Mediosfermentacion
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Costo y disponibilidad durante todo el año.
Fácil de manejar en forma liquida o sólida,
incluye transporte y almacenaje.
Requisitos de esterilización y algún
problema potencial de desnaturalización.
Si el objetivo es obtener biomasa o metabolitos
primarios, el medio debe proveer un crecimiento
óptimo al microorganismo.
Para producir metabolitos secundarios el medio
debe proveer lo necesario para el crecimiento inicial
del organismo y luego proveer las condiciones
óptimas para la producción del metabolito
secundario.
Si la escala es pequeña se usa un medio
químicamente definido.
Si es a escala industrial, se usan materiales de
animales, plantas, productos de otras industrias.
Esto conlleva a variaciones en el lote.
La mayoría de las fermentaciones requiere medio
líquido (caldo).
Algunos sustratos operan con sustrato sólido.
Los medios deben:
› satisfacer requisitos nutricionales del
microorganismo
› satisfacer los objetivos técnicos del proceso
Debe incluir:
› Fuente de C (para energía y para biosíntesis)
› Fuente de N2, P y S
› Elementos trazas
› Vitaminas (como biotina y riboflavina)
C6H7O2N esto en base a peso seco de 48%
C 7%
H 32%
O 14%
N 14%
El carbono es necesaria para toda la reproducción biosintética y el mantenimiento celular. Además es una fuente de energía.
Algunas fuentes de carbono son:› Melasa
› Extracto de malta
› Almidones y dextrinas
› Desechos líquidos de sulfitos
› Celulosas
› Suero de leche
› Alcano y alcoholes
› Grasas y aceites
Melasa
› Este es un producto residual de la producción de caña
de azúcar y remolacha.
› Es más económica que la glucosa o sucrosa.
Es el residuo luego de la cristalización de la
glucosa.
Posee viscosidad y color oscuro con un contenido
entre 50 y 60% de carbohidratos (sucrosa).
Posee 2% de sustancias nitrogenosas.
Contiene vitaminas y minerales.
Se puede utilizar un producto similar llamado hidrol
melasa (producto residual del proceso del almidón
del maíz)
Es un extracto acuoso de la cebada de la malta.
Se concentra para formar sirop, particularmente
útil como fuente de C para el cultivo de
› Hongos filamentosos
› Levaduras
› actinomicetos
Contiene aproximadamente:
› 90% carbohidratos
20% hexosas (glucosa y pequeñas cantidades de
fructosa)
35% de disacáridos (maltosa y trazas de sucrosa)
10% maltotriosa (trisacárido)
15-20% dextrinas
Vitaminas
5% sustancias nitrogenosas
Proteínas
Péptido
Amino ácidos
Es importante controlar las condiciones de esterilización para evitar inhibidores de crecimiento microbiano.
Características
› Polisacáridos que pueden ser metabolizados
directamente por hongos filamentosos.
› Sus enzimas extracelulares hidrolizan el sustrato a
una mezcla de glucosa y maltosa para producir sirop
similar a extracto de malta.
› Se puede usar almidón de maíz.
Se utilizan los desechos de la industria del papel
que contienen azúcar para cultivar levaduras.
Desechos de coníferas contienen 2 a 3 % de azúcar
(hexosas y pentosas)
› Hexosas incluyen
Glucosa
Manosa
galactosa
› Pentosas
Xilosa
Arabinosa
El uso de estos requiere un proceso previo, ya que
poseen dióxido de azufre.
Estos líquidos se suplementan con nitrógeno y
fósforo.
Mayormente se encuentra como lignocelulosa (celulosa,
hemicelulosa y lignina).
La lignocelulosa se obtiene de desperdicios domésticos,
forestales y agrícolas.
Sólo unos pocos microorganismos pueden degradar la
celulosa.
Al presente su mayor uso es como sustrato sólido de
fermentación para hongos.
Una vez hidrolizada se usa en la bioconversión a etanol
(fuente de combustible).
Es un producto secundario de la industria lechera.
La producción anual es de 80 millones de
toneladas. Con un millón de toneladas de lactosa y
0.2 millones de toneladas de proteína de leche.
La lactosa se metaboliza por unos pocos
microorganismos.
Fermentación de penicilina
Producción de:
› Etanol
› ácido láctico
› Goma xanthan
› Vitamina B12
› ácido giberélico
Una mezcla de ambos es más adecuado para las
fermentaciones microbianas.
Su uso depende del precio del petróleo.
Metano es utilizado como fuente de carbono por
pocos microorganismos.
Se prefiere metanol por que presenta menos
problemas técnicos.
Puede mezclarse muy bien con agua.
Posee un alto % de carbono.
Es relativamente barato.
Sólo unos pocos microorganismos pueden utilizarlo.
Los microorganismos sólo toleran una
concentración entre un 0.1 a 1.0% de este alcohol.
Durante la fermentación la demanda de O2 y calor
es alta.
Es menos tóxico que el metanol.
Es usado por mas microorganismos, pero es más
caro como fuente de carbono.
Se utiliza en la biotransformación a ácido acético.
Las grasas animales raramente se usan en los procesos de fermentación.
Los aceites vegetales más usados como fuente de carbono, especialmente en la producción de antibióticos son:
› aceite de algodón
› maíz
› oliva
› coco
› soya
Ocasionalmente se usa aceite de pescado.
Los aceites contienen mas energía por peso si se
comparan con los carbohidratos.
Estos son importantes en las fermentaciones
alimentadas (“fed-batch”), ya que requieren menos
espacio para acomodar otras fuentes de carbono.
La mayoría de los organismos industriales pueden usar fuentes de N2 orgánicas e inorgánicas.
Nitrógeno inorgánico
› sales de amonia
Nitrógeno orgánico
› amino ácidos
› urea
› proteínas
Este es suplido en forma cruda obtenida de
productos secundarios de otras industrias como:
› Extracto de levadura
› Peptonas
› Productos de soya
› Productos de maíz
Esta fuente se obtiene de los desperdicios de las
reposterías y productores de cerveza que utilizan
Saccharomyces cerevisiae.
Fuentes alternas se obtienen de organismos como:
› Kluyveromyces marxianus
› Candida utilis
Este proceso se da a través de autolisis mediante
temperatura y “shock” osmótico.
Las células mueren pero no se inactivan sus
enzimas.
Las células se rompen por plasmólisis o
mecánicamente.
Se controla la temperatura para evitar
desnaturalización de proteínas.
Se remueve la pared celular y otros debris por
filtración y centrifugación.
Se concentra el extracto el cual posee:
› 50 a 60% sólidos
› amino ácidos
› péptidos
› vitaminas
› glucosa
Son muy costosas.
Se preparan por hidrólisis enzimática de materiales altos en proteínas como:
› Carne
› Caseína
› Gelatina
› Queratina
› Maní
› Carne de soya
› Semillas de algodón
Estos residuos se utilizan mayormente en la
producción de antibióticos.
Los remanentes de la habichuela soya se
procesan para extraer:
› 50% proteínas
› 8% de compuestos nitrogenosos no proteícos.
› 30% de carbohidratos
› 1% de aceite
Es un producto de la extracción del almidón
del maíz.
Se usó primeramente en la producción de
penicilina en los años 40.
El extracto contiene:
› nitrógeno
› amino ácidos
› vitaminas
› minerales
Es muy importante en el proceso de
fermentación, ya que es el componente principal
del medio.
En algunos casos provee elementos trazas.
También se utiliza para la limpieza.
Deben removerse microorganismos, particulas,
sales, CO4Ca, Fe y Cl.
Para algunas fermentaciones que incluyen cultivo
de células animales y de plantas debe usarse agua
altamente purificada.
El agua es uno de los compuestos del medio que
está incrementando su costo.
Esta debe reciclarse y rehusarse para abaratar
costos.
Los siguientes minerales son generalmente son
suplidos por el agua:
› Co
› Cu
› Fe
› Mn
› Mb
› Zn
Ocasionalmente deben ser añadidos los siguientes:
› Ca
› Mg
› Fósforo
› K
› A
› Cl
› S
Muchas bacterias pueden sintetizar todas la
vitaminas necesarias a partir de elementos básicos.
Otras bacterias, además de levaduras y hongos
filamentosos necesitan suplementos vitamínicos.
La mayoría de las fuentes de C y N contienen
algunas de las vitaminas requeridas.
Factores de crecimiento, amino ácidos, nucleótidos,
ácidos grasos y esteroles son añadidos en forma
pura o en extractos de animales o plantas.
Para la producción de L-isoleucina se añade D-
treonina.
Para producir L-triptófano se añade ácido
antranílico.
Algunas fermentaciones requieren precursores para
la producción de metabolitos secundarios.
Ejemplos añadidos para la producción de penicilina
lo son:
› Aácido fenilacético
› fenilacetamida
Inductores son necesarios en la fermentación llevada a cabo
por microorganismos modificados genéticamente. Esto se
debe a que los genes envueltos en crecimiento se ven
alterados por los genes clonados que están muy activos en
transcripción y traducción.
Los elicitores se obtienen de varios microorganismos y se
añaden al cultivar células vegetales para la producción de
metabolitos secundarios como flavonoides y terpenoides.
Se utilizan para redirigir el metabolismo a un
producto en particular y reducir la formación de
metabolitos intermedios.
Un ejemplo es el bisulfito de sodio que se usa para
la producción de glicerol mediada por S. cerevisiae.
Estos modifican la membrana celular permitiendo
mas fácilmente la liberación de productos
intracelulares al medio de fermentación.
Ejemplos son surfactantes y penicilinas que se
añaden en fermentaciones ácidas como L-ácido
glutámico.
Se suple en forma de aire que contenga un 21% de
oxígeno.
Cuando los requisitos son altos, se suple como
oxígeno puro.
Antes de añadirse se filtra y esteriliza.
La cantidad de O2 varía dependiendo de la fuente de
C.
Son necesarios para reducir la formación de espuma
durante el proceso de fermentación.
La espuma se forma por la unión de las proteínas del
medio a la interfase hallada entre el aire y el medio.
Si esta no se controla, bloquea los filtros y
compromete la condición aséptica.
Modificando la composición del medio
Uso equipo mecánico para romperlo
Adición de antiespumantes químicos.
Debe:
› ser de bajo costo
› tener acción prolongada
› ser térmicamente estable
› Ser no tóxico a microorganismos, ni a humanos
› poseer alta actividad a concentración baja
Waites, M.J.; Morgan, N.L.; Rockey, J.S. & Higton G. (2001). Industrial
Microbiology, an Introduction. Blackwell Science. 288pp.