Capítulo 4.- Principales tipos de fermentadores.

Configuración de un fermentador

Las fermentaciones se llevan a cabo en recipientes denominados fermentadores. La disposición geométrica de estos afecta al modelo de flujo líquido y contribuye a la realización de una fermentación medida en términos de rendimiento y velocidad de producción.

Los distintos tipos de fementación se basan en la terminología establecida:

1. Fermentador intermitente (FI); (batch fermenter: BF)
2. Fermentador continuo de tanque agitado (FTCA); (continuos stirred-tank fermenter: CSTF)
3. Fermentador tubular (FT); (tubular fermener: TF)
4. Fermentador de lecho fluidizado (FLF); (Fluidised bed fermenter: FBF)

La influencia en el desarrollo de estás configuraciones ha sido la necesidad de mantener un cultivo estable. Se requiere operar en condiciones sépticas.

Su principal influencia de operación deriva de las propiedades físicas de los microorganismos.  En condiciones normales ésto tienen una gran cantidad de agua, por ello su densidad es diferente. Se requiere de un empuje hidrodinámico pequeño para mantenerlos en suspención, el resultado es la agitación del fluido circundante con los microorganismos en suspención.

Las conversiones bioquímicas no se alcanzan en ausencia de microorganismos se comprende que al utilizar los microorganismos suspendidos en un fermenador continuo evitará que sean arrastrados por la corriente de salida. Los caudales a utilizar con un fermentador continuo de tanque agitado están limitados como resultado de este fenómeno y los fermentadores tubulares (FT), con flóculos suspendidos, no pueden funcionar sin un aporte constante de microorganismos en la corriente de entrada. Una respuesta a esto el el fermentador de lecho fluidizado, que es un híbrido entre el fermentador de tanque agitado y el fermentador tubular.

 

Imagen. Fermentador.

Una forma alternativa de fermentador tubular implica el uso de películas microbianas mantenidos sobre superficies apropiadas situadas dentro del fermentador. 

En el fermentador de tanque agitado discontinuo, los reactivos se añaden inicialmente al tanque; se mezclan bien y se les permite reaccionar durante un período de tiempo hasta que se alcance la conversión requerida. Por lo tanto los microorganismos en un fermentador discontinuo están mas expuestos a las condiciones ambientales en cambio constante. 

En el FCTA la agitación es una característica extremadamente importante, considerándose que una buena aproximación a la mezcla perfecta no es difícil de alcanzar con tal que la fase fluida no sea demasiado viscosa. El efecto de una buena mezcla de todos los elementos del fluido en el tanque tengan virtualmente la misma composición.

Una gran ventaja del FCTA es el fácil control de la temperatura y del pH. El material que entra en un tanque dado se sumerje inmediatamente en un gran volumen de fluido parcialmente fermentado y, a causa de la agitación, las variaciones locales de temperatura y de pH son mínimas.

Otra ventaja rcide en la modulación de cualquier sobrecarga accidental a que pueda ser sometido el sistema.

Debido a que el FCTA, en comparación al FT o al FLF, es de construcción abierta, lo que facilita la limpieza de las superficies internas, algo fundamental en las operaciónes en condiciones asépticas.

La ausencia de mezclado en un fermentador tubular motiva la existencia de perfiles de concentración axial, como la caida gradual y continua de la concentración del sustrato y aumento en la concentración de producto.

Fermentación discontinua

Los procesos microbiológicos llevados a cabo de forma discontinua implican invariablemente varias etapas. Estas incluyen el desarrollo de microorganismos a partir de un cultivo patrón.  El primer paso para esto consiste en desarrollar un cultivo sobre la superficie de medio nutriente estéril solidificado por adición de agar.  El fermentador de siembra se utiliza para producir el inóculo para el fermentador de producción industrial.

Como regla general puede decirce que el objetivo principal de la ingeniería bioquímica radica en los fermentadores de siembra y de producción industrial.

 El proceso complto podría tener lugar en una única etapa pero el sistema de etapas múltiples tiene cierto número de ventajas, en particular:

1. Productividad creciente para im volumen total menor de fementador.
2. Posibilidad de variación de las condiciones ambientales de etapa en etapa, lo que lleva a que algunas etapas sean utilizadas predominantemente para el crecimiento microbiano y otras para producción bioquímica.

La disposición básica del fermentador es un  fermentador tipo tanque profundo. Las etapas de innovación de este fermentador constituyen una interesante historia tecnológica, que puede seguirse desde la producción del ácido glucónico.

El tiempo requerido para una fermentación discontinua varía de horas a semanas dependiendo de la conversión que se desee y de las condiciones utilizadas. Durante éste debe evitarse la contaminación debiendo agitarse el contenido del tanque y manteniendo controlada su temperatura.

El control de la temperatura se consigue poniendo una camisa de agua alrededor del tanque, acompañado por la utilización de serpentines internos con el fin de conseguir una superficie suficiente de transmisión de calor.

El problema de diseño de un fermentador tipo tanque profundo reside en la especificación del tamaño del tanque, el tiempo de proceso, la cantidad de microorganismos retenidos, las necesidades de aireación y de potencia, y el área de la superficie de transmisión de calor.

Las condiciones óptimas para el crecimiento y la formación de producto son diferentes términos de temperatura y pH, y en el grado de aireación y agitación requerido.

• Tipos de fermentadores discontinuos

Cada uno de los tipos principales posee varios diseños geométricos, pero generalmente pueden clasificarse como sigue:

1. Inyección de aire a través del agitador; el aire pasa por un eje hueco y es inyectado en el medio a través de los agujeros practicados en el agitador.
2. Inyección de dos fases; una mezcla de dos fases de aire y medio nutriente pasa al fermentador en forma de espuma o suspensión.
3. Fermentador con transporte por aire; el aire se usa para hacer circular los productos contenidos en el fermentador, bien por tubos externos al recipiente o usando un tubo interior.
4. Inyección de aire por distribuidor; el fermentador usado más extensamente es el cilindro vertical agitado, con deflectores con un distribuidor de aire cuyas principales características son las de un fementador.

Transmisión de calor

En un fermentador discontinuo el área de transmisión de calor debe calcularse para que pueda suministrar las cantidades de calor correspondientes a la esterilizaión y el enfriamiento, así como las asociadas con el funcionamiento normal. Las variables a lo largo de la fermentación, son:

• Calor de reacción
• Energía disipada por el agitador
• Energía disipada por el aire al pasar por el medio líquido
• Pérdidas de calor en la corriente de aire debido a cambios de temperatura y humedad.

Agitación

Se usan impulsores que producen un flujo radial. La selección del impulsor y de su velocidad de funcionamiento está basado bien sobre datos obtenidos con sistemas similares o bien sobre un estudio bien detallado de ''planta piloto''.

Esterilización

La esterilización de medios se logra generalmente por vapor, mientras el aire suministrado se esteriliza por la temperatura alcanzada en el compresor, seguido por el paso a través de un medio filtrante fibroso. Es normal utilizar un filtro adicional a la salida del aire para evitar la infeccipon en el caso que parte de dicho aire fuera aspirado nuevamente a la instalación.

Prevención d la espuma

Las fermentaciones son propensas a la formación de espuma como consecuencia de la presencia de metabolitos con propiedades tensoactivas. Pueden conducir a una considerable diminución del volumen de líquido. El metodo general usa para salvar esta dificultad consiste en añadir agentes antiespumantes (aceites naturales y minerales, alcoholes superiores, ácidos grasos y siliconas).

 Elementos mecánicos

Los elementos mecánicos de los fermentadores o el equipo auxiliar utilizado han sido descritos por Solomons (1969); Hospodka (1966) ha estudiado un número considerabl de  variaciones del fermentador básico de tanque agitado.

 

Imagen. Fermentador típico con equipo auxiliar (Olsen, 1960).

Digestión de ''fangos''

La antítesis del crecimiento microbiano bajo condiciones industriales es el proceso de digestión de ''fangos'' en la industria de tratamiento de aguas residuales. Este es un proceso de fermentación anaerobia llevado a cabo bajo condiciones intermitente o semicontinuas. Un objetivo secundario del proceso es el acondicionamiento de fangos residuales haciendo particular referencia a su capacidad de perder agua.  La digestión anaerobia se realiza en fermentadores con tiempos de proceso típicos de 2-3 semanas. El fango sedimentadode una consistencia pastosa, alimenta al digestor donde se hidroliza a compuestos solubles tales como azúcares sencillos, péptidos, aminoácidos, gliceroles y ácidos grasos.
El proceso es no-aséptico, y la eficacia de la digestión se ve afectada significativamente por factores tales como temperatura, pH, composición de fango, grado de mezclado y concentración de sólidos.
La digestión más rápida tiene lugar a 55-70°C, que son temperaturas altas para la mayoría de los procesos microbianos. Aunque las reacciones son exotérmicas es necesario añadir calor al sistema para compensar las pérdidas al entorno externo. El gas producido se usa frecuentemente como fuente de energía para los trabajos de tratamiento.

Fermentación continua en tanque agitado

Un FCTA no necesia ser básicamente diferente a un fermentador discontinuo. La diferencia fundamental está en el hecho de que el contenido del recipiente está en estado estacionario, no varía mucho con el tiempo; esto se aplica a la retención de microorganismos y  a la concentración de los componentes del medio en el fermentador.
Las condiciones del estado estacionario pueden alcanzarse bajo principios:

•  Quimiostáticos: implican ajustar el caudarl de alimento del fermentador a un valor apropiado y constante, permitiendo a las concentraciones de microorganismos, sustrato, y producto bioquímico alcanzar sus niveles ''naturales''.
•  Turbidostáticos: requiere una determinación experimental de la turbidez, una medida indirecta de la concentración microbiana, para controlar el caudal.

La consecuencia inmediata es que para una operación económicamente satisfactoria, las condiciones ambientales seleccionadas para el fermentador deben conducir a rendimientos aceptables de productos microbianos y bioquímicos. Una vez alcanzado un rendimiento pequeño de producto de una fermentación intermitente éste puede mejorarse en una etapa de desarrollo. En contraste, para una operación contínua se requiere conocimiento detallado de todas las relaciones existentes entre la velocidad de reacción y las variables de operación. Una complicación adicional surge del hecho de que los medios ''naturales'', al contrario de las soluciones de sustrato químico, son normalmente usados en las industrias de fermentación.

Los sistemas continuos de más éxito hasta el siglo XX han sido los que utilizaron levaduras y bacterias, en los que los productos deseados son las células o los metabolitos primarios como en la levadura del pan, la proteína microbiana o algún producto claramente asociado con el crecimiento o los mecanismos productores de energía.

No parece haber razón alguna por la cual cualquier fermentación no pueda ser alcanzada en proceso continuos. Cuando los metabolitos secundarios son el objetivo, la situación es menos alentadora normalmente y es menos probable que sistemas de recipiente único conduzcan a resultados satisfactorios a causa de los diferentes requerimientos ambientales entre las etapas de crecimiento y producción.

En el proceso continuo la naturaleza autocatalítica de las reacciones microbiológicas tiene una significación adicional. Debido a la presencia de uno de los productos, microorganismos adicionales, aumenta la velocidad total de la reacción. Si el caudal alcanza un valor elevado entonces todos los microorganismos serán arrastrados fuera del fermentador y la conversión cesará. A esto se le conoce como arrastre o lavado. Si los microorganismos se introducen en el fermentador simultáneamente con el sustrato entonces los problemas asociados con el arrastre disminuyen y la reacción transcurre normalmente. Operar bajo tales condiciones requiere un flujo continuo de microorganismos idénticos a los que existen dentro del fermentador. El efluente puede pasarse a través de una centrífuga o bien por medio de un tanque de sedimentación, para producir una suspención microbiana concentrada para ser reciclada al fermentador.

 

Imagen. Diagrama de flujo de una fermentación continua.

Estos dos métodos se han aplicado con éxito en condiciones industriales para la producción de cerveza. Una afluencia constante de organismos no sólo soluciona el problema del arrastre sino que además produce un incremento en la productividad por el incremento de microorganismos retenidos dentro del fermentador.

 

Imagen. Diagrama de flujo de una planta de tratamiento de aguas residuales por el sistema de lodos activados.

Una característica en la industria química reside en la utilización de varios reactores en serie, porque el efluente de un reactor único contiene normalmente una concentración apreciable de los reactantes. El FCTA trabaja normalmente con altas conversiones de sustrato, por lo que la concentración baja y la pérdida de sustrato no es una característica importante. Una característica adicional de varios fermentadores en serie es que si los microorganismos están presentes en el primer fermentador entonces, a pesar del hecho de que el caudal a través de los sucesivos fermentadores aumente en la dirección como resultado de la adición de sustrato, no puede ocurrir el arrastre. 

Los sistemas de etapas múltiples son particularmente útiles cuando en los procesos discontinuos equivalentes es preciso variar las condiciones ambientales durante el curso de la reacción. Es decir, se proporcionan las condiciones ambientales necesarias en cada una de las etapas.
Esto ocurre cuando en los procesos discontinuos:

1. Los productos se forman hacia el final de la fase exponencial y en el curso de la fase estacionaria.
2. Los productos se forman independientemente de la velocidad de crecimiento microbiano.
3. El producto es el restultado de una secuencia de reacciones químicas y microbiológicas sucesivas.

Una forma alternativa de FCTA fue descrita por Kitai y Yamagata (1970). Consiste en un tubo dividido en secciones iguales por platos perforados horizontales. El fermentador fue ideado para utilizarse en condiciones aerobias con las entradas del medio y del aire coincidentes en la base de la columna. Durante la operacion pueden ajustarse los valores de manera que se mantenga un cantidad de líquido determinada en cada plato con un espacio de aire por encima. Bajo estas condiciones el fermentador funciona exactamente como un FCTA actuando cada sección o etapa como una de los fermentadores en serie.

Fermentadores tubulares

La masa microbiana en un fermentador puede existir en dos disposiciones: suspendida libremente o adherida a la superficie del fermentador.
Los microorganismos en suspención frecuntemente se agrupan en flóculos, con un tamaño característico varias veces mayor que un microorganismo sencillo. Un tamaño determinado de flóculos son en gran parte desconocidos pero la floculación puede ser ayudada por la presencia de ls llamados agentes floculantes (cloruros alumínico y cálcico). Es razonable sugerir que todos los organismos pueden presentarse tanto como células sencillas como en grupos de varias células; sin embargo, algunos microorganismos tenen a formar flóculos mayores que otros bajo condiciones ambientales aparentemente idénticas.
En el fermentador intermitente y el FCTA descritos anteriormente la eficacia del fermentador está controlada por los microorganismos suspendidos a pesar de que ellos pueden presentarse en grandes flóculos. Los fermentadores tubulares dependiendo de los detalles de la configuración y los caudales utilizados, tanto los flóculos como las películas pueden suponer la principal contribución al rendimiento.
En un fermentador tubular, los organismos individuales están expuestos a diferentes condiciones ambientales. Esto puede ser una intermitente si se relaciona la distancia a lo largo del  fermentador tubular con el tiempo en condiciones intermitentes.

 

Imagen. Diagrama de flujo de un fermentador de columna de platos perforados. 

 Flóculos microbianos

A caudales bajos las partículas están en reposo y el flujo pasa a través del lecho por un camino tortuoso; ésta situación se denomina ''lecho fijo''. Cuando el caudal aumenta, la pérdida de carga del fluido al pasar a través del lecho se hace igual al peso por unidad de área del lecho, y en consecuencia las partículas quedan suspendidas en el fluido sin contacto, unas con otras, en su mayor parte.

Los reactores basados en cada uno de los modelos anteriores son característicos de la industria química. Los intervalos de caudales permitidos son normalmente bastante amplios; ésto es una consecuencia del tamaño de las partículas usadas y de las diferencias entre la densidad del fluido y la del sólido. Las partículas biológicas ''crecen'', y pueden tener una amplia gama de tamaños, con una densidad muy similar a la fase diluida. Las partículas en contacto tienden a crecer juntas. Esto produce un camino del flujo muy irregular para el líquido, y partículas de un tamaño característico muy grande.

Una configuración de fermentador tubular que incluya flóculos microbianos es factible cuando las partículas son transportadas con el fluido. Tal disposición exige un suministro constante de microorganismos por la base del fermentador.

Los procesos que tienen lugar en un fermentador tubular son significativamente más complejos que los de un FCTA, puesto que los flóculos microbianos individuales están expuestos a condiciones ambientales durante su paso a través del fermentador. Cuando se opera a una velocidad de recirculación elevada, es equivalente a un FCTA y el modelo de flujo es similar al que existe en el fermnetador con arrastre por aire.

 

Imagen. Efecto del caudal sobre las partículas en un fermentador tubular.

Películas microbianas

Los fermentadores tubulares basados en películas microbianas fijadas no tienen los problemas de ''arrastre que se presentan en los fermentadores de flóculos microbianos.

La disposición más conveniente de las películas microbianas dentro de un fermentador es la de una película que crece sobre las superficies de partículas inertes dispuestas bien como lecho fijo o fluidizado.

En procesos asépticos esto puede conseguirse por fuerzas hidrodinámicas ayudadas posiblemente por la fluidización de las partículas suspendidas.

Cuando las condiciones de entrada en un fermentador de película microbiana permancen constantes, el crecimiento microbiano trae como consecuencia el que las condiciones de salida varíen con el tiempo. Debido a que la velocidad de reacción es función del espesor de la película biológica. Tras una acumulación aceptable de microorganismos, el espesor de la película se mantiene constante, por lo que se espera que las variables de salida alcancen un estado estacionario.

El ''filtro de goteo'' se usa para eliminar la materia orgánica soluble e insoluble, y la  materia inorgánica insoluble, de las aguas residuales.

En tales lechos se usa la recirculación para:

1. Suministrar un caudal adicional cuando la cantidad de agua a tratar está por debajo del valor medio, y así mantener los organismos en un estado viable.
2. Diluir alimentaciones muy concentradas.

 

Imagen. Diagrama de flujo de una planta de depuración de aguas residuales típica, que utiliza filtro de goteo.

 

Fermentación en lecho fluidizado

La fluidización es una característia de los lechos de partículas regulares suspendidas en una corriente líquida ascendente. Si está implicada una fase gaseosa adicional, entonces las partículas tendrán tendencia a estar menos uniformemente distribuidas en el lecho.
Los lechos con mezclas de partículas tienen dos características: el incremento de la porosidad desde el fondo hasta la parte superior del lecho y la disminución del movimiento de las partículas como se compara con los lechos que contienen partículas de tamaño uniforme.
La porosidad o fracción de huecos es una medida del espacio libre dentro de un lecho, representa también una medida de la retención microbiana cuando se expresa como volumen húmedo por unidad de volumen de lecho. Durante el proceso las partículas más pequeñas ascienden en relación a las partículas más grandes. Como las partículas más pequeñas tienen la menor velocidad de sedimentación el lecho se organiza de forma que las partículas más pequeñas estén en la región de porosidad más grande y la velocidad lineal sea menor.
En estás circunstancias los flóculos individuales en el fermentador estarían asociados con las condiciones ambientales que caracterizan la posición del lecho.
En el fermentador en forma de torre  los flóculos de levadura se mantienen en suspención por el movimiento ascendente del medio y las partículas arrastradas son devueltas por medio de un dispositivo de sedimentación situado en la parte superior de la torre.
Una levadura floculenta es capaz de alcanzar tamaños de flóculos relativamente grandes, es esencial para una fermentación alcohólica en un FLF a velocidades de flujo aceptables, puesto que de otra manera arrastrarían una gran proporción de levadura y la concentración de ésta serían insuficientes. Una característica significativa de la torre es la caída progresiva y continua en el pess específico del medio nutriente entre el fondo y la parte superior de la torre.

 

Imagen. Diagrama de un fermentador de torre.

Principales características de operación de los fermentadores

Las principales configuraciones de fermentador en uso se han catalogado de la siguiente forma:

Tabla. Características de operación de los fermentadores

 

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

 

Conclusión del capítulo 2

Conocer el funcionamiento biológico, el metabolismo y los requerimientos nutricionales de los microorganimos utilizados en las industrias, permiten modificar los procesos de manera que aumente la eficiencia de los mismos, reducciendo la cantidad de sustratos (costos), aumentando la producción (ganancia) y reduciendo la producción de subproductos de escaso valor industrial (desechos). Es decir, que el mejoramiento de un proceso radica principalmente en el conocimiento de la bioquímica del microorganismo.

El poder determinar una cinética de crecimiento ayuda a plantear los tiempo de fermentación necesarios para que se obtenga el mayor número de litros de caldo fermentado, sin desperdiciar sustratos o que el microorganismo desarrolle inhibición por los subroductos presentes.

Capítulo 2.- Biología de los microorganismos de uso industrial.

Introducción

Los productos comercialmente importantes de las fermentaciones pertenecen a 4 categorías principales: 

1. Células microbianas.
2. Moléculas como polímeros y polisacáridos.
3. Productos básicos.
4. Metabolitos secundarios.

Las células utilizadas para obtener estos productos tienen ciertas propiedades bioquímicas y fisiológicas, que les permiten llevar a cabo dicha fermentación.

Microorganismos industriales

En la naturaleza existen dos clases fundamentales de células:

1. Procariotas: carecen de un núcleo definido, por lo que su DNA no esta separado del resto de los constituyentes celulares, tampoco poseen mitocondrias, poseen un plásmido además del DNA.
2. Eucariotas: tienen un núcleo especifico rodeado por su propia membrana, su DNA esta asociado a proteínas y se encuentra estructurado en cromosomas, posee otros orgánulos con funciones bioquímicas/ fisiológicas especificas.

Ambas se utilizan en los procesos de fermentación industrial.

Los microorganismos también se distinguen en función de sus necesidades de oxigeno, pudiendo dividirse en aerobios estrictos (Streptmices) y los anaerobios estrictos (Clostridia).

Las bacterias implicadas en los procesos de fermentación son principalmente quimiorgánotroficos, ya que pueden obtener su energía y su carbono por la oxidación de los compuestos orgánicos. Éstas pueden dividirse en:

1. Gram-positivas: su membrana citoplásmatica esta recubierta en gran parte una capa de peptidoglicanos (15-18 nm espesor). Coloración violeta.
2. Gram-negativas: su capa de petidoglicanos es de 2-3nm de espesor. Tienen dos membranas la externa y la citoplasmática, separadas por el espacio periplásmico. Coloración rojiza.

La reproducción de las bacterias es por división celular asexual. Las esporas se producen producen por las bacterias formadoras de esporas usualmente como respuesta a condiciones adversas al medio, ya qué éstas son más resistentes al calor y a los compuestos tóxicos que las células vegetativas.

Imagen. División asexual de E. coli.

Los hongos también son quimioorganótroficos con hifas filamentosas rígidas y ramificadas cuyo diámetro comprede entre los 2 -18 nm. Los más importantes implicados en las fermentaciones industriales, se clasifican principalmente en dos grupos:

1. Zygomycotina: Producen micelios vegetativos haploides. Sus esporas se forman en el esporangio, pueden reproducirse de manera sexual. Los principales constituyentes de sus paredes celulares son el quitosano y la quitina. Entre ellos se reconocen los géneros Mucor y Rhizopus.
2. Deuteromycotina: Su micelio también son haploides. Sus esporas asexuales son inducidas por determinadas condiciones medioambientales. En su pared celular predominan el glucano y la quitina. Se reconocen los géneros Trichoderma, Aspergillus, Penicillium, Aureobasidum y Fusarium.

Las levaduras son microhongos que se encuentran en forma de células únicas y que se reproducen por medio de gemación. Una de las principales características de las poblaciones de levaduras es la presencia de yemas, producidas cuando la célula se divide.

La levadura más utilizada en las fermentaciones industriales es S. cerevisiae, sobre todo en la producción de alcohol y panadería. Sin embargo, no degrada la lactosa, por lo que para producir alcohol o biomasa a partir de lactosuero se utiliza Kluyveromyces lactis.

Las células de los mamíferos son más complejas, debido a que normalmente se encuentran el medios isotónicos controlados, no tienen paredes celulares exteriores resistentes. En los tejidos distintos de los reproductivos, las células son diploides y se dividen aproximadamente cada 24 horas. Sus necesidades nutritivas son muy sensibles a las fluctuaciones de los parámetros como temperatura, pH, y el oxígeno y CO2 disueltos.

Las líneas celulares preparadas directamente a partir de tejidos animales generalmente no sobreviven, o exhiben inhibición por contacto, es decir, detienen su crecimiento cuando se tocan entre ellas.

Las células de hibridomas se construyen fusionando una célula de mieloma con una célula productora de anticuerpos, de forma que las células híbridas tienen las características de las células transformadas y a la vez son capaces de sintetizar un único anticuerpo, denominado anticuerpo monoclonal.

Muchos tipos de células vegetales pueden crecer en un medio sólido o en suspensión mediante técnicas similares a las empleadas para el cultivo de células animales; el medio puede ser complejo e incluir extractos de plantas y auxinas y carbohidratos. Los tejidos vegetales crecen un medio sólido como un callo formado por una mezcla de células parenquimatosas. El cultivo en suspensión es el método de cultivo de células vegetales más utilizado, y su principal ventaja es que puede conseguirse un medio homogéneo a lo largo de un reactor.

Los virus son agentes submicroscópicos que infectan a las plantas, los animales y las bacterias, poseen un genoma formado por DNA o RNA rodeado por una capa proteica. No poseen citoplasma o membrana y se replican dentro de las células huésped específicas mediante los sistemas biosintéticos de la propia célula. Las vacunas víricas se obtienen por infección de células huéspedes cultivadas. Los bacteriófagos infectan los procesos de fermentación de la cepa microbiana y causan serios problemas, particularmente en los cultivos ''starter'' utilizados en la fabricación de quesos.

Crecimiento celular

El crecimiento de los microorganismos es una parte integral de casi todos los procesos de fermentación. La morfología del crecimiento influye invariablemente en la velocidad de crecimiento y en la formación de productos. 

Cuando un microorganismo se inocula en un volumen de medio dado, el cultivo pasa por una serie de fases: 

Imagen. Fases de crecimiento microbiano y calculo de cada una.

Donde:

N = Concentración celular (mg cm -3)

t = Tiempo de incubación (h)

u = Velocidad de crecimiento específico (h-1)

k = Cte. de velocidad

La velocidad de crecimiento varía con el tipo de célula microbiana y en función de las condiciones medioambientales físicas y químicas. El tiempo para que se duplique la biomasa aumenta con la complejidad del organismo, de forma que lo tiempos de duplicación medios para las células animales y vegetales son substancialmente mayores que lo mohos y las levaduras, que a su vez son mayores que los de las bacterias.

También varía en función de la temperatura. La mayoría crecen entre los 25-30°C aunque la temperatura real a la que crece un microorganismo depende de su naturaleza psicrofílica, mesofílica o termofílica moderada o extrema. La velocidad de crecimiento aumenta con la temperatura hasta un máximo, por encima del cual la velocidad cae rápidamente debido al incremento de la tasa de muerte microbiana. El efecto de la temperatura en la velocidad de crecimiento puede ser descrito por la ecuación de Arrhenius.

Ecuación de Arrhenius.

Donde:

A= cte de Arrhenius.

Ea= Energía de activación (kcal mol-1)

R= Cte de gases ideales

T= temperatura absoluta.

El pH influye en el crecimiento microbiano de la misma forma que lo hace en la actividad enzimática. La mayoría de los microorganismos crecen dentro de un rango de pH comprendido entre 3 y 4 unidades.

La velocidad de crecimiento depende de la actividad de agua o húmedad relativa:

Aw= Ps/Pw

donde:

Ps= presión de vapor de agua de la solución

Pw= presión de vapor de agua pura

La velocidad depende también de la concentración de nutrientes químicos, pudiendo describirse por la ecuación Monod:

Donde:

Umax= vel. crecimiento específica máxima

s= concentración residual del sustrato limitante

Ks= Cte. saturación, equivalente a la concentración de sustrato a U= 0.5 Umax.

Imagen. Influencia de la concentración de sustrato limitante en la velocidad de crecimiento especifico.

Los valores típicos de Ks para diversas fuentes de carbono están comprendidos entre 1 y 10 mg dm-3. Las células pueden crecer a velocidades próximas a Umáx cuando tiene una fuente de carbono limitante es mayor que 10 Ks o 10-100 mg dm-3. Las concentraciones de carbohidrato elevadas pueden inhibir el crecimiento debido a los efectos osmóticos.

La cantidad de masa celular total formada durante el crecimiento celular es frecuentemente proporcional a la cantidad de substrato utilizado.

• Yx/s = Biomasa producida (g) / Substrato consumido (g)

Donde Yx/s = coeficiente de rendimiento de biomasa.

Metabolismo

Metabolismo primario

El crecimiento microbiano depende de la capacidad de la célula para utilizar los nutrientes de su medio ambiente y sintetizar los compuestos macromoleculares de las estructuras celulares y también los principales compuestos de peso molecular bajo necesarios para la actividad celular. El metabolismo intermediario incluye las reacciones que transforman los compuestos de carbono y nitrógeno que entran a la célula en un nuevo material. La síntesis de estos compuestos necesita energía, y la mayoría obtienen su energía a partir de la ruptura de compuestos orgánicos. En los procesos respiratorios o aerobios, los organismos son capaces de oxidar completamente algunos de los sustratos a CO2  y H2O.

Las rutas productoras de energía o catabólicas generan ATP y los coenzimas reducidos necesarios para las diversas reacciones biosintéticas.

Los azúcares se rompen por una de las tres vías:

1. Embden-Meyerhof-Parnas (EMP): convierte la glucosa en dos moléculas de piruvato a través de la triosa fosfato, ésta ruta esta presente en las células animales, plantas, hongos, levaduras y bacterias.
2. Hexosa monofosfato (HMP): Un ciclo de ésta ruta da lugar a la conversión neta de glucosa en CO2 con producción de 12 moléculas de NADPH + H+
3. Entner-Doudoroff (ED): está relativamente rstringida, ya que la utilizan pocas bacterias, entre ellas Pseudomonas, que no metabolizan la glucosa por la ruta EMP.

Un producto final significativo de todas estas rutas es el ácido pirúvico, que en el metabolismo aerobio se introduce en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA) siendo asimismo precursor de los ácidos, alcoholes y otros productos.

Los intermediarios del TCA también sirven como precursores para la biosíntesis de muchos aminoácidos, algunos ácidos orgánicos y otros productos de fermentación. Los microorganismos que crecen utilizando como fuentes de carbono ácidos grasos y acetato, o sus precursores, utilizan el TCA para la producción de energía y de las materias primas para los procesos biosintéticos.

Imagen. Reacciones anapleróticas del Ciclo de Krebs.

Las hexosas se convierten en proteínas de organismos unicelulares (SCP) mediante la acción de levaduras y hongos utilizando generalmente una combinación de las rutas EMP y HMP, seguidas del cicl TCA y la respiración. Su producción (SCP) a partir de alcanos implica la oxidación del alcano a unidades de acetato y su asimilación por los ciclos del glioxilato y de los TCA, mediante los enzimas de las rutas EMP y HMP utilizados para la biosíntesis de hexosas, pentosas y otros constituyentes celulares. En la producción de SCP a partir de metanol por las especies de Methylophilus, el sustrato es convertido en formaldehído y luego oxidado por la vía de la ribulosa fosfato.

En el proceso de fermentación para la obtención de ácido cítrico, utilizando Aspergillus niger, las hexosas se convierten en piruvato y acetil CoA, que se condensa con el oxalacetato para dar citrato, luego es impedida su degradación mediante la inhibición de la enzima. El oxalacetato necesario para una reacción de condensación se obtiene por carboxilación del piruvato. La producción de ácido glutámico y lisina por Corynebacterium y Brevibacterium implica la ruta EMP, el TCA, y varios mecanismos anapleróticos.

Imagen. Rutas metabólicas anaerobias y sus productos finales.

• En la producción de ácido L-láctico por fermentación industrial con Lactobacillus desbrukii, el piruvato formado a partir de la hexosa se convierte en lactato por la acción de la enzima L-lactato deshidrogenasa.
• El ácido acético puede producirse biológicamente por conversión aerobia de etanol en acetato, con un rendimiento estequiometrico global de 0.66 a partir de glucosa. Los Clostridium thermoaceticum fermentan 1 mol de glucosa dando 3 moles de acetato por la vía del piruvato.
• El Clostridium acetobutylicum convierte el piruvato en una mezcla de acetona y butanol.

Metabolismo secundario

Los metabolitos secundarios son compuestos que no son necesarios para la biosíntesis celular, no tienen por tanto un papel directo en el metabolismo energético. Entre estos compuesto se tiene, principalmente, a los antibióticos, útiles porque pueden inhibir a otros organismos que puedan competir por los nutrientes disponibles, otros funcionan como efectores de diferenciación, agentes de simbiosis o en los factores de los ciclos sexuales.

La biosíntesis de metabolitos secundarios está estrechamente relacionada con el metabolismo primario de las células, puesto que sus precursores son metabolitos primarios normales o modificados (ácidos orgánicos, unidades de isopreno, aminoácidos alifáticos y aromáticos, derivados de azúcares, del ciclitol y bases púricas o pirimidícas. El grupo más importante de los metabolitos secundarios son los antobióticos, entre otros como el ácido giberélico, los alcaloides, sustancias antitumorales, inmunomoduladores e insecticidas. A partir de los vegetales pueden extraerse una gran cantidad de metabolitos secundarios de alto valor, como los derivados farmacéuticos, sustancias aromatizantes como la quinina, o insecticidas.

Regulación del metabolismo

Una célula tiene el potencial genético necesario para producir aproximadamente 1000 enzimas, que deben ser sintetizadas en proporciones correctas y deben trabajar en forma coordinada para un correcto funcionamiento eficiente de la célula. Los microorganismos son capaces de alterar su composición y metabolismo en respuesta a cambios medioambientales, sus principales reguladores operan a nivel de la síntesis de enzimas como de modificación de su actividad.

El proceso de fermentación puede verse influido por una gran variedad de mecanismos. Los enzimas limitantes de la velocidad están situados estratégicamente en las diversas rutas, y son sensibles a mecanismos de inducción/represión y activación/inhibición. La sobreproducción de metabolitos primarios se debe a las velocidades de flujo diferencial que dan lugar a la acumulación del metabolito. Los procesos que requieren la producción de metabolitos secundarios son más complejos y menos conocidos.

En el desarrollo de los procesos de fermentación para la sobreproducción de un metabolito particular, es esencial tener en cuenta los diversos procesos de regulación en el diseño de las condiciones medioambientales óptimas, y el aislamiento o manipulación de las cepas microbianas productoras.

Síntesis y degradación de enzimas

En las células, las proteínas están siendo degradadas continuamente bajo la acción de los enzimas proteolíticos, por lo que cada enzima tiene una vida limitada. Las proteínas varían su susceptibilidad frente al ataque proteolítico, de forma que la síntesis neta de una enzima se produce cuando su velocidad de síntesis es superior a la de degradación.

Imagen. Síntesis proteica en (a) procariotas y (b) eucariotas.

• (a) Una única RNA polimerasa reconoce y se une a los promotores, iniciando la síntesis del RNAm y la transcripción del operón. En el extremo del gen estructural, una región de terminación hace que la RNA pol. cese la transcripción y se disocie del DNA. Las RNAm son policistrónicos.
• (b) Los RNAm son monocistrónicos. La síntesis de cada proteína se inicia por la unión de los ribosomas a un centro específico del RNAm y la traducción comienza antes de que la RNA pol. alcance la seña de terminación. 

En algunos casos la transcripción bacteriana se inicia a una velocidad constante, sin regulación. Las proteínas reguladoras que se unen a los operones se denominan represoras o activadoras, dependiendo de si disminuyen o aumentan la velocidad de iniciación de la transcripción. Las regulaciones de la síntesis de proteínas tienen lugar en la mayoría de los casos mediante el control de la velocidad de iniciación de la transcripción.

Inducción

Los genes estructurales de los enzimas inducibles son normalmente inactivos u operan a velocidades ''basales'' muy bajas en ausencia de sustrato. Cuando el sustrato se encuentra presente, el gen estructural se pone en marcha y se produce la transcripción y la traducción; este proceso se ilustra según el modelo de Jacob y Monod. En ausencia de un inductor, un gen regulador sintetiza un represor que se une a un gen operador, evitando que la RNA polimerasa se mueva a lo largo del DNA para transcribir el gen estructural. En presencia del inductor, éste de une al represor, arrancándolo del gen operador y permitiendo que tenga lugar la transcripción.

Imagen. Representación de un sistema enzimático inducible.

Represión por el catabolito

Ocurre cuando la célula crece en un medio que contiene más de un sustrato utilizable para el crecimiento. Se sintetizan enzimas que catabolizan el mejor sustrato (glucosa), y sólo cuando se éste se ah agotado se producen enzimas que descomponen el sustrato más pobre. Las inhibición de la formación 3'-5'-adenosín monofosfato cíclico (AMPc) es el factor clave de la represión por el catabolito. El metabolismo de la glucosa reduce el contenido de AMPc de la células una 1000 veces. El nivel de AMPc depende de la adenil ciclasa y de la AMPc fosfodiesterasa, que sintetizan y degradan el AMPc.
Muchos enzimas son reprimidos por la presencia de aminoácidos o amoniaco.

Represión feedback

La biosíntesis de enzimas anabólicos puede estar regulada por la represión feedback producia por el producto final. La represión feedback se utiliza ampliamente en la naturaleza para controlar la síntesis de aminoácidos, purinas, pirimidina y vitaminas. En el modelo clásico de represión feedback el gen regulador produce una proteína apo-represora combinada con un co-represor (producto final), se une al centro operador y bloquea la transcripción.

Modulación de la actividad enzimática

Muchos enzimas tienen uno o más centros alostéricos, que ligan reversiblemente metabolitos particulares o moléculas efectoras, produciendo un cambio en la configuración del enzima y por tanto aumentando o disminuyendo su actividad. Compuestos como el ATP, el ADP, el AMP y los nucleótidos de nicotinamida también modulan la actividad enzimática y controlan el metabolismo ajustando el balance de los procesos catabólicos y anabólicos.

Regulación de las rutas metabólicas ramificadas

Las rutas metabólicas tienen frecuentemente una secuencia de enzima común con ramificaciones que conducen a la formación de más de un producto final. Los microorganismos han desarrollado mecanismos de retroalimentación (feedback), por los cuales la acumulacion del producto final causa un efecto en el primer enzima de la rama que conduce a ese producto. Este efecto se consigue a nivel biológico mediante el uso de isoenzimas y mecanismos de regulación ''feedback'' concertados y acumulativos. Estos efectos reguladores pueden ser de dos tipos:

1. Inhibición de la actividad enzimática: puede estar regulada por un producto final distinto.
2. Represión de la síntesis de enzimas: sólo está implicado un enzima, pero debe haber más de un producto que inhiba su actividad.

Asimilación del sustrato/secreción del producto

En los procariotas, el sustrato se mueve dentro y fuera de la célula directamente atravesando las membranas asociadas con la envoltura celular. Algunas fermentaciones bacterianas han sido manipuladas para alterar la membrana celular o la composición de la pared con objeto de modificar los mecanismos de entrada o facilitar la excresión. Algunos materiales son transportados a la célula por endocitosis.

Los solutos son transportados a través de las membranas sin modificación:

• (a) por difusión pasiva a favor de un gradiente de concentración. 
• (b) por difusión facilitada por un gradiente de concentración.
• (c) por transporte activo.

Las proteínas  de transporte específicas parecen ser responsables del transporte de muchos solutos a través de la membrana.

Secreción de enzimas

Las procariotas y eucariotas Gram-positivos tienen una única membrana plasmática en su superficie. Las paredes de las bacterias Gram-negativas tienen dos membranas, separadas por un espacio periplásmico. Los enzimas extracelulares, sintetizados por las bacterias Gram-positivas, son transportados a través de la membrana citoplasmática, difundiéndose por la pared celular y acumulándose en el líquido de cultivo extracelular. Los enzimas extracelulares son sintetizados por los eucariotas en la superficie del retículo endoplásmico  y transportados a través de la membrana al espacio de dicho retículo. 

Imagen.  Secreción de enzimas en eucariotas.

La glicosilación de produce en el espacio vesicular del retículo y en los cuerpos de Golgi. Esta ruta secretora general, es similar en eucariotas superiores y levaduras, y puede producirse en hongos filamentosos.

Las proteínas secretadas a través de las membranas contienen usualmente un péptido amino terminal de extensión, denominado secuencia de señal. El péptido señal, interacciona con la superficie más interna de la membrana plasmática de la bacteria o con el retículo endoplásmico, formando un poro o canal. Éste se elonga y pasa a través de la membrana, en un proceso conocido como secreción co-traduccional, y una peptidasa señal localizada en la parte externa de la membrana elimina el péptido señal, permitiendo a la proteína asumir su estructura tridimensional normal. Algunas proteínas extracelulares son secretadas después de que han sido sintetizadas en un proceso conocido como secreción post-traduccional.

Imagen. Secreción co-traduccional.

Fuente:
P. WARD, OWEN, Biotecnología de la fermentación, Editorial Acribia S. A., Zaragoza, España, 1991.