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Tema 11. Procesos Fermentativos

1. Introducción2. Diseño y funcionamiento del fermentador3. Tipos de fermentaciones

I. Fermentación discontinuaII. Fermentación alimentadaIII. Fermentación continuaIV. Reactores de enzimas o células inmovilizadas

4. Factores físico-químicos que afectan al rendimientode las fermentaciones industriales

I. OxígenoII. TemperaturaIII. pH

5. Agitación y mezclado

1. Introducción

Procedimientos de fermentaciónDesarrollo de inóculosPreparación de los mediosRegulación del metabolismoFermentaciónControl de los factores físico-químicos

Recuperación del productoExtracciónPurificación

200 ml 300 w

10.000 l 15 Mw

Fases de un proceso fermentativo 2. Diseño y funcionamiento del fermentador

1. Tanque aséptico2. Sistema de aireación3. Bajo consumo de energía4. Control del pH5. Toma de muestras6. Control de la temperatura7. Evitar evaporación8. Mínimas operaciones9. Versátil10. Superficies internas lisas11. Geometría idéntica12. Materiales baratos13. Servicio de repuestos

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DISEÑO Y FUNCIONAMIENTO DEL FERMENTADOR

Objetivo: Explotación industrial de los microorganismos

Control de la contaminación

QuímicaMicrobiológica

Control del proceso de fermentación

EscaladoControl del coste

Control de la contaminación: Química (Materiales)

Inocuidad total (no tóxico)

Inerte químicamente (no reaccionar con el medio)

Superficie lisa y resistente (choque, rayado)

Resistente a las soluciones de lavado, productos desinfectantes etc

Control de la contaminación: Microbiológica

El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante numerosos días, así como para las operaciones de máslarga duración.

No conexiones directas entre partes estériles y no estériles delsistema (usar soldadura)

Reducir al mínimo las conexiones con elementos móviles

Sello de vapor en las conexiones móviles con el exterior

Válvulas y llaves con sistema de no retorno

Eliminar los espacios muertos en el interior del fermentador

Esterilización por partes del sistema de fermentación

Presión positiva en el fermentador

Sistema de aireación

Sistema de agitación

Sistema de control del pH

Sistema de control de la temperatura

Sistema de control de la espuma

Sistema de toma de muestras

Otros sistemas de control

Control del proceso de fermentación

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Escalado

El diseño del fermentador debe ser similar en todos los tanques:

Escala laboratorio = Planta semipiloto = Planta piloto = Planta industrial

Control del coste

El tanque debe ser versátil para la aplicación en diversas modalidadesde procesos

El diseño del tanque debe ser tal que las operaciones laborales duranteel funcionamiento, recolección, limpieza y mantenimiento seanmínimas.

El consumo de energía debe ser tan bajo como sea posible.

Deben emplearse los materiales más baratos que proporcionenresultados satisfactorios.

Debe existir un servicio adecuado de repuestos para el fermentador.

1.- Fermentación discontinua (batch)

2.- Fermentación alimentada (fed-batch)

3.- Fermentación continua

4.- Reactores de enzimas o células inmovilizadas

3. Tipos de Fermentaciones 3. Tipos de Fermentaciones

DISCONTINUA (batch)

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1.- Fermentación discontinua (batch)

Una fermentación discontinua (en batch) es un "sistema cerrado". Alinicio de la operación se añade la solución esterilizada de nutrientes y seinocula con el microorganismo, permitiendo que se lleve a cabo laincubación en condiciones óptimas de fermentación.

En los procesos comerciales la fermentación se interrumpe al final de lafase logarítmica (metabolitos primarios) o antes de que comience la fasede muerte (metabolitos secundarios).

Positivo. Es un método clásico. Bien conocido. Instalaciones simples

Negativo. Mala utilización de los medios materiales y humanos

3. Tipos de Fermentaciones

ALIMENTADA (fed-batch)

Igual que el anterior, pero algunos sustratos (F. de carbono, F. denitrógeno) se añaden escalonadamente a lo largo de lafermentación.

Positivo. Es un método clásico. Bien conocido. Instalacionessimples, mejora la producción (metabolitos secundarios)

Negativo. Mala utilización de los medios materiales y humanos

2.- Fermentación alimentada (fed-batch) 3. Tipos de Fermentaciones

CONTINUA

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En la fermentación continua se establece un sistema abierto. Lasolución nutritiva estéril se añade continuamente al biorreactor y unacantidad equivalente del cultivo, con los microorganismos, se sacasimultáneamente del sistema.

Positivo. Proceso continuo que permite una buena utilización de losmedios materiales y humanos

Negativo. Problemas en el mantenimiento de la estabilidad delsistema. Esterilidad

3.- Fermentación continua

Problemas en el mantenimiento de la estabilidad del sistema. Esterilidad

a.- Muchos sistemas de laboratorio operan continuamente durantesolamente 20 a 200 horas; para que sea de utilidad industrial el sistema debe serestable durante al menos 500 a 1.000 horas.

b.- Mantener las condiciones estériles a escala industrial a lo largo de unlargo período de tiempo es difícil.

c.- La composición de los sustratos debe ser constante a fin de obtener unaproducción máxima. La composición de las soluciones de nutrientes industrialesson variables (líquido de maceración del maiz, peptona, etc.) lo que puede originarcambios en la fisiología de la célula y disminuir la productividad.

d.- Cuando se utilizan cepas de alto rendimiento se producen mutantes“degenerados”, los cuales pueden crecer en cultivo continuo más deprisa que lascepas de producción por lo que el rendimiento disminuye con el tiempo ya quecada vez son menos células las que sintetizan el producto de interés.

3.- Fermentación continua

REACTORES DE ENZIMAS O CÉLULAS INMOVILIZADAS

1. Adsorción: resinas deintercambio iónico.

2. Covalente: glutaraldehido,tolueno, iodoacetilcelulosa,di-isocianato.

3. Atrapamiento: colágeno,gelatina, agar, alginatos,poliacrilamida, poliestireno.

Sistema de producción continua. Consiste en pasar el medio fresco através de un biorreactor en el que hemos inmovilizado células (oenzimas).

Positivo. Con este sistema se eliminan los problemas de desequilibrio(estabilidad del sistema). También se eliminan los problemas deestabilidad genética del sistema continuo clásico y además el productoresultante está libre de células.

Negativo. Presenta el inconveniente de que no todos losmicroorganismos pueden inmovilizarse.

4.- Reactores de enzimas o células inmovilizadas

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1.- Oxígeno

2.- Temperatura

3.- pH

4. Factores Físicos y Químicos que afectan elRendimiento de las Fermentaciones Industriales

Oxígeno

Oxígeno (O2): sustrato gaseoso más importante para elmetabolismo microbiano.Anhídrido Carbónico (CO2): producto metabólico másimportante.

Solubilidad del Oxígeno del Aire en Agua: 9 mg/l

C =Po

H

Ley de Henry C: concentración de O2 de la solución denutrientes a saturación.

Po: presión parcial del gas en la fase gaseosa.

H: constante de Henry.

Solubilidad del Oxígeno puro en Agua: 43 mg/l

Oxígeno

Solubilidad del Oxígeno en Agua depende de:

Solutos disueltos: agua del mar [O2] -20%peptona 1% [O2] -40%

Temperatura: [O2] disuelto baja al aumentar latemperatura

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AIREACIÓN Barreras a la Transferencia de Oxígeno

Hongos Filamentosos

Bacterias

Levaduras

O2 Mejorar la Transferencia de Oxígeno

1.-Aumentar el área interfacial

2.-Aumentar el tiempo de contacto

3.-Disminuir la resistencia a la difusiónentre la burbuja y la célula

4.- Moléculas tipo hemoglobina

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Temperatura Temperatura

Temperatura inferior a la óptima:Retardo en el crecimientoReducción de la producción celular

Temperatura superior a la óptima:Choque térmicoInducción a una respuesta de estrésProducción de proteasas celularesReducción de los productos proteicos

Las fermentaciones deben llevarse a cabo en un estrecho margende temperatura y a ser posible constante.

Temperatura - Producción

Las fermentaciones deben llevarse a cabo en unestrecho margen de temperatura y a ser posibleconstante.

Producción de etanol:

25º C 9 % etanol20º C 11 % etanol15º C 12,5 % etanol

Temperatura

Producción de calor:AgitaciónActividad metabólica

Pérdidas de calor:Evaporación

REFRIGERACIÓN

Camisa de Agua

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pH

La mayor parte de los microorganismos crecenóptimamente entre pH 5,5 y 8,5

Bacterias crecen a pH neutroHongos crecen a pH ácido

Durante el crecimiento en un fermentador, losmetabolitos celulares son liberados al medio lo quepuede originar un cambio del pH del medio de cultivo

pH - Producción

Lactobacillus: pH ácido: A. lácticopH básico: A. acético y fórmico

Levaduras: pH ácido: etanol pH básico: glicerol

Aspergillus: pH 3-7: melanina constantepH 7-7,9: melanina (x 30)

5.- Agitación y Mezclado

La agitación es la operación que crea o que acelerael contacto entre dos o varias fases.

Una fermentación microbiana puede ser consideradacomo un sistema de tres fases:

1. Fase Líquida: sales disueltas, sustratos y metabolitos

2. Fase Sólida: células individuales, agregados celularessustratos insolubles o productos del metabolismo queprecipitan

3. Fase Gaseosa: proporciona un reservorio para elsuministro de oxígeno, para la eliminación del CO2 opara el ajuste del pH con amonio gaseoso

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Efectos de la Agitación en la Fermentación

1. Dispersión del aire en la solución de nutrientes

2. Homogeneización de la temperatura, pH y concentración de nutrientes en el fermentador

3. Suspensión de los microorganismos y de los nutrientes sólidos

4. Dispersión de los líquidos inmiscibles

Tipos de Agitación

Agitadores Rotativos Columnas de Burbujas Sistema Aero-elevado