Aspectos considerar en una fermentacin La fermentacin es un proceso catablico de oxidacin incompleta, que no requiere oxgeno, y el producto final es un compuesto orgnico. Segn los productos finales, existen diversos tipos de fermentaciones.Fue descubierta por Louis Pasteur, que la describi como la vie sans lair (la vida sin el aire). La fermentacin tpica es llevada a cabo por las levaduras. Tambin algunos metazoos y protistas son capaces de realizarla.El proceso de fermentacin es anaerbico, es decir, se produce en ausencia de oxgeno (1)Funcionamiento de un FermentadorLa funcin principal de un fermentador es la de proporcionar un medio ambiente controlado que permita el crecimiento eficaz de las clulas y la formacin del producto. El fermentador tpico moderno de laboratorio se ha diseado como una unidad sofisticada con las caractersticas y la instrumentacin necesarias para llevar a cabo una gran variedad de procesos de fermentacin, a la hora de discutir de los fermentadores piloto, estn hechos especficamente para unos procesos y lograr una mayor eficacia, en consecuencia tiene caractersticas especficas para un proceso de produccin en particular. (2)Diseo Del FermentadorCriterios ms importantes para el diseo de un fermentador:1.- El tanque debe disearse para que funcione aspticamente durante numerosos das, as como para las operaciones de ms larga duracin.

2.- Se debe proporcionar un sistema adecuado de aireacin y agitacin para cubrir las necesidades metablicas de los microorganismos.

3.- El consumo de energa debe ser tan bajo como sea posible.

4.- Debe tener un sistema para el control del pH.

5.- El fermentador debe tener un sistema para la toma de muestras.

6.- Debe existir un sistema para el control de la temperatura.

7.- Las prdidas por evaporacin no deben ser excesivas.

8.- El diseo del tanque debe ser tal que las operaciones laborales durante el funcionamiento, recoleccin, limpieza y mantenimiento sean mnimas.

9.- El tanque debe ser verstil para la aplicacin de diversas modalidades de procesos.

10.- Las superficies internas del tanque deben ser lisas, utilizando, donde sea posible, soldaduras.

11.- La geometra del fermentador debe ser similar a otros tanques ms pequeos o mayores de la planta o a los de la planta piloto para poder reproducir procesos a diferentes escalas.

12.- deben emplearse los materiales ms baratos que proporcionen resultados satisfactorios.

13.- Debe existir un servicio adecuado de repuestos para el fermentador.

El mantenimiento de un ambiente asptico y unas condiciones aerbicas son, probablemente, los dos puntos de mayor relevancia que hay que considerar. Los fermentadores ms ampliamente utilizados a nivel industrial estn provistos de mecanismos de agitacin, dispersin y aireacin as como de sistemas para el control de la temperatura, pH y formacin de espuma. (3)Tipos de Fermentaciones1.- Fermentacin discontinuaUna fermentacin discontinua (en batch) puede ser considerada como un "sistema cerrado". Al inicio de la operacin se aade la solucin esterilizada de nutrientes y se inocula con el microorganismo, permitiendo que se lleve a cabo la incubacin en condiciones ptimas de fermentacin. A lo largo de toda la fermentacin no se aade nada, excepto oxgeno (en forma de aire), un agente antiespumante y cidos o bases para controlar el pH. La composicin del medio de cultivo, la concentracin de la biomasa y la concentracin de metabolitos cambia generalmente como resultado del metabolismo de las clulas observndose las cuatro fases tpicas de crecimiento: fase de latencia, fase logartmica, fase estacionaria y fase de muerte.

En los procesos comerciales la fermentacin frecuentemente se interrumpe al final de la fase logartmica (metabolitos primarios) o antes de que comience la fase de muerte (metabolitos secundarios).Positivo. Es un mtodo clsico. Bien conocido. Instalaciones simplesNegativo. Mala utilizacin de los medios materiales y humanos

2.- Fermentacin alimentada (fed-batch)

En los procesos convencionales discontinuos que acabamos de describir, todos los sustratos se aaden al principio de la fermentacin. Una mejora del proceso cerrado discontinuo es la fermentacin alimentada que se utiliza en la produccin de sustancias como la penicilina. En los procesos alimentados, los sustratos se aaden escalonadamente a medida que progresa la fermentacin. La formacin de muchos metabolitos secundarios est sometida a represin catablica (efecto glucosa). Por esta razn en el mtodo alimentado los elementos crticos de la solucin de nutrientes se aaden en pequeas concentraciones al principio de la fermentacin y continuan aadindose a pequeas dosis durante la fase de produccin.Positivo. Es un mtodo clsico. Bien conocido. Instalacionessimples, mejora la produccin (metabolitos secundarios)Negativo. Mala utilizacin de los medios materiales y humanos3.- Fermentacin continua

En la fermentacin continua se establece un sistema abierto. La solucin nutritiva estril se aade continuamente al biorreactor y una cantidad equivalente de solucin utilizada de los nutrientes, con los microorganismos, se saca simultneamente del sistema.

El objetivo fundamental de la industria de las fermentaciones es minimizar costes e incrementar los rendimientos. Este objetivo puede alcanzarse si se desarrolla el tipo de fermentacin ms adecuado para cada paso en particular. Si bien los procesos de fermentacin continua no se utilizan de forma general en la industria, debido fundamentalmente al mayor nivel de experiencia que se tiene en el crecimiento de clulas en fermentacin discontinua, el coste de produccin de biomasa mediante cultivo continuo es potencialmente inferior al de cultivo discontinuo. De este modo se han instalado plantas de produccin para la produccin continua de protena de origen unicelular a partir de n-alcanos, compuestos C1 y almidones.

Aunque muchas fermentaciones para la produccin de metabolitos funcionan bien como procesos continuos, slo unos pocos procesos han resultado tiles para la aplicacin prctica por varias razones:

a.- Muchos mtodos 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 1.000 horas.

b.- Mantener las condiciones estriles a escala industrial a lo largo de un largo perodo de tiempo es difcil.

c.- La composicin de los sustratos debe ser constante a fin de obtener una produccin mxima. La composicin de las soluciones de nutrientes industriales son variables (lquido de maceracin del maiz, peptona, etc.) lo que puede originar cambios en la fisiologa de la clula y disminuir la productividad.

d.- Cuando se utilizan cepas de alto rendimiento se producen mutantes degenerados, los cuales pueden crecer en cultivo continuo ms deprisa que las cepas de produccin por lo que el rendimiento disminuye con el tiempo ya que cada vez son menos clulas las que sintetizan el producto de inters.Positivo. Proceso continuo que permite una buena utilizacin de los medios materiales y humanosNegativo. Problemas en el mantenimiento de la estabilidad del sistema. Esterilidad

4.- Reactores de enzimas o clulas inmovilizadas

Consiste en pasar el medio fresco a travs de un biorreactor en el que por diversas tcnicas hemos inmovilizado clulas (o enzimas). En el biorreactor se producen las transformaciones bioqumicas que deseamos y recuperamos el producto transformado tras su paso por la columna. Con este sistema se eliminan los problemas de desequilibrio (estabilidad) del sistema continuo clsico y adems el producto resultante est libre de clulas. Presenta el inconveniente de que no todos los microorganismos pueden inmovilizarse.

Existentres mtodos de inmovilizarlas clulas:a.- Asociacin fsica mediante resinas de intercambio inico. La unin se puede romper fcilmente.

b.- Unin covalente mediante glutaraldehido, tolueno, di-isocianato, iodo acetil celulosa. Unin fuerte aunque inactivacin.

c.- Atrapamiento mediante colgeno, gelatina, agar, alginatos, poliacrilamida, poliestireno. Es el mtodo ms utilizado en inmovilizacin de clulas; para ello se mezclan las clulas con el polisacrido lquido y posteriormente se deja enfriar para que solidifique. Finalmente se fragmenta o granula y se empaqueta en una columna.Positivo. Con este sistema se eliminan los problemas de desequilibrio (estabilidad del sistema). Tambin se eliminan los problemas de estabilidad gentica del sistema continuo clsico y adems el producto resultante est libre de clulas.Negativo. Presenta el inconveniente de que no todos los microorganismos pueden inmovilizarse. (4)

1.- Oxgeno

2.- Temperatura

3.- pH

1.- Oxgeno

Uno de los factores ms crticos en la operacin de fermentacin a gran escala es el suministro de un intercambio de gases adecuado. El oxgeno es el sustrato gaseoso ms importante para el metabolismo microbiano y el anhdrido carbnico es el producto metablico ms importante. El oxgeno no es un gas muy soluble ya que una solucin saturada de oxgeno contiene aproximadamente 9 mg / L de este gas en agua. debido a la influencia de los ingredientes del cultivo, el contenido mximo de oxgeno realmente es ms bajo de lo que debera ser en agua pura. El suministro se logra pulverizando aire en el fermentador durante el proceso.

Laley de Henrydescribe la solubilidad del oxgeno en soluciones de nutrientes en relacin a la presin parcial del oxgeno en la fase gaseosa:P0C = ------H

En esta ecuacinCes la concentracin de O2de la solucin de nutrientes a saturacin,P0es la presin parcial del gas en la fase gaseosa yHes la constante de Henry que es especfica para cada tipo de gas. A medida que aumenta la concentracin de O2en la fase gaseosa, aumenta la proporcin de O2en la solucin de nutrientes. En consecuencia, la presin ms alta de O2se consigue durante la aireacin con oxgeno puro. Comparado con el valor obtenido al utilizar aire (9 mg O2/L), en agua se disuelven 43 mg O2/L cuando se utiliza oxgeno puro. Otra caracterstica es que a medida que aumenta la temperatura desciende la solubilidad del oxgeno.

Una vez disuelto el O2ste tiene que transferirse desde la burbuja de gas a cada clula individual. Para ello deben ser superadas variasresistenciasparcialmente independientes:a.- La resistencia dentro de la pelcula de gas a la interfase.

b.- La penetracin de la interfase entre la burbuja de gas y el lquido.

c.- Transferencia desde la interfase al lquido.

d.- Movimientos dentro de la solucin de nutrientes.

e.- Transferencia a la superficie de la clula.

En las fermentaciones que se llevan a cabo con organismos unicelulares como bacterias o levaduras, el factor ms importante que controla la velocidad de transferencia es la resistencia en la interfase entre la burbuja de gas y el lquido. Las clulas microbianas prximas a la burbuja de gas pueden absorber directamente el O2 a travs de la interfase aumentando la transferencia del gas a estas clulas. En los aglomerados de clulas o en las bolitas de micelio, la transferencia de gas dentro del aglomerado puede ser un factor limitante.

Por ltimo indicar la concentracin crtica de oxgeno que es el trmino utilizado para expresar el valor de la velocidad especfica de absorcin de oxgeno que permite la respiracin sin impedimentos. Esta concentracin crtica de oxgeno suele tener unos valores concretos para cada microorganismo oscilando de forma general entre el 5% y el 25% de los valores de saturacin de oxgeno en los cultivos.

2.- Temperatura

La temperatura es otro de los parmetros esenciales para el xito de una fermentacin. Los microorganismos que crecen a una temperatura inferior a la ptima tienen retardado su crecimiento y por lo tanto reducida la produccin celular, es decir su productividad. Por otro lado, si la temperatura es demasiado alta, pero no letal, se puede inducir una respuesta de estrs al choque trmico con la consiguiente produccin de proteasas celulares que ocasionan una disminucin en el rendimiento de los productos proteicos. A fin de obtener rendimientos ptimos, las fermentaciones deben ser llevadas a cabo en un margen estrecho de temperatura y a ser posible constante. La velocidad de produccin de calor debida a la agitacin y a la actividad metablica de los microorganismos no se ve compensada por las prdidas de calor que resultan de la evaporacin, por lo que se debe recurrir a sistemas de refrigeracin. Dentro de stos, los ms utilizados en las fermentaciones industriales son las camisas de agua.

3.- pH

La mayor parte de los microorganismos crecen ptimamente entre pH 5,5 y 8,5. Pero 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. Por lo tanto se debe controlar el pH del medio de cultivo y aadir un cido o una base cuando se necesite para mantener constante el pH. Por supuesto que esta adicin del cido o base debe ser mezclada rpidamente de tal manera que el pH del medio de cultivo sea el mismo en todo el fermentador. (5)

V. AGITACION Y MEZCLADO

La agitacin es la operacin que crea o que acelera el contacto entre dos o varias fases. Unafermentacin microbianapuede ser considerada como unsistema de tres fases, que implica reacciones lquido-slido, gas-slido y gas-lquido.1.- La fase lquidacontiene sales disueltas, sustratos y metabolitos. Puede existir, en algunos casos, una segunda fase lquida si existe un sustrato inmiscible en agua como por ejemplo los alcanos.

2.- La fase slidaconsiste en clulas individuales, bolitas de micelio, sustratos insolubles o productos del metabolismo que precipitan.

3.- La fase gaseosaproporciona un reservorio para el suministro de oxgeno, para la eliminacin del CO2o para el ajuste del pH con amonio gaseoso.

Una adecuadaagitacinde un cultivo microbiano es esencial para la fermentacin ya que produce los siguientesefectosen las tres fases:1.- Dispersin del aireen la solucin de nutrientes.

2.- Homogeneizacin, para igualar la temperatura, pH y concentracin de nutrientes, en el fermentador.

3.- Suspensinde los microorganismos y de los nutrientes slidos.

4.- Dispersin de los lquidos inmiscibles.

Bajo estas premisas se podra concluir que cuanto mayor sea la agitacin, mejor ser el crecimiento. Sin embargo, la agitacin excesiva puede romper las clulas grandes e incrementar la temperatura lo que ocasiona un descenso en la viabilidad celular. Por lo tanto, se debe conseguir un balance entre la necesidad del mezclado y la necesidad de evitar el dao celular.

1. Bronowski, J. (1973/1979). El ascenso del hombre (The Ascent of Man). Trad. Alejandro Ludlow Wiechers, Francisco Rebolledo Lpez, Vctor M. Lozano, Efran Hurtado y Gonzalo Gonzlez Fernndez. Londres/Bogot: BBC/Fondo Educativo Interamericano2. 1. Extrado de http://webcd.usal.es/Web/educativo/ampliacion3/fermentador2 el1/12/2013 a las 8:40pm

3. Pauline M. Doran (1998), Acribia S.A. Reacciones y Reactores pp. 269-290. 4. Principios de la tecnologa de fermentacin, STANBURY, ALLAN WHITAKER, STEPHEN J. HALL. Butterworth Heinemann, 1995. Pp: 13-19

5. Fermentation and Biochemical Engineering Handbook.Principles, Process Design, and Equipment (2ndEdition).Edited by: Vogel, H.C.; Tadaro, C.L. 1997William Andrew Publishing/Noyes6. Principios de procesos de ingenieria, paulyne M. Doran, Elsevier Science & Technology Books, 1995, pp:129