Procesos de Fermentación Industrial: Cultivos Batch vs. Continuo y Conceptos Clave
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Productos Notables de la Fermentación Microbiana
| Producto | Microorganismo (MO) | Usos | Condiciones |
|---|---|---|---|
| Ácido cítrico | Aspergillus niger | Aditivos alimentarios | Fuentes de carbono |
| Alcohol (Etanol) | Levadura (Saccharomyces cerevisiae) | Bebidas alcohólicas | Fuentes de carbono |
| Penicilina | Penicillium chrysogenum | Medicina (antibiótico) | Fuentes de carbono |
| Ácido láctico | Lactobacillus | Producción de yogur | Fuentes de carbono |
| Proteasa | Bacillus | Enzimas y proteínas | Fuentes de carbono |
Conceptos Fundamentales en Procesos Biotecnológicos
Inóculo
Es el microorganismo (MO) que se introduce en un medio enriquecido con los nutrientes necesarios para que pueda crecer y desarrollarse.
Escalamiento
Proceso de llevar una cantidad pequeña de inóculo, obtenida en un laboratorio, a cantidades industriales. Se realiza aumentando el volumen de forma gradual para evitar la fase de latencia (fase lag), ya que el cultivo pasa de un fermentador de menor capacidad a otro de mayor capacidad.
Cultivo Batch (Discontinuo)
Es un tipo de cultivo en el que el medio líquido esterilizado es inoculado con los microorganismos y se procede a la incubación. Durante el proceso de fermentación no se agrega nada, excepto oxígeno si es necesario. Se puede considerar un sistema cerrado.
Fase Estacionaria
Fase del crecimiento microbiano donde el número de células que se dividen es igual al número de células que mueren. En esta etapa se producen principalmente los metabolitos secundarios y la tasa de crecimiento neta es cero.
Bioreactor
También llamado fermentador, es el recipiente o sistema dentro del cual se producen reacciones biológicas llevadas a cabo por seres vivos, como los microorganismos.
Rendimiento
Es la eficiencia del proceso, es decir, la cantidad de producto obtenido en un tiempo determinado o en relación con el sustrato consumido.
Operón
Unidad funcional del ADN que contiene un grupo de genes cuya expresión está regulada por los mismos elementos de control. En un sistema inducido, es la región donde se pueden unir proteínas reguladoras para controlar la transcripción.
Crecimiento Diaúxico
Tipo de crecimiento que ocurre en presencia de dos sustratos, donde el microorganismo consume preferentemente uno primero y, una vez agotado, comienza a consumir el segundo.
Sustrato Limitante
Sustrato esencial para el crecimiento del microorganismo. Su concentración en el medio de cultivo controla la tasa de crecimiento y la biomasa final. Cuando se agota, el crecimiento se detiene.
Comparación de Producción de Biomasa: Cultivo Batch vs. Continuo
La producción de biomasa en un cultivo continuo es generalmente mayor, ya que en este sistema se busca mantener el cultivo constantemente en la fase exponencial de crecimiento, permitiendo que los microorganismos se repliquen de manera continua.
Parámetros Clave a Controlar
- En ambos sistemas: pH, temperatura (T), concentración de sustrato ([S]) y porcentaje de biomasa.
- Específicos del cultivo continuo: Tasa de dilución (D) y tasa de crecimiento específico (μ).
Condiciones en Cultivo Continuo
- Si la tasa de dilución (D) es mayor que la tasa máxima de crecimiento (μ_max), el cultivo "se lava", es decir, los microorganismos son eliminados del reactor más rápido de lo que pueden reproducirse.
- Si la tasa de dilución (D) es menor que la tasa máxima de crecimiento (μ_max), el cultivo crece hasta que otro factor se vuelve limitante.
- Si la tasa de dilución (D) es igual a la tasa de crecimiento específico (μ), el cultivo alcanza un estado estacionario (steady state), donde la concentración de biomasa y sustrato se mantienen constantes.
Ventajas del Cultivo Batch Frente al Cultivo Continuo
- Es ideal cuando los productos son requeridos en pequeñas cantidades en un tiempo determinado.
- Se adapta bien a una demanda de mercado que es intermitente.
- Es adecuado para productos cuya vida útil es corta.
- Permite alcanzar una alta concentración de producto final, lo que puede optimizar los procesos de recuperación (downstream).
- Es el método de elección para productos que solo se generan en la fase estacionaria, como muchos metabolitos secundarios.
- Reduce el riesgo de mutaciones o inestabilidad de las cepas, ya que los ciclos de cultivo son cortos.
- Los requerimientos técnicos y de operación son generalmente más simples y económicos.
Funcionamiento del Cultivo Continuo con Recirculación (Feed-back)
Es un sistema de cultivo continuo en el que parte del flujo de salida se recircula hacia el bioreactor. Esta recirculación puede contener solo el medio con sustrato residual, los microorganismos (biomasa), o ambos, dependiendo de las necesidades del proceso. Para concentrar la biomasa, se pueden utilizar métodos como filtración o centrifugación para separar las células del medio líquido. Estas células concentradas se reintroducen en el fermentador.
¿Cómo se alcanza la concentración de biomasa requerida?
La concentración de biomasa en el reactor se puede aumentar controlando el flujo de salida. Al separar y recircular las células (sólidos), se logra una concentración de biomasa dentro del reactor que es mayor que la del flujo de salida, permitiendo operar a tasas de dilución más altas sin que el cultivo se lave.