FERMENTACIONES INDUSTRIALES GLICOLISIS

Asignatura: Microbiología industrial

M.Sc. Wendy Ruth Céspedes Rivera

CONDICIONES AMBIENTALES QUE AFECTAN EL CRECIMIENTO DE LOS MICROORGANISMOS

Temperatura.-Cada microorganismo tiene una temperatura óptima en la cual su crecimiento es más rápido;una temperatura mínima por debajo de la cual no crece y una temperatura máxima por encima de la cual el crecimiento no es posible, estas tres temperaturas se denominan temperaturas cardinales y son características de cada microorganismo.

Condiciones ambientales que afectan el crecimiennto de los microorganismos

Oxígeno Según sus requerimientos de oxígeno los microorganismos

pueden ser:4.1 Aerobios estrictos: requieren oxígeno para crecer. Ej.

Mycobacterium tuberculosis.4.2 Anaerobios facultativos: pueden crecer en presencia o en

ausencia de oxígeno. Ej. Levaduras, enterobacterias.4.3 Anaerobios estrictos: crecen en ausencia de oxígeno. En

presencia de oxígeno su crecimiento cesa, algunos mueren rápidamente. Ej. Especies del género

Clostridium.4.4 Anaerobios aerotolerantes: crecen en ausencia de oxígeno,

pero la presencia de oxígeno no perjudica su crecimiento. Ej.: Especies del género Lactobacillus.4.5 Microaerofílicos: requieren pequeñas concentraciones de

oxígeno para crecer. Ej.: Especies del género Spirillum

Condiciones ambientales que afectan el crecimiennto de los microorganismos

Sistemas biológicos usados en la microbiología industrial

Un biocatalizador es un agente biológico que se utiliza en la obtención de un producto o servicio de interés biotecnológico. En la microbiología industrial se usan diferentes tipos de agentes biológicos.

Microorganismos: Son los sistemas biológicos más usados en la microbiológica industrial. Se trata de bacterias, hongos, protozoos y virus.

Esporas: En ocasiones el sistema biológico de interés para producir el producto o el servicio son las esporas, como en el caso de los bioinsecticidas. Obtendremos las esporas a partir de cultivos celulares.

Enzimas y otras proteínas. Cultivos celulares. Podemos usar cultivos celulares vegetales

o animales para la fabricación de productos o la obtención de servicios, como por ejemplo el uso de hibridomas para la obtención de anticuerpos monoclonales. En ocasiones se pueden usar solo algunos orgánulos.

Fermentación

Concepto bioquímico Es un proceso catabólico de oxidación incompleta, siendo el producto final un compuesto orgánico. Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de fermentaciones.

Fermentación

Concepto microbiológico

Fermentación

Fermentaciones industriales

Fermentaciones industriales

Sustratos usados como fuente de Carbono y de Nitrógeno

Los carbohidratos son las fuentes de energía por excelencia en la industria de la fermentación. Por razones económicas, la glucosa o la sacarosa son usadas muy raramente como única fuente de C, excepto en procesos que requieran un control muy preciso de la fermentación. Los sustratos usados más abundantemente en las fermentaciones son:

Melazas Esxtracto de malta Almidón y dextrinas Celulosa Hidrolizada

Fermentación: Clasificación

Tipo de producto final

• Biomasa• Metabolitos

Presencia o ausencia de

O2

• Aerobia (O2 = Biomasa, CO2, H2O)

• Anaerobia (METABOLITOS)

Fermentación: Clasificación

Espontánea

• Flora endógena del alimento (BAL) Y hongos

Inducida

• Cultivo iniciador

Rutas bioquímicas de la fermentación

Fermentación y glicolisis

El constante suplemento de energía que las células necesitan para generar y mantener el orden biológico que las mantiene vivas, proviene de los enlaces químicos de las moléculas de alimentos que sirven como combustibles para las células.

Glucosa y obtención de energía

Glucólisis

La glucólisis, es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula.

Consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, el cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo

Fase endergónica.- Consumo de ATP

Fase endergónica

Fase de activación

La glucosa se fosforila y rinde glucosa 6P (G6P) una molécula con mayor energía. La enzima responsable es la hexoquinasa consume una molécula de ATP y libera ADP.

La G6P es más reactiva que la glucosa y no atraviesa la membrana celular. De ésta forma se evita la pérdidad de un sustrato energético para la célula.

Fase de activación

Saccharomyces cerevisiae posee dos hexokinasa (PI y PII) capaces de fosforilar la glucosa y la fructosa. La PII es constitutiva y mayoritariamente se expresa sobre la fase de crecimiento en un medio rico en azúcar. La PI es parcialmente reprimible por glucosa, sólo se expresaría a partir de la fase estacionaria (Bisson, 1993).

La transformación de la fructosa o levulosa tiene una reacción enzimática menos .

FASE DE ACTIVACIÓN

Fase exergónica.- Formación de ATP

Fase exergónica

En la glucólisis solo se obtiene una pequeña parte de la energía almacenada en la glucosa. El piruvato formado todavía tiene gran cantidad de energía.

Fase endergónica

Fase exergónica

FERMENTACIÓN bioquimica

Degradación anaeróbica de la glucosa u otros nutrientes orgánicos a diversos productos para obtener energía en forma de ATP.

La degradación del piruvato es la forma en la que se puede sintetizar ATP en condiciones anaerobias

Los 2 NADH formados en la glucólisis tienen que regresar a NAD+ (función principal de la fermentación), la diferencia entre los distintos tipos de fermentación se debe al mecanismo utilizado para este proceso.

Fermentación

FERMENTACIÓN ALCOHOLICA

FERMENTACIÓN ALCOHOLICA

La fermentación alcohólica incluye exclusivamente la formación de etanol a partir de los azúcares según la ecuación de Gay-Lussac:

C6 H12 06 2 CH3 - CH2OH + 2 CO2

Azúcar alcohol + gas carbónico 100 g 51,84 g 48,16 g Pasteur estableció que la ecuación de Gay-Lussac es

válida para el 90 % del azúcar transformado. El resto lo forman otras sustancias como la glicerina y el ácido succínico, que él mismo descubrió como productos de la fermentación.

FERMENTACION GLICEROPIRUVICA (FGP)

Sabemos que en una vinificación un cierto número de moléculas de azúcar es degradado por otra vía llamada fermentación gliceropirúvica, que se realiza según la ecuación de Neuberg, que conduce a cantidades equivalentes de glicerol, CO2 y acetaldehído.

FERMENTACION GLICEROPIRUVICA (FGP

El vino contiene aproximadamente 8 g/l de glicerina. Se calcula que alrededor del 8 % de las moléculas de azúcar, siguen la vía de la fermentación gliceropirúvica y el 92% la de la fermentación alcohólica propiamente dicha.

Por lo que es el segundo componente cuantitativamente más importante del vino después del etanol y que le confiere caracteres de suavidad y aterciopelado

Otros productos de la fermentación Cuando las levaduras comienzan a actuar en el mosto de

uva, la producción de etanol no es inmediata, ya que las enzimas esenciales de la fermentación alcohólica, piruvato decarboxilasa y alcohol deshidrogenasa, son inducibles por la glucosa y no se encuentran en sus niveles máximos al principio de la fermentación alcohólica. Como consecuencia se forman numerosos compuestos secundarios además del etanol, tales como.

Acido acético Acido láctico Acido pirúvico y acetaldehido Acido succínico Acido málico

Fermentación alcóholica

BALANCE QUÍMICO DE LA FERMENTACIÓN

Los productos principales de la fermentación del mosto de uva son el alcohol etílico y el anhídrido carbónico y se originan de la fermentación alcohólica.

Junto a estos, aparecen, otros muchos compuestos, llamados productos secundarios, formados como consecuencia de la fermentación gliceropirúvica y otros procesos colaterales de la fermentación alcohólica.

FENÓMENOS FISICOS QUE SE PRODUCEN EN LA FERMENTACION

Disminución de la densidad .- Al producirse la fermentación el azúcar va transformándose en alcohol etílico como producto principal, cuya densidad a 15ºC es de 0,7936. La densidad va disminuyendo a medida que avanza la fermentación.

Disminución del volumen .-fenómeno de contracción de la mezcla alcohol-agua, pérdidas por el desprendimiento del CO2 y el arrastre de algunas sustancias volátiles (alcohol y otras) y las precipitaciones de sales tartáricas.

Producción de calor .- En la fermentación alcohólica, 25,4 kcal se incorporan al medio en forma de calor provocando el calentamiento del mosto.

Precipitaciones.- Las precipitaciones más corrientes en el pasaje de mosto a vino, son el tartrato neutro de calcio y el bitartrato de potasio o cremor tártaro.

Metabolismo de las levaduras Metabolismo azufrado Las células de levaduras tienen necesidad

absoluta de azufre, que utilizan en sus procesos biosintéticos localizándolo en aminoácidos (METIONINA, CERINA Y TREONINA)y proteínas y, en menor cantidad, como componente de vitaminas y enzimas (CoA-SH).

Metabolismo de las levaduras

Metabolismo nitrogenado. Este componente nitrogenado es utilizado por las

levaduras para reproducirse, durante la fermentación alcoholica y asegurar un número de células suficientes para consumir todos los azucares del mosto.

El Nitrógeno en el mosto puede estar presente en dos formas: la inorgánica como amonio, y la orgánica formada por aminoácidos. Péptidos y proteinas. Prolina y Arginina, son los dos AA mayoritarios en mosto de uva.

Condiciones para el desarrollo de las levaduras

Temperatura: La temperatura óptima se sitúa entre 18 y 30 ºC. Con menos de 10 ºC la fermentación no empieza y si supera los 35 ºC, se detiene.

Nutrientes.- Los mostos están bien provistos de los azúcares y minerales que necesitan las levaduras, no así de sustancias nitrogenadas. Las levaduras necesitan nitrógeno amoniacal.

PH.-La acidez no influye en el desarrollo de las levaduras.

RESUMEN

En el mosto, las levaduras encuentran los constituyentes que les son necesarios para asegurar sus funciones vitales. Entre ellos, se encuentran los hidratos de carbono, los ácidos orgánicos, sales minerales, pH, constituyentes nitrogenados y factores de crecimiento y supervivencia. De manera general, con una correcta inoculación (106 cél/mL) la fermentación se inicia rápidamente y llega a su término.