Capítulo 2

ASPECTOS GENERALESDE LOS PROCESOS DE FERMENTACION

Un proceso de fermentación típico es esencialmente un proceso que se lleva acabo en un recipiente llamado fermentador o en general, biorreactor, mediante elcual determinados sustratos que componen el medio de cultivo son transformados por acción microbiana en metabolitos y biomasa. El microorganismo va au-mentando en su concentración en el transcurso del proceso al mismo tiempo queel medio se va modificando y se forman productos nuevos como consecuencia delas actividades catabólicas y anabólicas. Los dos fenómenos crecimiento y forma-ción de producto, tienen lugar durante el desarrollo del proceso simultáneamenteo no según los casos.

Efectores internos y externosEl comportamiento de un microorganismo en crecimiento es el resultado de

la interacción que se produce entre el microorganismo y el medio ambiente en elreactor, y que en rigor es el resultado de los llamaos efectores intra y extra celu-lares.

Los efectores internos están representados por la dotación genética intrínse-ca del organismo considerado y por sus mecanismos de regulación metabólica.Estos últimos pueden ser modificados por alteraciones del medio ambiente o másprecisamente por los efectores externos mientras que la existencia de un gen de-pende de la especie del microorganismo considerado. Un gen está o no está, sólosu expresión puede modificarse. Con el fin de mejorarla productividad de un pro-ceso de fermentación las cepas empleadas pueden someterse a tratamiento físicoo químico de mutación que al alterar algún sector del genoma logran aumentarla producción de un metabolito aunque también pueden disminuirla o incluso su-primirla.

También se puede dotar a un microorganismo de una capacidad genéticanueva cuando se efectúa la inserción de sectores del genoma de una especie enun microorganismo, haciéndose éste capaz de producir metabolitos que desde elpunto de vista genético de su especie no podría hacerlo. La obtención de mutan-tes por el uso de agentes mutagénicos o por algún otro mecanismo bioquímico yla construcción de cepas nuevas por ingeniería genética constituyen los recursosde la genética microbiana, para mejorar la productividad de un microorganismodado o para dotarlo de una capacidad productiva nueva. Es decir que los efecto-res internos pueden modificarse para lograr la optimización de un proceso fer-mentativo. Todos estos aspectos serán considerados especialmente en el capítulosiguiente, que corresponde al mejoramiento de los microorganismos de interés in-dustrial.

El comportamiento o expresión fenotípica, o sea lo que realmente se observacomo respuesta del microorganismo al medio ambiente en el reactor es, además,el resultado de la influencia de las variables de naturaleza física y química queconstituyen los efectores externos.

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Los efectores externos de naturaleza física están vinculados con las condicio-nes de operación que se utilizan en los reactores y son por ejemplo la temperatu-ra, la agitación, aireación, etc; es decir, están constituidos por las variables demanipulación física que se fijan o se programan en el curso del proceso de pro-ducción.

La modificación de algunos de los efectores físicos como por ejemplo la tem-peratura, tiene un efecto notable sobre un proceso. Si el valor utilizado no es ade-cuado puede disminuir o aún impedir la formación de un metabolito determina-do. Además la temperatura puede modificar los requerimientos nutritivos de al-gunos microorganismos, lo que significa que al modificarse el valor de un efectorpuede cambiar los requerimientos de otro.

Los efectores externos de naturaleza química están representados por la pre-sencia de los componentes de los medios de fermentación, además del 0 2 quepuede considerarse un nutriente más. Los componentes de los medios debencumplir con todos los requerimientos nutricionales y además con los requeri-mientos específicos que son indispensables para la formación de productos. Losaspectos fundamentales de los medios, como su diseño y formulación, serán tra-tados en el capítulo 4.

Los reactores están también estrechamente vinculados al manejo o manipu-lación de los efectores externos, ya que además de la regulación de las variablesfísicas permiten según el modo de operarlos fijar o regular la alimentación decomponentes de los medios que, como ya se dijo, constituyen los efectores quími-cos. Tal es el caso cuando se operan los reactores en "batch" o en forma disconti-nua, (todos los componentes son colocados desde un comienzo en el medio de pro-ducción) o cuando se opera el reactor en "batch alimentado" donde la alimenta-ción de los componentes se realiza en forma controlada durante el proceso. Final-mente cuando se opera el reactor en continuo, se alimenta medio completo a unadeterminada velocidad al mismo tiempo que se deja salir con la misma velocidadmedio fermentado, lo que permite tratar a la velocidad de crecimiento específicocomo variable independiente. Estos aspectos serán desarrollados especialmenteen el capítulo 7.

La influencia de los efectores internos y externos sobre el comportamiento deuna célula microbiana se puede representar esquemáticamente como lo muestrala Fig. 1.

Figura 1. Influencia de los efectores internos y externos sobre la expresión celular.

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Para comprender con claridad estos conceptos es conveniente citar algunosejemplos demostrativos. Supongamos una cepa de un microorganismo (B. subti-lis) que genéticamente está en condiciones de efectuar la biosíntesis de una enzi-ma (a-amilasa) y que es colocada en un medio de cultivo adecuado y en condicio-nes de operación óptimas para la producción de esa enzima. Por medio adecuadose entiende una fuente de carbono como el almidón o dextrina, además de fuenteorgánica de nitrógeno, y otras sales minerales. Por condiciones de operación ópti-mas se consideran la temperatura de 30-37 °C, agitación, pH inicial 6.5-7.0. Su-pongamos también que el proceso es de tipo "batch". Si en la composición del me-dio utilizamos glucosa, por ejemplo, difícilmente tendremos un rendimiento nor-mal de a-amilasa mientras exista glucosa en el medio, debido a la influencia ne-gativa de ésta, ya que la misma actúa como represor catabólico de la biosíntesisde la enzima. Este es un ejemplo negativo de un efector externo (glucosa) que nopermite la expresión del gen de la cepa. No solamente la glucosa tiene este efectosino en general cualquier otra fuente de carbono que sea de consumo rápido.

Si en cambio se opera el reactor como "batch" alimentado, con alimentaciónprogramada de glucosa, la influencia negativa de ese efector externo desaparece,porque su concentración se mantiene en límites muy bajos.

Otro efector externo de naturaleza química que inhibe la biosíntesis de otrosproductos como muchos antibióticos es el anión fosfato. Por eso la producción in-dustrial de esos compuestos debe hacerse de manera tal que existan concentra-ciones limitantes de fosfato inorgánico. Si éste esta en concentraciones de 0.3 a300 mM generalmente se producen crecimientos celulares altos pero concentra-ciones superiores a 10 mM suprimen la síntesis de muchos antibióticos.

La presencia de azúcares asimilables superiores a 0.16 g l -1 produce invaria-blemente formación de alcohol en proceso de crecimiento de levadura de panifica-ción (Saccharomyces cerevisiae) aún en presencia de exceso de oxígeno. Es el denominado efecto Crabtree. Es por ello que la producción de levadura se debe lle-var a cabo con sistemas de "batch" alimentado con alimentación programada deazúcares para maximizar la formación de biomasa e impedir la formación de al-cohol. Es otro ejemplo de la influencia de un efector externo o de naturaleza quí-mica sobre la actividad metabólica de un microorganismo.

Para investigar adecuadamente la influencia de los efectores externos quími-cos, es necesario el empleo de sistemas continuos, aspecto que será tratado en elcapítulo 7.

Esquema de un proceso industrialEn la Fig. 2 se presenta un esquema general de un proceso de fermentación.

Como puede verse existen 4 etapas bien diferenciadas, a saber: 1) Propagación decultivos, lo que se realiza en el laboratorio y que comienza generalmente en untubo de ensayo que contiene un repique reciente del microorganismo o un tuboliofilizado o congelado donde se conserva la cepa de interés o de una colonia delmicroorganismo previamente seleccionada. Este material microbiológico seleccio-nado constituye el punto de partida con el cual se debe aumentar la cantidad delmismo mediante sucesivos pasajes en frascos de volúmenes crecientes que songeneralmente operados en agitadores de vaivén o rotatorios en cámaras de culti-vo. 2) Fermentación: con el material obtenido anteriormente, se siembra el tan-que de inoculo que puede tener un volumen de 50, 500 ó 1000 1 según la escalaindustrial posterior. Del tanque de inoculo se pasa posteriormente al fermenta-dor industrial cuyo volumen, que varía de acuerdo al producto a obtener y a su

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Figura 2. Esquema general de un proceso de fermentación.

concentración, está comprendido comúnmente entre 10,000 y 100,000 l. En algu-nos casos especiales, como en la producción de proteína unicelular, los tanques defermentación pueden llegar hasta 1,000,000 l. Un proceso esencial ligado a laproducción es la preparación y esterilización de los medios que se lleva a cabotambién en esta etapa (previamente a la inoculación) ya sea en el tanque deinóculo o en el reactor industrial. 3) Operaciones y proceso de separación y purifi-ción de los productos; estas etapas comprenden en forma general y sucesivamen-te: a) separación de insolubles por filtración, centrifugación, o decantación; b) se-paraciones primarias por extracción, absorción, adsorción, ultrafiltración; c) puri-ficación por extracción líquido-líquido, o extracción a dos fases acuosas, o croma-tografía de afinidad, y finalmente d) aislamiento del producto. 4) Tratamiento deefluentes: si bien no tiene una relación directa con el producto, que es la razón deser de la industria de fermentación, representa una etapa imprescindible porquees fundamental controlar la calidad del efluente que sale de la fábrica y que esenviado generalmente a un curso de agua, sea un canal, arroyo, un río o al mar.

Es importante tener en cuenta que todas las etapas de un proceso de fermen-tación deben estar íntimamente ligadas e integradas ya que es indispensable queel proceso sea optimizado globalmente. Cada etapa debe considerar la importan-cia e influencia de los procesos y operaciones anteriores y también de los siguien-tes para poder cumplir con ese concepto de integración. La calidad de una cepade microorganismo debe estar supeditada a su real capacidad de producción en elfermentador. Pero además es necesario que esa cepa, altamente productora, noproduzca, por ejemplo, dificultades en la etapa de separación y purificación comoes el caso de cepas de Penicillium chrysogenum que no pueden utilizarse porqueproducen pigmentos que encarecen las etapas de purificación. Lo mismo sucedecon el uso de medios, basados en subproductos como el suero de queso, que pue-

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den dar buenos rendimientos de un producto pero que representan un inconve-niente en la etapa de purificación.

Además, el reactor y las condicioines de operación deben ser tales que asegu-ren la productividad máxima del proceso y la calidad del producto, que en algu-nos casos depende de las condiciones de operación empleadas como sucede con al-gunos preparados enzimáticos cuya composición es regulada según como se opereen la etapa de la fermentación y en la correspondiente a la separación y purifica-ción.

Lecturas recomendadas:

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A. Fiechter - Physical and chemical Parameters of Microbial Growth. Advances in Bio-chemical Engineering Vol. 30, 7-60. Springer-Verlag, 1984.

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