Fermentacion

ASPECTOS GENERALES DE LOS PROCESOS DE FERMENTACION

Un proceso de fermentación típico es esencialmente un proceso que se lleva a cabo en un recipiente llamado fermentador o en general, biorreactor, mediante el cual determinados sustratos que componen el medio de cultivo son transforma dos por acción microbiana en metabolitos y biomasa. El microorganismo va au- mentando en su concentración en el transcurso del proceso al mismo tiempo que el medio se va modificando y se forman productos nuevos como consecuencia de las actividades catabólicas y anabólicas. Los dos fenómenos crecimiento y forma- ción de producto, tienen lugar durante el desarrollo del proceso simultáneamente o no según los casos.

Efectores internos y externos El comportamiento de un microorganismo en crecimiento es el resultado de la interacción que se produce entre el microorganismo y el medio ambiente en el reactor, y que en rigor es el resultado de los llamaos efectores intra y extra celu- lares. Los efectores internos están representados por la dotación genética intrínse- ca del organismo considerado y por sus mecanismos de regulación metabólica. Estos últimos pueden ser modificados por alteraciones del medio ambiente o más precisamente por los efectores externos mientras que la existencia de un gen de- pende de la especie del microorganismo considerado. Un gen está o no está, sólo su expresión puede modificarse. Con el fin de mejorarla productividad de un pro- ceso de fermentación las cepas empleadas pueden someterse a tratamiento físico o químico de mutación que al alterar algún sector del genoma logran aumentar la producción de un metabolito aunque también pueden disminuirla o incluso su- primirla. También se puede dotar a un microorganismo de una capacidad genética nueva cuando se efectúa la inserción de sectores del genoma de una especie en un microorganismo, haciéndose éste capaz de producir metabolitos que desde el punto de vista genético de su especie no podría hacerlo. La obtención de mutan- tes por el uso de agentes mutagénicos o por algún otro mecanismo bioquímico y la construcción de cepas nuevas por ingeniería genética constituyen los recursos de la genética microbiana, para mejorar la productividad de un microorganismo dado o para dotarlo de una capacidad productiva nueva. Es decir que los efecto- res internos pueden modificarse para lograr la optimización de un proceso fer- mentativo. Todos estos aspectos serán considerados especialmente en el capítulo siguiente, que corresponde al mejoramiento de los microorganismos de interés in- dustrial. El comportamiento o expresión fenotípica, o sea lo que realmente se observa como respuesta del microorganismo al medio ambiente en el reactor es, además, el resultado de la influencia de las variables de naturaleza física y química que constituyen los efectores externos.

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Los efectores externos de naturaleza física están vinculados con las condicio- nes de operación que se utilizan en los reactores y son por ejemplo la temperatu- ra, la agitación, aireación, etc; es decir, están constituidos por las variables de manipulación física que se fijan o se programan en el curso del proceso de pro- ducción. La modificación de algunos de los efectores físicos como por ejemplo la tem- peratura, tiene un efecto notable sobre un proceso. Si el valor utilizado no es ade- cuado puede disminuir o aún impedir la formación de un metabolito determina- do. Además la temperatura puede modificar los requerimientos nutritivos de al- gunos microorganismos, lo que significa que al modificarse el valor de un efector puede cambiar los requerimientos de otro. Los efectores externos de naturaleza química están representados por la pre- sencia de los componentes de los medios de fermentación, además del 0 2 que puede considerarse un nutriente más. Los componentes de los medios deben cumplir con todos los requerimientos nutricionales y además con los requeri- mientos específicos que son indispensables para la formación de productos. Los aspectos fundamentales de los medios, como su diseño y formulación, serán tra- tados en el capítulo 4. Los reactores están también estrechamente vinculados al manejo o manipu- lación de los efectores externos, ya que además de la regulación de las variables físicas permiten según el modo de operarlos fijar o regular la alimentación de componentes de los medios que, como ya se dijo, constituyen los efectores quími- cos. Tal es el caso cuando se operan los reactores en "batch" o en forma disconti- nua, (todos los componentes son colocados desde un comienzo en el medio de pro- ducción) o cuando se opera el reactor en "batch alimentado" donde la alimenta- ción de los componentes se realiza en forma controlada durante el proceso. Final- mente cuando se opera el reactor en continuo, se alimenta medio completo a una determinada velocidad al mismo tiempo que se deja salir con la misma velocidad medio fermentado, lo que permite tratar a la velocidad de crecimiento específico como variable independiente. Estos aspectos serán desarrollados especialmente en el capítulo 7. La influencia de los efectores internos y externos sobre el comportamiento de una célula microbiana se puede representar esquemáticamente como lo muestra la Fig. 1.

Figura 1. Influencia de los efectores internos y externos sobre la expresión celular.

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Para comprender con claridad estos conceptos es conveniente citar algunos ejemplos demostrativos. Supongamos una cepa de un microorganismo (B. subti- lis) que genéticamente está en condiciones de efectuar la biosíntesis de una enzi- ma (a-amilasa) y que es colocada en un medio de cultivo adecuado y en condicio- nes de operación óptimas para la producción de esa enzima. Por medio adecuado se entiende una fuente de carbono como el almidón o dextrina, además de fuente orgánica de nitrógeno, y otras sales minerales. Por condiciones de operación ópti- mas se consideran la temperatura de 30-37 °C, agitación, pH inicial 6.5-7.0.

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