PROCESO FERMENTATITVO

TECNOLOGA DE LA FERMENTACIN ALIMENTARIAProfesor: Ing William N. Chunga TrellesSemestre Acadmico: I-2015

PROCESO FERMENTATITVOSUSTRATOS

SUSTRATO: Sustancia especfica donde acta una enzima para convertirla en un producto especficoEnzimas y sustratos utilizados

Las enzimas son catalizadores biolgicos que incrementan la velocidad de las reacciones qumicas sin sufrir ellas mismas cambios importantes. Requieren un cofactor para ser activas, con frecuencia un metal o una molcula orgnica. Son especficas de un sustrato y slo son efectivas bajo condiciones estrictas.

FERMENTACIONESTipo de fermentacinMicroorganismo implicadoSustratoProductoAlimentoAlcohlicaLevaduraAlmidn, GlucosaEtanol y CO2Pan, vino, cervezaLcticaBacteriaCarne picadacido lcticoEmbutidosHomolcticaBacteriaLactosa, glucosacido lcticoYogur, quesoHeterolcticaBacteriaCarne picada, pescadocido lctico, CO2y etanolEmbutidos, salsas de pescado, salazn, pasta de pescadoActicaBacteriaVino, suero, malta, sidracido acticoVinagreFermentacin de cultivo sumergido y cultivo slidoLas fermentaciones en la industria alimentaria se dividen en Fermentacin en cultivo sumergido (los nutrientes se encuentran en forma soluble en un medio lquido) como en cultivo slido (el sustrato transformado por el microorganismo es un slido).

SUSTRATOS EN FERMENTACIONES EN ESTADO SLIDOCARACTERSTICASInsoluble en agua o en la solucin de humectacin para que la incubacin del microorganismo se realice en condiciones de un estado slido Elevado contenido en carbohidratos o protenas ( uso de elevadas concentraciones de sustratos) Estructura granular adecuada para la penetracin del microorganismo o facilidad de rotura para conseguir granulometras adecuadas.Fermentable por un solo microorganismoBaja tendencia a la aglomeracin con el micelio y a la formacin de masas compactas durante la incubacin a fin de evitar la formacin de restricciones funcionales de los gases

APLICACIONES DE LA FERMENTACION EN ESTADO SLIDO

Contenido de agua Alto %H:Puede disminuir la porosidad: baja la difusin de oxgeno.Aumenta el riesgo de contaminacin bacteriana.Incrementa la formacin de micelio areo

Bajos %H: Puede inducir a esporulacin.Afecta la actividad, la estabilidad y la especificidad de las Enzimas, tanto intra como extracelulares Solucin: empleo de humidificadores o adicin de agua estrilActividad del AguaEl valor de la actividad de agua nos da una idea de la cantidad de agua disponible metablicamente.Cuando un microorganismo se encuentra en un substrato con una actividad de agua menor que la que necesita, su crecimiento se detiene. Esta detencin del crecimiento no suele llevar asociada la muerte del microorganismo, sino que ste se mantiene en condiciones de resistencia durante un tiempo ms o menos largo

La reduccin de la actividad de agua para limitar el crecimiento bacteriano tiene importancia aplicada en industria alimentaria. La utilizacin de almbares, salmueras y salazones reduce la actividad de agua del alimento para evitar su deterioro bacteriano.CONTENIDO DE HUMEDAD VS ACTIVIDAD DEL AGUACONTENIDO DE HUMEDADCantidad cuantitativa de agua de una muestra en base seca o hmeda.Propiedad extensiva que depende de la cantidad de materialAgua ligadaACTIVIDAD DEL AGUA awMedida cualitativa mide el estado del agua en un sistema.Una cualidad interna que no depende de la cantidad de materialAgua libre

SUSTRATOS EN FERMENTACIONES EN ESTADO SUMERGIDOLa fermentacin en cultivo sumergido ha sido descrita por EBNER et al . (1993 y 1999) los cuales sugieren una fermentacin semicontinua y continua.En los cultivos sumergidos los nutrientes se encuentran forma lquida y los microorganismos se desarrollan flotando libremente en el volumen de medio de cultivo o formando agregados ms o menos esfricos (pellets) en el caso de los cultivos de hongos.

SUSTRATOS EN FERMENTACIONES EN ESTADO SUMERGIDOHay por lo menos la misma concentracin de agua y de sustratoLos nutrientes son preferiblemente lquidos o solubles en agua o en su defecto que se encuentren en suspensin.La descomposicin de los sustratos es llevada a cabo por enzimas producidas para tal fin por los microorganismos

MEDIO DE CULTIVOLos medios de cultivo usados para hacer crecer los microorganismos han de tener todos los elementos necesarios en la forma y las proporciones adecuadas para la sntesis de material celular y la produccin de metabolitos. En un laboratorio se pueden usar productos qumicos, de composicin conocida, para la obtencin de medios de cultivo, que son medios sintticos, pero en las fermentaciones industriales los medios han de ser lo ms baratos posibles. En microbiologa industrial raramente se usan medios ptimos, equilibrados o definidos, sino que en muchos casos los medios usados estn formados a partir de subproductos de otras industrias. Sern medios muy variados en su composicin, nunca ptimos ni equilibrados, ni mucho menos definidos. Esto presenta una serie de consecuencias sobre el desarrollo de los organismos y sobre el control de la fermentacin.

SUSTRATOS USADOS COMO FUENTE DE CARBONO Y NITROGENOMelazas. Son una de las fuentes ms baratas de carbohidratos. Adems de una elevada cantidad de azcares contienen sustancias nitrogenadas, vitaminas y elementos traza. Extracto de malta. Es el extracto acuoso de la cebada malteada. Se trata de un sustrato excelente para muchos hongos, levaduras y actinomicetes. El extracto seco de malta contienen entre un 90 y un 92 % de carbohidratos, concretamente hexosas, que son glucosa y fructosa, disacridos como la maltosa y la sacarosa, e incluso trisacridos como la maltotriosa. Las sustancias nitrogenadas en el extracto de malta incluyen pptidos, protenas, aminocidos, purinas, pirimidinas y vitaminas. La composicin de aminocidos vara en funcin del grano usado, pero la prolina siempre constituye ms de un 50%. Almidn y dextrinas. Pueden ser metabolizados directamente por los organismos productores de amilasas. El almidn ha adquirido importancia en la produccin de etanol. Lquidos sulfticos de las papeleras. Se trata de productos residuales que contienen azcar de la industria del papel. Los lquidos sulfticos de conferas contiene entre el 2 y 3 % de azcares, de los cuales el 80 % son hexosas y el resto pentosas. Celulosa. Debido a su gran disponibilidad y bajo costo, la celulosa est siendo utilizada como sustrato de fermentacin. Proviene de la paja, restos de mazorcas, turba, papel. A menudo no puede ser utilizada directamente como fuente de carbono, por lo que se deber hidrolizar en primer lugar, ya sea qumica o enzimticamente, dando el jarabe de glucosa, que se usa en la produccin de etanol, butanol, acetona e isopropanol.

FUENTE DE CARBONO Y NITROGENO DIFERENTE A LOS CARBOHIDRATOSAceites vegetales, como aceite de soja, de algodn o de palmera. Son usados como ingredientes secundarios, cuando se usa ya una fuente de carbohidratos como principal aporte de energa.

Etanol. Es el producto de la fermentacin del almidn sacarificado o de la celulosa y puede ser usado como nica fuente de carbono o como fuente complementaria para muchos organismos.

Alcanos. Alcanos de 12 a 18 C son rpidamente metabolizados por muchos microorganismos. Estos alcanos son residuos del refinado del petrleo y su uso como alternativa a los carbohidratos depende de su precio. OTRAS FUENTES DE NITROGENONH4+, sales, urea o NH4+ gaseoso. Lquido de maceracin del maz. Se trata de un subproducto de la produccin de almidn a partir del maz. El extracto concentrado tiene un 4% de N y numerosos aminocidos, como son: Ala, Arg, Glu, Ile, Tre, Val, Fenil Alanina, Met y Cis. Extracto de levaduras. Es un sustrato excelente para muchos microorganismos. Se produce a partir de levaduras de panificacin, induciendo su autlisis a 50 55 C o por plasmlisis en alta concentracin de NaCl. Contiene aminocidos, pptidos, vitaminas solubles en agua y carbohidratos. El glucgeno y la triohalosa se hidrolizan a glucosa durante la produccin del extracto. Peptonas. Se trata de hidrolizados de protenas, de manera que contendr aminocidos y pptidos. Pueden ser usadas por muchos microorganismos, pero son bastante caras para la produccin industrial, aunque pese a este su uso est muy extendido. Las peptonas pueden tener dos orgenes. Protenas animales. Casena, gelatina, queratina. Protenas vegetales. Semillas de cacahuete, harina de soja, semillas de algodn y girasol. Todo esto an retiene mucho nitrgeno, aun siendo subproductos de otras industrias. MICROORGANISMOS: LEVADURAS Y BACTERIASLas levaduras son hongos unicelulares de forma oval o esfrica con un dimetro de aproximadamente 3 a 5 m. El crecimiento de las levaduras ocurre por un proceso de gemacin en la que la clula madre emite un brote y duplica su ncleo, uno de los ncleos pasa al brote y posteriormente la clula hija, madura y se separa de la madre. Algunas veces la clula madre y su progenie permanecen adheridas formando los pseudomicelios. En la industria alimentaria se utilizan para la fabricacin de alimentos y bebidas alcohlicas, como el pan, la cerveza, el vino, algunos quesos. Destacan en este aspecto las levaduras del gnero Saccharomyces.En la industria qumica permiten la obtencin de antibiticos (penicilina), vitaminas, cortisona, etc

Saccharomyces cerevisiaeMICROORGANISMOS: LEVADURAS Y BACTERIASLas Bacterias son un grupo diverso de microorganismos unicelulares, procariotas, que se pueden encontrar prcticamente en cualquier ambiente (suelos, aguas, aire, y como simbiontes, parsitos, o patgenos del hombre, otros animales y plantas. Son los organismos ms pequeos que contienen toda la maquinaria requerida para su crecimiento y autorreplicacin a expensas del material alimenticio. La mayora de las bacterias tienen un rango de tamao que va de 0,2 a 2,0 m de dimetro y de 0,4 a 14 m de longitud.

CONSERVACIN DEL INCULOEl problema de trabajar con microorganismos es su bajo tiempo de vida, ya que para poder trabajar con ellos son necesarias sucesivas generaciones del organismo que se mantengan idnticas entre s. Esto puede presentar una serie de problemas. La conservacin de cepas de produccin a lo largo de un perodo largo de tiempo es un requerimiento bsico para la fermentacin industrial. El objetivo no ser solo la supervivencia del organismo, sino que este mantenga sus capacidades de produccin despus de la conservacin. El objetivo de la conservacin es mantener las cepas sin cambios celulares tanto tiempo como sea posible. Ha de encontrarse el mtodo ms adecuado para cada cepa.

CONSERVACIN POR SUBCULTIVOEs el mtodo ms fcil. Los microorganismos se mantienen como cultivo por picadura en agar o en cultivo lquido en nevera, pero presenta dos incovenientes:

1. Tiene elevados costos. 2. Peligroso: Existe un elevado riesgo de contaminacin y de mutacin, ya que se producir una mutacin cada 8 16 semanas, o alguna al ao. Incluso pueden morir todas las clulas al haber tardado en hacer un nuevo subcultivo.

Temperaturas, entre 2 y 6 C, para que las sucesivas resiembras estn espaciadas en el tiempo, hasta semanas, pero se han de hacer en un momento u otro. Una variante de este mtodo es el uso de medios pobres, ya sean medios mnimos o tan solo agua y agar.

CONSERVACIN POR ESPORULACIONSolo se puede usar en microorganismos esporulantes. En estos organismos habr suficiente con inducir la esporulacin Las esporas se almacenan entonces en un medio mineral, estril y seco, para que no germinen. Esto permite mantener los microorganismos viables durante mucho ms tiempo, incluso dcadas. Los esporuladores son los nicos organismos que no dan problemas de conservacin.

CONSERVACIN POR CONGELACINUn descenso de la temperatura de 10 C supone un descenso de la velocidad metablica del 50%. A temperaturas de ultracongelacin el metabolismo estar totalmente frenado, incluso la actividad qumica. Existen diferentes temperaturas de congelacin.

- Suave: -18 C, congelador domstico - Fuerte: -80 C, congelador de 2 compresores - Ultracongelacin: -196 C, congelacin en N lquido.

CONSERVACIN POR LIOFILIZACIONEs el mejor mtodo de conservacin existente. Conserva tan bien como la congelacin, pero presenta la ventaja de que no es necesaria la conservacin a bajas temperaturas, con lo que resulta ms barato y seguro. En la liofilizacin o desecacin por congelacin trabajamos sobre el punto triple del agua, para pasar del estado slido al gaseoso sin pasar por el lquido, en un proceso de sublimacin. En primer lugar se congela y despus se pasa al vaco provocando la sublimacin del agua.

CRECIMIENTO MICROBIANOSe define crecimiento como un aumento en la cantidad de constituyentes y estructuras celulares, cuando hay crecimiento en ausencia de divisin celular hay aumento en el tamao y peso de la clula. Mientras que cuando el crecimiento es seguido de divisin celular hay un aumento en el nmero de clulas.El crecimiento de una poblacin es el aumento del nmero de clulas como consecuencia de un crecimiento individual y posterior divisin. El crecimiento de una poblacin ocurre de una manera exponencial. El crecimiento exponencial es una consecuencia del hecho de que cada clula se divide dando dos clulas hijas, las cuales al dividirse darn cada una dos clulas hijas, as es que en cada perodo de divisin la poblacin se duplicaLa velocidad de crecimiento exponencial se expresa como tiempo de generacin (g) y este se define como el tiempo que tarda una poblacin en duplicarse. Los tiempos de generacin varan ampliamente entre los microorganismos, algunos crecen rpidamente y presentan tiempos de generacin de unos 30 minutos y otros tienen tiempos de generacin de varias horas o incluso das.CRECIMIENTO MICROBIANO

CRECIMIENTO MICROBIANOPARA CULTIVO DISCONTINUOlnCf = lnCo + tDondeCf = Concentracin final de clulasCo= Concentracin inicial de clulas = Velocidad especfica de crecimiento (h-1)t = tiempo de fermentacin

PRODUCTIVIDAD DEL CULTIVO DISCONTINUODondePb = ProductividadCmx= Concentracin mxima de clulas alcanzada en la fermentacint1 = Tiempo de duracin de la fermentacin a velocidad mxima (h)t2 = Periodo de fermentacin en que las clulas no crecen a sus mxima velocidad (h)

CRECIMIENTO MICROBIANOPARA CULTIVO DISCONTINUOlnCf = lnCo + tDondeCf = Concentracin final de clulasCo= Concentracin inicial de clulas = Velocidad especfica de crecimiento (h-1)t = tiempo de fermentacin

CALCULO DEL TIEMPO DE GENERACIONDondePb = ProductividadCmx= Concentracin mxima de clulas alcanzada en la fermentacint1 = Tiempo de duracin de la fermentacin a velocidad mxima (h)t2 = Periodo de fermentacin en que las clulas no crecen a sus mxima velocidad (h)

PRODUCTIVIDAD DEL CULTIVO DISCONTINUODondeg = Tiempo en generacin en horast = Tiempo transcurrido en fase exponencialn = Numero de generaciones dadas en el tiempo tCRECIMIENTO MICROBIANOPARA CULTIVO CONTINUOSD= F/VDondeD = Velocidad de dilucin (h-1)F = Velocidad de flujo del sustrato (l h-1)V = Volumen del fermentador

CALCULO DEL NUMERO DE GENERACIONESDonden = Numero de generaciones dadas en un tiempo tCf = Concentracin final de clulasCo= Concentracin inicial de clulas

MEDICION DEL CRECIMIENTO MICROBIANOCONTAJE TOTAL DE CLULASContaje directo, en muestras secas o lquidas, en lquidas se requiere de una cmara especial de Petroff-Hausser:

MEDICION DEL CRECIMIENTO MICROBIANOCONTAJE TOTAL DE CLULASContaje directo, en muestras secas o lquidas, en lquidas se requiere de una cmara especial de Petroff-Hausser:

El retculo del fondo est dividido en 25 cuadradosVolumen de la cmara= 0,02 mm3rea de la cmara 1 mm2

Para calcular el nmero de clulas por mL de muestra:

12 x 25 = 300 (nmero de clulas en 0,02 mm3)

300 x 50= 15000 (nmero de clulas en 1 mm3)

150000 x 1000 = 1,5 x 107 (nmero de clulas en 1 mL)MEDICION DEL CRECIMIENTO MICROBIANOCONTAJE VIABLE DE CLULAS

MEDICION DEL CRECIMIENTO MICROBIANOCONTAJE MASA CELULAR

A veces es ms importante estimar la masa celular que el nmero. Como son proporcionales se determina un parmetro para estimar el otro. La masa seca obtenida por peso seco es aproximadamente el 10% y el 20% de la masa hmeda. Otro mtodo son las medidas de turbidez, aunque muestras por encima de 0.5 de D.O pierdenlinearidad.

Este mtodo se emplea ampliamente para seguir el crecimiento de cultivos microbianos; se puedemedir repetidamente la misma muestra y construir grficos semilog para calcular tiempos de generacinBIORREACTORESEs un equipo donde se lleva a cabo el proceso de fermentacin. El mismo provee todos los servicios que son necesarios para el cultivo, tales como mezclado, termostatizacin, suministro de oxgeno, entradas para adicin de nutrientes, control del pH, etc. Por otra parte, cuando se habla de sistemas de cultivo o, tambin, mtodos de cultivo, se hace referencia al modo de operar del biorreactor, esto es en forma continua, discontinua o semicontinua. Para un componente cualquiera del cultivo, incluida la biomasa, se puede plantear el siguiente balance de materia en el biorreactor.

Velocidad de Acumulacin = Velocidad de Ingreso Velocidad de Salida + Velocidad de Formacin Velocidad de Consumo BIORREACTORESEquipos comnmente empleadosTanques agitadosColumnas de burbujeoAir-lift o reactor de arrastreLechos rellenos

Esquema de un tanque agitado

Esquema de una columna de burbujeo

Tanques agitados de escalalaboratorio con clulasinmobilizadas