PROCESOS DE PROCESOS DE PROCESOS DE PROCESOS DE FERMENTACIÓNFERMENTACIÓNFERMENTACIÓNFERMENTACIÓN

M.Sc. Margarita María Morales MorenoProfesora OcasionalUniversidad Nacional de Colombia Sede Medellín

La palabra fermentaciónproviene de unaadaptación del terminoen latín fermentare

(ebullir).

Louis Pasteur, ladescribió como la vie

sans l´air (la vida sin elaire).

“La fermentación es un “La fermentación es un “La fermentación es un “La fermentación es un proceso metabólico”proceso metabólico”proceso metabólico”proceso metabólico”

Proceso catabólicomediante el cual sustanciasorgánicas (sustrato) sufrenuna serie de cambiosquímicos (reducciones yoxidaciones) que producenenergía. En ausencia deoxígeno (anaeróbico).

DEFINICIÓN BIOQUÍMICADEFINICIÓN BIOQUÍMICADEFINICIÓN BIOQUÍMICADEFINICIÓN BIOQUÍMICA

DEFINICIÓN INDUSTRIALDEFINICIÓN INDUSTRIALDEFINICIÓN INDUSTRIALDEFINICIÓN INDUSTRIAL

Proceso realizado enfermentadores obiorreactores, por mediodel cual moo producenmetabolitos y biomasa, apartir de la utilización desustancias orgánicas, enausencia o presencia de O2.

¿QUIEN PRODUCE LOS PRODUCTOS?¿QUIEN PRODUCE LOS PRODUCTOS?¿QUIEN PRODUCE LOS PRODUCTOS?¿QUIEN PRODUCE LOS PRODUCTOS?

� Microorganismos:

» Bacterias » Levaduras » Hongos

� Células en suspensión:

» Vegetales » Animales

� Enzimas inmovilizadas

¿CUÁLES PRODUCTOS?¿CUÁLES PRODUCTOS?¿CUÁLES PRODUCTOS?¿CUÁLES PRODUCTOS?

� Las mismas células microbianas (Biomasa)(Hongos, bacterias y levaduras).

� Macromoléculas que sintetizan (proteinas,lípidos, vitaminas).

� Productos de su metabolismo (pigmentos,alcaloides).

� La transformación de un producto en otro.

¿CUÁLES PRODUCTOS?¿CUÁLES PRODUCTOS?¿CUÁLES PRODUCTOS?¿CUÁLES PRODUCTOS?

� La obtención de subproductos de desecho(Yogur).

� La realización de procesos industriales (beneficiosminerales).

� Reacciones de destoxificación (eliminación deinsecticidas).

SUSTRATOSSUSTRATOSSUSTRATOSSUSTRATOS

� Materias amiláceas: cereales (almidón),tubérculos y raíces.

� Materias celulósicas: madera y sus residuos.

� Materias azucaradas: mostos y jugos dediferentes frutas, como la caña de azúcar,remolacha y subproductos de la industriaazucarera como melazas y mieles.

APLICACIÓN AGROINDUSTRIALAPLICACIÓN AGROINDUSTRIALAPLICACIÓN AGROINDUSTRIALAPLICACIÓN AGROINDUSTRIAL

Productos FermentadosProductos FermentadosProductos FermentadosProductos Fermentados

Bebidas alcohólicas (Cerveza, vinos)

Productos de panificación

Productos lácteos (yogurt, queso)

Productos cárnicos (salame, embutidos

curados)

� Ácidos orgánicos� Aminoácidos� Alcoholes� Antibióticos � Esteroides� Vitaminas� Otros

Compuestos de interés comercial Compuestos de interés comercial Compuestos de interés comercial Compuestos de interés comercial producidos por fermentaciónproducidos por fermentaciónproducidos por fermentaciónproducidos por fermentación

VENTAJASVENTAJASVENTAJASVENTAJAS

� Condiciones suaves de operación (pH y T).

�Obtención de alimentos con aromas y texturas que nopueden ser obtenidos por otros procedimientos.

�Preservación de alimentos.

�Bajos gastos de instalación y funcionamiento (Bajoconsumo energético).

�Tecnología relativamente sencilla.

CLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN

� Tipo de producto final obtenido.

�La presencia o ausencia de oxigeno en el proceso.

EL OXÍGENO EN LA FERMENTACIÓNEL OXÍGENO EN LA FERMENTACIÓNEL OXÍGENO EN LA FERMENTACIÓNEL OXÍGENO EN LA FERMENTACIÓN

• Biomasa

• CO2

• Agua

Fermentación

aerobia

• Sustancias orgánicasFermentación

anaerobia

PROCESO DE FERMENTACIÓNPROCESO DE FERMENTACIÓNPROCESO DE FERMENTACIÓNPROCESO DE FERMENTACIÓN

Esquema general de un proceso de fermentaciónEsquema general de un proceso de fermentaciónEsquema general de un proceso de fermentaciónEsquema general de un proceso de fermentación

PRINCIPALESPRINCIPALESPRINCIPALESPRINCIPALES FACTORESFACTORESFACTORESFACTORES DEDEDEDEPROCESOPROCESOPROCESOPROCESO

�Disponibilidad de nutrientes, especialmente C y N

�pH sustrato

�Contenido de agua

�Temperatura de incubación

�Fase de crecimiento del microorganismo

�Presencia de otros microorganismos competidores

FACTORES DE CRECIMIENTOFACTORES DE CRECIMIENTOFACTORES DE CRECIMIENTOFACTORES DE CRECIMIENTO

� Oxigeno:

» Aerobias estrictas» Aerobias facultativas» Anaerobias estrictas» Anaerobias facultativas

� CO2

� Potencial de oxidación reducción: Es unrequerimiento físico del medio de cultivo. Éste esun factor crítico para determinar si se desarrollaráo no el inoculo sembrado en dicho medio.

FACTORESFACTORESFACTORESFACTORES DEDEDEDE CRECIMIENTOCRECIMIENTOCRECIMIENTOCRECIMIENTO

FACTORES DE CRECIMIENTOFACTORES DE CRECIMIENTOFACTORES DE CRECIMIENTOFACTORES DE CRECIMIENTO

� Temperatura: Cada bacteria tiene su propiatemperatura mínima por debajo de la cual nopuede proliferar, temperatura óptima en la cual elcrecimiento es mas rápido y temperatura máximapor encima de la cual no puede multiplicarse.

� Concentraciones de hidrógeno (pH):

» Acidófilos» Neutrófilos (la mayoría de interés médico)» Alcalófilos

FACTORES DE CRECIMIENTOFACTORES DE CRECIMIENTOFACTORES DE CRECIMIENTOFACTORES DE CRECIMIENTO

� Disponibilidad de agua: El agua es unrequerimiento esencial para todo ser vivo y ladisponibilidad de ésta es un factor importanteque afecta el crecimiento de los microorganismosen sus ambientes naturales.

• Psicrófilas (-5 y 30ºC) 15ºC

• Mesófilas (10 y 45ºC) 30ºC

• Termófilas (25 y 80ºC) 55ºC

• Hipertermófilas

Temperatura

• Acidófilas• Alcalófilas

Acidez y alcalinidad

• Sal: Halófilas• Azúcar: Osmófilas• Secos: Xerófilas

Disponibilidad del medio

FACTORESFACTORESFACTORESFACTORES DEDEDEDE CRECIMIENTOCRECIMIENTOCRECIMIENTOCRECIMIENTO

MEDIOS DE CULTIVOMEDIOS DE CULTIVOMEDIOS DE CULTIVOMEDIOS DE CULTIVO

� Medio general� Medio enriquecido� Medio selectivo� Medio diferencial

Finalidad:

� Definido - simple� Indefinido - complejo

Composición:

� Sólidos� Semisólidos� Líquidos

Consistencia:

TIPOS DE MICROORGANISMOSTIPOS DE MICROORGANISMOSTIPOS DE MICROORGANISMOSTIPOS DE MICROORGANISMOS

-Alta velocidad de crecimiento-Fácil manipulación-Crecimiento en varias fuentes de carbono

-Velocidad de crecimiento moderada-Reproducción por esporas-Capacidad de degradar compuestos complejos (lignina, colorantes)

-Velocidad de crecimiento intermedia- Fácil manipulación-Crecimiento en varias fuentes de carbono-Amplio campo de tolerancia fisicoquímica

Bacterias Hongos Levaduras

• Bacterias lácticas : se caracterizan por la producción de ácido láctico e incluye los generos, Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc y Pediococcus

• Generalmente son anaerobias pero toleran el oxígeno sobre todo el Streptococcus

• Streptococcus Lactis y S. Cremoris: acidificación espontánea de la leche

• Streptococcus diacetylactis: sustancia característica del aroma de la mantequilla

• Streptococcus termophilus: elaboración de yogurt y maduración de queso.

Bacterias

• Bacterias acéticas , se caracterizan por su capacidad de oxidar el etanol a ácido acético a pH ácido

• Son aerobias estrictas, ejemplo: acetobacter en la producción de vinagre

• Para que las bacterias acéticas puedan desarrollarse en forma adecuada, el medio debe estar bien oxigenado y con temperaturas superiores a los 20°C

Bacterias

• Saccharomyces cereviceae, variedad ellipsoideus, resistente al alcohol 16,8° y al SO2

• Saccharomyces rosei: no forma muchos ácidos volátiles, pero no es muy resistente al alcohol y al SO2

• Saccharomyces bayanus u oviformis es la mas resistente al alcohol 18,4°C

• Saccharomyces ludwigi es importante por su resistencia al SO2

• Saccharomyces pombe, capaz de transformar acido málico en alcohol etílico, por fermentación maloláctica

Levaduras

TIPOS DE FERMENTACIONESTIPOS DE FERMENTACIONESTIPOS DE FERMENTACIONESTIPOS DE FERMENTACIONES

� Láctica (Streptococcus, Lactobacillus)

� Alcohólica (Muchas levaduras y algunas bacterias)

�Ácido mixta (La mayoría de las enterobacterias)

� Butírica (Clostridium)

� Propiónica (Propionibacterium)

� Acética (Acetobacter)

�

APLICACIONES INDUSTRIALESAPLICACIONES INDUSTRIALESAPLICACIONES INDUSTRIALESAPLICACIONES INDUSTRIALES

� Producción de cepas industriales (Biomasa).

� Industria de los alimentos.

� Industria de bebidas alcohólicas.

� Producción de antibióticos.

�Producción de vitaminas y proteínas.

� Producción de enzimas.

�Producción de combustibles.

� Otros

Metábolitos primarios

Primera generación de bioetanol

Saccharomyces spp.

Nuevas cepasFermentaciones continuasLevaduras inmovilizadas

PRODUCTOS FERMENTADOSPRODUCTOS FERMENTADOSPRODUCTOS FERMENTADOSPRODUCTOS FERMENTADOS

Zymomonas mobilisZymomonas mobilisPosee una alta resistencia a sobrevivir a concentraciones elevadas de etanol, lo que la convierte en una bacteria ideal en la generación de etanol para usos no comestibles

Fermentación

Zymomonas Levaduras

Tolerancia al etanol

Mayor 16% Regular 12%

Producción 45 - 49 % 45 - 49 %

Subproductos ++ --

Termotolerancia 38 – 40 ºC 35 ºC

La fermentación microbiana también es un medio de producciónde vitaminas. Entre el grupo de vitaminas generadas por estemedio podemos encontrar las siguientes: acido ascórbico,riboflavinas, beta-caroteno, vitamina B12, acido fólico y la provitamina A. Las de mayor importancia a nivel industrial son:riboflavina, beta-caroteno y vitamina B12.

PRODUCTOS FERMENTADOSPRODUCTOS FERMENTADOSPRODUCTOS FERMENTADOSPRODUCTOS FERMENTADOS

PRODUCTOS FERMENTADOSPRODUCTOS FERMENTADOSPRODUCTOS FERMENTADOSPRODUCTOS FERMENTADOS

Producción industrial de eritromicina,antibiótico producido por el actinomicetogrampositivo Saccharopolyspora erythrae

bajo fermentación aeróbica utilizando aceitede soya como fuente principal de carbono yacido propionico como precursor. Laproducción de eritromicina es actualmentellevada a cabo en la planta de Abbott en P.R.