viernes, 9 de septiembre de 2011

TIPOS DE FERMENTACIONES


La fermentación alcohólica (denominada también como fermentación del etanol o incluso fermentación etílica) es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es:CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATPque consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico. El etanol resultante se emplea en la elaboración de algunas bebidas alcohólicas, tales como el vino, la cerveza, la sidra, el cava, etc.1 Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar también etanol mediante la fermentación a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible.2 3
La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de oxígenopara ello disocian las moléculas de glucosa y obtienen la energía necesaria para sobrevivir, produciendo el alcohol y CO2 como desechos consecuencia de la fermentación. Las levaduras y bacterias causantes de este fenómeno son microorganismos muy habituales en las frutas y cereales y contribuyen en gran medida al sabor de los productos fermentados (véase Evaluación sensorial).4 Una de las principales características de estos microorganismos es que viven en ambientes completamente carentes de oxígeno (O2), máxime durante la reacción química, por esta razón se dice que la fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico.
La fermentación láctica es una ruta metabólica anaeróbica que ocurre en el citosol de la célula, en la cual se oxida parcialmente la glucosa para obtener energía y donde el producto de desecho es elácido láctico.
Este proceso lo realizan muchas bacterias (llamadas bacterias lácticas), hongos, algunos protozoosy muchos tejidos animales; en efecto, la fermentación láctica también se verifica en el tejido muscular cuando, a causa de una intensa actividad motora, no se produce una aportación adecuada de oxígeno que permita el desarrollo de la respiración aeróbica. Cuando el ácido láctico se acumula en las células musculares produce síntomas asociados con la fatiga muscular. Algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias de manera que se ven obligadas a obtener energía por medio de la fermentación láctica; por el contrario, el parénquima muere rápidamente ya que no fermenta, y su única fuente de energía es la respiración aeróbica.

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FERMENTADORES


Resumen

Se realiza una revisión  en la literatura consultada  sobre  bioprocesos y sus etapas  principales y hace énfasis en las  principales características de los diferentes tipos de  bioreactores  o  fermentadores  donde se lleva a cabo  las bioreacciones  de  la industria biotecnológica, la aplicación de uno u otro dependerá de los requerimientos de  cada proceso en particular.
 Palabras clave: Bioprocesos;  fermentadores

 1. Bioprocesos

Se denomina  bioproceso a cualquier operación  que involucre la transformación en productos  de  un sustrato determinado    mediante  los microorganismos,  los cultivos de células animales o vegetales o por materiales derivados de estos como las enzimas.  Un bioproceso está compuesto de tres etapas principales;   la primera etapa  se define como  la preparación de la materia prima donde se realizan diferentes operaciones necesarias para llevar a cabo con éxito las biotransformaciones, entre esas operaciones se encuentran el tamizado, la reducción de tamaño, la hidrólisis y otras operaciones comunes a muchos procesos industriales, existen también operaciones como la formulación de los medios de cultivo  y los proceso de  esterilización, que resultan  específicas de la industria biotecnológica;  posteriormente la etapa de la bioreacción en la cual se producen  las transformaciones del sustrato para convertirlo en biomasa o en biomasa más metabolitos primarios o secundarios  posteriormente se  emplean los  bioreactores o fermentadores   de diferentes tipos y volúmenes desde la escala de laboratorio hasta la industrial.  Existen muchos tipos de bioreactores cada uno diseñado de manera que  se pueda adaptar a las condiciones de operación necesarias para optimizar la producción del compuesto de interés, hasta el momento    los más utilizados son los  reactores  del tipo  tanque agitado y  los  reactores  de elevación con aire comúnmente  conocido cono airlift
 Por último la etapa de tratamiento de los productos de la bioreacción  donde  se  realizan las operaciones de  separación mecánica,  extracción, concentración y  purificación del material deseado.  

2.  Fermentadores agitados mecánicamente

Los fermentadores aireados más empleados en la industria, es el tipo tanque agitado,  se logran con los mismos el 93% (en valor del producto) de toda la producción biotecnológica. La configuración normalizada empleada en los reactores tipo tanque agitado mecánicamente es la que se muestra en la figura 1.  La altura del líquido normalmente iguala el diámetro del tanque y la agitación se suministra por una turbina de disco de 6 hojas, tipo Rushton, con un diámetro de 1/3 del diámetro del tanque y colocada a una distancia a la base del tanque igual a un diámetro del impelente.  Cuenta además con cuatro deflectores igualmente espaciados, con un ancho igual a dT/12, para prevenir la formación de vórtices y el gas (aire u oxígeno) se dispersa a través de un distribuidor de gas (sparger), situado debajo del impelente, en el eje de la vasija. Este distribuidor en ocasiones se reduce a una simple tobera, aunque en otros casos se usan dispositivos más o menos complejos. El uso de la turbina tipo disco evita que se produzca la canalización del gas por el eje del impelente y ayuda a lograr una correcta dispersión del gas en el liquido
  
Figura  1  Fermentador normalizado tipo tanque agitado
h Configuración - Tubo cilíndrico con agitador que se puede colar por debajo de la base o encima de la tapa, puede ser desmontable el vaso de vidriopara autoclavear, vaso de acero inoxidable  se  esteriliza in sito
h Cuenta con sondas para medir pH, oxígeno disuelto, espuma, temperatura,  potencial redox.
h Tiene diseñada una camiseta o chaqueta, espaciador de aire, deflectores, filtros de aire, impelentes, sello mecánico, motor
hLa capacidad del fermentador se define como: Volumen total del fermentador + volumen de trabajo + espacio muerto o libre

3. Aplicación de la configuración normalizada en fluidos Newtonianos

La potencia mecánica requerida para la agitación no gaseada de tanques, se determinan a través de los gráficos de "Número de Potencia" versus "Número de Reynolds del impelente" (Figura  2). El Número de Potencia y  el Número de Reynolds del impelente se definen, respectivamente, como 
                        (1.1)       

La fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta, totalmente anaeróbico, siendo el producto final un compuesto orgánico. Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de fermentaciones.
Fue descubierta por Louis Pasteur, que la describió como la vie sans l´air (la vida sin el aire). La fermentación típica es llevada a cabo por las levaduras. También algunos metazoos y protistas son capaces de realizarla.
El proceso de fermentación es anaeróbico ya que se produce en ausencia de oxígeno; ello significa que el aceptor final de los electrones del NADH producido en la glucólisis no es el oxígeno, sino uncompuesto orgánico que se reducirá para poder reoxidar el NADH a NAD+. El compuesto orgánico que se reduce (acetaldehídopiruvato, ...) es un derivado del sustrato que se ha oxidado anteriormente.
En los seres vivos, la fermentación es un proceso anaeróbico y en él no interviene la mitocondria ni la cadena respiratoria. Son propias de los microorganismos, como algunas bacterias y levaduras. También se produce la fermentación en la mayoría de las células de los animales (incluido el hombre), excepto en las neuronas que mueren rápidamente si no pueden realizar la respiración celular; algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias y se ven obligadas a fermentar; el tejido muscular de los animales realiza la fermentación láctica cuando el aporte deoxígeno a las células musculares no es suficiente para el metabolismo aerobio y la contracción muscular.
Desde el punto de vista energético, las fermentaciones son muy poco rentables si se comparan con la respiración aerobia, ya que a partir de una molécula de glucosa sólo se obtienen 2 moléculas deATP, mientras que en la respiración se producen 36. Esto se debe a la oxidación del NADH, que en lugar de penetrar en la cadena respiratoria, cede sus electrones a compuestos orgánicos con poco poder oxidante.
En la industria la fermentación puede ser oxidativa, es decir, en presencia de oxígeno, pero es una oxidación aeróbica incompleta, como la producción de ácido acético a partir de etanol.
Las fermentaciones pueden ser: naturales, cuando las condiciones ambientales permiten la interacción de los microorganismos y los sustratos orgánicos susceptibles; o artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y el contacto referido.