Formulación de Medios de Fermentación y Control de Letalidad Térmica para Bioprocesos

Formulación de Medios de Fermentación: Objetivos y Requerimientos

Objetivos Técnicos de la Formulación

Los objetivos técnicos son distintos en la etapa de propagación y en la fermentación principal, por lo que las formulaciones de los medios varían. Se distinguen dos objetivos principales:

• Obtención de biomasa o metabolitos primarios: El objetivo es proveer un medio que permita el crecimiento óptimo del microorganismo.
• Producción de metabolitos secundarios: El medio se diseña para generar un período inicial de crecimiento celular, seguido de condiciones óptimas para la producción del metabolito secundario (crecimiento limitado por sustrato).

Requerimientos Generales del Medio de Cultivo

Los componentes esenciales que deben incluirse en la formulación son:

• Fuente de Carbono: Aporta energía y unidades de carbono para la biosíntesis.
• Fuentes de Nitrógeno.
• Elementos menores y traza.
• Vitaminas y cofactores.

Requerimientos Particulares

Dependiendo del tipo de proceso, pueden ser necesarios componentes específicos:

• Oxígeno molecular: Esencial para fermentaciones aeróbicas y la etapa de acondicionamiento o crecimiento.
• Tampones.
• Ácidos o bases (para control de pH).
• Antiespumantes.
• Inductores o inhibidores.

Pasos Clave para la Formulación

1. Examinar el proceso global basándose en la estequiometría para el crecimiento y la formación del producto.
2. Considerar el input de fuentes de carbono y nitrógeno, minerales y oxígeno, y su conversión a biomasa celular, productos metabólicos, dióxido de carbono, agua y calor.
3. Con esta información, es posible calcular las cantidades mínimas de cada elemento requerido para producir una cierta cantidad de biomasa o metabolito.

Composición Elemental Típica de una Célula Microbiana

En peso seco (b.s.), la composición elemental promedio es:

• Carbono (C): 48%
• Hidrógeno (H): 7%
• Oxígeno (O): 32%
• Nitrógeno (N): 14%

Fórmula Empírica de la Levadura de Cerveza

La composición típica de la levadura de cerveza se representa mediante la siguiente fórmula empírica:

C_3.72H_6.11O_1.95N_0.61S_0.017P_0.035K_0.056

Criterios para la Elección de las Fuentes Nutricionales

La selección de las materias primas debe considerar múltiples factores que afectan tanto al proceso como al producto final:

• Costo y disponibilidad.
• Facilidad de manipulación en forma líquida o sólida.
• Sistema de esterilización y problemas de desnaturalización.
• Las características de formulación, mezclado, acomplejación y viscosidad, ya que pueden influir en la agitación, aireación y espumación durante la fermentación y el proceso de recuperación del producto.
• La concentración del producto deseado, su tasa de formación y el rendimiento por gramo de sustrato utilizado.
• La cantidad y tipo de impurezas, y la posibilidad de generar productos indeseados durante el proceso.
• Aspectos de salud y seguridad.

Cinética de Letalidad Térmica y Esterilización

Fundamentos de la Cinética de Muerte Térmica

La destrucción de microorganismos por el calor sigue un curso logarítmico, lo que indica que, a una temperatura dada, en tiempos iguales se destruyen porcentajes idénticos de microorganismos.

Para caracterizar la resistencia de un microorganismo (o de cualquier sustancia sensible) frente al calor se emplean dos valores clave: D y Z. Para caracterizar la intensidad de un tratamiento térmico se usa el valor F.

Resistencia Térmica de Microorganismos

La resistencia al calor varía significativamente entre los tipos de microorganismos, siendo las esporas bacterianas las más resistentes:

• Bacterias y levaduras vegetativas.
• Virus y bacteriófagos.
• Esporas de mohos.
• Esporas bacterianas (con valores de resistencia que pueden alcanzar 3 x 10⁶, dependiendo de la unidad de medida utilizada).

Criterio de Esterilización en Bioprocesos

Para los medios de fermentación, bioconversión y alimentos, el criterio de esterilización se basa en la destrucción termal de las esporas de Bacillus o Clostridium.

Según la cinética de letalidad, es posible alcanzar un nivel específico de esterilidad manteniendo una temperatura apropiada por un tiempo especificado (baremo).

Nivel de Esterilidad (3D): Un nivel de esterilidad de 10^-3 (o 3D) significa que se puede esperar que menos de 1 batch de 1000 llegue a estar contaminado como consecuencia de una esterilización inadecuada.

Conceptos Fundamentales de Destrucción Térmica

Objetivo (Target)

Endoesporas bacterianas, específicamente Clostridium botulinum, debido a su alta resistencia.

Tiempo de Muerte Térmica (TMT)

Tiempo necesario para matar a un determinado número de microorganismos a una determinada temperatura.

Valor D (Tiempo de Reducción Decimal)

• Tiempo necesario para destruir al 90% de los microorganismos (o reducir la población en un orden de magnitud).
• Es el inverso de la pendiente de la curva de sobrevivencia (se recomienda su representación gráfica).
• Permite comparar las resistencias relativas al calor entre diferentes cepas o especies.