Microbiología Industrial: Aplicaciones, Procesos y Productos

La microbiología industrial, como ciencia dentro de la biotecnología, utiliza microorganismos, típicamente a gran escala, para elaborar productos metabólicos de valor comercial, modificar compuestos químicos o para generar biomasa como alimento u otros fines. Los microorganismos industriales se consideran biocatalizadores y el proceso que ellos efectúan se denomina biocatálisis (biotransformación), si el fin es producir un compuesto químico útil (comercial). La biotransformación transforma una sustancia metabólica o sintética en otra con propiedades deseables, ej. la transformación de un esteroide. Los microorganismos industriales pueden formar productos metabólicos: enzimas, antibióticos, aditivos alimentarios, solventes.

Características de los Microorganismos Industriales

Las características deseables de los microorganismos utilizados en la industria incluyen:

• Sintetizar el producto de interés con alto rendimiento y en corto tiempo.
• Crecer rápidamente en un medio de cultivo de bajo costo disponible en gran volumen (a gran escala).
• Fácilmente inoculado en grandes fermentadores.
• Ser susceptible de manipulación genética.
• Idealmente que no sea patógeno, especialmente para humanos.
• Estabilidad genética.
• La ruta de biosíntesis del producto debe estar bien caracterizada.
• Necesidad limitada o sin necesidad de aporte de vitaminas o factores de crecimiento adicionales.

Fermentación: Definición y Tipos

Louis Pasteur definió la fermentación como "vida sin aire". El término fermentación proviene del latín fervere, que significa ebullir. Proviene del hecho que en el comienzo de la fermentación del vino se liberan tantas burbujas de gas en la superficie del mosto que da la impresión que estuviese hirviendo. Esto es por la producción de CO2 causada por el metabolismo anaerobio de los azúcares presentes en el extracto (fruta o cereales malteados). En microbiología industrial, fermentación significa cualquiera de un conjunto amplio de procesos llevados a cabo por microorganismos o sus enzimas, sin considerar si está involucrada una fermentación (el catabolismo anaeróbico de sustratos orgánicos sin participación de un aceptor de electrones exógeno) o una respiración.

Tipos de Fermentaciones

• Las que producen células microbianas (biomasa) como producto.
• Las que producen enzimas microbianas.
• Las que producen metabolitos microbianos.
• Las que producen productos recombinantes.
• Aquéllas que modifican un compuesto que se agrega a la fermentación (un proceso de biotransformación).

Procesos Basados en Fermentaciones

• Producción de alimentos y bebidas fermentadas.
• Producción de piensos fermentados.
• Uso de biomasa microbiana como alimento o pienso.
• Producción fermentativa de metabolitos y enzimas usadas en alimentos y piensos como ingredientes o aditivos.

Producción Industrial de Metabolitos y Enzimas

La producción industrial de metabolitos y enzimas necesita de:

• Organismos productores adecuados (selección, evaluación de seguridad, optimización de rendimiento (ej. Quimosina)).
• Cultivo (medio, fermentadores, escalamiento).
• Aislamiento (purificación) de los productos (down stream-processing).
• Formulación.

Maneras de Iniciar Fermentaciones

• Fermentaciones nativas: un proceso espontáneo.
• Back slopping (de un sustrato en fermentación).
• Uso de cultivos iniciadores (starters):
  • Cultivos indefinidos: similar al back slopping pero con mayor grado de selección microbiana mediante propagación continua, ej. Flora danica (>100 cepas de Leuconostoc y Lactococcus), Reinzuchtsauer (dominan 3 cepas de dos especies de Lactobacillus).
  • Cultivos definidos: cultivos de cepas múltiples o de cepa simple, usados como cultivos lácticos, masas, vino, carne y vegetales.

Diseño y Formulación de Medio de Cultivo

Generalmente se necesita de un medio líquido de fermentación (caldo de fermentación). El medio de fermentación debe satisfacer todos los requerimientos nutricionales del microorganismo y cumplir con los objetivos técnicos del proceso (si es propagación o fermentación principal). Los nutrientes presentes en el medio deben estar en cantidad y forma química tal que promuevan la síntesis del producto requerido, ya sea biomasa celular o un metabolito específico. Se requiere de varios medios donde se debe adicionar nutrientes específicos:

• Inóculo (semilla, starter o cultivo iniciador).
• Caldos de propagación del inóculo.
• Caldos para fermentaciones a nivel de planta piloto (volúmenes limitados).
• Caldo para la fermentación de producción principal.

Alimentos Fermentados

Los alimentos fermentados constituyen una cuarta parte de nuestra dieta y se elaboran a partir de materias primas vegetales o animales crudas o tratadas con calor. Ellos adquieren sus propiedades características (ej. aroma, sabor, color, textura, seguridad, estabilidad, valor nutricional) en un proceso llevado a cabo con la ayuda de microorganismos y/o enzimas.

Biomasa

Se han desarrollado numerosos productos de bacterias, levaduras, mohos y microalgas como alimentos y piensos. La levadura y el extracto de levadura son ingredientes comunes de alimentos y piensos. (ver como romperlas). La proteína unicelular (micoproteína) Quorn se ha evaluado como un alimento nuevo. La biomasa obtenida en los procesos de fermentación industrial como subproducto (incluyendo a los que utilizan GMM) se ha usado como pienso animal.