Este documento describe el proceso de fermentación industrial. Se lleva a cabo en un biorreactor mediante la transformación de sustratos por acción microbiana en metabolitos y biomasa. El proceso implica el control de factores como el pH, la espuma, el oxígeno y la temperatura. La fermentación puede ser discontinua, alimentada o continua dependiendo del sistema abierto o cerrado.

1. Q.F. Carlos Chinchay Barragán
PROCESO DE
FERMENTACION

2. BIORREACTOR
Un proceso de fermentación se lleva a
cabo en un recipiente llamado
fermentador o biorreactor, mediante el
cual determinados sustratos que
componen el medio de cultivo son
transformados por acción microbiana en
metabolitos y biomasa. El microorganismo
va aumentando en su concentración en el
transcurso del proceso al mismo tiempo
que el medio se va modificando y se
forman productos nuevos como
consecuencia de las actividades
catabólicas y anabólicas.

6. Para el diseño de los
biorreactores se debe
considerar la cinética del
crecimiento de las células
o microorganismos
(biomasa) y la velocidad
de formación de los
productos deseados.

8. Producción industrial: Fermentación
Sustrato
Productos de las Células
Enzimas
(Glucosa
Isomerasa)
Antibióticos
(Penicilina)
Aditivos
Alimenticios
(aminoácidos)
Alcohol
Productos
Químicos
(ácido cítrico)
Células
Levadura

10. Metabolitos Primarios y Secundarios
Sustrato de
crecimiento
Metabolito
Primario
Células
Las células y el metabolito se
producen más o menos
simultáneamente
Sustrato de
crecimiento
Metabolito
Primario
Células
Metabolito
Secundari
o
Después de producidas las células y
el metabolito primario, las células
convierten el metabolito primario en
uno secundario
Sustrato de
crecimiento
Metabolito
Primario
Células
Metabolito
Secundario
Después de producidas las células el
sustrato se convierte en un metabolito
secundario durante un posterior
crecimiento

11. Características de los metabolitos primarios

12. • Específicos de un grupo de organismos
• No esenciales para el crecimiento
• Dependiente de las condiciones de crecimiento
• Puede obtenerse una superproducción
Características de los metabolitos
secundarios

13. Diferencias entre metabolismo
primario y secundario

14. Vía metabólica de metabolitos secundarios con
anillos aromáticos
Glucosa
Eritrosa Fosfoenol-piruvato
3-Desoli-7-fosfo
D-arabinoheptulosonato
Ácido shikímico
Ácido corísmico
Ácido prefénico
Ácido
antranílico
Candicidina
Nistatina
Cloranfenicol
Ansamicina
Rifamicina
Nocardicina
FenilalaninaPolimixina Tirosina Novobiocina
Triptófano
Actinomicina
Piocianina
Metabolito
primario
Metabolito
secundario

16. ESQUEMA DE UN PROCESO INDUSTRIAL

17. 1) Propagación de cultivos, comienza en un tubo de
ensayo o un tubo congelado o liofilizado donde se
conserva la cepa de interés, o de una colonia del
microorganismo previamente seleccionado. Se propaga en
el laboratorio progresivamente aumentando el volumen del
medio de cultivo.
ESQUEMA DE UN PROCESO INDUSTRIAL

18. 2) Fermentación, con el material obtenido
anteriormente, se siembra el tanque de inoculo que
puede tener un volumen de 50, 500 ó 1000 L según
la escala industrial posterior. Del tanque de inoculo
se pasa posteriormente al fermentador industrial
(escalado) cuyo volumen, que varía de acuerdo al
producto a obtener y a su concentración, está
comprendido comúnmente entre 10,000 y 100,000
L.
Es necesario la preparación y esterilización de los
medios.
ESQUEMA DE UN PROCESO INDUSTRIAL

19. 3) Proceso de separación y purificación de los
productos; estas etapas comprenden en forma
general y sucesivamente: a) separación de
insolubles por filtración, centrifugación, o
decantación; b) separaciones primarias por
extracción, absorción, adsorción, ultrafiltración; c)
purificación por extracción líquido-líquido, o
extracción a dos fases acuosas, o cromatografía de
afinidad, y finalmente d) aislamiento del producto.
ESQUEMA DE UN PROCESO INDUSTRIAL

20. 4) Tratamiento de efluentes: si bien no
tiene una relación directa con el
producto, representa una etapa
imprescindible porque es fundamental
controlar la calidad del efluente que
sale de la fábrica y que es enviado
generalmente a un curso de agua, sea
un canal, arroyo, un río o al mar.
ESQUEMA DE UN PROCESO INDUSTRIAL

21. 1.- Fermentación discontinua (en batch)
Se considera un sistema cerrado.
Una fermentación discontinua puede ser considerada como 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.
A lo largo de toda la fermentación no se añade nada, excepto oxígeno (en
forma de aire), un agente antiespumante y ácidos o bases para controlar el
pH.
TIPO DE FERMENTACION

22. 2.- Fermentación alimentada (fed-batch)
Se considera una mejora del proceso cerrado discontinuo.
Una mejora del proceso cerrado discontinuo es la fermentación alimentada que se
utiliza en la producción de sustancias como la penicilina.
En los procesos alimentados, los sustratos se añaden escalonadamente a medida
que progresa la fermentación.
La formación de muchos metabolitos secundarios está sometida a represión
catabólica (efecto glucosa).
Por esta razón en el método alimentado los elementos críticos de la solución de
nutrientes se añaden en pequeñas concentraciones al principio de la fermentación y
continuan añadiéndose a pequeñas dosis durante la fase de producción.
TIPO DE FERMENTACION

23. 3.- Fermentación continua
Se establece un sistema abierto.
la solución nutritiva estéril se añade continuamente al biorreactor y una
cantidad equivalente de solución utilizada de los nutrientes, con los
microorganismos se saca simultáneamente del sistema.
TIPO DE FERMENTACION

24. 1.-PH
2.-ESPUMA
3.-OXÍGENO
4.-TEMPERATURA
5.-REGULACIÓN DE LA FORMACIÓN DE
PRODUCTO.
CONTROL DEL PROCESO

25. • Control necesario para el desarrollo celular y formación de
producto.
• Control de forma indirecta o de forma directa:
• Directamente (Añadiendo agentes tamponantes):
– Fosfato inorgánico pH entre 6.0 y 7.5.
– Ácidos orgánicos pH bajos.
– Carbonato cálcico frente a la producción de ácidos.
– Hidroxisales, amoniaco, ácidos sulfúrico y clorhídrico.
• Indirectamente ( mediante un balance equitativo entre las fuentes
de carbohidrato y nitrógeno).
– Los carbohidratos bajan el pH (formación de ácidos
orgánicos).
– Asimilación del nitrato alcalinidad.
pH

26. • ORIGEN:
Desnaturalización de las proteínas en la
interfase gas- líquido.
• PROBLEMAS:
Ascender hasta ocupar totalmente la cabeza
del fermentador. Evacuar parte del
contenido del aparato por la salida del aire.
• SOLUCIÓN:
Antiespumantes ( agentes tensoactivos que
reducen la tensión superficial de las espumas
hasta dispersarlas ).
Rompedores mecánicos.
ESPUMA

27. • ANTIESPUMANTES:
– Eficacia (Depende de las condiciones de fermentación):
• Composición del medio, cepas microbianas, etapa de crecimiento,
configuración de las vías de aireación y del fermentador.
– Selección y cantidad del antiespumante:
• Procedimientos de ensayo y error.
• Uso de soportes(aceites orgánicos y minerales)
• Cantidad de antiespumante mínima ( afecta a la velocidad de
transferencia de oxígeno hasta u 50%)
• No deben ser tóxicos ni peligrosos, esterilizables por el calor y
baratos.
ANTIESPUMANTES

28. – Requerimientos en procesos aerobios.
– Influencia sobre los procesos metabólicos.
– Velocidad de absorción específica de oxígeno
concentración de oxígeno disuelto
– Antioxidantes como protección del producto.
OXIGENO

29. – Temperatura óptima para la producción
celular o de metabolitos.
– Uso de termostatos
TEMPERATURA