fermentación industrial

La fermentación comienza una vez que el medio de cultivo se inocula con el organismo de interés. El crecimiento del inóculo no se produce de inmediato. Este es el período de adaptación, denominado fase de latencia. ^{[ 7 ]} Tras la fase de latencia, la tasa de crecimiento del organismo aumenta progresivamente durante un cierto período; este período se denomina fase logarítmica o exponencial. ^{[ 7 ]}

Tras una fase de crecimiento exponencial, la tasa de crecimiento disminuye debido a la continua disminución de la concentración de nutrientes y/o al continuo aumento (acumulación) de la concentración de sustancias tóxicas. Esta fase, en la que se frena el aumento de la tasa de crecimiento, se denomina fase de desaceleración. Tras la fase de desaceleración, el crecimiento cesa y el cultivo entra en una fase estacionaria o estado estable. La biomasa permanece constante, salvo cuando ciertas sustancias químicas acumuladas en el cultivo degradan químicamente las células mediante un proceso denominado quimiolisis . A menos que otros microorganismos contaminen el cultivo, la composición química permanece inalterada. Si se consumen todos los nutrientes del medio o si la concentración de toxinas es demasiado alta, las células pueden volverse senescentes y comenzar a morir. La cantidad total de biomasa puede no disminuir, pero sí lo hará el número de organismos viables.

Los microorganismos o células eucariotas utilizados para la fermentación crecen en (o sobre) un medio de cultivo especialmente diseñado que les proporciona los nutrientes necesarios. Existen diversos medios, pero invariablemente contienen una fuente de carbono, una fuente de nitrógeno, agua, sales y micronutrientes . En la producción de vino, el medio es mosto de uva. En la producción de bioetanol, el medio puede consistir principalmente en cualquier fuente de carbono económica disponible. ^{[ 8 ]}

Las fuentes de carbono suelen ser azúcares u otros carbohidratos, aunque en el caso de transformaciones de sustratos (como la producción de vinagre) la fuente de carbono puede ser un alcohol u otra sustancia completamente distinta. Para fermentaciones a gran escala, como las utilizadas para la producción de etanol, se utilizan fuentes económicas de carbohidratos, como melaza , licor de maceración de maíz , ^{[ 9 ]} jugo de caña de azúcar o jugo de remolacha azucarera para minimizar los costos. Las fermentaciones más sensibles pueden utilizar glucosa purificada , sacarosa , glicerol u otros azúcares, lo que reduce la variación y ayuda a garantizar la pureza del producto final. Los organismos destinados a producir enzimas como la beta-galactosidasa , la invertasa u otras amilasas pueden alimentarse con almidón para seleccionar organismos que expresen las enzimas en gran cantidad.

La mayoría de los organismos requieren fuentes fijas de nitrógeno para sintetizar proteínas , ácidos nucleicos y otros componentes celulares. Dependiendo de la capacidad enzimática del organismo, el nitrógeno puede proporcionarse como proteína a granel, como la harina de soja; como polipéptidos predigeridos, como la peptona o la triptona ; o como amoníaco o sales de nitrato. El costo también es un factor importante en la elección de una fuente de nitrógeno. El fósforo es necesario para la producción de fosfolípidos en las membranas celulares y para la producción de ácidos nucleicos . La cantidad de fosfato que debe agregarse depende de la composición del caldo y las necesidades del organismo, así como del objetivo de la fermentación. Por ejemplo, algunos cultivos no producirán metabolitos secundarios en presencia de fosfato. ^{[ 10 ]}

Los factores de crecimiento y los oligoelementos se incluyen en el caldo de fermentación para organismos incapaces de producir todas las vitaminas que necesitan. El extracto de levadura es una fuente común de micronutrientes y vitaminas para los medios de fermentación. Los nutrientes inorgánicos, incluidos oligoelementos como hierro, zinc, cobre, manganeso, molibdeno y cobalto, suelen estar presentes en las fuentes de carbono y nitrógeno sin refinar, pero puede ser necesario añadirlos cuando se utilizan fuentes de carbono y nitrógeno purificadas. Las fermentaciones que producen grandes cantidades de gas (o que requieren la adición de gas) tienden a formar una capa de espuma, ya que el caldo de fermentación suele contener diversas proteínas, péptidos o almidones que refuerzan la espuma. Para evitar que esta espuma se forme o se acumule, se pueden añadir agentes antiespumantes . Se pueden utilizar sales tampón minerales, como carbonatos y fosfatos, para estabilizar el pH cerca del óptimo. Cuando los iones metálicos están presentes en altas concentraciones, puede ser necesario el uso de un agente quelante .

El desarrollo de un medio óptimo para la fermentación es un concepto clave para una optimización eficiente. El método de un factor a la vez (OFAT, por sus siglas en inglés) es la opción preferida que utilizan los investigadores para diseñar la composición del medio. Este método implica cambiar solo un factor a la vez, manteniendo constantes las concentraciones de los demás. Este método se puede dividir en varios subgrupos. Uno de ellos son los experimentos de eliminación. En este experimento, todos los componentes del medio se eliminan uno a uno y se observan sus efectos. Los experimentos de suplementación implican evaluar los efectos de los suplementos de nitrógeno y carbono en la producción. El último experimento es el de reemplazo. Este consiste en reemplazar las fuentes de nitrógeno y carbono que muestran un efecto de mejora en la producción prevista. En general, el OFAT presenta una gran ventaja sobre otros métodos de optimización debido a su simplicidad. ^{[ 11 ]}

Los metabolitos primarios son compuestos que se generan durante el metabolismo normal del organismo durante la fase de crecimiento. Un ejemplo común es el etanol o el ácido láctico, producidos durante la glucólisis . Algunas cepas de Aspergillus niger producen ácido cítrico como parte del ciclo del ácido cítrico para acidificar su entorno y evitar que los competidores se apoderen de él. Algunas especies de Micrococcus producen glutamato ^{[ 13 ]} , y algunas especies de Corynebacterium producen lisina, treonina, triptófano y otros aminoácidos. Todos estos compuestos se producen durante el funcionamiento normal de la célula y se liberan al medio ambiente. Por lo tanto, no es necesario romper las células para recuperar el producto.

Los metabolitos secundarios son compuestos producidos en la fase estacionaria; la penicilina, por ejemplo, previene el crecimiento de bacterias que podrían competir con los mohos del género Penicillium por los recursos. Algunas bacterias, como las especies de Lactobacillus , pueden producir bacteriocinas que también previenen el crecimiento de bacterias competidoras. Estos compuestos son de gran utilidad para los humanos que desean prevenir el crecimiento bacteriano, ya sea como antibióticos o como antisépticos (como la gramicidina S ). Los fungicidas , como la griseofulvina, también se producen como metabolitos secundarios. ^{[ 10 ]} Por lo general, los metabolitos secundarios no se producen en presencia de glucosa u otras fuentes de carbono que favorecerían el crecimiento, ^{[ 10 ]} y, al igual que los metabolitos primarios, se liberan al medio circundante sin que se rompa la membrana celular.

En los inicios de la industria biotecnológica , la mayoría de los productos biofarmacéuticos se fabricaban en E. coli ; para 2004, se fabricaban más biofarmacéuticos en células eucariotas, como las células CHO , que en microorganismos, pero se utilizaban sistemas de biorreactores similares . ^{[ 6 ]} Los sistemas de cultivo de células de insectos también comenzaron a utilizarse en la década de 2000. ^{[ 14 ]}

En la historia de la alimentación , los antiguos procesos de fermentación de alimentos, como la elaboración de pan , vino , queso , cuajada , idli , dosa , entre otros, se remontan a más de siete mil años atrás . ^{[ 16 ]} Se desarrollaron mucho antes de que la humanidad tuviera conocimiento de la existencia de los microorganismos involucrados. Algunos alimentos, como la Marmite , son subproductos del proceso de fermentación, en este caso en la producción de cerveza .

La fermentación es la principal fuente ^{[ 17 ]} de etanol en la producción de combustible de etanol . Cultivos comunes como la caña de azúcar , la papa , la mandioca y el maíz son fermentados por levaduras para producir etanol que luego se procesa para convertirse en combustible.

En el proceso de tratamiento de aguas residuales , estas son digeridas por enzimas secretadas por bacterias. La materia orgánica sólida se descompone en sustancias solubles inocuas y dióxido de carbono. Los líquidos resultantes se desinfectan para eliminar patógenos antes de ser vertidos a ríos o al mar, o pueden utilizarse como fertilizantes líquidos. Los sólidos digeridos, también conocidos como lodos, se secan y se utilizan como fertilizante. Los subproductos gaseosos, como el metano, pueden utilizarse como biogás para alimentar generadores eléctricos . Una ventaja de la digestión bacteriana es que reduce el volumen y el olor de las aguas residuales, disminuyendo así el espacio necesario para su vertido. La principal desventaja de la digestión bacteriana en la eliminación de aguas residuales es que se trata de un proceso muy lento.

Una amplia variedad de residuos agroindustriales pueden fermentarse para su uso como alimento para animales, especialmente rumiantes. Se han empleado hongos para descomponer los residuos celulósicos con el fin de aumentar el contenido proteico y mejorar la digestibilidad in vitro . ^{[ 18 ]}