación láctica, donde una molécula de glucosa se convierte en dos moléculas de ácido láctico sin la producción de otros subproductos.
• Heterofermentativa: En este proceso, además de ácido láctico, se producen otros subproductos como dióxido de carbono y etanol.

Fermentación Láctica: Microorganismos Involucrados

La fermentación láctica es llevada a cabo por diversos microorganismos. Las bacterias lácticas son las responsables principalmente, y pueden ser:

1. Lactobacillus: Es la especie más común. Se usa para la producción de yogur, queso y otros productos lácteos.
2. Streptococcus: También participa en la fermentación. Se usa para ciertos tipos de yogur.
3. Leuconostoc: Estas bacterias se encuentran en la fermentación de vegetales y en la producción de algunos quesos.

Factores que afectan la fermentación láctica

• pH: Debe ser ligeramente ácido para crecer y fermentar los azúcares, lo que permite producir el ácido láctico y conservar los alimentos.
• Temperatura: Las bacterias lácticas son mesófilas, lo que significa que se desarrollan mejor a temperaturas moderadas de 30-40 grados Celsius.
• Concentración de azúcar: La cantidad de azúcar presente en el medio afecta la velocidad y la cantidad de ácido láctico producido.
• Tiempo de fermentación: También influye en la cantidad de ácido láctico generado y en el sabor del producto final. Un tiempo de fermentación más largo puede resultar en productos más ácidos.

Fermentación Butírica

Es una fermentación anaeróbica donde ciertos microorganismos convierten los carbohidratos en ácido butírico junto con el dióxido de carbono y gas H₂.

Se utiliza para la fabricación de plásticos, productos químicos, perfumes, saborizantes y también en la industria farmacéutica.

Factores que afectan la fermentación butírica

• Disponibilidad de sustrato: La presencia de azúcares es esencial para la fermentación. Los carbohidratos simples fermentan más rápido que los complejos.
• Temperatura: La más óptima es entre 30 y 40 grados Celsius. Las temperaturas más altas o bajas pueden inhibir la actividad de la bacteria.
• pH: El pH más óptimo es ligeramente ácido. Algunas cepas pueden tolerar un rango más amplio.
• Concentración de O₂: Este proceso no necesita oxígeno; la presencia de este podría inhibir la producción de ácido butírico.

Fermentación Butanodiólica

Es una fermentación anaeróbica donde ciertos microorganismos convierten los azúcares en butanodiol junto con el dióxido de carbono y gas H₂.

Se lleva a cabo por bacterias del género Enterobacter, Klebsiella, Clostridium.

Tiene aplicaciones principalmente en la producción de compuestos químicos y productos derivados.

Factores que afectan la fermentación butanodiólica

• Tipo de sustrato: La eficacia y el rendimiento dependen del tipo de azúcar (glucosa, sacarosa, almidón) y su disponibilidad.
• Temperatura: La más óptima es entre 30 y 37 grados Celsius. Desviaciones de estos rangos pueden afectar negativamente la actividad de las bacterias y la producción de butanodiol.
• pH: El pH más óptimo es ligeramente ácido. Un pH demasiado alto o bajo puede inhibir el crecimiento bacteriano y reducir el rendimiento.
• Concentración de O₂: Este proceso no necesita oxígeno; la presencia de este podría inhibir la actividad de las bacterias fermentadoras.

Fermentación Propiónica

Es una fermentación anaeróbica donde ciertos microorganismos convierten los azúcares en ácido propiónico y dióxido de carbono, y en algunos casos, ácido acético.

Tiene aplicaciones industriales: conservantes de alimentos (queso, pan) y otros productos lácteos. También se utiliza como intermediario en la producción de plásticos y productos químicos, y en la producción de biocombustibles.

Factores que afectan la fermentación propiónica

• Concentración de azúcares: Depende de la disponibilidad de azúcar; sin embargo, es más eficiente cuando se utilizan carbohidratos como glucosa o lactosa.
• Temperatura: La más óptima es entre 25 y 37 grados centígrados. Si es demasiado alta o baja, puede inhibir la actividad de las bacterias.
• pH: El pH más óptimo es ligeramente ácido, entre 5.5-6.5 es favorable para el crecimiento bacteriano y la producción de ácido propiónico.

Factores que Influyen en el Rendimiento de la Fermentación

El comportamiento de un microorganismo en crecimiento es el resultado de la interacción que se produce entre el microorganismo y el medio ambiente.

El ambiente existente en el interior de los reactores debe permitir una óptima actividad catalítica.

• Temperatura
• pH
• Concentración de oxígeno
• Velocidad del agitador
• Velocidad de la difusión del aire

Factores Clave en el Rendimiento de la Fermentación

• 1. Velocidad del agitador: Es un parámetro crucial para asegurar la correcta mezcla, transferencia de oxígeno, distribución de nutrientes y eliminación de productos no deseados. La correcta elección de la velocidad del agitador es fundamental para optimizar el rendimiento del proceso y garantizar una fermentación eficiente.
• 2. Velocidad de la difusión del aire: Es un factor crucial en fermentaciones aeróbicas donde los microorganismos requieren oxígeno para realizar sus procesos metabólicos. La difusión del aire se refiere a cómo el oxígeno se mueve desde la fase gaseosa (aire) a través de la interfase gas-líquido hasta disolverse en el medio de cultivo.

Existen varios métodos de fermentación utilizados en la industria para producir productos bioquímicos, alimentos, bebidas y otros compuestos.

Los métodos de fermentación pueden diferir según el tipo de microorganismo involucrado, las condiciones del proceso y el tipo de producto final que se desee obtener. Los principales métodos de fermentación son:

1. Fermentación aeróbica
2. Fermentación anaeróbica
3. Fermentación submersa: En este método, los microorganismos se cultivan en un medio líquido donde todos los nutrientes y las condiciones de cultivo se mantienen dentro del mismo líquido. Este es el proceso más común en la producción de antibióticos, enzimas, ácidos orgánicos.
4. Fermentación en estado sólido: Este método implica el crecimiento de microorganismos sobre el sustrato sólido, como residuos de granos, frutas o vegetales, sin la presencia de líquidos libres. Se utiliza principalmente en la producción de alimentos fermentados y enzimas.
5. Fermentación continua: Es cuando se suministran nutrientes al reactor de manera constante mientras que los productos y residuos se eliminan a la misma tasa.

Este método permite mantener los microorganismos en una fase de crecimiento logarítmico constante, lo que puede ser útil para la producción continua de etanol y ácido láctico.

6. Fermentación en lote: Todos los nutrientes se cargan al reactor al inicio del proceso y la fermentación ocurre en un único ciclo. Al finalizar el ciclo, el producto se cosecha, se procesan los residuos y se comienza un nuevo ciclo. Se usa especialmente para la producción de productos farmacéuticos, alcoholes y productos lácteos.
7. Fermentación semicontinua: En este proceso se realiza un ciclo en el que parte del volumen del medio de cultivo se reemplaza periódicamente mientras que otros componentes como el oxígeno y los nutrientes se agregan constantemente. Es un proceso que intenta combinar las ventajas de los procesos de lote y continua.
8. La fermentación de grano o malteada: Es un método específico utilizado para producir bebidas alcohólicas como la cerveza, whisky a partir de granos como la cebada. En este proceso, los granos se germinan y se maltean para activar las enzimas que descomponen los almidones en azúcares fermentables.
9. Fermentación de ácidos orgánicos: Este tipo de fermentación es utilizado para producir ácidos orgánicos como el ácido cítrico, ácido láctico, ácido acético y ácido butírico.

Los microorganismos implicados pueden ser bacterias u hongos. Esto dependerá del ácido que se quiera producir.

• Ácido cítrico: producido por hongos.
• Ácido láctico: producido por bacterias lácticas (Lactobacillus).