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• Vicky Mendoza

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UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABI

ING. RAMON CEVALLOS CEDEÑO DOCENTE

LAS REACCIONES BIOQUIMICAS: FERMENTACIONES INDUSTRIALES INDUSTRIAS Y BIOPROCESOS II

 MENDOZA PICO VICKY  DURAN UGALDE JEANINE  CHAVEZ LOOR JORGE  MEJIA ARAY ANTONELLA  SALTOS BRAVO MERCEDES

AGENTES EN LOS PROCESOS BIOQUIMICOS. Los “agentes biológicos” son células animales, vegetales y enzimas, pero fundamentalmente microorganismos. Esto se debe a la capacidad de los microorganismos de tomar nutrientes del medio y transformarlos, liberando una gran variedad de productos al exterior, y la gran facilidad de modificar su genoma. El término “agente biológico” se utiliza para diversas actividades, entre una de ellas la más productiva es la utilización en procesos Biotecnológicos, que ha desarrollado una nueva visión para las diferentes ramas como la Medicina, los Alimentos, la Genética, entre otros. Lo que ha generado grandes descubrimientos y ha innovado viejas técnicas para obtener productos. Los microorganismos que se utilizan en microbiología industrial deben cumplir unos requisitos: 1. Deben producir una sustancia de interés y que tenga alguna aplicación. 2. Deben crecer en un cultivo puro de forma rápida y fabricar ese producto en el menor tiempo posible. 3. Deben consumir nutrientes de bajo costo. 4. Ser susceptibles de manipulación genética. 5. Que se puedan cultivar a gran escala. Son pocos los microorganismos utilizados a nivel industrial. Esto se debe a que algunos casos sus productos metabólicos, si se obtienen de forma industrial son más caros; otras veces sus enzimas son aprovechadas en muchas aplicaciones. Son cuatro grupos los que se utilizan: 

Levaduras Hongos ascomicetos unicelulares, de forma ovalada. De 6-12 micras de diámetro, con reproducción asexual por gemación. Viven en el suelo y sus esporas son dispersadas por el viento y pájaros. Son anaerobios facultativos.

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Mohos Hongos que no forman setas (carpóforos), sino esporangios en el extremo de hifas. Son aerobios estrictos. Junto a las levaduras producen enzimas, antibióticos, ácidos orgánicos, quesos, bebidas, etc.

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Bacterias Son unicelulares procariontes, las utilizadas en estos procesos son aerobias estrictas, anaerobias estrictas y anaerobias facultativas, pero no fotosintéticas.

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Actinomicetes Grupo de eubacterias heterótrofas aerobias estrictas, incluidas como hongos inicialmente.

El proceso por el que los microorganismos fabrican los distintos productos a gran escala se denominan FERMENTACIONES, sean o no fermentaciones anaerobias propiamente dichas. De hecho muchas fermentaciones industriales son aerobias, en contra del concepto biológico de fermentación. Si sólo se obtiene un producto se llaman fermentaciones homofermentativas y si se obtienen varios, heterofermentativas. Se sabe que el año 8.000 a.C los sumerios y babilónicos utilizaban levaduras para fabricar vino y cerveza, y hace unos 6000, los egipcios utilizaban la fermentación para hacer pan y vino. También se utilizaba el cuajo extraído del estómago de ganado vacuno para hacer el queso, o Lactobacillus caseii para hacer yogur. En la primera mitad del s. XIX Cagniard-Latour, Schwann y Traugott, llegaron a la conclusión que los productos de la fermentación (etanol y CO 2) eran debidos a la actividad de microorganismos. Esta “hipótesis microbiana” de la fermentación fue duramente criticado por los químicos de la época (en este siglo la química emergió con fuerza) y la idea aceptada era la “hipótesis química”, es decir, la fermentación era un proceso químico de descomposición de la M.O. Dio origen a la biotecnología microbiana o microbiología industrial, es decir, a los procesos a gran escala (escala industrial) en los que se utilizan microorganismos para la obtención de productos o servicios. En estos procesos se favorece el metabolismo de los microorganismos para tener el máximo rendimiento haciendo que las condiciones físico-químicas son controladas y haciendo una selección de las variedades más productivas. A partir de la década de 1970, con la aparición de las los nuevas técnicas de ADN recombinante (ingeniería genética), irrumpe la nueva Biotecnología que utiliza dichas técnicas. Utiliza sobre todo microorganismos cuyo ADN está modificado (OMG), y llevan genes de otras especies. Con la utilización de los OMG, los procesos industriales han aumentado extraordinariamente su producción. Sin embargo, uno de los mayores riesgos de los OMG es que escapen al control humano y tengan consecuencias imprevisibles para el medio. Así, por ejemplo una bacteria (E. coli) es capaz de fabricar la insulina humana, o se ha conseguido que algunos cultivos sean resistentes a las heladas, al introducirles un gen por medio de la bacteria Agrobacterium. En esta etapa los avances en biotecnología suponen una revolución con aplicaciones claves en muchos sectores.

Agentes en la Industria Alimentaria Algunos microorganismos son capaces de transformar ciertas sustancias en productos de utilidad para el hombre como el pan, yogurt y bebidas alcohólicas. Se han utilizado desde las primeras civilizaciones aunque sin saber su existencia ni su modo de acción.

Dichas transformaciones son oxidaciones incompletas del producto inicial en ausencia de oxígeno, y son convertidos en moléculas orgánicas más sencillas que están todavía reducidas. Es decir, hacen fermentaciones. Sin embargo, la mayor parte de los procesos a nivel industrial son aerobios, aunque reciban la denominación de fermentaciones. Las fermentaciones industriales tienen lugar en depósitos o tanques de gran tamaño, denominados fermentadores, en los que se encuentra el líquido o medio de cultivo, con los microorganismos. Disponen de un eje con paletas para mezclar los nutrientes y el oxígeno con los microorganismos. También poseen conductos que aportan los nutrientes y salidas para la expulsión de gases residuales y para la extracción del producto final. También hay un sistema de refrigeración, otro de calentamiento, y de control de pH. Para hacer las fermentaciones, se utilizan levaduras y bacterias. Sólo unas pocas especies tienen interés industrial. Las levaduras más importantes son Saccharomyces cerevisiae y Saccharomyces ellypsoideus, que se ha empleado para fabricar pan, vino, sake, alcohol y cerveza. Sólo pueden fermentar hexosas, por lo que si se le suministra disacáridos o polisacáridos previamente hay que hidrolizarlos. Otras levaduras utilizadas son Saccharomyces uvarum (vino), Saccharomyces cidrii (sidra). Dentro de las bacterias destacan los Lactococcus, Lactobacillus, Acetobacter y Streptococcus.

Agentes Biologicos en la Industria Farmaceutica La industria farmacéutica incorporó la utilización de microorganismos en los década de 1940. En los últimos años está utilizando la tecnología del ADN recombinante e ingeniería genética, lo que ha supuesto una revolución en las perspectivas de la medicina. Los microorganismos se utilizan para la obtención de una gran número de sustancias, como por ejemplo:     

Producción de antibióticos Producción de vacunas (antígenos bacterianos y víricos), sueros y anticuerpos monoclonales Producción de hormonas (insulina, del crecimiento, esteroides) Producción de vitaminas, aminoácidos, enzimas, factores de coagulación Antifúngicos y antitumorales (interferón)

Muchos han sido fabricados con técnicas de ingeniería genética, como la insulina y la hormona de crecimiento, uroquinasa (coagulación), vacunas (hepatitis B, rabia y sarampión), interferón, factores de coagulación (VIII y IX). Todo esto ha contribuido de una manera espectacular a la reducción de la incidencia de muchas enfermedades en los países desarrollados, no así en los subdesarrollados.

Agentes Biológicos en el Medio Ambiente Uno de los problemas ambientales más importantes en los países industrializados es la enorme cantidad de residuos generados, como son:   

Urbanos (RSU y aguas residuales) Industriales, muy contaminantes, como los vertidos de metales pesados Agrícolas, como los purines, fertilizantes, insecticidas, restos de cosechas

Dada la capacidad descomponedora y transformadora de los microorganismos sobre la materia (recordad su papel en los ciclos biogeoquímicos), esta se puede aprovechar para la eliminación de residuos producidos en distintas actividades humanas, muchos de ellos con enorme poder contaminante, contribuyendo a la conservación del medio natural. Esta capacidad es natural (bacterias que comen hidrocarburos) y también es diseñada por el hombre (bacterias transgénicas que comen explosivos). Se denomina BIORREMEDIACIÓN a la utilización de los microbios para la descontaminación del medio ambiente (suelos o aguas). Si se utilizan plantas se habla de FITORREMEDIACIÓN. Algunos ejemplos son: 

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Bacterias que comen metales pesados del agua y suelo. (Doñana, minas). La contaminación por metales pesados es el principal problema medioambiental a nivel mundial. Tratamiento de los residuos por los microorganismos. Depuración de aguas residuales Eliminación de RSU, RI y R. Agrarios (fabricación de compost) Bacterias que comen explosivos Bacterias que comen hidrocarburos y aceites. Pseudomonas y Nocardia comen petróleo, y se utiliza en las mareas negras y limpieza de conductos petrolíferos, tanques de petroleros. Eliminación de COMPUESTOS XENOBIÓTICOS. Pseudomonas come herbicidas e insecticidas. Producción de compuestos biodegradables. BIOPLÁSTICOS. Uno de los residuos más problemáticos son los plásticos, ya que no son biodegradables. Sólo unas bacterias (Alcaligenes eutrophus) pueden fabricar unos compuestos, los polibetahidroxialcanos (PHA) o bioplásticos. Son casi iguales que los plásticos basados en el petróleo. Tiene la ventaja de ser biodegradables y se ha fabricado envases con ellos.

LA FERMENTACION COMO PROCESO UNITARIO La fermentación es un proceso de tipo catabólico, es decir, de transformación de moléculas complejas, en moléculas simples, dentro del metabolismo. Así la fermentación es un proceso catabólico de oxidación que tiene lugar de forma incompleta, siendo además un proceso totalmente anaeróbico (sin presencia de oxígeno), dando como producto final un compuesto de tipo orgánico, el cual caracteriza por lo general, a los distintos tipos de fermentaciones existentes, pudiendo así realizar una clasificación y una diferenciación.

La fermentación fue descubierta por el químico francés, Louis Pasteur, el cual, en un principio, se refirió al proceso con la frase “la vie sans l’air”, es decir, la vida sin aire. Anteriormente se creía que las fermentaciones eran procesos químicos, donde no se necesitaba la presencia o intervención de ningún microorganismo. Fue Pasteur, quien desmintió esta creencia, gracias a la ayuda del microscopio, pudiendo identificar a los microorganismos que participaban en los procesos de fermentación, e incluso destacando a dos tipos diferentes de levaduras, las cuales jugaban un papel clave en dicho proceso. Una de las levaduras producía alcohol, y la otra daba ácido láctico, el cual estropeaba el vino, dándole un sabor agrio, siendo precisamente los estudios del vino encargados por una fábrica, que quería resolver el problema del vino, lo que llevó a Louis Pasteur a dar con la clave de la fermentación.

En las fermentaciones (del latín “fermentare”, es decir, hacer que fermente o suba), los sustratos energéticos son oxidados y degradados sin que participe en dicho proceso ningún aceptor de electrones externo. Generalmente, la vía catabólica fabrica compuestos de tipo intermedios, como por ejemplo, el piruvato, el cual actúa como un aceptor de electrones. Las fermentaciones habitualmente, se dan en condiciones anaeróbicas, a pesar de que en ciertas ocasiones, el oxígeno puede encontrarse presente.

El concepto bioquímico de fermentación Desde el punto de vista bioquimico, una fermentacion se define como un proceso mediane el cual las sustancias organicas (sustrato) sufren una serie de cambios quimicos (reducciones y oxidaciones) que producen energia: al finalizar la fermentacion, se

presenta una acumulación de varios productos, unos mas oxidados (aceptaron electrones) y otros mas reducidos(donaron electrones) que el sustrato, con un balance total de energia positivo. Esta energia es utilizada en el metabolismo de los microorganismos. Es importante mencionar que, en el concepto bioquimico, no se consideran como fermentaciones los procesos en los que participa el oxigeno. Cuando el aceptor final de electrones es el oxigeno. Cuando el aceptor final de electrones es el oxigeno molecular y no una sustancia organica, el proceso se conoce como respiracion. A continuacion se incluyen dos ejemplos de fermentaciones, desde el puto de vista bioquimico. La produccion de glucosa, de etanol y dioxido de carbono: C6 H 12 O6 →C 2 H 5 OH +CO 2 + H 2 O 

La producción, a partir de glucosa, de lactato: C6 H 12 O6 →C 3 H 5 OH + H 2 O

El concepto microbiológico de fermentación Desde el punto de vista micribiologico, en la actualidad, se entiende por fermentacion aquel proceso en el que los microorganismos producen metabolitos o biomasa, a partir de la utilización de sustancias orgánicas, en ausencia o presencia de oxígeno. La descomposición de los sustratos es llevada a cabo por enzimas producidas por los microorganismos para tal finalidad. Se debe observar que el concepto llega a excluir a los microorganismos del proceso, siempre y cuando esten presentes sus enzimas; sin embargo, en estos casos, la velocidad de obtencion y los rendimientos del producto son menores. Para el microbiólogo industrial, no hay diferencia entre fermentación y respiración, pues en ambos procesos los microorganismos hidrolizan un sustrato orgánico, ya sea en presencia o ausencia de oxigeno. Las conversiones mencionadas de glucosa en etanol, dióxido de carbono y agua, asi como en lactato y agua son procesos de fermentación desde el concepto microbiológico; pero, la conversión de glucosa –en presencia de oxigeno- en dioxido de carbono y agua, que se representa a continuacion, tambien lo es.

C6 H 12 O6 +O2 →CO 2+ H 2 O Un proceso de fermentación, visto como un todo, está compuesto por tres etapas:   

La preparación del inoculo La selección del medio de cultivo. La producción de la biomasa o de los metabolitos de interes

La Clasificacion de los procesos de Fermentación La gran cantidad de procesos y productos que involucra el término fermentación hace difícil no solo la definición del concepto, sino también su clasificación. En general, se establecen divisiones con base en:  

El tipo del producto final por obtener. La presencia o ausencia de oxigeno en el proceso.

PRODUCTOS Y PROCESO DE LA FERMENTACIÓN PRODUCTOS DE LA FERMENTACIÓN: BEBIDAS     

Cerveza Sidra Saque Whisky Vinos

PANES  

Panes Pasteles

VEGETALES  

Semilla de cacao Aceitunas

CARNES Y PESCADOS  

Jamones curados Embutidos secos

LACTEOS   

Suero de mantequilla Queso Yogurt

EL PROCESO DE LA FERMENTACION La fermentación se utiliza ampliamente en el sector alimentario y farmacéutico. Requiere cultivar un microorganismo identificado (normalmente una bacteria) en un cultivo sumergido como monocultivo en unas condiciones ambientales definidas. El régimen de incubación aplicado se diseña para maximizar la productividad del organismo en cuestión al crear unas condiciones óptimas para el crecimiento de la población (biomasa). El producto de interés puede ser un metabolito bioactivo o una proteina recombinante.

Fermentación Alcohólica La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras y algunas clases de bacterias. Estos microorganismos transforman el azúcar en alcohol etílico y dióxido de carbono. La fermentación alcohólica, comienza después de que la glucosa entra en la celda. La glucosa se degrada en un ácido pyruvic. Este ácido pyruvic se convierte luego en CO2 y etanol. Los seres humanos han aprovechado este proceso para hacer pan, cerveza, y vino. En estos tres productos se emplea el mismo microorganismo que es: la levadura común o lo Saccharomyces cerevisae. Fermentación de Pan Durante el proceso de fermentación de pan, el azúcar es convertida en alcohol etílico y dióxido de carbono. El dióxido de carbono formará burbujas, que serán atrapadas por el gluten del trigo que causa que el pan se levante. Debido a la rapidez con que se fermenta el pan, se requieren apenas pocas cantidades de alcohol, cuya mayoría se evapora durante el proceso de levitación. Fermentación de Vino Los responsables de la fermentación alcohólica de los vinos son las Saccharomyces. El jugo de uva contiene altos niveles de azúcar en forma natural. Estos azúcares se transformar en alcohol y dióxido de carbono. La fermentación natural puede producir vino con alcohol de hasta 16 por ciento. FERMENTACION DE VEGETALES ACEITUNAS 1º Frutos maduros se tratan con lejía al 1,0-2,6% (“cocido”) para hidrolizar la oleuropeína, sustancia glucosídica de la aceituna que proporciona un sabor amargo e inhibe las bacterias ácido-lácticas. 2º Se lavan con agua durante varias horas para eliminar lejía, consiguiendo pH bajo para la fermentación. Problema: pérdida de sustancias solubles como azúcares, relevantes en la fermentación. 3º Se ponen los frutos en los fermentadores y se cubren con una salmuera, que posee 5,6-8% de NaCl y se le puede añadir un azúcar fermentable. La sal evitará crecimiento de microorganismos perjudiciales y disminuye pH, aunque si la concentración de sal es elevada dificulta crecimiento de Lactobacillus. 

La disminución del pH durante la fermentación ► aumento de la acidez y eliminación de la microflora alterante, propia de las aceitunas.

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La fermentación puede durar entre 6 y 10 meses y el producto final tendrá un pH entre 3,8-4,0, como consecuencia de la producción de un 1% de ácido láctico.

Fermentación Láctica La fermentación láctica es causada por algunos hongos y bacterias. El ácido láctico más importante que producen las bacterias es el lactobacillus. Otras bacterias que produce el ácido láctico son: Leuconostoc mesenteroides, Pediococcus cerevisiae, Estreptococo lactis y Bifidobacterium bifidus. La presencia del ácido láctico, producido durante la fermentación láctica es responsable del sabor amargo, y de mejorar la estabilidad y seguridad microbiológica del alimento. Este ácido láctico fermentado es responsable del sabor amargo de productos lácteos como el queso, yogurt y el kefir. El ácido láctico fermentado también da el sabor amargo para fermentar vegetales, tales como los tradicionales pikles, y sauerkraut. El azúcar en las coles son convertidas en ácido láctico y usado como preservante. Fermentación de Yogur El yogur se hace fermentando la leche con bacterias compatibles, principalmente Lactobacillus bulgaricus y Estreptococo thermophilus. El yogurt fermentado fue inventado probablemente, por tribus balcánicas hace miles de años. El yogur era solo un alimento de Europa Oriental hasta los años 1900s, cuándo el biólogo Mechnikov creó la teoría de que esas bacterias lactobacillus del yogur eran responsables de la longevidad de las personas de Bulgaria. La leche azucarada o lactosa son fermentadas por estas bacterias y se forma el ácido láctico el cual da origen a la formación de la cuajada. El ácido también restringe el crecimiento de bacterias que causan descomposición del alimento. Durante la fermentación del yogur, se generan algunos sabores, que le dan especial característica. El yogur puede ser hecho en casa, usando un yogur vivo como iniciador. Para hacer su propio yogur, siga el siguiente procedimiento. Lleve la leche a su punto de ebullición y enfríela, bajando la temperatura a rangos entre 40-45C. Vierta esta leche en un recipiente esterilizado y ponga 100 ml de yogur vivo por cada litro. Mezcle con una cuchara esterilizada, e incubar a 40-44C durante 4 a 6 horas o hasta que el yogur esté listo. Coloque el yogur en el refrigerador. Si usted trabaja, bajo condiciones higiénicas, usted puede usar su propio yogur como un iniciador para los próximos lotes.

Equipos de fermentación industrial

FERMENTADOR Una vez que tenemos el medio y conocemos la cinética de la fermentación, necesitamos el contenedor donde se realizará la fermentación en sí.

Fuente:http://4.bp.blogspot.com/_1zWhg0gVkuI/SybbLuDprGI/AAAAAAAABZY/Hl1C QJKGfss/s1600/Fermentador+de+vino.jpg Características físicas del fermentador El biorreactor es todo aquel recipiente donde tiene lugar un proceso industrial hecho por microorganismos. Llegado el momento de decidir o diseñar el fermentador a usar, se han de tener en cuenta unas características: Relaciones geométricas: Hasta los 3000 litros los fermentadores pueden ser constituidos uniformemente, pero a partir de aquí las propiedades físico químicas del fermentador varían a medida que aumenta el volumen. Se ha de tener muy en cuenta para el salto de escala y en el momento de añadir equipos adicionales. ♦ Versatilidad: Generalmente no se hacen biorreactores muy optimizados para unas determinadas condiciones a no ser que se tengan las cosas muy claras desde el principio. Un biorreactor debe ser adaptable a diferentes parámetros. El biorreactor más versátil es el fermentador aireado con agitación. ♦ Materiales: Los fermentadores de laboratorio pueden ser de cristal o de acero inoxidable. Para volúmenes grandes se hacen siempre de acero inoxidable, teniendo

siempre especial cuidado en el sellado para evitar contaminaciones hacia dentro y hacia fuera.

TIPOS DE EQUIPOS INDUSTRIALES PARA LA FERMENTACIÓN EQUIPO FERMENTADOR CON ATMOSFERA CONTROLADA Para productos de masa harinosa, lácteos, alcohólicos y digestiones para deshacer subproductos Completa línea de fermentadores Gimon de varias capacidades, para productos de masa harinosa, lácteos, alcohólicos y digestiones para deshacer subproductos. Incorporan un sistema de calentamiento y enfriamiento con atmósfera controlada, para poder supervisar el proceso de fermentación y la selección de los microorganismos más convenientes para cada producto. Esta selección también se realiza con la inyección de diferentes componentes como ácidos y álcalis orgánicos. Estos depósitos llevan añadido un sistema de agitación para ayudar a la homogenización del producto a fermentar y ofrecen unos acabados de superficie pulida con Ra