Tema 11. Procesos Fermentativos. Fases de un proceso fermentativo

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Esteban Montero Ortiz
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1 Tema 11. Procesos Fermentativos 1. Introducción 2. Diseño y funcionamiento del fermentador 3. Tipos de fermentaciones I. Fermentación discontinua II. Fermentación alimentada III. Fermentación continua IV. Reactores de enzimas o células inmovilizadas 4. Factores físico-químicos que afectan al rendimiento de las fermentaciones industriales I. Oxígeno II. Temperatura III. ph 5. Agitación y mezclado Fases de un proceso fermentativo 1. Introducción Procedimientos de fermentación Desarrollo de inóculos Preparación de los medios Regulación del metabolismo Fermentación Control de los factores físico-químicos Recuperación del producto Extracción Purificación 200 ml 300 w l 15 Mw 2. Diseño y funcionamiento del fermentador 1. Tanque aséptico 2. Sistema de aireación 3. Bajo consumo de energía 4. Control del ph 5. Toma de muestras 6. Control de la temperatura 7. Evitar evaporación 8. Mínimas operaciones 9. Versátil 10. Superficies internas lisas 11. Geometría idéntica 12. Materiales baratos 13. Servicio de repuestos 1

2 DISEÑO Y FUNCIONAMIENTO DEL FERMENTADOR Objetivo: Explotación industrial de los microorganismos Control de la contaminación Química Microbiológica Control del proceso de fermentación Escalado Control del coste Control de la contaminación: Química (Materiales) Inocuidad total (no tóxico) Inerte químicamente (no reaccionar con el medio) Superficie lisa y resistente (choque, rayado) Resistente a las soluciones de lavado, productos desinfectantes etc Control de la contaminación: Microbiológica El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante numerosos días, así como para las operaciones de más larga duración. No conexiones directas entre partes estériles y no estériles del sistema (usar soldadura) Reducir al mínimo las conexiones con elementos móviles Sello de vapor en las conexiones móviles con el exterior Válvulas y llaves con sistema de no retorno Eliminar los espacios muertos en el interior del fermentador Esterilización por partes del sistema de fermentación Control del proceso de fermentación Sistema de aireación Sistema de agitación Sistema de control del ph Sistema de control de la temperatura Sistema de control de la espuma Sistema de toma de muestras Otros sistemas de control Presión positiva en el fermentador 2

Escalado El diseño del fermentador debe ser similar en todos los tanques: Escala laboratorio = Planta semipiloto = Planta piloto = Planta

ser tal que las operaciones laborales durante el funcionamiento, recolección, limpieza y mantenimiento sean mínimas.

Deben emplearse los materiales más baratos que proporcionen resultados satisfactorios.

3 Escalado El diseño del fermentador debe ser similar en todos los tanques: Escala laboratorio = Planta semipiloto = Planta piloto = Planta industrial Control del coste El tanque debe ser versátil para la aplicación en diversas modalidades de procesos El diseño del tanque debe ser tal que las operaciones laborales durante el funcionamiento, recolección, limpieza y mantenimiento sean mínimas. El consumo de energía debe ser tan bajo como sea posible. Deben emplearse los materiales más baratos que proporcionen resultados satisfactorios. Debe existir un servicio adecuado de repuestos para el fermentador. 3. Tipos de Fermentaciones 3. Tipos de Fermentaciones DISCONTINUA (batch) 1.- Fermentación discontinua (batch) 2.- Fermentación alimentada (fed-batch) 3.- Fermentación continua 4.- Reactores de enzimas o células inmovilizadas 3

4 1.- Fermentación discontinua (batch) Una fermentación discontinua (en batch) es 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. 3. Tipos de Fermentaciones ALIMENTADA (fed-batch) En los procesos comerciales la fermentación se interrumpe al final de la fase logarítmica (metabolitos primarios) o antes de que comience la fase de muerte (metabolitos secundarios). Positivo. Es un método clásico. Bien conocido. Instalaciones simples Negativo. Mala utilización de los medios materiales y humanos 2.- Fermentación alimentada (fed-batch) 3. Tipos de Fermentaciones CONTINUA Igual que el anterior, pero algunos sustratos (F. de carbono, F. de nitrógeno) se añaden escalonadamente a lo largo de la fermentación. Positivo. Es un método clásico. Bien conocido. Instalaciones simples, mejora la producción (metabolitos secundarios) Negativo. Mala utilización de los medios materiales y humanos 4

3.- Fermentación continua 3.- Fermentación continua Problemas en el mantenimiento de la estabilidad del sistema. Esterilidad En la fermentación continua se establece un sistema abierto.

5 3.- Fermentación continua 3.- Fermentación continua Problemas en el mantenimiento de la estabilidad del sistema. Esterilidad En la fermentación continua se establece un sistema abierto. La solución nutritiva estéril se añade continuamente al biorreactor y una cantidad equivalente del cultivo, con los microorganismos, se saca simultáneamente del sistema. Positivo. Proceso continuo que permite una buena utilización de los medios materiales y humanos Negativo. Problemas en el mantenimiento de la estabilidad del sistema. Esterilidad a.- Muchos sistemas de laboratorio operan continuamente durante solamente 20 a 200 horas; para que sea de utilidad industrial el sistema debe ser estable durante al menos 500 a horas. b.- Mantener las condiciones estériles a escala industrial a lo largo de un largo período de tiempo es difícil. c.- La composición de los sustratos debe ser constante a fin de obtener una producción máxima. La composición de las soluciones de nutrientes industriales son variables (líquido de maceración del maiz, peptona, etc.) lo que puede originar cambios en la fisiología de la célula y disminuir la productividad. d.- Cuando se utilizan cepas de alto rendimiento se producen mutantes degenerados, los cuales pueden crecer en cultivo continuo más deprisa que las cepas de producción por lo que el rendimiento disminuye con el tiempo ya que cada vez son menos células las que sintetizan el producto de interés. REACTORES DE ENZIMAS O CÉLULAS INMOVILIZADAS 4.- Reactores de enzimas o células inmovilizadas 1. Adsorción: resinas de intercambio iónico. 2. Covalente: glutaraldehido, tolueno, iodoacetilcelulosa, di-isocianato. 3. Atrapamiento: colágeno, gelatina, agar, alginatos, poliacrilamida, poliestireno. Sistema de producción continua. Consiste en pasar el medio fresco a través de un biorreactor en el que hemos inmovilizado células (o enzimas). Positivo. Con este sistema se eliminan los problemas de desequilibrio (estabilidad del sistema). También se eliminan los problemas de estabilidad genética del sistema continuo clásico y además el producto resultante está libre de células. Negativo. Presenta el inconveniente de que no todos los microorganismos pueden inmovilizarse. 5

6 4. Factores Físicos y Químicos que afectan el Rendimiento de las Fermentaciones Industriales 1.- Oxígeno 2.- Temperatura 3.- ph Oxígeno Oxígeno (O 2 ): sustrato gaseoso más importante para el metabolismo microbiano. Anhídrido Carbónico (CO 2 ): producto metabólico más importante. Solubilidad del Oxígeno del Aire en Agua: 9 mg/l Ley de Henry C = Po H C: concentración de O 2 de la solución de nutrientes a saturación. Po: presión parcial del gas en la fase gaseosa. H: constante de Henry. Oxígeno Solubilidad del Oxígeno en Agua depende de: Solutos disueltos: agua del mar [O 2 ] -20% peptona 1% [O 2 ] -40% Temperatura: [O 2 ] disuelto baja al aumentar la temperatura Solubilidad del Oxígeno puro en Agua: 43 mg/l 6

7 AIREACIÓN Bacterias O2 Hongos Filamentosos Barreras a la Transferencia de Oxígeno Mejorar la Transferencia de Oxígeno 1.-Aumentar el área interfacial Levaduras 2.-Aumentar el tiempo de contacto 3.-Disminuir la resistencia a la difusión entre la burbuja y la célula 4.- Moléculas tipo hemoglobina 7

8 Temperatura Temperatura Temperatura inferior a la óptima: Retardo en el crecimiento Reducción de la producción celular Temperatura superior a la óptima: Choque térmico Inducción a una respuesta de estrés Producción de proteasas celulares Reducción de los productos proteicos Las fermentaciones deben llevarse a cabo en un estrecho margen de temperatura y a ser posible constante. Temperatura - Producción Las fermentaciones deben llevarse a cabo en un estrecho margen de temperatura y a ser posible constante. Producción de etanol: 25º C 9 % etanol 20º C 11 % etanol 15º C 12,5 % etanol Producción de calor: Agitación Actividad metabólica Pérdidas de calor: Evaporación REFRIGERACIÓN Temperatura Camisa de Agua 8

9 ph ph - Producción Bacterias crecen a ph neutro Hongos crecen a ph ácido Lactobacillus: ph ácido: A. láctico ph básico: A. acético y fórmico La mayor parte de los microorganismos crecen óptimamente entre ph 5,5 y 8,5 Levaduras: ph ácido: etanol ph básico: glicerol Durante el crecimiento en un fermentador, los metabolitos celulares son liberados al medio lo que puede originar un cambio del ph del medio de cultivo Aspergillus: ph 3-7: melanina constante ph 7-7,9: melanina (x 30) 5.- Agitación y Mezclado La agitación es la operación que crea o que acelera el contacto entre dos o varias fases. Una fermentación microbiana puede ser considerada como un sistema de tres fases: 1. Fase Líquida: sales disueltas, sustratos y metabolitos 2. Fase Sólida: células individuales, agregados celulares sustratos insolubles o productos del metabolismo que precipitan 3. Fase Gaseosa: proporciona un reservorio para el suministro de oxígeno, para la eliminación del CO 2 o para el ajuste del ph con amonio gaseoso 9

Homogeneización de la temperatura, ph y concentración de nutrientes en el fermentador 3.

10 Efectos de la Agitación en la Fermentación Tipos de Agitación Agitadores Rotativos Columnas de Burbujas Sistema Aero-elevado 1. Dispersión del aire en la solución de nutrientes 2. Homogeneización de la temperatura, ph y concentración de nutrientes en el fermentador 3. Suspensión de los microorganismos y de los nutrientes sólidos 4. Dispersión de los líquidos inmiscibles 10

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