Cultivos Industriales de Microorganismos

5/16/2018 Cultivos Industriales de Microorganismos - slidepdf.com

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CULTIVOS INDUSTRIALES DE MICROORGANISMOS. (FERMENTACIONES)

1. INTRODUCCIÓNLa Biotecnología consiste en utilizar bacterias, levaduras, hongos, algas y células animaleso vegetales en cultivos cuyo metabolismo está orientado a la producción de determinadas

sustancias.Así con la aplicación integrada de los conocimientos y las técnicas de la bioquímica, lamicrobiología, la genética y la ingeniería química surge la bioindustria capaz de producir, apartir de recursos renovables y disponibles en abundancia, gran cantidad de compuestosesenciales para la vida y para mejorar la condición del hombre.Una parte importante de los productos de esta industria son obtenidos por técnicas defermentación de microorganismos (mo) considerando a estos como aquellas formas de vidacuyos individuos son de una magnitud tal que es preciso el uso del microscopio para suobservación.Son de interés industrial bacterias, levaduras y hongos de cuyos cultivos pueden obtenerseácidos orgánicos, alcoholes, antibióticos , por citar algunos ejemplos, siendo en algunas

ocasiones el producto su propia masa (biomasa) o algún extracto de la misma. Actualmente se trabaja en la obtención de fertilizantes y plaguicidas a partir de mo quepueden sustituir gradualmente a los de origen químico constituyendo un aporte a laconservación del medio ambiente, pues es conocido que estas sustancias van ocasionandolentamente el deterioro de los suelos con efectos igualmente nocivos en los alimentos. Hay también mo causantes de enfermedades (patógenos) que pueden serinescrupolasamente utilizados como armas de guerra biológica o con un fin más noble en elcontrol de vectores de enfermedades.Ante la diversidad de usos que se dan a los mo, es conveniente que el futuro ingenieroIndustrial tenga una visión general de este tipo de producciones. 2. FERMENTACIÓNPuede definirse como el proceso metabólico que transforma los hidratos de carbono(carbohidratos) en alcoholes, ácidos orgánicos, aldehídos o cetonas con la formación dedióxido de carbono.Esta denominación está dada sobre la base de las alteraciones que en presencia de levadurasocurren en los jugos azucarados de frutas que se transforman en otros compuestos másestables denominados vinos. Hoy día el término fermentación se hace extensivo a los cultivos de microorganismos engeneral. Por ejemplo se dice que el antibiótico conocido por penicilina se obtiene de lafermentación de un tipo específico de hongo conocido por Penicillium notatum. Podemos también definir la fermentación como la oxidación incompleta de carbohidratos,aminoácidos y sustancias similares por la acción de los mo. La participación de los mo puede requerir O

2(fermentación aeróbica).

La fermentación aeróbica puede llevar la descomposición de los carbohidratos u otrasustancia fermentable hasta la oxidación completa o sea hasta obtener dióxido de carbono yagua.

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O HR = - 2817 J Glucosa Ahora bien en la fermentación anaerobia el mo realiza la oxidación incompleta de lassustancias orgánicas a expensas de su habilidad para tomar el oxígeno de estas.



En la fermentación anaerobia el mo no es capaz de liberar toda la energía que puedeobtenerse de u proceso respiratorio donde la oxidación es completa.

C6H12O6 2 CH3CHOH COOH HR= - 94, 05 J Ácido láctico

C6H12O6 2 CH3CH2OH + 2 CO2 HR= - 91,96 J

Etanol C6H12O6 3 CH3COOH HR= - 62,75 J Ácido acético Debemos tener en cuenta que el mo utiliza parte de la energía en su reproducción(asimilación de nutrientes) y el resto se libera en forma de calor, es decir que el proceso defermentación (desasimilación) es exotérmico aspecto de gran importancia en su explotaciónindustrial.2.1 CLASIFICACIÓN DE LAS FERMENTACIONES. Es preciso definir que llamamos sustrato limitante (S) al componente del medio de cultivoque controla la velocidad de crecimiento del mo y por lo general lo constituye la fuente decarbono.

Gaden clasifica las fermentaciones atendiendo a la relación entre el consumo de S y laformación de productos.Tipo I Relación directa entre el consumo de S y la formación de producto P

g .- gramosL .- litrost .- tiempo



Tipo II Consumo de sustrato no asociado a la formación de producto.

Otra clasificación mas bien práctica tiene en cuenta la forma de conducirse el procesoindustrial y así tenemos: Cultivo a templa (batch)- Se colocan en el fermentador todos los componentes del medio decultivo desde el inicio del proceso Ej: fermentación anaeróbica de Sacharomyces cerevisiaeen la obtención de etanol. Cultivo continuo- Se introduce al fermentador de forma continua el medio de cultivo en lacantidad jus ta para satisfacer la necesidad del cultivo y simultáneamente se extrae esemismo volumen de medio fermentado. Ej: cultivo de Candida utilis para obtención debiomasa. Cultivo con alimentación incrementada- Se realiza sin extracción de medio fermentado

requiriendo cada vez mayor entrada de medio de cultivo por la acumulación de mo en elfermentador hasta el final del proceso. Ej: fermentación aeróbica de Saccharomycescerevisiae (cepa panadera). 3. MICROORGANISMOSLos microorganismos son seres vivos que pertenecen al reino de los protistas (del griegoProtos que significa primitivos) y los ubican entre los reinos vegetal y animal.La célula o células de que consta un microorganismo están compuestas por los mismoselementos básicos de las células vegetales, o sea: pared celular, citoplasma y núcleo.Ahora bien todos los protistas no son iguales y pueden considerarse dos grupos:Procariones y Eucariones que tienen en cuenta la complejidad de las célulasfundamentalmente la existencia de un núcleo bien definido en los últimos que incluyen a

levaduras y hongos.



La pared o membrana celular es una película delgada e incolora que en las bacterias estáformada por hemicelulosa y proteínas; en las levaduras además aparecen pequeñascantidades de quitina y en los hongos filamentosos también. Dentro de la pared celular seencuentra la membrana citoplasmática que es semipermeable y deja pasar agua y solucionescon sustancias de moléculas pequeñas.

El citoplasma ocupa la mayor parte del interior de la célula y es un líquido viscoso formadode agua y albuminoides. En células viejas se forman unas cavidades rodeadas de unamembrana semipermeable llamadas vacuolas. El núcleo celular es un corpúsculo esférico o alargado que siempre está rodeado porcitoplasma. El núcleo está formado por agua y sustancias proteicas y tiene una importanciapara la vida de las células participando muy fundamentalmente en la reproducción celular yla transmisión de los factores hereditarios. Bacteria – mo unicelulares que generalmente se reproducen por bipartición que se apreciacomo un estrechamiento que escinde la célula en dos sin apreciarse cuál dio origen a cuál.Levaduras – mo casi siempre unicelulares que se reproducen por gemación, es decir surgeuna pequeña protuberancia que se desarrolla hasta que se separa de la célula madre.

Hongos –

mo filamentosos formados por largas células en forma de hilos muchas vecesramificados. Tales células se llaman hifas y el tejido formado micelios.Presentan dos formas de reproducirse bien diferenciadas: la vegetativa donde un fragmentose separa del individuo y se desarrolla independiente; la otra forma de reproducción es laformación de esporas que pueden soportar condiciones desfavorables durante largosperíodos de tiempo hasta que se presenten condiciones propicias y germinan desarrollandoal nuevo individuo.Las levaduras y las bacterias son unicelulares aunque a veces forman cadenas de variascélulas. Las células generalmente son ovaladas.Tanto en los hongos, levaduras y bacterias la fuente de carbono debe ser de naturalezaorgánica, sin embargo el nitrógeno utilizado por las levaduras puede ser de origeninorgánico. Esta característica de las levaduras es de gran importancia pues al ser elnitrógeno constituyente indispensable en la formación de proteínas, su biomasa es una víade obtener alimento para animales superiores capaces de asimilar solo el nitrógenoorgánico. Además de carbono y nitrógeno los mo necesitan fósforo en ese mismo orden cuantitativoen la relación 100-5-1. En menores cantidades requieren potasio, azufre, magnesio y otroselementos que dependerán del tipo específico de mo. De gran importancia en la alimentación de los mo son los probióticos que pudiéramosasociar su función a las vitaminas y de hecho muchos de ellos son sustancias quepertenecen al complejo vitamínico B. Otro elemento fundamental es el oxígeno y cuya fuente establece una diferencia de la víametabólica que utiliza el mo. Por ej: la levadura Saccharomyces cerevisiae en presencia deO2 (fermentación aerobia) sobre un sustrato de sacarosa da como producto biomasa y si seconduce en ausencia de O2 se obtienen como productos etanol y dióxido de carbono. 3.1 CRECIMIENTO DE MICROORGANISMOS. La utilización industrial de un proceso microbiológico conlleva la necesidad de diseñar losequipos para el proceso y en primer lugar el recipiente donde se desarrolla y que llamamosreactor, tanque de fermentación o simplemente fermentador. El estudio cinético de los reactores nos permite conocer el volumen y flujo de operación yes por ello que se hace necesario contar con modelos matemáticos que describan el



crecimiento y/o formación de productos en un cultivo del que conocemos su curva decrecimiento.

Leyenda: x .- concentración de mo t .- tiempo

a-b .- adaptación al medio(fase lag) b-c .- aceleración delcrecimiento c-d .- crecimiento acelerado(fase log) d-e .- desaceleración delcrecimiento e-f .- crecimientoestacionario f-g .- aceleración de la

muerte

En la fase de adaptación ocurren cambios que aún no se manifiestan como crecimiento,mientras en la fase log se alcanza la mayor velocidad de crecimiento. El concepto de velocidad representa el cambio de cierto parámetro (x) por unidad de tiempo(t). Estamos familiarizados con la velocidad media X/ t de un móvil que no es más queel cambio de posición por unidad de tiempo. Ej: km/h. Si el intervalo de tiempo esinfinitamente pequeño obtendríamos la velocidad instantánea dx/dt .La velocidad de crecimiento será entonces el cambio de concentración de mo (x) por

unidad de tiempo. En un cultivo de mo si dividimos la velocidad instantánea entre la concentración de mo enese instante de tiempo obtenemos la velocidad específica de crecimiento ()

= 1/x dx/dt Integrando la expresión: dt = dx/x

dt = dx/x



y para la fase log donde es constante:

= (t2 – t1) = ln x2 – ln x1

= (ln x2 – ln x1)/ (t2 – t1) o = (ln x2 /x1)/ t Tiempo de duplicación .- se define como el tiempo en que se duplica la biomasa o sea: x2 /x1 = 2

= ln 2/ t t = ln 2/ Tiempo de generación .- se define como el tiempo en que se duplica el número de mo ypara los casos como las levadurasTiempo de generación tiempo de duplicación En levaduras y bacterias el efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad decrecimiento puede verse por el modelo de Monod:

= max S/( Ks + S)donde:

max .- velocidad máxima de crecimiento específico del mo ante el sustrato limitante. (S) S .- concentración del sustrato limitante. Ks .- constante de saturación (que se interpreta como inversamente proporcional a laafinidad del mopor el sustrato limitante). Es fácil entender de la expresión de Monod que al irse agotando el sustrato disminuye lavelocidad de crecimiento tendiendo a = 0 cuando S tiende a cero. Pero lo cierto es que puede hacerse cero sin que se agote el sustrato limitante y esto sepuede deber a la formación de productos del metabolismo que a cierta concentracióninhiben el crecimiento del cultivo. Un ejemplo de esto lo tenemos en la fermentación alcohólica (cultivo de Saccharomyces

cerevisiae en sustrato de sacarosa) donde se puede observar que se detiene esta sin agotarseel sustrato debido a que el propio etanol, a cierta concentración, actúa como inhibidor delcrecimiento En estos casos no puede aplicarse el modelo de Monod y han aparecido otros que tienen encuenta la aparición de inhibidores como el que sigue:

= max S/ (Ks + S + KsI/Ki ) donde I muestra la influencia del inhibidor. Para los mo citados existe una relación inversa entre la velocidad específica y el tamaño delos individuos; para la levadura saccharomyces 0,4 h-1, para una bacteria Escherichiacoli que puede ser cinco veces más pequeña, su 0,9 h-1. Los hongos, mo de mayortamaño, tienen velocidades de crecimiento mucho más pequeñas. Al igual que un agricultor guarda las simientes, en la industria fermentativa se requierecontar con cepas constituidas por cultivos puros de especies de mo de valor comercial encuanto a estabilidad, productividad y velocidad de crecimiento donde la ingeniería genéticapresta actualmente un importante servicio a los microbiólogos que dedican su atención a losmétodos de conservación de cepas. 4. ESTERILIZACIÓNLa industria microbiológica exige gran asepsia así todos los componentes del proceso encontacto con el cultivo deben estar libre de otros mo que llamaremos contaminante, y esto



se logra mediante la esterilización que pretende la muerte de todas las formas vegetativas oesporulantes. Un procedimiento muy utilizado es el calentamiento con vapor de agua saturado a 121°Cque le corresponde una sobrepresión de 1 atm (101,3 kPa). En fermentaciones aeróbicas el suministro de aire debe ser constante y su esterilización

puede realizarse por filtración a través de un material que retenga las partículas que sirvende hospedero a los mo. Otros métodos de esterilización son el uso de ozono, radiaciones ultravioletas, la exposicióna materiales radioactivos en dependencia de las posibilidades que ofrece el proceso. También con calor seco a temperaturas de170°C puede lograrse la esterilidad pero requiereperíodos de exposición largos que lo hacen industrialmente poco práctico. 5. CONTROLES AL FERMENTADOR El diseño de la fermentación concibe determinados valores de temperatura, pH,oxigenación, por citar los parámetros más comunes a controlar.Ya se ha mencionado que de la degradación del sustrato se obtiene la energía vitalconstituyendo las fermentaciones procesos exotérmicos que tienden a elevar la temperatura

y ese calor en exceso debe ser eliminado utilizando sistemas de enfriamiento queconstituyen otro importante gasto económico. Aún cuando en la formulación del medio de cultivo se haya logrado un pH adecuado lapropia fermentación al modificar el sustrato origina cambios de pH que usualmente sonreguladas automáticamente por adiciones de H2SO4 o NaOH o agregando al mediosustancias con capacidad buffer desde el mismo inicio del proceso. Como sabemos el O2 es una sustancia apolar y por tanto muy poco soluble en agua pura(2,5. 10-4 mol/L a 20°C) y aún menos soluble a temperaturas mayores por lo que el simpleburbujeo de aire no logra la velocidad de transferencia necesaria de O 2 a la fase acuosa y sehace preciso agitar fuertemente el medio con considerable consumo de energía y formaciónde espuma que en sí no es perjudicial solo que puede ser arrastrada con el aire de salida porlo que deben existir sistemas rompeespumas que por lo general no bastan, siendo necesariala adición de sustancias que varían la tensión superficial y disminuyen la espumosidad delmedio. Razones económicas y fisiológicas del cultivo aconsejan utilizar al mínimo estassustancias. 6. RESIDUALES DE LA INDUSTRIASe debe ser muy cuidadoso con los residuales de estas industrias que en ocasiones debenser esterilizados antes de someterlos al procedimiento de depuración que permita verterlos acualquier curso de agua.La depuración será tal que la demanda biológica de oxígeno sea reducida a los niveles queestablezcan las normas vigentes. Al ser desechado un residual que contenga materias biodegradables, estas facilitan elconsumo del oxígeno disuelto en las aguas de los ríos, lagunas, mares y limita la vida de losorganismos que necesitan éste, iniciando un complejo proceso con resultados muynegativos a la protección del medio ambiente. Los procedimientos de depuración pueden ser químicos o biológicos, o sea que aparecen denuevo los mo en ayuda del hombre y la conservación de la naturaleza.

7. LOS MICROORGANISMOS Y LA NATURALEZA. A pesar de la gran utilidad que prestan a la humanidad los productos obtenidos de laactividad industrial fermentativa son aun superiores los beneficios que reportan los mo en



la formación y conservación de un medio ambiente adecuado tomando parte en los grandesciclos que en la naturaleza posibilitan la vida.

Usted puede ver el proceso el siguiente.

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