Capítulo 3.- Introducción a los procesos industriales de fermentación

Desarrollo histórico

La naturaleza prolífica de los microorganismos y su ubicuidad en la superficie de la Tierra han ejercido una influencia significativa en las actividades del hombre, aun en ausencia del conocimiento de su misma existencia. Su potencial implica la habilidad para lograr cualquier conversión que implique compuestos orgánicos solubles en agua, por medio de complejas secuencias de reacciones catalizadas por enzimas. La explotación de dicho potencial en términos de tres periodos de tiempo: periodo de ignorancia (antes de 1800), periodo de descubrimiento (1800-1900) y periodo de desarrollo industrial (después de 1900).

La evidencia de su utilización universal se encuentra en el desarrollo de procedimientos similares en la manipulción de alimentos y bebidas en muchas partes del mundo.
A principios del siglo XX los científicos alemanes Emmerich y Low, aislaron un producto bioquímico de una bacteria, la piocinasa, capaz de destruir algunos miroorgansmos productores de enfermedades. Así se descubrió el primer antibiótico.

La primera mitad del siglo XX vio el desarrollo de muchos procesos de fermentación industrial. Las  fermentaciones alcohólicas y la producción de ácido acético, láctico, cítrico y glucónico, así como acetona butanol y glicerol. Las fermentaciones se llevaron a cabo de dos maneras, en cultivos sumergidos (anaerobias) y en superficies de cultivo (aerobias). La necesidad de incrementar la producción y la puesta a punto de procedimientos aptos para producir grandes cantidades de aire estéril, llevó a la aplicación generalizada de fermentadores de depósito profundo a los procesos aerobios.

Dichas innovaciones se aplicaron a la producción de levadura para panificación y contribuyeron al crecimiento de la parte de la industria que corresponde a la fabricación de ácidos orgánicos.

 En los años de postguerra la fermentación sufrió un frenazo debido al crecimiento de la industria petroquímica, la disponibilidad de muchos productos químicos básicos, hicieron comercialmente atractiva la síntesis química. Pero dada la amplia gama de procesos fermentativos actualmente utilizados, esto es visto como un contratiempo temporal.

Caracterísitcas de los materiales biológicos, exportables industrialmente

 Las industrias están principalmente interesadas en la explotación controlada de la bioquímica de los materiales biológicos. Los procesos que se están explotando con éxito están relacionados con microorganismos y enzimas libres de células.

Tabla. Productos bioquímicos de procesos de fermentación industrial (Aiba et al. 1965; Russell, 1968).

 

La masa microbiana producida es fundamentalmente un producto residual, pero puede ser usado como suplemento en piensos en vista de su contenido proteico. La producción de masa microbianaes el objetivo principal, como ocurre con la levadura para panificación y en cierto modo en la eliminación de impurezas orgánicas del agua contaminada.

Los enzimas pueden ser recuperados de los microorganismos, bajo un estímuo químico apropiado, a dejar la célula y entrar en el medio nutriente, o directamente del material  celular por una combinación de procedimientos químicos y mecánicos. Los enzimas libres de células resultantes son utilizables en las operaciones industriales. Una característica radica en el hecho de que los enzimas libres de células son solubles en agua y relativamente inestables, por lo que son difíciles de recuperar del producto para volverlos a utilizar.

Desde el punto de vista bioquímico ''fermentación'' es el nombre dado usualmente a la clase general de cambios químicos producidos en compuestos orgánicos por la actividad de los microorganismos vivientes. Los procesos cubiertos por el término ''fermentación'' se ha ampliado considerablemente desde el siglo XIX. La etimología del término significa simplemente una acción burbujeante o de ebullición.

Como los enzimas son catalizadores biológicos universales, la fermentación en el más amplio sentido puede ser definida como un proceso en el que los cambios químicos son llevados a cabo en un sustrato orgánico por la acción de enzimas, se encuentren estos enzimas dentro de la célula (in vivo) o libres de ella (in vitro). 

Los organismos inferiores tienen tres ventajas básicas para el desarrollo de procesos industriales:

1. Segregan, o pueden inducirse a segregar, productos bioquímicos útiles, a menudo en proporción a su velocidad de crecimiento.
2. Tenen una velocidad de crecimiento mayor a la de los organismos superiores.
3. Su productividad potencial como fuente de alimentación humana y animal es extremadamente alta comparada con los métodos de labranza tradicionales.

Los requerimientos básicos para los procesos microbiológicos industriales son energía, carbono, nitrógeno y minerales. La fuente de energía y de carbono viene de un compuesto orgánico, que es oxidado para que libere energía y, al mismo tiempo, proporciona el carbono estructural para la síntesis de nuevo material celular. El metabolismo es exotérmico. La energía de oxidación es parcialmente absorbida en las reacciones de síntesis que consumen energía, y el resto es liberada parcialmente como calor al medio ambiente externo.

El metabolismo microbiano puede considerarse como una serie de reacciones interconectadas o vías metabólicas ordenadas espacialmente por todas las partes de la célula. El camino de reacción  está controlado por el propio microorganismo, que ajusta su velocidad de síntesis del ezima o, alternativamente, inhibiendo o promoviendo la efectividad de los enzimas existentes.

El objetivo industrial es usar una parte del metabolismo global para una conversión bioquímica particular, esto se consigue con la seleccion de una cepa particular de una especie de microorganismo dada y por el suministro de reactivo orgánico primario. Se intenta aumentar la cantidad y la actividad de los enzimas implicados en la conversión y reprimir aquellos enzimas que ataque al producto deseado. Se hace usuamente por adición de constituyentes químicos apropiados a la mezcla reaccionante (medio nutriente). La composición de éste se determina generalmente en forma empírica.

Una solución nutriente es usualmente de cierta complejidad. Con frecuencia el contenido mineral se encuentra en cantidades suficientes, simplemente como impurezas en los materiales a partir de los cuales se prepara la disolución.

Procesos actuales de fermentación industrial

Las industrias de procesos bioquímicos están relacionadas en parte con el empleo de materiales que son excelentes sustratos para el crecimiento microbiano.

Imagen. Modelo actual de la exploracion industrial de los microorganismos.

El futuro de las industrias de procesos biquímicos probablemente radica en la preparación de aquellas sustancias que son difíciles de fabricar a escala industrial por métodos puramente fisicoquímicos. Aunque el etanol industrial, la acetona y el butanol han sido obtenidos comercialmente por la fermentación de melazas, son ahora principalmente productos de la industria petroquímica. 

El clásico ejemplo de microorganismos usados para producir un compuesto que no puede ser fabricado de otra manera se encuentra en la producción de antibióticos como la penicilina.

Antibiótico: Sustancias producidas por una especie de microorganismos, que bien mata a otros organismos, o les impide el crecimiento.

 Actualmente se producen por medio de procesos de fermentación  en las industrias de alimentos, químicas y farmacéuticas del orden de cien productos bioquímicos. Principalmente antibióticos, esteroides, vitaminas y ácidos orgánicos. En general, la conversión microbiana puede ser sólo una etapa de una secuencia de conversión de múltiples etapas.

Los microorganismos que se utilizan para transformar los productos residuales de la sociedad humana en materiales inocuos (aguas contaminadas). Eso es posible porque las aguas residuales domésicas y algunos efluentes industriales son ricos en compuestos que contienen un gran número de diferentes microorganismos. Una de las etapas es la sedimentación, que elimina impurezas orgánicas de las aguas residuales por conversión en masa microbiana adicional. Son procesos que requieren la participación de oxígeno, por lo que se les denomina aerobios.

Los enzimas pueden ser extraídos de toda clase de tejidos vivos, pero los tejidos microbianos son los más convenientes industrialmente para una producción a gran escala.

Procesos de fermentación actualmente en etapa de desarrollo

Las industrias de procesos bioquímicos tienen un buen record de desarrollo de productos e innovación técnica. Su evolución a partir de industrias basadas en la manofactura de alimentos y bebidas son las principales proveedoras de productos químicos importantes industrialmente. La innovación técnica ha ido en progresión desde cultivos de superficie a cultivos sumergidos, de operaciones intermitentes a continuas, y a una situación en la cual las operaciones a gran escala en condiciones asépticas se han convertido en una rutina.

El costo de las materias primas, el costo de la aireación, la extensión de la conversión del sustrato (baja) en un producto bioquímico, y las bajas concentraciones de producto conseguidas al final de la fermentación, representan factores significativos en el precio final de mercado de muchos productos bioquímicos. Las investigaciones para resolver estos problemas se basan en: el uso de hidrocarbonados, uso de conversiones enzimáticas como sustituto de los microorganismos, desarrollo de nuevas técnicas de separación y el funcionamiento continuo.

La producción de proteínas microbianas, la utilización de una tecnología basada en el uso de tejidos vegetales para producir productos bioquímicos, y la extracción de materiales metalúrgicos útiles a partir de minerales de baja riqueza por extracción microbiana podrían ser de gran importancia en el futuro.

Proteínas microbianas

Estiando la necesidad mundial de proteínas de alto grado, creía que sería de unos 60 millones de toneladas por año a final del siglo XX. La posibilidad de producir tales microorganismos para contribuir a estas necesidades ha estado a nuestro alcance durante mucho tiempo:

Fuente de carbono + fuente de nitrógeno + elementos traza ---> proteína microbiana

Los carbohidratos son los materiales más apropiados como fuentes de cabono, han sido utilizados convecionalmente para propiciar medio nutriente y tienen la ventaja de su alta solubilidad en soluciones acuosas. Se obtienen fundamentalmente mediante cultivos estacionales, son materias primas poco convenientes para los modernos procesos continuos.

Se ha encontrado que las levaduras pueden utilizar n-parafinas en el rango de carbonos C10-C30, y que pueden separar estas parafinas a partir de una fracción de petróleo estándar.

El principal propósito de estos procesos es la transformación del nitrógeno inorgánico en la forma orgánica, como proteína adecuada para uso alimenticio. Los concentrados de proteína son polvos sueltos, de un blanco tirando a gris que contiene mezclas de aminoácidos, y la intensiín es combinarlos para proporcionar una diera equilibrada en proteínas para animales.

El carbono y al menos parte del hidrógeno se originan a partir de n-parafinas, el oxígeno del aire y del agua, y el nitrógeno sumistrado como amoniaco, es la composición típica de las levaduras que crecen en hidrocarbonados. La ceniza se suministra como sales minerales solubles en agua.

Tejidos de plantas

El cultivo de tejidos de plantas aumenta la posibilidad de usar asépticamente células de plantas superiores para la producción de productos bioquímicos. Sin embargo, hasta el momento los rendimientos alcanzados han sido muy bajos.

Una posibilidad alternativa para la tecnología de tejidos de plantas es la producción de semilleros de plantas, usando técnicas de cultivos sumergidos. Los semilleros producidos de esta forma serían plantados en el suelo de la manera usual para las etapas de crecimiento finales.

Enzimas

Las desventajas inherentes a saber en los procesos de síntesis son:

1. Dificultades implicadas en el mantenimiento de las caracterísiticas genéticas de la cepa.
2. El esfuerzo requerido en las etapas de fermentación previas a la producción en un proceso determinado.
3. Una parte del sustrato se utiliza en el crecimiento de la población de microorganismos.
4. Formación de numerosos productos.
5. La operación continua es complicada.
6. Se requieren mezclas de nutrientes altamente complejas para mantener el crecimiento de los microorganismos.

A causa de ello se piensa que se pueden obtener mejores resultados separando los materiales activos (enzimas) y componiendo artificialmente las vías de reacción necesarias. La dificultas de esto está relacionada con el hecho de que todos los procesos efectuados por microorganismos se realizan en una fase acuosa donde se solubilizan los enzimas.

 

Lixiviación microbiana

La lixiviación o solubilización de minerales de azufre por la acción de bacterias autótrofas. La bacteria en estas condiciones crece rápidamente utilizando la oxidación de minerales sulfurosos como fuente de energía y dióxido de carbono atmosférico como fuente de carbono estructural. Son organismos facultativos, pero la disponibilidad de oxígeno atmosférico conduce a mayores velocidades de crecimiento y extracción.
Actúan en la proximidad inmediata de la superficie mineral, donde oxida los sulfuros insolubles y libera los productos de la oxidación. Los productos por sí mismos pueden contribuir al proceso suministrando las condiciones apropiadas para la lixiviación química.

 

Imagen. Sulfuros minerales tratables para lixiviación microbiana (Pinches, 1971).

La aplicación de lixiviación microbiana ha estado restringida a la recuperación secundaria de minerales a partir de menas de bajo grado halladas como residuos industriales y en minas agotadas. la posibilidad del uso de lixiviación microbiana con minerales de alto grado como alternativa a los  procesos de extracción  pirometalúrgicos esta siendo considerada. Los problemas de manipulación de ambos procesos deben ser similares y el proceso de lixiviación microbiana sería realizado bajo condiciones de ingeniería de proceso parecidas a las usadas en la industria de tratamiento de aguas residuales, en un sistema fluido operando bajo condiciones no asépticas.

Fuente:

ATKINSON, B., Reactores bioquímicos, Editorial Reverté, S.A., España, 1986, 297 pp