En un sentido estricto, la definición de “Fermentación” está referida a un proceso biológico mediante el cual ocurre una reacción catabólica de oxidación incompleta, la cual es llevada a cabo de forma anaeróbica y cuyo producto final es un compuesto orgánico. Pero en este post nos vamos a referir a las Fermentaciones Industriales.
En la Industria se utiliza el término “Fermentación” para connotar aquellos procesos donde el objetivo final es producir biomasa, metabolitos o enzimas para su posterior aplicación o consumo, a través del crecimiento controlado de células en Fermentadores o Biorreactores. Procesos que, dicho sea de paso, se llevan mayormente a cabo de forma aeróbica, contrario a lo que pauta la definición estricta de fermentación.
Este es un post muy breve y concreto donde te mostraré básicamente los tipos de Fermentaciones Industriales que existen y a través de cuales equipos se deben llevar a cabo, dependiendo del sistema biológico que estés utilizando para tu producción industrial. Es un post más bien educativo que puede servirte a modo de orientación y para clarificar conceptos.
Con esto en mente, entremos en materia.
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FERMENTACIONES INDUSTRIALES
QUÉ ES UNA FERMENTACIÓN INDUSTRIAL.
Como ya lo mencioné en la introducción, una Fermentación Industrial es un proceso mediante el cual se realiza un cultivo celular en un Fermentador o Biorreactor, con varias finalidades. Entre ellas aumentar la biomasa celular, producir enzimas o producir metabolitos.
Usualmente las Fermentaciones Industriales ocurren en presencia de oxígeno para obtener el máximo rendimiento metabólico celular del sistema biológico empleado.
Te recomiendo este excelente libro: Fermentation Microbiology and Biotechnology de E. M. T. El-Mansi donde se explora e ilustra la diversa gama de vías metabólicas empleadas para la producción de metabolitos primarios y secundarios, así como productos biofarmacéuticos.
TIPOS DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL.
Las Fermentaciones Industriales se pueden clasificar en tres grandes tipos:
- Fermentación discontinua o en tanda.
- Fermentación semicontinua o “fed-batch” (con alimentación a intervalos).
- Fermentación continua.
Vamos a verlas en detalle.
1. FERMENTACIÓN DISCONTINUA O EN TANDA.
Es aquella donde se introduce una cantidad fija de medio de cultivo dentro del Fermentador o Biorreactor. Luego se inocula un título determinado del microorganismo seleccionado. El proceso de fermentación ocurre durante un período de tiempo específico. Y finalmente se cosecha la biomasa o se procede a la obtención del producto biológico de interés.
2. FERMENTACIÓN SEMICONTINUA O “FED-BATCH” (CON ALIMENTACIÓN A INTERVALOS).
En este tipo de fermentación, se introduce parte del medio de cultivo al principio del proceso. Se inocula un título determinado del microorganismo seleccionado, comenzando el proceso de la fermentación. Posteriormente, el resto del medio de cultivo se va añadiendo durante el tiempo que dure de la fermentación. La fermentación semicontinua opera de forma similar a la fermentación discontinua, pero sólo se cosecha parcialmente a intervalos regulares, reponiendo el cosechado con medio de cultivo fresco cada vez.
3. FERMENTACIÓN CONTINUA.
Finalmente, en este tipo de fermentación la cantidad de medio de cultivo que es introducido en el fermentador, es igual a la cantidad de producto que se extrae de este. En un cultivo continuo se está introduciendo medio continuamente a una tasa constante, mientras el volumen de cultivo se mantiene igual.
El tipo de fermentación que se elija, va a estar estrechamente relacionado con el rendimiento que se desea obtener y con las características y limitaciones propias del sistema biológico utilizado. En muchos procesos industriales, no es deseable mantener continuamente un microorganismo en una fase de crecimiento activo.
FERMENTADORES Y BIORREACTORES ¿SON LOS MISMO?
Un Fermentador no es exactamente lo mismo que un Biorreactor. Y, aunque muchas veces se mencionen indistintamente como si fuesen lo mismo, no lo son.
Los Fermentadores son equipos diseñados para el crecimiento controlado y mantenimiento de células bacterianas o fúngicas, mientras que un Biorreactor es un equipo diseñado para el crecimiento controlado y mantenimiento de células de mamíferos.
Veamos sus diferencias.
DIFERENCIAS ENTRE UN FERMENTADOR Y UN BIORREACTOR.
Sus diferencias de diseño están basadas en las características celulares propias de los organismos biológicos que cada uno de ellos promueve. Estas características fundamentalmente son:
- La fragilidad de la cubierta celular. Las células de mamífero son frágiles y tienen membranas celulares sensibles a la lisis, mientras que las células bacterianas y fúngicas son más robustas por la presencia de pared celular.
- La velocidad de crecimiento. Las células de mamífero crecen de forma lenta en comparación a las células bacterianas y fúngicas, que pueden tener una tasa de duplicación de hasta 18 minutos en bacterias frente a las 24 horas en promedio que se toman las células de mamíferos.
- La demanda de oxígeno. La demanda de oxígeno es diferente en el caso de las células bacterianas y sus subtipos, en comparación a las células de mamíferos y de hongos unicelulares.
CONCLUSIONES.
Las Fermentaciones Industriales son un proceso llevado a cabo por equipos especializados tales como Fermentadores y Biorreactores, con la finalidad de aumentar la biomasa del sistema biológico cultivado, obtener metabolitos o enzimas, para su posterior uso y aplicación.
Un Fermentador no es lo mismo que un Biorreactor. El Fermentador está diseñado para desarrollo y mantenimiento de cepas bacterianas y fúngicas, mientras que el Biorreactor lo está para el desarrollo y mantenimiento de células de mamíferos. Las diferencias de diseño que existen entre ambos equipos se basan en las características fundamentales de los tipos de células para los cuales ellos van a trabajar. Estas características son: Fragilidad de la cubierta celular, velocidad de crecimiento y demanda de oxígeno, entre otras.
Existen diferentes tipos de Fermentación Industrial. El uso de un tipo u otro para un Proceso Fermentativo, va a estar estrechamente ligado al rendimiento que se desee obtener, tomando en cuenta las características y las limitantes que presente el sistema biológico utilizado, entre otros factores.
Fermentación Discontinua es cuando se hace una única introducción inicial de medio de cultivo al tanque y una única cosecha final de biomasa; Fermentación Continua, cuando se introduce de manera constante medio de cultivo a la par que se cosecha el mismo volumen de biomasa. Por último, Fermentación Semicontinua cuando se inicia con un volumen menor de medio de cultivo y se le va añadiendo más en la medida que avanza la fermentación. Cabe destacar, que en todas las fermentaciones se hace la inoculación de la cepa correspondiente al inicio, una vez añadido el medio de cultivo.
Esto es todo por el tema de hoy. Espero que hayas disfrutado de esta publicación, te haya parecido interesante y sea útil para ti.
Saludos,
MSc. Liliana Berlioz.
Fundadora y Directora Ejecutiva.
Academia de Biotecnología.
GLOSARIO.
- Aerobio. Procesos que se desarrollan en presencia de oxígeno.
- Anaerobio. Procesos que se desarrollan en ausencia de oxígeno.
- Biomasa. Materia orgánica resultante de la fermentación, compuesta de las células del cultivo y sus desechos y productos metabólicos.
- Biorreactor. Equipo fabricado con acero inoxidable, diseñado para el crecimiento de células animales o tejidos en procesos de cultivo celular, a través del mantenimiento de condiciones ambientales favorables.
- Cepa. Población de microorganismos de una misma especie.
- Cosecha. Acción de retirar el cultivo celular durante o al final de un proceso fermentativo.
- Cultivo celular. Células creciendo en condiciones controladas.
- Compuesto orgánico. Todo aquel que posee carbono en su estructura química.
- Enzimas. Proteínas con función catalítica debido a su función de especificidad frente a ciertos sustratos.
- Fase de crecimiento activo. Fase exponencial de crecimiento caracterizada por la multiplicación de las células.
- Fermentador. Equipo fabricado con acero inoxidable, diseñado para el crecimiento de células bacterianas o fúngicas en procesos de fermentación, a través del mantenimiento de condiciones ambientales favorables.
- Inóculo. Suspensión de un microorganismo vivo previamente adaptado al medio de cultivo donde va a reproducirse y cuyo título microbiano es conocido. Medio de cultivo. Sustrato o solución de nutrientes que promueve el desarrollo de microorganismos.
- Metabolitos. Sustancias producidas durante el metabolismo.
- Microorganismo. Organismo microscópico. Engloba a las bacterias (procariotas), protozoos (eucariotas, algunas algas) y hongos unicelulares. Incluye también virus y priones.
- Proceso Fermentativo. Conjunto de fases sucesivas que ocurren en el periodo de tiempo donde transcurre la fermentación.
- Procesos industriales. Conjunto de operaciones que se llevan a cabo en la industria con el fin de obtener productos específicos partiendo de materias primas. Producto biológico. Sustancias obtenidas a partir de seres vivos o sus productos. Sistema biológico. Microorganismo empleado en un proceso de bioproducción. Titulo microbiano. Población de microorganismos presentes en una suspensión.
BIBLIOGRAFÍA.
- Prescott, Lansing. Harley, John. Klein, Donald. (2002). Microbiología. McGraw-Hill.