Fermentaciones Industriales II

FERMENTACIONES

INDUSTRIALES

PRODUCCIN DE CIDOS

ORGNICOS

Los cidos orgnicos que son producidos por fermentacin son algunos de los cidos del Ciclo Tricarboxlicos (mlico y ctrico) y tambin actico y lctico.

Todos son utilizados como acidulantes en procesamiento de alimentos o como aditivos a otros productos qumicos industriales.

El mayor problema de estos procesos es obtener el producto desde el caldo de fermentacin, a la pureza requerida en condiciones econmicas.

PRODUCCIN DE CIDOS

ORGNICOS

Acido mlico:

Para su produccin se emplea un cultivo mixto de un hongo y una levadura, los que convierten un sustrato primario como glucosa o parafinas en c. fumrico y luego un segundo M.O. Que produce fumarasa convierte el c. fumrico en ac. mlico.

M.O. utilizados son: Rhizopus arrhizus y distintas cepas de bacterias o de levaduras.

Se alcanza una concentracin final de 150g/l

PRODUCCIN DE CIDOS

ORGNICOS

Acido Ctrico

Aspergillus niger es el mejor productor en

presencia de Fe+3.

En cultivos mixtos se utiliza Candida lipolytica y

el hongo Schizophylum commune, creciendo en un

medio con parafinas y peptona.

Se obtiene citrato de una concentracin de 98.3g/l,

mezclado con c. Isoctrico.

ACIDO CTRICO Y SU FORMA

IONICA QUELADA CON Fe(III)

CINTICA DE LA

FERMENTACIN DEL ACIDO

CTRICO

PRODUCCIN DE CIDOS

ORGNICOS

Acido lctico

Se produce por la fermentacin homolctica con

bacterias lcticas, Lactobacillus delbreuckii en

rendimientos de 100% y concentraciones de

productos de 120 g/l.

Para hacerlo ms econmico se utiliza como

sustrato celulosa y se requiere un cultivo mixto,

con un hongo celuloltico (Trichoderma reesei) y

las bacterias lcticas Lactobacillus delbreuckii.

PRODUCCIN DE OTROS

ORGNICOS

Etanol

La produccin de etanol es una de las ms importantes en la industria.

Al ao en USA se producen 400.000 millones de litros a partir de la fermentacin de almidn de cereales.

Se usa como solvente y tambin en la produccin de gasohol, combustible sin plomo que contiene 10% de alcohol.

PRODUCCIN DE OTROS

ORGNICOS

Etanol

Para la fermentacin se utilizan distintas especies de levadura: Saccharomyces, Candida y Kluyveromyces.

La reaccin:

C6H12O6 2C2H5OH + 2 CO2 De acuerdo a esta reaccin se podra obtener el

50% del peso de la glucosa como etanol, esto no se logra, ya que el etanol inhibe el desarrollo microbiano. Se debe concentrar por destilacin.

PRODUCCIN DE OTROS

ORGNICOS

Acetona-butanol (utilizados fundamentalmente como solventes).

Se han obtenido tradicionalmente por fermentacin utilizando M.O.

Sin embargo, durante algunos aos en que se pensaba que el petrleo era eterno, estos solventes se obtenan por destilacin o por sntesis qumica.

Clostridium acetobutylicum es el M.O. mas utilizado en este proceso a partir de azucares fermentables.

PRODUCCIN DE OTROS

ORGNICOS

Tambin se utiliza celulosa como sustrato y un

cultivo mixto de bacterias celulolticas y C.

acetobutylicum.

La velocidad de produccin de solvente se ve

limitada por la lenta degradacin de la celulosa.

Un cultivo de 13 dias produjo a partir de 30g de

Solka Floc/l 14 g de c. Butrico, 4 g cido

actico, 3 g de etanol, y 1 g de butanol/l.

PRODUCCIN DE OTROS

ORGNICOS

Acido propinico.

Se utiliza como inhibidor del desarrollo de hongos en alimentos.

En general para su produccin se utilizan cultivos mixtos de Lactobacillus y Propionibacterium, las que convierten glucosa en c. propinico. Las dos especies fermentan la glucosa y producen cidos lctico y propinico, pero las Propionibacterias, utilizan mejor el c. lctico. (Con suero de leche).

Lactobacillus Propionibacterium

Glucosa Ac. Lctico Ac.propinico

PRODUCCIN DE VITAMINAS

Las vitaminas se utilizan como suplemento de alimentos para personas y tambin para animales.

La produccin de vitaminas ocupa un segundo lugar luego de los antibiticos, entre los productos farmacuticos, en cuanto a ventas (casi 1000 millones de dlares al ao).

Con la excepcin de la Vitamina B12 y la riboflavina (la vitamina de estructura ms compleja) todas las otras se pueden producir ya sea por extraccin desde fuentes naturales o por rutas de sntesis qumica.


Vitamina B12 En la naturaleza la sintetizan exclusivamente los

M.O.

En los animales y el hombre como coenzima esta vitamina participa en el reordenamiento intramolecular de tomos de H y de carbono.

La deficiencia de ella produce graves trastornos, como anemia perniciosa (baja produccin de glbulos rojos) y alteraciones nerviosas.


Los requerimientos de esta vitamina por parte de los animales y del hombre se satisfacen por los alimentos o por absorcin a travs del intestino de la vitamina producida por los M.O. presentes en el intestino.

Los vegetales no producen ni requieren esta vitamina.

Para su produccin se utilizan algunas cepas microbianas que la producen con altos rendimientos.


Propionibacterium en un proceso en dos etapas, da rendimientos que oscilan entre 19 y 23 mg/l.

Pseudomonas denitrificans en un proceso en una etapa y utilizando melaza de remolacha azucarera como fuente de carbono produce 60 mg/l de la vitamina.

Esta vitamina contiene Co en su estructura por lo que si se aade a los medios nutritivos se produce en mayor concentracin.

VITAMINA B12

CIANOCOBALAMINA


Riboflavina

Es la vitamina relacionada con las flavinas: FAD y FMN, coenzimas que participan en numerosas reacciones de oxido-reduccin de todos los organismos vivos.

Esta vitamina es sintetizada por muchos M.O.: hongos, bacterias y levaduras.

El hongo Ashbya gossypii produce una gran cantidad, hasta 7 g/l y por lo tanto se utiliza en su sntesis.

A pesar de este buen rendimiento su sntesis microbiolgica compite con la sntesis qumica.

VITAMINA B2 RIBOFLAVINA

PRODUCCIN DE AMINOACIDOS

Los aminocidos tienen una gran utilizacin en la

industria de alimentos, como aditivo para el

ganado y en una serie de procesos industriales.

El AA comercial ms importante es el cido

glutmico, el que se utiliza como saborizante

como glutamato monosdico (MSG).

Otros dos AA : fenilalanina y c. asprtico son

utilizados para preparar el edulcorante artificial

ASPARTAME.

PRODUCCIN DE AMINOACIDOS Lisina

Lisina un AA esencial para los seres humanos es producido comercialmente por Brevibacterium flavum para uso como aditivo en alimentos.

La mayora de los AA se puede producir qumicamente, pero de esta manera se obtienen formas pticamente inactivas de las formas D y L. As para producir las formas L se requiere sntesis biolgica.

Los AA se pueden producir por fermentacin directa o por sntesis enzimtica (un M.O. produce una enzima y luego se utiliza esta en la produccin del AA).

REGULACIN Y SECRECIN DE AA

Los M.O. producen los AA para utilizarlos en sus

vas metablicas (sntesis de protenas), de este

modo su produccin es perfectamente regulada.

Para la produccin industrial de un AA se necesita

eludir los mecanismos regulatorios, y as poder

obtener una cepa superproductora y as producir el

AA en forma econmica.

Se ha trabajado con Brevibacterium flavum para

producir lisina.


La produccin de lisina por Brevibacterium flavum est bioqumicamente controlada a nivel de la enzima aspartoquinasa, de manera que el exceso de lisina, por retroalimentacin, inhibe la actividad de esta enzima.

La superproduccin de esta enzima puede lograrse aislando mutantes de B. flavum en los que la aspartoquinasa ya no est sujeta a inhibicin por retroalimentacin.

Esto se hace aislando mutantes resistentes al anlogo de la lisina, S-aminoetilcistena (AEC) el cul se une al sitio alostrico de la aspartoquinasa y bloquea la actividad de esta enzima.

LISINA Y SU ANLOGO (AEC) EL QUE INHIBE

EL CRECIM. LOS MUTANTES RESISTENTES

TIENEN UN SITIO ALTERADO EN LA

ASPARTOQUINASA, ASI CRECEN Y

SUPERPRODUCEN LISINA


Los mutantes AEC resistentes que se obtienen

fcilmente por seleccin positiva producen una

forma mutante de aspartoquinasa con un sitio

alostrico que ya no reconoce AEC ni lisina y por

ello la inhibicin por retroalimentacin por lisina

se reduce grandemente.

Estos mutantes pueden producir ms de 60 g/l de

lisina a escala industrial.


Otro punto importante en relacin con la produccin industrial de AA es la secrecin.

En general los organismos no excretan metabolitos esenciales como los AA.

Modificando la excrecin, las elevadas concentraciones que podran producir inhibicin o represin, incluso en mutantes resistentes, generalmente no se producen dentro de las clulas.

La excrecin se estimula por varios caminos, como ejemplo el caso del cido glutmico.


Acido glutmico

Corynebacterium glutamicum se utiliza para su

produccin, requiere la vitamina biotina, un

cofactor esencial en la biosntesis de los cidos

grasos.

La deficiencia de biotina lleva a un dao en la

membrana (como resultado de una pobre

produccin de fosfolpidos) y, bajo estas

condiciones, el cido glutmico es excretado.


El medio utilizado para la produccin

comercial de cido glutmico, contiene por

tanto, suficiente biotina para obtener un

buen crecimiento, despus del cual se

impone una deficiencia de biotina y el cido

glutmico es excretado.

BIOCONVERSIN MICROBIANA

Los M.O. son capaces de hacer ciertas transformaciones que no es posible realizar mediante reacciones qumicas.

La biotransformacin o bioconversin implica el crecimiento del organismo en grandes fermentadores, seguido en el momento oportuno de la adicin del compuesto qumico que se desea transformar.

Se deja que el M.O acte y luego se corta la fermentacin y se purifica el compuesto desde el caldo de fermentacin.


Un ejemplo de esto es la produccin de hormonas esterodeas.

Algunos esteroides (que regulan varios procesos metablicos) se usan como medicamentos.

Los esteroides adrenocorticoides reducen la inflamacin y por lo tanto son tiles en el tratamiento de las alergias y la artritis.

Los esteroides en general pueden producirse qumicamente, pero el proceso es caro y complicado. Ciertos pasos de estas sntesis, los hacen mas eficientemente algunos M.O.


Cortisona e hidrocortisona

El hongo Rhizopus nigricans realiza la hidroxilacin estereoespecfica clave de un precursor de la cortisona.

La mayora de las bioconversiones de esteroides implican hidroxilaciones de este tipo, as se utilizan varias cepas distintas de hongos.

La produccin de esteroides suele ser un gran negocio ya que la venta mundial de hidrocortisona, cortisona, prednisona y prednisolona supera las 800 toneladas/ao.

PRODUCCIN DE CORTISONA

UTILIZANDO UN M.O.

PRODUCCIN DE ANTIBITICOS

De los productos microbianos fabricados comercialmente, probablemente los mas importantes son los antibiticos.

Los antibiticos son sustancias qumicas producidas por los M.O. que matan o inhiben el crecimiento de otros M.O.

Los antibiticos son productos del metabolismo secundario.

Su rendimiento en los cultivos es en general bajo, pero debido a su alta actividad teraputica y por su alto valor econmico pueden ser producidos por fermentacin.

Muchos antibiticos pueden ser producidos qumicamente, pero en general su fabricacin es muy compleja debido a lo complejo de sus estructuras.


Los antibiticos que se producen comercialmente provienen de hongos filamentosos y de bacterias del grupo de los Actinomicetos.

Existen varios grupos de antibiticos qumicamente relacionados, por lo que se habla de familias de antibiticos y as se clasifican.

Existen mas de 8000 compuestos que actan como antibiticos, pero se espera que se descubran mas de estos compuestos, utilizando otros M.O. o diseando las estructuras mediante computador.


El procedimiento que se sigue es utilizar un computador para estudiar los modelos de interaccin entre la diana de un medicamento (por ejemplo una protena especfica) y una versin modificada de un frmaco conocido.

As se puede utilizar un computador para escrutar varios frmacos conocidos y predecir su eficacia.

Los compuestos identificados de este modo pueden ser sintetizados mediante modificaciones qumicas o biolgicas de los existentes y ensayarse para determinar su eficiencia qumica.


El principal camino por el cul fueron descubiertos en el pasado los nuevos antibiticos fue por rastreo.

A partir de muchos cultivos axnicos de M.O. posibles productores de antibiticos se prueban para ver si los producen, observando si se producen zonas de inhibicin sobre bacterias utilizadas como control.

Las bacterias control son especficamente patgenos bacterianos o relacionadas con ellos.


Si efectivamente se ha obtenido un antibitico se debe revisar que sea nuevo y en ese caso es necesario revisar su no toxicidad y su efectividad teraputica.

Solo unos pocos de estos son tiles y se producen posteriormente a nivel industrial.

Un antibitico que va a ser producido comercialmente, debe ser producido con xito en fermentadores industriales a gran escala.

Lo siguiente es el desarrollo de mtodos de purificacin eficientes.

AISLAMIENTO Y SELECCIN DE

ANTIBITICOS


Las cantidades de antibitico son normalmente bajas, por lo que se requieren mtodos de extraccin y purificacin muy elaborados.

Se debe llegar a un producto cristalino de alta pureza.

As se debe trabajar con un antibitico que sea producido con alto rendimiento.

Se ha utilizado mutagnesis e ingeniera gentica con este fin.

La alteracin en los mecanismos de regulacin tambin sirven a este fin.

PROCESO COMPLETO DE EXTRACCIN Y

PURIFICACIN DE UN ANTIBITICO

ANTIBITICOS B- LACTMICOS: LA

PENICILINA Y SUS PARIENTES

Una serie de procariotas, adems de Penicillium y Aspergillus producen estos antibiticos.

Entre las penicilinas, se producen varios tipos diferentes y de hecho el producto final puede ser una combinacin de sustancias producidas biolgicamente y qumicamente.

La estructura bsica de las penicilinas es el cido 6-amino penicilnico (6-APA).

Si la fermentacin de la penicilina se realiza sin la adicin de precursores de la cadena lateral, se producen las penicilinas naturales tales como la bencil penicilina (penicilina G).

Si se agrega algn precursor se obtendr la pen. deseada.



El producto obtenido de esta forma se llama

penicilina biosinttica.

Para obtener penicilinas con actividad frente a las

Gram negativas es necesario, realizar un

procedimiento qumico, lo que conduce a las

penicilinas semisintticas.

Estas ltimas tienen la ventaja de poder ser

administradas por va oral, por lo que no requiere

una inyeccin. Ej. Ampicilina.

PRODUCCIN INDUSTRIAL DE

PENICILINA. LA FERMENTACIN NORMAL

CONDUCE A LAS PEN. NATURALES. AL

AADIR COMPUESTOS SE OBTIENEN

OTRAS PENICILINAS



La penicilina G se produce utilizando un proceso de fermentacin sumergida en fermentadores de 40.000 a 200.000 litros.

La produccin de penicilina es un proceso altamente aerbico y requiere una eficiente aireacin.

La penicilina es un metabolito secundario tpico, as se produce muy poco durante el crecimiento (trofofase) y se desarrolla en la fase estacionaria (idiofase).


PENICILINA Y SUS PARIENTES Uno de los componentes principales de esta

fermentacin es el licor de maceracin del maz, el que contiene fuente de nitrgeno adems de factores de crecimiento.

Lactosa es la fuente de carbono.

La cadena lateral de la pen. G es la porcin fenilacilo y los rendimientos de pen. Aumentan si se aade cido fenil actico como precursor.

La penicilina G es excretada al medio y luego de separar las clulas por filtracin, se baja el pH del medio y del caldo filtrado se extrae el antibitico con un solvente.



Despus de la concentracin con el solvente, el antibitico se vuelve a extraer pasndolo a un medio acuoso alcalino donde se concentra ms y luego cristaliza.

Otro tipo de B lactmicos son las cefalosporinas, que son producidas por Cephalosporium acremonium.

Otros productos no antibiticos son aquellos capaces de inhibir la actividad B-lactamasas de las bacterias, las que destruyen las penicilinas (se utilizan en conjunto con ellas y son mas efectivas).

PRODUCCIN DE TETRACICLINA

Un gran nmero de pasos enzimticos estn implicados en la sntesis de tetraciclina.

En el caso de la clorotetraciclina pueden estar implicados hasta 72 productos intermediarios; involucrando mas de 300 genes.

Streptomyces aureofaciens es la bacteria implicada en la produccin de este antib.

Se sabe que tanto la glucosa como el fosfato producen represin de la sntesis.

PRODUCCIN DE

CLOROTETRACICLINA CON

STREPTOMYCES AUREOFACIENS

Fermentaciones Industriales II

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