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La fermentación es un proceso de transformación de biomoléculas en moléculas más sencillas a través de oxidación incompleta, generalmente anaeróbico (en ausencia de aire), y que produce finalmente un compuesto orgánico (que contienen carbono).
El tipo de fermentación depende del producto obtenido, y pueden ser
fermentaciones acéticas, alcohólicas, butíricas, de la glicerina, lácticas o pútridas.
Fermentación acética:
Fermentación de tipo bacteriana que transforma alcoholes en acido acético como producto final.
Fermentación alcohólica:
Fermentación producida en ausencia de oxigeno que en la cual se procesan hidratos de carbono como glucosa, sacarosa o almidón para obtener alcohol.
Fermentación láctica:
Fermentación anaeróbica en la cual mediante glucosa se obtiene como producto acido láctico.
1.- El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente.
2.- Se debe proporcionar un sistema adecuado de aireación y agitación para cubrir las necesidades metabólicas de los microorganismos.
3.- Bajo consumo energético
4.- Control de pH.
5.- Toma de muestras.
6.- Sistema para el control de la temperatura.
7.- Las pérdidas por evaporación no deben ser excesivas.
8.- Mínimas operaciones laborales durante el funcionamiento, recolección, limpieza y mantenimiento.
9.- El tanque debe ser versátil para la aplicación de diversas modalidades de procesos.
10.- Las superficies internas del tanque deben ser lisas.
11.- La geometría del fermentador debe ser similar a otros tanques más pequeños o mayores de la planta o a los de la planta piloto para poder reproducir procesos a diferentes escalas.
12.- Es recomendable utilizar materiales baratos que proporcionen resultados satisfactorios.
El mantenimiento de un ambiente aséptico y de condiciones aeróbicas son, probablemente, los dos puntos de mayor relevancia que hay que considerar.
Los fermentadores más ampliamente utilizados a nivel industrial están provistos de mecanismos de agitación, dispersión y aireación así como de sistemas para el control de la temperatura, pH y formación de espuma.
Tipos de fermentadores:
. Fermentación discontinua:
Una fermentación discontinua o batch puede ser considerada como un "sistema cerrado". Al inicio de la operación se añade la solución esterilizada de nutrientes y se inocula con el microorganismo, permitiendo que se lleve a cabo la incubación en condiciones óptimas de fermentación.
A lo largo de toda la fermentación no se añade mas nutrientes, excepto oxígeno (en forma de aire), en algunas ocasiones un agente antiespumante y ácidos o bases para controlar el pH de la fermentación.
La composición del medio de cultivo, la concentración de la biomasa y la concentración de metabolitos cambia generalmente como resultado del metabolismo de las células observándose las cuatro fases típicas de crecimiento: fase de latencia, fase logarítmica, fase estacionaria y fase de muerte.
En los procesos comerciales la fermentación frecuentemente se interrumpe al final de la fase logarítmica donde se producen metabolitos primarios o antes de que comience la fase de muerte en la cual se producen muchas veces
metabolitos secundarios.
. Fermentación alimentada:
Una mejora del proceso cerrado discontinuo es la fermentación alimentada que se utiliza en la producción de sustancias como la penicilina.
En los procesos alimentados, los sustratos se añaden gradualmente a medida que progresa la fermentación.
La formación de muchos metabolitos secundarios está sometida a represión catabólica por efecto de la glucosa.
Por esta razón en el método alimentado los elementos críticos de la solución de nutrientes se añaden en pequeñas concentraciones al principio de la fermentación y continúan añadiéndose a pequeñas dosis durante la fase de
producción.
. Fermentación continua:
En la fermentación continua se establece un sistema abierto.
La solución nutritiva estéril se añade continuamente al biorreactor y una cantidad equivalente de solución utilizada de los nutrientes donde además se encuentran los microorganismos, se saca simultáneamente del sistema.
El objetivo fundamental de la industria de las fermentaciones es minimizar los costos de producción e incrementar los rendimientos. Este objetivo puede alcanzarse si se desarrolla el tipo de fermentación más adecuado para cada paso en particular y dependiendo del producto y los microorganismos utilizados.
Un medio de cultivo
Es un material alimenticio que se usa en el laboratorio para eldesarrollo de los microorganismos.
Una vez que ha sido preparado, un medio de cultivo puede ser inoculado (es decir, se le añaden organismos) y a continuación incubado en condiciones que favorezcan el crecimiento microbiano.
El crecimiento de losmicroorganismos es el cultivo. Un cultivo axénico o puro contiene un único tipo de microorganismos.
Los medios de cultivo deben contener los nutrientes y factores de crecimiento necesarios y deben estar exentos de cualquier microorganismo contaminante.
Los medios de cultivo contienen como mínimo: carbono, nitrógeno, azufre, fósforo y sales inorgánicas. En muchos casos serán necesarias ciertas vitaminas y otras sustancias inductoras del crecimiento.
También se añaden colorantes que actúan como indicadores para detectar, por ejemplo, la formación de ácido o como inhibidores del crecimiento de unas bacterias y no de otras.
Por lo tanto, el fermentador y su equipamiento, así como el medio de cultivo deben estar estériles antes de la inoculación. Además, el aire que se suministra durante la fermentación debe ser estéril y no deben existir roturas mecánicas en el fermentador que podrían permitir la entrada de microorganismos.
También se deben esterilizar los aditivos (antiespumantes), sin embargo los ácidos y bases concentrados no es necesario esterilizarlos.
Un biorreactor puede ser esterilizado, destruyendo los microorganismos, con algún agente letal como calor, radiación o un producto químico o bien separando los organismos viables mediante un procedimiento físico como la filtración.
Durante la fermentación se deben observar dos puntos para asegurar la esterilidad:
- Esterilidad en el medio de cultivo
- Esterilidad del aire que entra y sale
Para lo cual es necesario una construcción apropiada del biorreactor que facilite la esterilización así como la prevención de la contaminación durante la fermentación.
El medio nutritivo que se prepara inicialmente contiene una variedad de células vegetativas diferentes y de esporas que proceden de los constituyentes del medio, del agua y del recipiente.
Estos microorganismos deben ser eliminados por un procedimiento adecuado antes de la inoculación.
Existen un conjunto de procedimientos para la esterilización, pero en la práctica, para instalaciones a gran escala, el calor es el principal mecanismo utilizado.
Esterilización discontinua
largos que los calculados y deben ser determinados empíricamente para las soluciones específicas de nutrientes presentes en el fermentador. Un método de esterilización es inyectar vapor en la camisa del fermentador o en los serpentines interiores (esterilización indirecta).
largos que los calculados y deben ser determinados empíricamente para las soluciones específicas de nutrientes presentes en el fermentador. Un método de esterilización es inyectar vapor en la camisa del fermentador o en los serpentines interiores (esterilización indirecta).
Otro método es inyectar vapor en la propia La mayor parte de los medios de cultivo se esterilizan en la actualidad en volúmenes discontinuos en el biorreactor a 121°C.
Los tiempos de esterilización aproximados pueden ser calculados a partir de la naturaleza del medio y del tamaño del fermentador.
No solamente debe ser esterilizado el medio nutritivo, sino también las uniones, válvulas y electrodos del propio fermentador. Por consiguiente, los tiempos de esterilización reales son significativamente más solución de nutrientes (procedimiento directo), en cuyo caso un pre-requisito es tener vapor puro (libre de aditivos químicos).
Muchos suministros de vapor industrial contienen productos químicos tóxicos derivados de aditivos anticorrosivos utilizados en el proceso de producción del vapor.
Además, con la inyección directa de vapor el condensado se acumula dentro del fermentador y de esta forma el volumen del líquido aumenta durante el proceso de esterilización.
Esterilización continua
Las dos desventajas principales de la esterilización discontinua, daño al medio de cultivo y alto consumo de energía, pueden ser evitadas en gran parte mediante el uso de un procedimiento de esterilización continua.
Las dos desventajas principales de la esterilización discontinua, daño al medio de cultivo y alto consumo de energía, pueden ser evitadas en gran parte mediante el uso de un procedimiento de esterilización continua.
Aunque la esterilización continua es la etapa preliminar lógica en una fermentación continua a escala industrial, también se puede utilizar en la fermentación discontinua obteniendo posibles mayores rendimientos en el tiempo y el espacio asignados.
La razón para esto se debe a la relación exponencial entre velocidad de muerte y temperatura, que hace más corto el tiempo necesario para la eliminación completa de los organismos vivos cuando se utiliza una temperatura más alta. Mientras la esterilización discontinua se lleva a cabo en 30-60 minutos a 121° C, la esterilización continua se lleva a cabo normalmente en 30-120 segundos a 140° C.
El calentamiento del medio de cultivo para la esterilización continua puede ser llevado a cabo mediante inyección de vapor o mediante intercambiadores de calor.
La esterilización con inyección de vapor se hace inyectando vapor en la solución de nutrientes.
La temperatura se eleva rápidamente a 140° C y se mantiene durante 30-120 segundos.
Debido a la formación de condensados la solución nutritiva se diluye; para corregir esto la solución caliente se bombea a través de una válvula de expansión a un vaporizador y el condensado se retira mediante bombas de vacío de forma que la solución esterilizada de nutrientes tiene la misma concentración después del proceso de enfriamiento que antes.
La desventaja de este proceso es la sensibilidad que presenta a cambios en la viscosidad del medio y a variaciones en la presión.
Los medios de cultivo en microbiología
Uno de los sistemas más importantes para la identificación de microorganismos es observar su crecimiento en sustancias alimenticias artificiales preparadas en el laboratorio.
El material alimenticio en el que crecen los microorganismos es el Medio de Cultivo y el crecimiento de los microorganismos es el Cultivo.
Se han preparado más de 10.000 medios de cultivo diferentes.
Para que las bacterias crezcan adecuadamente en un medio de cultivo artificial debe reunir una serie de condiciones como son: temperatura, grado de humedad y presión de oxígeno adecuadas, así como un grado correcto de acidez o alcalinidad.
Un medio de cultivo debe contener los nutrientes y factores de crecimiento necesarios y debe estar exento de todo microorganismo contaminante.
CRECIMIENTO MICROBIANO:
"El crecimiento de células, microorganismos, células vegetales y animales, puede mirarse bajo dos aspectos o tipos de crecimiento reproductivo.
a. Células individuales o población de células en crecimiento sincronizado para estudio del ciclo de vida celular. Procesos en laboratorio.
b. División estocástica de la población, o división al azar.
La división celular se efectúa luego de un aumento en el tamaño de la célula, duplicación del núcleo, división celular, división citoplasmática (salva los organismos cenóticos).
De ésta manera una célula da nacimiento a dos células hijas de tamaño idéntico y conteniendo los mismos elementos estructurales y potencialidades.
En el caso de las levaduras, y otros microorganismos, se presenta una variante que es ka gemación o botón.
Se forma una pequeña protuberancia que aumenta progresivamente de tamaño, luego se produce la división en el núcleo y migra hacia el botón.
Finalmente crece hasta un tamaño suficiente y posteriormente se separa formando otra célula idéntica a la madre.
Las células hijas, sin importar el procedimiento de división celular, deben heredar todo el potencial genético y son idénticas."
La cerveza
Es una bebida alcohólica no destilada elaborada a base de granos de cereales, como la cebada por ejemplo, cuyo componente de almidón será modificado para ser luego fermentado en agua y aromatizado con lúpulo.
La cerveza al igual que el vino, ostenta una multiplicidad de variantes de presentación que dependerán de la forma a través de la cual fue elaborada y claro, de los ingredientes que se hayan utilizado en la misma, aunque el color ámbar es el más característico y frecuente, de todas maneras, también uno puede encontrarse con cervezas negras y rojas, que si bien no son tan comercializadas como la tradicional, también cuentan con un amplio público consumidor alrededor del mundo.
Fermentación butírica:
Fermentación bacteriana anaeróbica en la cual se transforman glúcidos (moléculas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno) en acido butírico.
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