PROCESOS DE FERMENTACI

1
PROCESOS DE FERMENTACIÓN
2
ÍNDICE

• 1.- INTRODUCCIÓN.
• 2.- MATERIAS PRIMAS Y MEDIOS DE CULTIVO.
• 4.- CINÉTICA DE LAS REACCIONES.
• 5.- SISTEMAS DE FERMENTACIÓN.

3
1.- Introducción.
4
1.- INTRODUCCIÓN.

• 1.1.- Concepto de fermentación.
• 1.2.- Importancia de la fermentación en la
  biotecnología alimentaria.
• 1.3.- Ejemplos.

5
1.1.-Concepto de fermentación

• Proceso de fermentación

MICROORGANISMOS Bacterias, levaduras , hongos
MICROORGANISMO
MEDIO DE CULTIVO
CO2
CONDICIONES AMBIENTALES
PRODUCTO Intra o extra celular
6
1.2.- Importancia de la fermentación en la
biotecnología.

• Procesos de fermentación en alimentos
• Naturales o espontáneas (fermentación del
  cacao,ensilado, pozol).
• Inoculadas ( vino, yogurt, tempeh).
• Procesos de fermentación en medios de cultivo
• Producción de biomasa (proteína unicelular,
  levadura de pan, levadura de cerveza).
• Obtención de metabolitos primarios ( alcohol,
  ácidos orgánicos) y secundarios ( enzimas,
  polisacáridos).

7
1.3.- Ejemplos.(I)

• TIPOS DE FERMENTACIÓN DE VARIOS MICROORGANISMOS

8
1.3.- Ejemplos.(II)

• Fermentación etílica
• Se transforman los azúcares de las uva en etanol,
  debido a la acción de las levaduras.

9
1.3.- Ejemplos.(III)

• Levaduras saccharomyces cerevisiae (principales
  responsables de la fermentación alcohólica)

10
1.3.- Ejemplos.(IV)

• Fermentación láctica

11
2.- Materias primas ymedios de cultivo.
12
2.- MATERIAS PRIMAS y MEDIOS DE CULTIVO.

• 2.1.- Criterios utilizados en la
  formulación del medio.
• 2.2.- Preparación del sustrato.
• 2.3.- Medios de fermentación microbiana.
• 2.4.- Medios de cultivo de células animales.
• 2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento de
  células vegetales.
• 2.6.- Mantenimiento y esterilización.

13
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(I)

• CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIOS DE CULTIVO
• Contener los elementos para la síntesis celular y
  para la formación de producto
• Medio ambiente favorable para el crecimiento y/o
  formación del producto.
• Económicamente rentable.
• Máxima producción.
• Adaptación constante al proceso de fermentación.

14
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(II)

• Recuperación del producto.
• Eliminación de la represión catabólica.
• Materiales de fácil disposición en cantidad
  suficiente.
• Bajos costes de transporte.
• Impedir que las impurezas dificulten la
  recuperación de producto.

15
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(III)

• INFLUENCIAS DEL MEDIO
• 1.- En el crecimiento celular.
• 2.- En el procesado posterior.
• 3.- En la fisiología y morfología de los
  microorganismos.

16
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(IV)

• 1.- INFLUENCIA DEL MEDIO EN EL CRECIMIENTO
  CELULAR.
• Los microorganismos necesitan

Carbono Nitrógeno Minerales Factores de
crecimiento Agua Oxígeno(aerobios)
Biomasa Biosíntesis y mantenimiento celular
Microorganismos
Condiciones medioambientales pH, Temperatura...
17
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(IV)
18
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(V)

• Elementos en el medioSimilar a la composición
  elemental de los microorganismos.
• La cantidad de carbono necesaria en condiciones
  aerobias, se determina por el coef. de
  rendimiento de biomasa
• Factores de crecimiento aminoácidos, vitaminas o
  nucleótidos.(Por necesidad p para aumentar la
  velocidad de crecimiento)

19
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(VI)

• 2.- INFLUENCIA EN EL PROCESADO POSTERIOR
• Subproductos proceso de recuperación
  más caro y complejo. (Procesos de purificación
  de productos y tratamiento de desechos).
• Necesidad de adicionar antiespumantes
  Problemas en el procesado de productos asociados
  con el crecimiento microiano

20
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(VII)

• 3.- INFLUENCIA DEL MEDIO EN LA FISIOLOGÍA Y
  MORFOLOGÍA DE LOS MICROORGANISMOS.
• Las condiciones relacionadas con el medio que han
  demostrado tener influencia en la morfología

Cationes divalentes
pH
Viscosidad
Morfología
Agentes quelantes
Polímeros anióticos
Presencia de sólidos
Agentes tensoactivos
21
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(VIII)

• PHLas hifas del P. Chrysogenum se vuelven más
  cortas y gruesas a medida que el pH es más
  alcalino, forman gránulos.

22
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(IX)

• CATIONES DIVALENTES inducen el crecimiento en
  forma de gránulos, sus efectos pueden
  contrarrestarse con AGENTES QUELANTES.
• La presencia de cationes influye en la
  floculación de las levaduras (importante en su
  sedimentación y eliminación en la producción de
  bebidas alcohólicas no destiladas).
• El manganeso afecta a la composición celular de
  la pared celular de A. Niger.
• AGENTES TENSOACTIVOS Algunos aumentan la
  velocidad de secrección de los enzimas
  microbianos extracelular.
• NITRÓGENO niveles bajos inducen la formación
  de esporas.
• AMINOÁCIDOS niveles elevados inhiben la
  formación de esporas.

23
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(X)

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

24
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(XI)

• 1.-PH
• 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.
• DESVENTAJAS Efectos represivos sobre la
  formación del producto.

25
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(XII)

• 2.- ESPUMA
• 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.

26
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(XIII)

• 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.

27
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(XIV)

• 3.- OXÍGENO.
• Requerimientos en procesos aerobios.
• Influencia sobre los procesos metabólicos.
• Velocidad de absorción específica de oxígeno
  concentración de oxígeno disuelto
• Antioxidantes como protección del producto.

28
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(XV)

• 4.-TEMPERATURA
• Temperatura óptima para la producción celular o
  de metabolitos.
• Uso de termostatos

29
2.1.- Criterios utilizados en la formulación del
medio.(XVI)

• 5.-REGULACIÓN DE LA FORMACIÓN DEL PRODUCTO.
• PERCUSORES
• INDUCTORES
• incorporarse al medio el inductor específico
• mediante adiciones continuas o discontinuas
• INHIBIDORES
• minimizar la formación de otros intermedios
  metabólicos.
• Prevenir el metabolismo posterior al producto
  deseado
• Ejemplos
• Fuente de N utilizable rápidamente inhibe la
  producción de algunos antibióticos.
• El ácido fenilacético es el ppal percusor en la
  producción de bencilpenicilina por fermentación.

30
2.- MATERIAS PRIMAS y MEDIOS DE CULTIVO.

• 2.1.- Criterios utilizados en la
  formulación del medio.
• 2.2.- Preparación del sustrato.
• 2.3.- Medios de fermentación microbiana.
• 2.4.- Medios de cultivo de células animales.
• 2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento de
  células vegetales.
• 2.6.- Mantenimiento y esterilización.

31
2.2.-Preparación del sustrato.

• OBJETIVOS
• Evitar el desarrollo de patógenos y alterantes
  para prolongar la vida del alimento.
• Favorecer el desarrollo de los microorganismos
  deseados.
• Hacer accesible el sustrato a los microorganismos
  que deben llevar a cabo la transformación.
• Mejorar la textura, el aroma o el sabor del
  producto final.
• EJEMPLOS
• Adición de proteínas durante la fabricación del
  yogurt.
• Prensado de la uva( se favorece el acceso al
  sustrato).

32
2.- MATERIAS PRIMAS y MEDIOS DE CULTIVO.

• 2.1.- Criterios utilizados en la
  formulación del medio.
• 2.2.- Preparación del sustrato.
• 2.3.- Medios de fermentación microbiana.
• 2.4.- Medios de cultivo de células animales.
• 2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento de
  células vegetales.
• 2.6.- Mantenimiento y esterilización.

33
2.3.-Medios de fermentación microbiana.( I )

• Los compuestos petroquímicos ( hidrocarburos,
  alcoholes y ácidos) Cuando el petróleo
  era barato no mucha extensión.
• En la actualidad materias primas renovables que
  contienen azúcar y almidón y menos grasas y
  aceites.
• Futuro los productos de la hidrólisis de la
  lignocelulosa las materias primas más importantes
  en los procesos de la fermentación .( La
  lignocelulora representa el 50 de la producción
  anual mundial de biomasa).

34
2.3.-Medios de fermentación microbiana.( II )

• CARBOHIDRATOS
• ALMIDÓN es el más importante actualmente .
• En forma de granos o raices, enteros o molidos,
  de plantas como el maíz, arroz, trigo , patatas y
  mandioc como almidón purificado, modificado o
  como dextrinas.
• CELULOSA
• Presente en la madera combinado con la
  hemicelulosa y la lignina en forma de
  lignocelulosa
• La lignina hace a la celulosa resistente al
  ataque microbiano
  No son rentables los métodos químicos y
  enzimáticos que convierten la lignocelulosa en
  azúcares fermentables. ( Para obtener champiñones
  y substrato para producir enzimas celulolíticas)
  

35
2.3.-Medios de fermentación microbiana.( III )

• SACAROSA
• En forma cristalina o en forma bruta como zumos
  o melazas ( subproducto de la manufactura de
  azúcares más barato varía su
  composición , causando problemas en la
  reproductibilidad de la fermentación).
• LACTOSA
• En el suero de la leche ( 4 al 5).
• La baja concentración, , caro su transporte.Solo
  se utiliza en lugares próximos a la factoría de
  quesos proveedora.
• GLUCOSA
• Se obtiene a partir de la conversión enzimática
  directa del almidón.
• Glucosa refinada, en forma de jarabe o cristalina
  para productos de mayor valor.
• ACEITES VEGETALES ( de soja, palma y semillas de
  algodón como complemento delos carbohidratos),
  METANOL, ETANOL......

36
2.3.-Medios de fermentación microbiana.( IV )

• NITRÓGENO
• Fuentes amoniaco, nitratos, urea, y el nitrógeno
  presente en los cereales y raíces y sus
  subproductos.
• Los aminoácidos purificados como
  percusores.
• SUBSTRATOS COMPLEJOS
• Son una fuente barata de carbono, nitrógeno y
  otros nutrientes.
• Presentes en plantas enteras y subproductos
  vegetales, animales y microbianos.

37
2.3.-Medios de fermentación microbiana.( V )

• Substratos complejos utilizados en los medios de
  fermentación microbiana.

38
2.- MATERIAS PRIMAS y MEDIOS DE CULTIVO.

• 2.1.- Criterios utilizados en la
  formulación del medio.
• 2.2.- Preparación del sustrato.
• 2.3.- Medios de fermentación microbiana.
• 2.4.- Medios de cultivo de células animales.
• 2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento de
  células vegetales.
• 2.6.- Mantenimiento y esterilización.

39
2.4.-Medios de cultivo de células animales.(I)

• SUEROS UTILIZADOS
• Suero fetal de ternera como medio de cultivo de
  células de mamífero .
• INCONVENIENTES Existencias limitadas y alto
  precio.
• Sueros de ternera, ternera recién nacida y
  caballo.
• FORMAS DE UTILIZAR LOS SUEROS
• Suero entre un 5-10 del volumen del medio de
  cultivo, puede reducirse al 1-2.

40
2.4.-Medios de cultivo de células animales.(II)

• FUNCIONES DEL SUERO EN LOS MEDIOS DE CULTIVO.
• Proporciona hormonas y factores de crecimiento
  necesarios para la función celular.
• Suministra los factores necesarios para la unión
  al soporte.
• Actúa como agente tamponante.
• Se une e inactiva o secuestra compuestos tóxicos.
• Contienen proteínas ligadoras que estabilizan y/o
  transportan nutrientes y hormonas a la célula.
• Suministra nutrientes para el metabolismo de la
  célula.
• Contiene inhibidores de proteasas.
• Contiene elementos traza ( Selenio..)

41
2.4.-Medios de cultivo de células animales.(III)

• TIPOS DE MEDIOS DE CULTIVO
• BASALES Y BME (medio basal de Eagle), muy usado
  en el cultivo de células de mamífero( especie
  humana, bovina, equina...)
• Tiene concentraciones elevadas de los nutrientes
  más comunes.
• Ideales para estimular la proliferación.
• SUPLEMENTADOS CON NUTRIENTES INTERMEDIOS
• Para el crecimiento de células de mamíferos
  secundarios y de líneas celulares inmortales.
• QUIMICAMENTE DEFINIDOS (medios sin suero)
• Para que los científicos investiguen los
  procesos en cultivos celulares con el mínimo de
  influencias extrañas.
• Fácil aislamiento y purificación de productos .

42
2.- MATERIAS PRIMAS y MEDIOS DE CULTIVO.

• 2.1.- Criterios utilizados en la
  formulación del medio.
• 2.2.- Preparación del sustrato.
• 2.3.- Medios de fermentación microbiana.
• 2.4.- Medios de cultivo de células animales.
• 2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento de
  células vegetales.
• 2.6.- Mantenimiento y esterilización.

43
2.5.-Medios de cultivo de células vegetales.(I)

• COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS MEDIOS DE CULTIVO DE
  CÉLULAS VEGETALES
• Fuente de carbono orgánico.
• El más común la sacarosa, también mono y
  disacáridos como glucosa, fructosa, maltosa y
  lactosa.
• Fuente de nitrógeno.
• Nitratos, a veces también sales amónicas.
• Algunas células necesitan nitrógeno orgánico en
  aminoácidos ( positivo en las primeras etapas
  del crecimiento microbiano).
• Sales orgánicas.
• Reguladores del crecimiento.
• Hormonas vegetales (auxinas, que inducen la
  división celular).
• Citoquininas ( Regulación del crecimiento en
  plantas).

44
2.- MATERIAS PRIMAS y MEDIOS DE CULTIVO.

• 2.1.- Criterios utilizados en la
  formulación del medio.
• 2.2.- Preparación del sustrato.
• 2.3.- Medios de fermentación microbiana.
• 2.4.- Medios de cultivo de células animales.
• 2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento de
  células vegetales.
• 2.6.- Mantenimiento y esterilización.

45
2.6.-Mantenimiento y esterilización.(I)

• 1.- MANTENIMIENTO DE LOS MEDIOS .
• El medio de almacenamiento y subcultivo de cepas
  industriales clave debe ser diseñado para
• Conserve las características necesarias que
  permitan la capacidad de producción particular.
• Minimicen la variación genética.
• POR QUÉ UTILIZAR MEDIOS DE MANTENIMIENTO?

EFECTOS DESESTABILIZANTES
CEPAS
METABOLITOS TÓXICOS
46
2.6.-Mantenimiento y esterilización.(II)

• 2.- ESTERILIZACIÓN DE CULTIVOS.
• OBJETIVOS
• Evitar el desarrollo de microorganismos
  patógenos.
• Evitar el desarrollo de microorganismos
  alterantes.
• Incrementar la reproducibilidad del proceso
  (rendimiento, pureza y tiempo de producción).
• MÉTODOS DE ESTERILIZACIÓN
• Calor húmedo (autoclave o chorro de vapor).
• Calor seco
• Radiación ( Rayos X ,UV)
• Esterilización química con líquidos o gases.
• Filtración (filtros de superficie o de
  profundidad).
• Nuevos métodos ( altas presiones, campos
  eléctricos)

47
2.6.-Mantenimiento y esterilización.(III)

• DONDE SE CONTROLA LA ESTERILIDAD?
• Mantener la pureza del inóculo.
• Esterilizar el medio de cultivo y los aditivos.
• Esterilizar el material en contacto con el medio
  ( recipiente, fermentador, válvulas y conductos)
• Esterilizar los gases entrantes y salientes.
• Manterner las condiciones asépticas durante la
  manipulación.
• Contrucción apropiada del biorreactor para su
  esterilización y para la prevención durante la
  fermentación.

48
2.6.-Mantenimiento y esterilización.(IV)
49
2.6.-Mantenimiento y esterilización.(IV)

• TIPOS DE ESTERILIZACIÓN.

50
Cinética del crecimiento

• 3.1-Qué entendemos por crecimiento?
• 3.2-Conceptos básicos
• 3.3-Formas de medición del crecimiento
• 3.4-Crecimiento en cultivo intermitente
• Fases del crecimiento
• 3.5-Factores que afectan al crecimiento

51
3.1-Crecimiento
El crecimiento se puede considerar como el
aumento ordenado de todos los constituyentes
químicos de un organismo.
En organismos unicelulares el crecimiento conduce
a un aumento en el número de células más que un
aumento en el tamaño celular
52
3.- CINETICA DEL CRECIMIENTO DE
LOS MICROORGANISMOS
53
3.2-Conceptos básicos
Generación (n) Es el número de divisiones
celulares que ocurren en un determinado tiempo en
un cultivo microbiano Velocidad de crecimiento
?n vc
?t Es el
cambio en el número de generaciones por unidad de
tiempo Tiempo de generación Es el tiempo
requerido para que a partir de una célula se
formen dos, o sea el tiempo requerido para
duplicar el número de células de una población
54
El crecimiento puede ser
-A nivel de individuos dentro de población
CICLO CELULAR -Crecimiento de
poblaciones celulares CICLO DE
CRECIMIENTO Sª Cerrados
Sª abiertos
viable Célula microbiana
no viable
55
Ciclo celular fisión binaria
Gemación, ej. levaduras
56
Crecimiento de poblaciones
Crecimiento exponencial es el tipo de
crecimiento de una población donde el número de
células se duplica cada cierto tiempo
57
3.3- Formas de medición del crecimiento
microbiano
3.3.1- Peso seco celular 3.3.2- Absorción 3.3.3-
Peso húmedo 3.3.4- Volumen 3.3.5- Número de
células 3.3.6- Mediciones físicas
58
3.3.1- Peso seco celular
Consiste en dejar secar volúmenes conocidos de
cultivo celular lentamente hasta que alcancen
peso cte. Se mide en g/l En ocasiones para
concentrar las células se usa el centrifugado o
filtrado según la dificultad. Es el mas
usado Desventaja pueden dar grandes errores en
caso de absorción de humedad por las células
secas.
59
3.3.2- Absorción
Consiste en el uso de celdas espectrofotométricas
pues las células desvían la luz q llega al
detector y esa desviación está relacionada con el
nº de células presentes (o también puede
relacionarse con la densidad ) en la muestra
según la Ley de Beer
60
3.3.3- Peso húmedo
Consiste en una centrifugación o filtración
seguida del pesado. Este proceso es
extrarrápido, hay necesidad de estandarizar el
proceso ya que se mide tanto el agua intracelular
como el extracelular ocasionando errores
considerables.
61
Recuento de viables - Filtración por membrana
62
3.3.4- Volumen
Consiste en la centrifugación en tubos graduados
de tal forma q me permitan determinar el volumen
de células empacadas. Es un método bastante
inexacto especialmente para pequeños cambios de
la población celular
63
3.3.5- Recuento de células
por cámara de Petroff-Hausser
Muestra de cultivo diluído en cámara de volumen
pequeño y conocido (2,5x10-7 ml), recuento de
células en numerosos cuadrados de la cámara.
Promedio de células contenidas en dicho volumen
se expresa por ml de muestra (alto error
experimental). Desventaja no se pueden
distinguir células viable y no viables
64
3.3.6- Mediciones físicas
El crecimiento de células origina la generación
de calor la cual está relacionada con la
concentración de biomasa. Es un proceso rápido y
no necesita de muestreo. Se usa para el caso de
biorreactores , pues sino las variaciones de
calor generado son pequeñas para poder ser
mediadas adecuadamente.
65
3.4- Crecimiento en cultivo intermitente
El cultivo intermitente representa el
crecimiento en un sistema cerrado. Cuando un
medio se inocula con células, tiene lugar una
secuencia de eventos llamado ciclo de
crecimiento. Representaremos el peso seco
celular (X) en g/l contra el período de
incubación en horas (h)
66
Crecimiento de un microorganismo en medio de
cultivo líquido
1- Fase de latencia 2- Fase exponencial 3- Fase
estacionaria 4- Fase de muerte
67
Fases de crecimiento

• Fase lag - las células se adaptan al nuevo
  ambiente, aun no se dividen
• Fase exponencial (log) velocidad máxima de
  crecimiento bajo condiciones particulares, tiempo
  de generación mínimo
• Fase estacionaria Ésta se caracteriza por ningún
  crecimiento neto. De echo el crecimiento puede
  estar ocurriendo, pero esta equilibrado por la
  rapidez de muerte o lisis celular.
• Fase de muerte - velocidad de muerte celular gt
  velocidad de división celular

68
Cinética de crecimiento en cultivo intermitente
El crecimiento microbiano unicelular es
autocatalítico, es decir la vc es proporcional a
X ya presente. De modo q durante el crecim
exponencial, X aumenta como sigue Xo
2Xo 4Xo 8Xo nXo El intervalo
de tiempo se llama tiempo de duplicación (td), de
manera que n después del tiempo t vale t/td y X
vale Xo 2 t/td
69
Representación aritmética y exponencial del
crecimiento

70
3.5- Factores que afectan a la rapidez de
crecimiento
Los factores que intervienen son -
concentración de substrato - temperatura -
pH - actividad de agua - potencial
redox,concentrac de oxigeno - radiación -
presión hidrostática
71
Efecto de la temperatura
Cada microorganismo tiene una temperatura de
crecimiento adecuada Si consideramos la
variación de la velocidad de crecimiento (m) en
función de la temperatura de cultivo, podemos
observar una temperatura mínima por debajo de la
cual no hay crecimiento (dX/dt 0) a
temperaturas mayores se produce un incremento
lineal de la velocidad de crecimiento con la
temperatura de cultivo hasta que se alcanza la
temperatura óptima a la que m es máxima. Por
encima de esta temperatura óptima, la velocidad
de crecimiento decae bruscamente (µ 0) y se
produce la muerte celular.
72
Tipos de microorganismos según la temperatura
Tipode microorg T mínima T
óptima T máxima Psicrófilo
-5  5 12 15 15 -
20 Psicrótrofo -5  5 25 30
30 - 35 Mesófilo 5 15 30 45
35 - 47 Termófilo 40 45 55 75
60 - 90
73
Gráfica
Veloc de crecimiento
Psicrófilos Mesófilos Termófilos
20 40 60 80
Temperatura (ºC)
74
Efecto del pH
Es un parámetro crítico en el cultivo de
microorganismos ya que estos sólo pueden crecer
en un rango estrecho de pH fuera del cual mueren
rápidamente. El pH intracelular es ligeramente
superior al del medio que rodea las células ya
que, en muchos casos, la obtención de energía
metabólica depende de la existencia de una
diferencia en la concentración de protones a
ambos lados de la membrana citoplásmica.
75
Aspectos sobre el pH

• Cada tipo de microorganismo tiene un rango de pH
  en el que puede vivir adecuadamente, fuera de
  este rango muere.
• Los rangos de pH tolerables por diferentes tipos
  de microorganismos son, también, distintos.
• El pH interno en la mayoria de los
  microorganismos está en el rango de 6.0 a 7.0.

76
Actividad del agua
Se denomina actividad de agua a la relación entre
la presión de vapor de agua del substrato de
cultivo (P)  y la presión de vapor de agua del
agua pura (P0)
P aw
P0
77
Efecto de la radiación
Las radiaciones ultravioleta (uv), Rayos X y
radiación g producen efectos esterilizantes
(destrucción de microorganismos) al alterar las
proteínas, membranas, ácidos nucleicos y al
generar radicales libres del tipo OH y H. El
procedimiento es similar al descrito para el uso
de altas temperaturas. Hay que considerar, sin
embargo, los poderes de penetración de los
diferentes tipos de radiación. Así, por ejemplo,
la radiación uv tiene un poder de penetración muy
bajo y, por consiguiente, se utiliza para
esterilizar superficies, mientras que la
radiación X o la g tiene poderes de penetración
mucho mayores.
78
Presión hidrostática
Las altas presiones inhiben el crecimiento de
los microorganismos La razón por la que las
altas presiones inhiben el crecimiento no está
clara, aunque se ha visto que se detiene la
síntesis de proteínas y los procesos
catabólicos. El efecto de la presión sobre el
crecimiento de los microorganismos tiene
importancia en el desarrollo de sistemas de
eliminación de microorganismos en alimentos y en
la consideración de los microorganismos que
participan en procesos en los que aumenta la
presión.
79
Potencial redox Concentración de oxígeno
Este es otro factor determinante del crecimiento
y del metabolismo del cultivo. El potencial redox
del medio de cultivo nos indica su capacidad para
aceptar o donar electrones, esto es sus
características oxidantes o reductoras. Uno de
los factores que intervienen en el potencial
redox, aunque no el único, es la concentración de
oxígeno O2. Hay microorganismos que requieren
ambientes oxidantes para crecer, mientras que
otros necesitan ambientes reductores.
80
Continuación
En general, cuando un microorganismo requiere un
ambiente oxidante se dice que desarrolla un
metabolismo oxidativo (o respirativo) mientras
que los microorganismos que requieren ambientes
reductores (o menos oxidantes) realizan un
metabolismo fermentativo. Un microorganismo es
aerobio cuando necesita oxígeno para vivir y es
anaerobio cuando o bien no lo necesita o bien
cuando muere en presencia de oxígeno (anaerobios
estrictos como los clostridios). Por otra
parte, hay microorganismos que pueden desarrollar
ambos tipos de metabolismo
81
4. Sistemas de Fermentación
82
Sistemas de Fermentación

• Son formas diferentes de cultivo de
  microorganismos con el fin de obtener un
  rendimiento deseado
• La velocidad o la calidad del producto son los
  objetivos del estudio de la cinética del
  crecimiento

83
Factores que Influyen en el Crecimiento

• Son comunes para todos los sistemas
• Concentración de substrato
• Temperatura
• pH
• Concentración alta de substrato o de producto

84
Consumo de Nutrientes y Formación de Producto

• Relacionamos el consumo de substrato y la
  formación de producto con el crecimiento de
  material para cada uno
• Las concentraciones iniciales de substrato o
  producto, pueden condicionan la rapidez del
  crecimiento

85
Consumo de Nutrientes y Formación de Producto

• Para el Crecimiento
• Acumulación total crecimiento desaparición
• Para el consumo de Substrato
• Acumulación de substrato alimentación de
  substrato crecimiento formación de producto
  requerimientos para el mantenimiento
• Para la formación de producto
• Acumulación de producto formación - destrucción

86
Rendimientos de Biomasa y Producto

• Muestran en cada caso la cantidad de biomasa o
  producto producido dependiendo de la cantidad de
  substrato
• Se definen como la cantidad de biomasa o producto
  formado por unidad de substrato

87
Sistemas Discontinuos

• Se considera un sistema cerrado, para todo menos
  para la aireación
• Tiene una cantidad limitada de medio
• Se añade todo el substrato al principio de la
  fermentación

88
Cinética de un Sistema Discontinuo

• La concentración de biomasa por unidad de tiempo
  es

x XR ? (SR s)
x concentración celular en un tiempo t XR
inóculo o concentración celular inicial ?
rendimiento para el substrato limitante (g de
biomasa por g de substrato consumido) s
concentración de substrato en el tiempo t SR
concentración inicial de medio
89
Sistema Discontinuo

• Ciclo de Fermentación discontinuo

90
Sistemas Discontinuos Alimentados a Intervalos

• El substrato se va añadiendo a intervalos durante
  el proceso
• Es una variación del sistema discontinuo
• Tiene ventajas con respecto al sistema
  discontinuo convencional. Evita procesos de
  represión y reduce la viscosidad del medio
• Inconvenientes el crecimiento eficiente
  tienelugar durante una pequeña fase del proceso

91
Sistemas Continuos

• Sistemas abiertos, en los que el medio se va
  añadiendo de un modo continuo a reactor
• Se va eliminando medio fermentado del centro de
  la fermentación
• Podemos distinguir dos modalidades
• Quimiostato
• Turbidostato

92
Sistemas Continuos

• Es básico controlar que el volumen de biorreactor
  sea constante
• Existen diferentes formas de conseguir esto,
  puede ser mediante un tubo de sobreflujo, o
  mediante el mantenimiento de la velocidad de
  bombeo igual a la rapidez de flujo de entrada de
  medio

93
Sistemas Continuos

• La concentración de biomasa viene dada por

KsD
x ? SR -
µmax - D
X concentración de biomasa en un estado
estacionario ? rendimiento para el substrato
limitante (g de biomasa por g de substrato
consumido) Ks constante inicial SR
concentración inicial de medio D velocidad
específica de crecimiento µmax velocidad máxima
de crecimiento
94
Quimiostato

• Suministramos nutriente esencial limitante a
  medida que va siendo necesario.
• Se va eliminando biomasa para formarse biomasa
  nueva.
• La densidad y rapidez de crecimiento se mantiene
  constante, debido a que la cantidad de substrato
  y de producto también se mantienen constantes.

95
Quimiostato

• Esquema del fermentador

96
Quimiostato

• La rapidez de crecimiento depende del tipo de
  nutriente limitante
• Carbono
• Nitrógeno
• Fósforo
• Vitamina
• Los demás nutrientes esenciales están presentes
  en exceso.

97
Turbidostato

• El producto no se saca del reactor
• Tenemos un circuito de reflujo, que acoge el
  producto cuando hay exceso, de ese modo se
  mantiene constante la velocidad
• La cantidad de producto que hay en el reflujo,
  determina la cantidad de medio que se añade al
  biorreactor

98
Turbidostato

• Esquema del turbidostato

99
Síntesis de Metabolitos Secundarios

• Existen productos cuya síntesis no está
  relacionada con el crecimiento, estos se
  denominan METABOLITOS SECUNDARIOS
• No se puede relacionar su formación con el
  crecimiento porque no existe relación.
• Los mas famosos son los Antibioticos