La fermentación industrial es un proceso que implica el uso de microorganismos para producir diversos productos a gran escala. Este proceso se ha utilizado durante siglos para producir bebidas alcohólicas, pan y productos lácteos.
Con los avances de la tecnología y la ciencia, la fermentación industrial ha evolucionado para producir una amplia gama de productos, incluidos aditivos para alimentos y bebidas, productos farmacéuticos y biocombustibles.
El proceso de fermentación industrial se basa en la capacidad de los microorganismos para descomponer materiales orgánicos complejos en compuestos más simples. Estos compuestos luego pueden usarse como materia prima para producir una variedad de productos.
La fermentación industrial suele tener lugar en fermentadores o biorreactores a gran escala, que proporcionan un entorno controlado para el crecimiento de microorganismos.
Tabla de contenido
1. La ciencia detrás de la fermentación industrial
La ciencia detrás de la fermentación industrial se basa en un profundo conocimiento de los procesos biológicos involucrados.
El primer paso en la fermentación industrial es la selección de los microorganismos apropiados. Los microorganismos utilizados en la fermentación industrial suelen ser bacterias, levaduras u hongos, y se eligen en función de su capacidad para producir el producto deseado.
Los microorganismos también deben poder crecer y reproducirse rápidamente en el ambiente controlado de un biorreactor o fermentador.
Una vez seleccionados los microorganismos apropiados, el siguiente paso es proporcionarles los nutrientes necesarios para apoyar su crecimiento y metabolismo. Estos nutrientes incluyen fuentes de carbono, nitrógeno y otros minerales esenciales.
El medio de crecimiento también debe controlarse cuidadosamente para mantener las condiciones óptimas para el crecimiento de los microorganismos.
A medida que los microorganismos crecen y se reproducen, producen diversos metabolitos, como ácidos orgánicos, alcoholes y enzimas. Estos metabolitos son la clave para la producción del producto deseado. Las vías metabólicas específicas involucradas en la producción del producto varían según el microorganismo y el producto que se produce.
Uno de los factores más críticos en la fermentación industrial es el control del proceso de fermentación. Las condiciones en el fermentador o biorreactor deben monitorearse y controlarse cuidadosamente para asegurar un crecimiento y metabolismo óptimos de los microorganismos. Esto implica controlar factores como la temperatura, el pH y la concentración de oxígeno.
La ciencia detrás de la fermentación industrial también implica un conocimiento profundo de la genética de los microorganismos. Las técnicas de ingeniería genética se pueden utilizar para modificar la composición genética de los microorganismos y mejorar su capacidad para producir productos específicos.
Esta tecnología ha revolucionado la fermentación industrial, permitiendo la producción de una amplia gama de productos de alto valor que antes eran difíciles o imposibles de producir.
2. Diferentes tipos de microorganismos utilizados en la fermentación industrial
Los microorganismos desempeñan un papel fundamental en el proceso de fermentación industrial, descomponiendo materiales orgánicos complejos en compuestos más simples que pueden usarse para producir una amplia gama de productos. El tipo de microorganismo utilizado en la fermentación industrial depende del producto que se produzca.
2.1. bacterias
Las bacterias se utilizan comúnmente en la producción de aditivos para alimentos y bebidas, como ácido láctico, ácido cítrico y enzimas. Estos microorganismos se seleccionan por su capacidad para producir el producto deseado de manera eficiente. Algunas de las bacterias más utilizadas en la fermentación industrial incluyen Lactobacillus, Streptococcus y Bacillus.
Las bacterias son organismos unicelulares que se pueden dividir en dos grupos: arqueas y eubacterias. Las eubacterias son el grupo más utilizado en la industria.
Las eubacterias se pueden dividir en 12 subgrupos, pero sólo dos de estos subgrupos son importantes para la industria: proteobacterias y eubacterias grampositivas.
Las proteobacterias son un gran grupo de bacterias Gram-negativas que incluyen tanto bacterias fotosintéticas como no fotosintéticas. Algunos ejemplos de proteobacterias que se utilizan en la industria incluyen E. coli, Pseudomonas y Streptomyces.
Las eubacterias grampositivas se pueden dividir en dos subdivisiones principales. La primera subdivisión incluye bacterias que tienen un bajo contenido de pares de bases de guanina (G) y citosina (C) en su ADN. Ejemplos de bacterias en esta subdivisión incluyen Bacillus, Staphylococcus y Lactobacillus.
La segunda subdivisión incluye bacterias que tienen un alto contenido de pares de bases de guanina (G) y citosina (C) en su ADN. Ejemplos de bacterias en esta subdivisión incluyen actinomicetos y Mycobacterium.
La principal diferencia entre las bacterias Gram negativas y Gram positivas es la composición de sus envolturas celulares. Las bacterias gramnegativas tienen una pared celular relativamente delgada rodeada por una membrana externa. Las bacterias grampositivas tienen una pared celular más gruesa que no está rodeada por una membrana externa.
2.2. Levadura
La levadura es otro tipo de microorganismo comúnmente utilizado en la fermentación industrial. La levadura se utiliza en la producción de bebidas alcohólicas como la cerveza y el vino. También se utiliza en la elaboración de pan y otros productos horneados. Saccharomyces cerevisiae es la levadura más utilizada en la fermentación industrial.
2.3. Hongos
Los hongos son microorganismos eucariotas que se pueden dividir en hifas filamentosas (mohos) y hongos unicelulares (levaduras). Los hongos filamentosos son quimioheterótrofos y no fotosintéticos. Secretan una amplia variedad de enzimas hidrolíticas que pueden degradar diferentes polímeros en moléculas más pequeñas que se absorben y metabolizan fácilmente.
Las levaduras son hongos unicelulares que son heterótrofos y pueden crecer más en presencia o ausencia de O2. No son exigentes desde el punto de vista nutricional y pueden multiplicarse en una composición media relativamente simple.
Tanto los hongos filamentosos como las levaduras se utilizan en bioprocesos industriales para diversos fines, tales como:
- Producción de enzimas, antibióticos, vitaminas y otros metabolitos.
- Fermentación de alimentos y bebidas.
- Biodegradación de contaminantes
Para ser adecuada para uso industrial, una cepa microbiana debe cumplir ciertos criterios, como:
- Capacidad de crecer rápidamente en sustratos orgánicos económicos.
- Capacidad de realizar las transformaciones deseadas con alta eficiencia y un mínimo de consumo energético.
- Estabilidad genética
- Producción de productos fáciles de extraer y separar.
- No patogenicidad
Las cepas de tipo salvaje a menudo no cumplen con todos estos criterios, por lo que es posible que sea necesario modificarlas genéticamente antes de poder utilizarlas en bioprocesos industriales.
Ejemplos de modificaciones genéticas que se pueden realizar para mejorar cepas microbianas para uso industrial:
- Sobreexpresión de genes que codifican enzimas implicadas en la vía deseada.
- Alteración de genes que codifican enzimas implicadas en vías competitivas.
- Introducción de genes de otros organismos para conferir nuevas capacidades.
Se ha utilizado la modificación genética para crear cepas microbianas que pueden producir una amplia variedad de productos valiosos, incluidos aminoácidos (p. ej., L-valina, L-treonina, L-lisina y L-arginina), productos químicos a granel (p. ej., 1,4- butanodiol, 1,4-diaminobutano, 1,5-diaminopentano, 1,3-propanodiol, butanol, isobutanol y ácido succínico) y fármacos (por ejemplo, artemisinina).
2.4. Algas
Las algas son una incorporación relativamente nueva a la lista de microorganismos utilizados en la fermentación industrial. Se utilizan en la producción de biocombustibles, incluidos biodiesel y bioetanol. Las algas más utilizadas en la fermentación industrial son la Chlorella y la Espirulina.
2.5. Actinomicetos
Los actinomicetos son un tipo de bacterias que se utilizan comúnmente en la producción de antibióticos. Estos microorganismos se seleccionan por su capacidad para producir el compuesto antibiótico deseado. Streptomyces es el actinomiceto más utilizado en la fermentación industrial.
2.6. Protozoos
Los protozoos son un tipo de organismo unicelular que se utilizan en la producción de enzimas y otros bioproductos. Estos microorganismos se seleccionan por su capacidad para producir el producto deseado de manera eficiente. Trichomonas y Entamoeba son algunos de los protozoos más utilizados en la fermentación industrial.
3. Productos Producidos por Fermentación Industrial
La fermentación industrial es un proceso versátil que se puede utilizar para producir una amplia gama de productos, incluidos aditivos para alimentos y bebidas, productos farmacéuticos, biocombustibles y productos químicos industriales.
3.1. Bebidas alcohólicas
Las bebidas alcohólicas como la cerveza, el vino y las bebidas espirituosas son algunos de los productos más elaborados mediante fermentación industrial. El proceso implica el uso de levadura para convertir azúcares en alcohol, produciendo una amplia gama de sabores y aromas.
3.2. Ácidos orgánicos
Los ácidos orgánicos como el ácido láctico, el ácido cítrico y el ácido acético se producen comúnmente mediante fermentación industrial. Estos ácidos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluidos aditivos para alimentos y bebidas, agentes de limpieza y productos farmacéuticos.
3.3. enzimas
Las enzimas son proteínas que se utilizan para catalizar reacciones químicas. La fermentación industrial se utiliza para producir una amplia gama de enzimas, incluidas proteasas, lipasas y amilasas. Estas enzimas se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluida la producción de alimentos y bebidas, detergentes para ropa y productos farmacéuticos.
3.4. antibióticos
Los antibióticos son un tipo de medicamento que se usa para tratar infecciones bacterianas. La fermentación industrial se utiliza para producir una amplia gama de antibióticos, incluidos penicilina, eritromicina y estreptomicina. Estos antibióticos son fundamentales en el tratamiento de infecciones bacterianas y han salvado innumerables vidas.
3.5. Biocombustibles
Los biocombustibles como el etanol y el biodiesel se producen mediante fermentación industrial. El proceso implica el uso de microorganismos como levaduras y algas para convertir material orgánico en biocombustibles, que pueden usarse para impulsar vehículos y maquinaria.
3.6. Productos químicos industriales
Los productos químicos industriales como el butanol, el ácido propiónico y el metanol se producen mediante fermentación industrial. Estos productos químicos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluida la producción de plásticos, disolventes y productos farmacéuticos.
4. Los beneficios de la fermentación industrial
La fermentación industrial es un proceso que implica el uso de microorganismos para convertir materiales orgánicos en productos útiles. Este proceso tiene una serie de beneficios, que incluyen una mayor eficiencia, una reducción de los residuos y una mayor sostenibilidad.
4.1. Eficiencia mejorada
La fermentación industrial es un proceso altamente eficiente que permite la producción de grandes cantidades de productos en un período de tiempo relativamente corto. Esto se debe a que los microorganismos pueden convertir rápidamente materiales orgánicos en productos útiles, a menudo a un ritmo mucho más rápido que los procesos químicos tradicionales.
4.2. Residuos reducidos
La fermentación industrial es un proceso que genera relativamente pocos residuos en comparación con los procesos químicos tradicionales. Esto se debe a que el proceso utiliza materiales orgánicos como materia prima, que a menudo están fácilmente disponibles y son renovables. Además, muchos de los subproductos de la fermentación industrial se pueden reciclar o reutilizar, lo que reduce aún más los residuos.
4.3. Mayor sostenibilidad
La fermentación industrial es un proceso sostenible que tiene un impacto mucho menor en el medio ambiente que los procesos químicos tradicionales. Esto se debe a que el proceso utiliza materiales orgánicos como materia prima, que a menudo son renovables y biodegradables. Además, el proceso produce menos emisiones de gases de efecto invernadero y requiere menos energía en comparación con los procesos químicos tradicionales.
4.4. Versatilidad
La fermentación industrial es un proceso versátil que se puede utilizar para producir una amplia gama de productos, incluidos aditivos para alimentos y bebidas, productos farmacéuticos, biocombustibles y productos químicos industriales. Esta versatilidad permite una amplia gama de aplicaciones, lo que hace que la fermentación industrial sea una herramienta valiosa en muchas industrias.
4.5. Económico
La fermentación industrial puede ser un proceso rentable, particularmente para la producción de productos de alto valor como productos farmacéuticos y enzimas. Esto se debe a que el proceso es muy eficiente y puede producir grandes cantidades de productos en un período de tiempo relativamente corto, lo que reduce el costo por unidad.
5. Los desafíos de la fermentación industrial
La fermentación industrial es un proceso altamente eficiente y versátil que tiene muchos beneficios. Sin embargo, como cualquier proceso de fabricación, también presenta una serie de desafíos.
5.1. Contaminación microbiana
Uno de los desafíos más importantes de la fermentación industrial es el riesgo de contaminación microbiana. La contaminación puede ocurrir cuando microorganismos no deseados, como bacterias u hongos, ingresan al proceso de fermentación y compiten con los microorganismos deseados. Esto puede provocar una reducción de la eficiencia, una reducción de la calidad del producto e incluso un fallo total del proceso de fermentación.
5.2. Control de procesos
Mantener un control estricto sobre el proceso de fermentación es fundamental para garantizar una calidad y un rendimiento constantes del producto. Esto puede resultar un desafío ya que el proceso de fermentación depende en gran medida de factores ambientales como la temperatura, el pH y la disponibilidad de nutrientes. Cualquier desviación de las condiciones óptimas puede provocar una reducción de la eficiencia o la calidad del producto.
5.3. Aumentar proporcionalmente
Ampliar el proceso de fermentación desde la escala de laboratorio a la escala industrial puede ser un desafío importante. Las diferencias en equipos, condiciones ambientales y disponibilidad de nutrientes pueden provocar cambios inesperados en el proceso de fermentación. Se requiere una planificación y optimización cuidadosas para garantizar una ampliación exitosa.
5.4. Procesamiento en bajada
Los productos de la fermentación industrial a menudo requieren un procesamiento posterior, como la purificación o la extracción, antes de poder usarse. Este puede ser un proceso complejo y costoso, especialmente para productos de alto valor como los productos farmacéuticos.
5.5. Cumplimiento normativo
La fermentación industrial está sujeta a una serie de regulaciones y normas, particularmente para los productos destinados al consumo humano. El cumplimiento de estas regulaciones puede ser complejo y llevar mucho tiempo, lo que requiere documentación extensa y medidas de control de calidad.
Referencias
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- Industrial Fermentation: Principles, Processes, and Products. – https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-011-7691-0_24
- Industrial fermentation: its contribution to the bioeconomy and renewable chemistry
- On the future fermentation. – https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7888459/
- Microbial enzymes with special characteristics for biotechnological applications. – https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24970183/
- Engineering cellular metabolism. – https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.02.004
- Industrial enzymes: present status and future perspectives for India. – https://api.semanticscholar.org/CorpusID:22641169
- Anti-Contamination Strategies for Yeast Fermentations. – https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32085437/
