Introduccion A La Fermentacion

INTRODUCCION A LA FERMENTACION

Fermentación Objetivo: Uso controlado de microorganismos seleccionados para modificar la textura de los alimentos, conservarlos o producir ácidos o alcohol y desarrollar en ellos aromas y sabores que aumenten su calidad y valor nutritivo. El efecto conservador se puede complementar con refrigeración, pasteurización o envasado.

Ventajas :  Condiciones suaves de operación (pH y T)  Obtención de texturas y aromas imposibles de obtener de otro modo  Bajos gastos de instalación y funcionamiento (Bajo consumo energético)  Tecnología relativamente sencilla

HISTORIA Louis Pasteur (1857), relaciono la levadura en los procesos de fermentación y definió a la fermentación como la respiración sin aire. Pasteur concluyó: "Yo soy de la opinión de que la fermentación alcohólica nunca se produce sin el desarrollo y la multiplicación de las células .... Si preguntan, ¿en qué consiste el proceso mediante el cual se descompone el azúcar ... Yo soy completamente ignorante de ello. "  Eduard Buchner (galardonado con el Premio Nobel de Química 1907), determinó que la fermentación es en realidad causada por una secreción de la levadura que él llamó zimasa.

¿Qué es la Biotecnología? La biotecnología es el empleo de organismos vivos para la obtención de un bien o servicio útil para el hombre Biotecnología tradicional

Empleo de organismos para la obtención de un producto útil para la industria. Biotecnología moderna Emplea técnicas de ingeniería genética para modificar y transferir genes de un organismo a otro.

La biotecnología es el empleo de organismos vivos para la obtención de un bien o servicio útil para el hombre, e incluye la producción de proteínas recombinantes, el mejoramiento de cultivos vegetales y del ganado; y el empleo de organismos para producir alimentos.

Alimentos Fermentados  Sometidos

a la acción de microorganismos o enzimas, con el fin de producir un cambio deseable.  Numerosos productos alimenticios deben su producción y características a las actividades de los microorganismos fermentativos.  Los alimentos fermentados se originó hace miles de años atrás, cuando presuntamente microorganismo contamina los alimentos locales

Los microorganismos producen cambios en los alimentos que contribuyen: Conservación de los alimentos, Extender la vida útil considerablemente más que de las materias primas de las que están hechas, Mejorar aroma y características de sabor, Aumentar su contenido en vitaminas o su digestibilidad en comparación con las materias primas.

El término " biological ennoblement" se ha utilizado para describir los beneficios nutricionales de los alimentos fermentados.

 Los alimentos fermentados comprenden aproximadamente un tercio del consumo mundial de alimentos y 20 a 40% (en peso) de las dietas individuales.

BENEFICIOS Propiedades digestivas Por lo general, los alimentos fermentados poseen cualidades tonificantes del sistema digestivo, a lo cual se le suma el hecho de que mediante este proceso, los alimentos cobran un estado de semidigestión, que facilita el trabajo del estómago y los intestinos a la hora de procesar estos alimentos. Flora intestinal Cuando la flora intestinal se ve reducida por algún motivo, pueden desarrollarse problemas como estreñimiento, alergias, intolerancia a determinados compuestos, intestino o colon irritable e incluso infecciones. En estos casos, los alimentos fermentados son una buena forma de equilibrar las bacterias intestinales y tratar o prevenir estos problemas.

Mayor valor vitamínico

La fermentación de algunos alimentos produce un incremento en el contenido vitamínico. En el caso de la leche, se elevan las cantidades de folato, vitamina B, riboflavina y biotina, pero esto varia con cada alimento y según las bacterias actuantes. Mejora la absorción de nutrientes Como sabes, no todos los nutrientes que consumimos son absorbidos por el organismo, lo cual puede suceder en mayor o menor grado. Pero para posibilitar que la mayor cantidad posible de nutrientes sean utilizados por el cuerpo tras cada comida, pueden utilizarse los alimentos fermentados para mejorar la absorción.

FERMENTACION INDUSTRIAL Proceso realizado en un fermentador o biorreactor, mediante el cual determinados sustratos que componen el medio de cultivo son transformados por acción microbiana en metabolitos y biomasa. Fermentación Anaerobia:

NITRÓGENO

Medios: - M. Sintéticos: quimicamente definidos. - M. Complejos: Origen animal o vegetal como peptonas, extracto de levadura, macerado de maíz, extracto de soja. Quimicamente indefinidos y de composición variable. Componentes: - Macronutrientes: Fuentes de C, N, S, P, K y Mg, en g/l. - Micronutrientes: Elementos traza. Sales de Fe, Mn, Ca, Zn, Co, en mg/l. - Factores de Crecimiento:vitaminas, aminoácidos, acidos grasos, etc.

Medio de Cultivo: Conjunto de nutrientes, factores de crecimiento y otros componentes que crean las condiciones necesarias para el desarrollo de los microorganismos. Diversidad metabólica

Diversidad de medios

Esterilizacion: autoclave o filtración (termolábiles)

Constituyentes:         

Agar: Ag solidificante. Polisacárido de algas marinas. Las bacterias no lo degradan. Azúcares: Fuente de C, glucosa, lactosa, sacarosa. Extractos: Preparados de órganos o tejidos animales o vegetales, extracto de carne, levadura. Preparados con agua y calor Peptonas:Proteínas hidrolizadas, obtenidas por digestion química o enzimáticas de proteinas animalers o vegetales. Fluidos: Sangre, plasma o suero. Se añaden a otros medios. Amortiguadores: Sales para mentener el pH en rangos òptimos. Fosfátos de Na y K. Indicadores de pH: Indicadores acido-base añadidos para detectar el cambio de pH. Agentes Reductores: Sustancias para crear condiciones apropiadas. Cisteína, tioglicolato. Agentes Selectivos: A determinadas concentraciones seleccionan microorganismos. Cristal violeta, sales biliares.

Tipos de medios de cultivo. Por su consistencia: - Sólidos: Contienen agente gelificante (agar). Petri o Slant - Líquidos: Caldos. Se preparan en tubos y matraces. Por su composición: - Medios Generales: Desarrollo de gran variedad de MO. - Medios de Enriquecimiento: Favorecen el desarrollo de determinado grupo de MO. - Medios Selectivos: Crecimiento de un tipo de MO e inhiben el desarrollo de los demás. - Medios Diferenciales: Énfasis en alguna propiedad que un determinado MO posee.

Diseño del Medio



Elegir los componentes necesarios para lograr el crecimiento y formación de productos en el proceso.  Conocer los proceso y operaciones previos y conocer los mecanismos bioquímicos que regulan la formación de productos.

Requerimientos Nutricionales: Tipo de metabolismo celular:  Autótrofos: Algas, bacterias que obtienen C del CO2  Heterótrofos:

Requieren compuestos orgánicos como fuente de C.

Condiciones de Cultivo:  Aerobio: oxigeno como aceptor de electrones  Anaerobio: N, SO4, NO3 como aceptor de electrones.

Fuentes de nitrógeno: Inorgánica u Orgánica, síntesis de proteínas, ácidos nucleicos, pared celular Macronutrientes: P y S en forma de PO4 y SO4, para formar ADN, ARN, , aminoácidos azufrados. K y Mg, ligados al RNA. K actúa como coenzima y Mg es estabilizador de organelos y es cofactor. Micronutrientes: - Esenciales: Ca, Mn, Fe, Cop, Cu, Zn. - Poco esenciales: Na, Al, Si, Cl, Cr, Ni, Se, Mo Difíciles de cuantificar y sus requerimientos aumentan cuando el cultivo se somete a “stress”. Factores de crecimiento: Aminoácidos, tiamina, riboflavina, niacina; la mayoría son constituyentes de coenzimas

Disponibilidad de los Componentes: 

Componentes susceptibles de ser usados por la célula.

 Concentración de iones metálicos modificada por quelación, para

controlar el fenómenos se usa agentes quelantes, EDTA.  Se debe tener en cuenta la naturaleza de los compuestos orgánicos

que pueden actuar como ligandos y sobre todo del ion metálico considerado, es necesario controlar su concentración.

Materias Primas: 

Se debe considerar costos, disponibilidad y estabilidad en su composición química.



Las materias primas fundamentales son las fuentes de C y N.

Formulación. Se refiere a los aspectos cuantitativos de los medios. Tener una aproximación a la composición de la biomasa del microorganismo. Una composición elemental en peso seco es: -

Carbono: Nitrógeno: Fósforo: Azufre: Mg:

46 – 48% 7-12 1–3 0.5 – 1 0.5 – 1

COMPONENTE

ELEMENTO/FUNCION

MASA. gr

Glucosa NH4Cl KH2PO4

C, energía N P+K

22.7 4.37 1.13

MgSO4.7H2O CaCl2.2H2O FeSO4.7H2O MnS.4H2O ZnSO4.7H2O CuSO4.5H2O CoCl2.6H2O EDTA Agua destilada

S + Mg Ca Fe Mn Zn Cu Co Quelante

0.232 0.011 0.007 0.002 0.002 0.0004 0.0004 0.394 1 ml

Composición de medio mínimo para Klebsiella aerogens

CINETICA DEL CRECIMIENTO MICROBIANO 5

6

4

Log X 2

3

1

T

Microbiología Industrial  Parte de la Microbiología que se ocupa de las

aplicaciones industriales de los microorganismos.  También son los procesos industriales catalíticos

basados en el uso de microorganismos.

Generalidades de la Fermentación. Fermentación: Proceso realizado en un fermentador o biorreactor, mediante el cual determinados sustratos que componen el medio de cultivo son transformados por acción microbiana en metabolitos y biomasa. Microorganismo Medio

Aumenta concentración. Se va modificando

Resultado….. Formación de de nuevos productos como consecuencia del metabolismo.

Influencia de los Efectores Comportamiento de microorganismo es el resultado de la interacción entre el MO y el medio ambiente por los efectores: internos y externos. Efectores Internos --------- Dotación genética Efectores Externos -------- Expresión fenotípica

METABOLITOS PRIMARIOS: moléculas de bajo peso molecular que intervienen, como productos finales o intermediarios, en las distintas rutas metabólicas. Los más importantes desde el punto de vista industrial son los aminoácidos, nucleótidos, vitaminas, ácidos orgánicos y alcoholes.

METABOLITOS SECUNDARIOS: moléculas sintetizadas por determinados microorganismos, normalmente en una fase tardía de su ciclo de crecimiento. antibióticos, ciertas toxinas (micotoxinas), alcaloides (ácido lisérgico), factores de crecimiento vegetal (giberelinas) y pigmentos.

Efectores Internos (Dotación genética)

Efectores Químicos

Expresión

Producto (metabolitos)

(nutrientes)

Efectores Físicos (temperatura, agitación, viscosidad, etc.)

Selección, Mantenimiento y Mejoramiento de MO.

SELECCIÓN: - Cepa genéticamente estable. - Velocidad de crecimiento alta. - Cepa libre de contaminantes - Requerimientos nutricionales bajos. - Fácil conservación por periodos largos de tiempo - Fermentación completa en corto tiempo. - Alto rendimiento de producto y de fácil extracción

AISLAMIENTO: a)

A. Directo: El medio debe permitir una expresión máxima del material genético. Por ejm. Aislamiento en función de halos de inhibición

b)

Enriquecimiento del cultivo: Consiste en incrementar en una población mixta el número de organismos de interés. Realizar subcultivos y evaluar la velocidad específica de crecimiento (µ)

µ

S

Porque y para que conservar los cultivos?  El cultivo (cepa microbiana o viral, línea celular,

etc), es el elemento vital de la investigación o producción industrial  Conservar

implica mantener la viabilidad y propiedades genéticas del cultivo durante un determinado período de tiempo

 Consecuencias de una adecuada conservación:

estabilidad de las cepas de producción, pureza, reproductibilidad de la investigación. Reposición

Conservación de cultivos  Espacio físico e infraestrutura  Personal capacitado  Recursos económicos

Inversión

Potencial limitación de los métodos para conservar

Daño económico Pérdida del cultivo

Potenciales ventajas del depósito de material biológico Patente Conveniencia centralizado

logística

del

almacenamiento

Seguridad de abastecimiento del material ante pérdidas eventuales Adecuada información de los riesgos ambientales y para la salud Seguridad en la conservación

Esquema del proceso de conservación y sus etapas críticas

Aislamiento primario

Microorganismo viable (genética/fenotípo)

cultivo

Tipo de propágulo Estado fisiológico

Reactivación

1

3

Almacenamiento

Proceso de conservación

2

Métodos de conservación de cultivos 1. con crecimiento transferencia seriada

2. con metabolismo limitado agua destilada bajo aceite mineral (control por O2)

3. con metabolismo detenido 3.1 Congelamiento (crioconservación) 3.2 Deshidratación L-drying: secado desde la fase líquida, silicagel, celulosa (papel), suelo, perlas de porcelana

Liofilización (freeze-drying)

Comparación de algunos métodos de preservación Almacenamient o (años)

Ventajas

Desventajas

Agar

0.5-2

Simple, bajo costo, equipamiento requerido bajo

Secado del agar, baja estabilidad genética, riesgo contaminación

Aceite mineral

2-20

bajo costo, equipamiento requerido bajo

trabajo moderado, baja estabilidad genética

Método

Congelamiento

4-5

Equipamiento requerido bajo, buena estabilidad genética

Requiere protectores, Alto costo de freezer (-80ºC). Células pueden ser sensibles al O2

N líquido

infinito

Preparación rápida, buena estabilidad genética

Suministro regular de N líquido

Liofilización

15-20

Bajo riesgo de contaminación, buena a regular estabilidad genética

Alto costo de equipamiento

Agua

1-5

Simple , bajo costo, bajo equipamiento requerido

Estabilidad genética regular

L-drying

3-10

Simple , bajo costo, bajo equipamiento requerido

estabilidad genética?

AREA Salud

MICROORGANISMOS

PRODUCTOS

Clostridium, Vacunas, vitaminas, Penicillium, Bacillus….. penicilina - antibióticos, …. Saccharomyces, Lactobacillus, Penicillium

Levadura, yoghurt, vino, cerveza, vinagre….

Producción Vegetal

Rhizobium, Giberella

Bioinsecticidas, ácido giberélico, inoculantes

Producción Animal

Candida, Aspergillus, Salmonella….

Proteína unicelular, vacunas

Insumos Industriales

Xanthomonas, Saccharomyces, Clostridium…

Etanol, enzimas, acid. Orgánicos, biopolímeros, acetona.

Acidithiobacillus, Pseudomonas…..

Biolixiviación, biooxidación

Aerobios sp, anaerobios sp…

Biorremediación de efluentes

Alimentos

Minería Servicios