PRODUCCIÓN DE ENZIMAS POR FERMENTACIÓN SOBRE

SUBSTRATOS SÓLIDO

G. Viniegra-González y E. Favela-TorresUniversidad Autónoma Metropolitana

México, D.F., MEXICO

Gran variedad de soportes sólidosEnzimas Substratos

Celulasas Residuos Celulósicos, ensilage de sorgo dulce, coconut pith, sugar bagazo de caña.

Quitinasas Residuos sólidos de crustáceosGlucosa oxidasa Salvado de trigoGlucosidasas yamilasas

Harina de yuca, salvado de trigo, salvado de arroz, residuos de plátano. almidón, harina de soya

Glutaminasa y glutamato oxidasa

Impregnated perlitas de poliestirene, salvado de trigo, cáscara de arroz.

Ilunilasas Salvado de trigo, salvado de arroz, copra y harina de maíz.Lacasas y peroxidasas Salvado de trigoLipasas Salvados de trigo y arroz, copra, residuos de babazú.Pectinases Salvado de trigo, bagazo de manzana, pulpa de café, bagazo de caña

con pectina, salvado de soya, poliuretano con pectina.Fitasas Harinas de canola o de trigol, mostaza, habas molidas o en harina,.Proteasas Salvados de trigo y arroz, residuos de arroz.Pulunasas Salvados de trigoTanasas Bagazo de caña con ácido tánico, residuos forestales, poliuretano con

ácido tánico.Xilanasas Salvado de trigo, borra del café, pajas de arroz o trigo, pulpa de

betabel y bagazo de manzana, fibras ligno celulósicas, bagazo de caña bagasse, tallos de plátano, olote de maíz, cáscaras de mango.

A. niger crecido en espuma de poliuretano Espacios

intersticiales llenos de aire.

El mosto se extiende en láminas delgadas, por tensión superficial.

El agua rodea a los mohos.

A/V > 100/cmRomero S. J. tesis doctoral, 2000

Diagrama de la FMS

micelio

Soporte sólido

O2

CO2

Ventajas de FMS (sólida) sobre FsM (sumergida) Menor represión catabólica. Mayor rendimiento de la biomasa, con

menos aireación forzada. Mayor resistencia a substratos tóxicos. Menor actividad proteolítica en el mosto. Mayor productividad del reactor. Ahorro de agua y energía.

Organism Enzyme(s) Support

Aspergillus carbonarius

phytase canola meal

Aspergillus b-fructo- furanosidase sugar cane bagasse

Aspergillus exo-pectinases polyurethane foam

Aspergillus exopolygalacturonase polyurethane foam

Aspergillus pectinase bagasse pith

Aspergillus pectinesterase and polygalacturonase sugar cane bagasse

Aspergillus recombinant laccase polyurethane foam

Aspergillus tannase polyurethante foam

Aspergillus tamari xylanase wheat bran, corn cob, sugar cane bagasse

Apergillus exopectinase polyurethane foam

Aspergillus pectinases coffee pulp

Bacillus coagulans a-amylase wheat bran

Bacillus licheniformis

xylanase wheat bran

Bacillus sp. xylanase wheat bran

Bacillus licheniformis

a-amylase wheat bran

Bacillus licheniformis

a-amylase wheat bran

FMS sobre soportes porosos

El O2 desciende del aire hacia el micelio

El Substrato asciende del soporte al micelio

So So

O2 O2O2

So So So So

Mayor rendimiento de biomasa en la FMSF A. niger en PUF. Abcisas: So=

[glucosa] Ordenadas: Máxima

biomasa, XM

FMS (); FsM ()

Romero S. J. Ph. D. thesis, 20000

10

20

30

40

0 20 40 60 80 100

So (g/L)

XM

(g/L

)

Interpretación En PUF, A/V = 330/cm En los matraces, A/V = 2/cm Aunque los matraces están agitados, la

transferencia de oxígeno es pobre. En PUF, la transferencia pasiva de

oxígeno es eficiente. Si aumenta, S0, m/m fija en PUF y

creciente en FsM.

Menor proteólisis en la FMS

0

2000

4000

6000

8000

0 20 40 60

UI/L

TIME (hours

PECTINASE BY SmF

0102030405060

0 20 40 60

U/L

TIME (hours)

PROTEOLYTIC ACTIVITY (AZOCOL)

02000400060008000

0 5 10 15 20 25 30 35 40

(U/L)

TIME (hours)

PECTINASE BY SSF

0102030405060

0 10 20 30 40

U/L

TIME (hours)

PROTEOLYTIC ACTIVITY (AZOCOL)

Data from, Diaz-Godinez et al. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 26: 271 (2001)

Interpretación Las proteasas son respuestas al estrés

fisiológico (deficiencias nutricionales, falta de oxígeno, etc.)

En FMS hay menos estrés que en FsM y por ello hay menos proteasas.

Se puede aumentar las proteasas en FMS si se desequilibran las proporción C/N.

Productividad de la tanasa A. niger en PUF Ácido tánico: es un

substrato tóxico. Productividad en

función del volumen del mosto.

Mosto/PUF: 20 mL/g 0 20 40 60 80 10

00

50

100

150

200

250

300

350

400

450

SmF

Poly-nomial (SmF)

SSF

Tannic acid (g/L)

Prod

uciv

ity (U

/Lh)

Aguilar et al., J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 26: 296, 2001.

Interpretación: El ácido tánico es menos tóxico en FMS

que en FsM. Por eso aumenta la productividad en la

primera y disminuye en la segunda.

Títulos Enzimáticos : FsM vs. FMS*Enzyme EW(L) ER(L) EW(S) ER(S) EW(S)/EW(L) ER(S)/ER(L)

Units U/mL U/cm3 U/mL U/cm3

       Fitasa 8.1 6.5 65.3 107.7 8.1 16.6Endo-Pectinasa 0.8 0.6 2.5 1.3 3.2 2.0Exo-Pectinasa 5.2 4.2 1.5 2.5 0.3 0.6Pectin Liasa 0.2 0.1 0.5 8.4 2.6 59.0Pectin Esterasa 0.0 0.0 0.0 0.3 1.4 31.4

Poly Galacturonasa 2.0 1.6 0.5 8.3 0.2 5.2

EW(L), EW(S) = Títulos por L del mosto, FsM (L) ó FMS(S)ER(L), ER(S) = Títulos por L del reactor, FsM (L) ó FMS(S)*Recopilación: Viniegra-Gonzalez & Favela-Torres (2002)

Comentario: Se pueden aislar cepas específicas para

FMS que igualan o superan a las cepas para FsM.

Ejemplos publicados de a-amilasa: FsM, > 1x106 U/L; 1010 U/10 m3 FMS, > 5x104 U/g; 1010 U/(133

bandejas)

Limitaciones de la FMS Problemas de transferencia de masa y

calor en el substrato sólido. Los micelios no se pueden agitar mucho

porque se rompen. Asepsia del sólido más difícil que en el

mosto. Pocos diseños de reactores industriales.

Ventajas prácticas de la FMS La ausencia de agua residual reduce a

la mitad los costos de las instalaciones. Si se puede usar el producto crudo, se

abate el costo principal: la recuperación del producto.

Es ventajosa la FMS para producir complejos enzimáticos que degraden bio-polímeros complejos insolubles.

Conclusiones: Limitante principal: la cepa altamente

productiva y especializada para FMS. Ventaja principal de la FMS es la

eliminación de la planta de tratamiento de aguas residuales.

Ventajas adicionales: complejos enzimáticos crudos recuperados como harinas o pastas con bajos costos de recuperación.