Fermentación Continua en la Microbiología Industrial.docx

Fermentación Continua: beneficios, usos y desventajas

Desde hace un par de décadas la biotecnología, y con ella los bioprocesos han logrado posicionarse como unas de las principales técnicas para la obtención de diversos productos a nivel industrial; células, metabolitos y enzimas para la producción de alimentos, medicamentos, combustibles y más, pueden ser  obtenidos a través del desarrollo de estos procedimientos. Un bioproceso se refiere al conjunto de técnicas que emplean organismos vivos para obtener o modificar diferentes productos. A su vez estas técnicas generalmente consisten en procesos de fermentación, los cuales consisten en la transformación por acción microbiana de determinados sustratos de un medio de cultivo en diversos productos, que pueden ser obtenidos mediante el crecimiento controlado de células en recipientes denominados biorreactores (Ertola, et al ; 1994). Para la implementación de estos biorreactores y así llevar a cabo esos bioprocesos, se han desarrollado diferentes tipos de operaciones que pueden influir de cierta manera en los procesos de fermentación y por lo tanto en el producto final. Estas operaciones permiten clasificar los procesos de fermentación industrial y se refieren a la adición y salida de sustrato que necesitan las células microbianas para poder llevar a cabo esa fermentación para obtener así el producto que se está buscando. Una de estas operaciones es denominada fermentación continua; la cual consiste en un sistema abierto en el que una solución nutritiva estéril (sustrato) se añade continuamente al biorreactor y una cantidad equivalente de solución utilizada de los nutrientes, con los microorganismos, se saca simultáneamente del sistema (Crueger, 1997). Contrario a esta, en los otros tipos de fermentación el sustrato sólo se añade al inicio del proceso (fermentación batch o discontinua), o puede ser agregado pero no retirado durante el proceso (fermentación fed-batch o discontinua alimentada). ¿Puede esta diferencia en el procedimiento significar alguna ventaja para la fermentación continua?  A comparación comparación de las demás fermentaciones fermentaciones en donde la detención detención del crecimiento se debe al agotamiento del sustrato; en lugar de la acumulación de

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metabolitos tóxicos, en la fermentación continua la fase exponencial de crecimiento puede prolongarse por la adición de nuevo sustrato al medio, y así evitar la aparición de este tipo de metabolitos (Ramírez y Pedroza, 2001). Este tipo de fermentación se usa ampliamente en la elaboración y obtención de una serie de

productos, entre los los más importantes se encuentran la cerveza y el

etanol; pero también se pueden obtener una serie de sustancias como acetona, ácido acético, ácido cítrico, ácido láctico, ácido glucónico, antibióticos como estreptomicina y penicilina, penicilinasa, butanodiol, proteína unicelular, celulasa y vitamina B12 (Hernández, et al ; 2003). Por mencionar algunos ejemplos, en la producción de antibióticos se busca conseguir un intenso crecimiento y multiplicación de los microorganismos desde su siembra, por ello la disolución con el sustrato debe contener una cantidad de microorganismos relativamente grande. Para este tipo de producción el cultivo y la multiplicación de los microrganismos debe realizarse en varias etapas desde la fase de cultivo inicial pasando por varios prefermentadores hasta el fermentador  final de producción de la siguiente manera: cultivo superficial, cultivos sumergidos, cultivo en prefermentador y cultivo en fermentador final. Durante la etapa de fermentación final se añaden al medio de cultivo, además de disolución nutritiva nueva y estéril (la misma cantidad que se extrae del fermentador), sustancias precursoras, las cuales necesitan los microorganismos para formar el producto de fermentación deseado (Hopp, 2005). El empleo de un proceso continuo en la producción de antibióticos además de que permite que los volúmenes de producción por unidad instalada sean muy superiores, permite una versatilidad inherente de operación, en el cual todos los parámetros (concentración microbiana velocidad de crecimiento, concentración de sustratos y productos) pueden ser  controlados indefinidamente (Mönckeberg, 1988). En la producción de biomasa, metabolitos primarios o secundarios de alto valor 

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aunque suelan presentar ciertos inconvenientes. Los cultivos continuos para microalgas presentan excelentes resultados, tanto para la producción de biomasa, como para la obtención de otros metabolitos como carotenoides, favoreciendo la síntesis en cultivos jóvenes generalmente (Salazar, 2005). Esto se debe principalmente a que en los cultivos continuos pueden controlarse y mantenerse aquella velocidad específica de crecimiento donde el microorganismo produzca la mayor cantidad de aquel metabolito que se desea obtener. Uno de los procesos más empleados en la actualidad en donde se utiliza un sistema continuo de fermentación es la producción de alcoholes (bioetanol principalmente), aquí; posterior a que el microorganismo se ha ha establecido en el fermentador el ingreso de la disolución nutritiva nueva y estéril se hace cuidadosamente, tratando de ir restituyendo los azúcares en la medida que son consumidos en el medio cuidando a su vez variables como el pH y la temperatura con ello se asegura asegura que la concentración concentración del medio se cuide de no sobrepasar un valor determinado para evitar un estrés por la presión osmótica excesiva. El proceso de fermentación continua empleado en los procesos de producción de alcoholes se implementan con el fin de reducir principalmente los tiempos muertos que se plantean en los demás tipos de fermentaciones, como el lavado del fermentador, tiempo de espera de arranque de la fermentación, tiempo de llenado del fermentador, tiempo de vaciado entre otros (Tabacal Agroindustria, 2012). Teniendo en cuenta los ejemplos mencionados, dentro de las ventajas que ofrecen los procesos de fermentación continua se pueden mencionar: la reducción del tiempo del proceso; menor consumo de espacio debido a que las plantas pueden ser más pequeñas; reducción en costos de limpieza (detergentes, desinfectantes y cantidad de aguas residuales); aumento en la productividad y el logro de una calidad constante en el producto final. Además, la fermentación continua permite que se den tasas de conversión más altas, mayores velocidades en la tasa de

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Sin embargo, la principal desventaja que presenta la fermentación continua es que muy pocos sistemas de este tipo se han implementado a escala industrial (Verbelen, et al ., ., 2006).

Esto puede deberse a que en este sistema de

fermentación cada línea de producción sólo puede desarrollar un tipo de producto; se necesita personal mejor calificado así como una mejor y constante calidad en la materia prima; y además existe un mayor riesgo de mutaciones de los microorganismos debido al envejecimiento y largos periodos de estrés (Müller Aufferman  Aufferman y Jacob, 2012). Entre otras desventaja desventajas s que exhibe el sistema continuo continuo está que este presenta un mayor riesgo de contaminación, debido principalmente a la entrada de nuevo sustrato, requiriendo mayor esterilidad en el proceso, lo cual incrementa los costos. Por otra parte cualquier falla en el equipo, aunque sea momentánea, puede desestabilizar el proceso y echar a perder la elaboración del compuesto de interés (Hernández, 2007; Hernández, et al ; 2003). Los procesos de la microbiología industrial no son rutinarios y por tanto existe una constante búsqueda de las metodologías más aptas para obtener siempre una mejor producción y que aumenten los beneficios de las empresas. Igualmente, en los procesos de fermentación se busca un mejor aprovechamiento de los sistemas existentes, siendo el sistema continuo uno de los que mayor beneficio y ventajas provee. Sin embargo, aunque los sistemas de fermentación continua sí presenten evidentes ventajas frente a los otros sistemas, siempre será necesario tener en cuenta los pros y los contras que cada uno de estos puede presentar teniendo en cuenta el producto que se va a buscar y los microorganismos que se utilizarán para la producción.

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Referencias Crueger, W., Crueger, A. 1997. Biotecnología: Manual de Microbiología Industrial. Editorial  Acribia. Zaragoza, Zaragoza, España. España. Ertola, R., Yantomo, P., Mignone, C. 1994.  Aspectos generales generales de los procesos de fermentación en “Microbiología Industrial”. Organización de Estados Americanos OEA, Programa Regional de Desarrollo Científico y Tecnológico. Disponible en: http://www.science.oas.org/Simbio/mbio_ind/mbio_ind.htm Hernández, Hernández, A. Alfaro, I. Arrieta, R. 2003. Microbiología Microbiología industrial. Editorial: EUNED, Costa Rica. Hernández, M. 2007, Noviembre. Tendencias actuales en la producción de bioetanol. Conferencia dictada en la Facultad de Ingeniería - TEC Landívar, Universidad Rafael Landívar, Guatemala. Hoop, V. 2005. Fundamentos de tecnología química. Editorial Reverté, España. Mönckeberg, F. 1988. Producción microbiana industrial: Fermentación. Disponible en: http://www.creces.cl/new/index.asp?tc=1&nc=5&imat=&art=175&pr=

Müller-Aufferman, K., Jacob, F. 2012. Process and plant for the continuous fermentation. Memorias Simposio “From Chiller to Filler”. Technische Tech nische Universitat München, Alemania. Ramírez, G. Pedroza, J. 2001. Desarrollo de una fermentación alcohólica a pH regulado y temperatura de 25°C en el biorreactor Bioflo 3000 M1227 y estudio inicial de fermentaciones en sistema continuo. Tesis de grado. Universidad de la Sabana. Bogotá D.C Salazar, M. Monroy, O. Beristain, R. Cuevas, F. Mendoza, C. 2005. Cultivo continuo de Haematococcus pluvialis en quimiostato. Universidad Autonoma Metropolitana, Iztapalapa, D.F. Tabacal agroindustria. 2012. Elaboración de alcohol etílico. Buenos Aires, Argentina. Disponible en: http://www.tabacal.com.ar/web/files/ELABORACION_ALCOHOL.pdf  Verbelen, P., De Schutter, D., Delvaux, F., Verstrepen, K., Delvaux, FR. 2006. Immobilized yeast cell systems for continuous fermentation applications. Biotechnol Lett 28:1515 –1525  –1525