FERMENTACIONES

1. INTRODUCCIÓN

El concepto de fermentación.

Los procesos fermentativos o fermentación han sido utilizados y desarrollados por el hombre desde hace aproximadamente 8000 años, a pesar de que no se conocía la existencia ni la influencia de los microorganismos en esos procesos.

La palabra “fermentación” proviene de una adaptación del término en latin “fermentare”, que significa “ebullir”. Se observa durante la fabricación de vinos, a causa de la producción de CO2, gas que se libera en forma de burbujas y provoca movimiento en el líquido.

El concepto de “Fermentación” se ha ido modificando con el tiempo y, actualmente, abarca una gran cantidad de procesos y productos diversos: el término se aplica tanto a procesos muy simples como a lo que se desarrollan a escala industrial, por lo que resulta difícil descubrirlo. Sin embargo, prevalecen dos criterios para su definición, uno bioquímico y otro microbiológico.

Concepto bioquímico de fermentación.

Desde el punto de vista bioquímico, una fermentación se define como un proceso mediante el cual las sustancias orgánicas (sustratos) sufren una serie de cambios químicos (reducciones y oxidaciones) que producen energía: al finalizar la fermentación, se presenta una gran acumulación de varios productos, unos más oxidados (aceptaron e-) y otros más reducidos (donaron e-) que el sustrato, con un balance total de energía positivo (+). Esta energía es utilizada en el metabolismo de los microorganismos.

Es importante mencionar que, el concepto bioquímico, no considera como fermentaciones a los procesos en los que participa el oxígeno. Cuando el aceptor final de electrones es el oxígeno molecular y no una sustancia orgánica, el proceso se conoce como respiración. El concepto bioquímico de fermentación es equivalente al de respiración celular anaerobia. A continuación se incluyen dos ejemplos de fermentaciones, desde el punto de vista bioquímico:

La producción, de etanol y dióxido de carbono a partir de la glucosa.

C6H12O6 → C2H5OH + CO2 + H2O

Glucosa Etanol Dióxido de carbono Agua

La producción de lactato a partir de glucosa

C6H12O6 → C3H6O3 + H2O

Glucosa Lactato Agua

El concepto microbiológico de fermentación.

Desde el punto de vista microbiológico, se entiende por “fermentación” aquel proceso en el que los microorganismos producen metabolitos o biomasa, a partir de la utilización de sustancias orgánicas, en ausencia o presencia de oxígeno. La descomposición de los sustratos es llevado a cabo por enzimas producidas por los microorganismos para tal finalidad.

Para el microbiólogo industrial, no hay diferencia entre fermentación y respiración, pues en ambos procesos los microorganismos hidrolizan un sustrato orgánico, ya sea en presencia o ausencia de oxígeno. Las conversiones mencionadas de glucosa en etanol, CO2 y H2O, así como en lactato y agua son procesos de fermentación desde el punto de vista microbiológico; pero, la conversión de glucosa –en presencia de oxígeno –en CO2 y agua, que se representa a continuación, también lo es:

C6H12O6 + O2 → CO2 + H2O

En este manual, se utilizará la definición de fermentación en términos de microbiología industrial.

Un proceso de fermentación, visto como un todo, está compuesto por tres etapas:

• La preparación del inóculo

• La selección del medio de cultivo

• La producción de biomasa o de los metabolitos de interés.

Clasificación de procesos de fermentación

La gran cantidad de procesos y productos que involucra el término fermentación hace fácil no solo la definición del concepto, sino también su clasificación. En general, se establecen divisiones con base en:

• Tipo de producto final por obtener

• La presencia o ausencia de oxígeno en el proceso.

Los productos finales de la fermentación

Desde el punto de vista comercial, las fermentaciones se pueden clasificar tomando en cuenta los productos que se obtendrán. Entre ellos, se pueden mencionar:

• Células microbianas (biomasa)

• Metabolitos microbianos (enzimas, etanol, butanol, acetona, ácidos orgánicos, etc.)

En el cuadro1 se señalan algunos de los grupos más importantes de productos obtenidos por fermentación.

Cuadro 1. Algunos compuestos de interés comercial producidos por fermentación.

Ácidos orgánicos Acético, cítrico, fumárico, glucónico, láctico

Aminoácidos Lisina, metionina, triptófano, valina

Alcoholes y solventes Acetona, butanol, 2-3-butanodiol, etanol, glicerol

Antibióticos Bacitracina, estreptomicina, neomicina, penicilina, tetraciclina.

Esteroides Cortisona, hidrocortisona, testosterona.

Vitaminas Ácido ascórbico, cianocobalamina, caroteno, riboflavina.

Proteína unicelular (biomasa) Células de hongos, levaduras, bacterias y algas.

Otros Alcaloides, enzimas, insecticidas biológicos, metano, polisacáridos y saborizantes.

El oxígeno en el proceso de fermentación

También es posible clasificar las fermentaciones con base en la presencia o ausencia de oxígeno molecular durante los procesos. De acuerdo con esta división, los procesos se denominan:

• Fermentación aerobia

• Fermentación anaerobia

En la fermentación aerobia, el receptor final de electrones es el oxígeno; es imprescindible su presencia para el desarrollo del microorganismo y la producción del compuesto deseado. En este tipo de procesos, se produce fundamentalmente biomasa, dióxido de carbono y agua.

En la fermentación anaerobia, el proceso de producción del metabolito de interés se desarrolla en ausencia de oxígeno; los productos finales son sustancias orgánicas, por ejemplo, ácido láctico, ácido propiónico, ácido acético, butanol, etanol y acetona. Sin embargo, en la mayoría de las fermentaciones anaeróbicas, se requiere un poco de oxígeno al inicio del proceso para favorecer el crecimiento y la reproducción del microorganismo.

En los procesos anaerobios, los microorganismos producen mucho menos energía que en los aerobios y, para suplir sus necesidades de energía, metabolizan una mayor cantidad de azúcares; por consiguiente, elaboran más metabolitos. Entonces, a través de la cantidad de oxígeno, se

...