CAPITULO 1
INTRODUCCION A LO PROCESOS INDUSTRIALES DE
FERMENTACION
1.1 DESARROLLO HISTORICO
Hay tres periodos de tiempo: un periodo de ignorancia (antes de 1800), un periodo de descubrimiento (1800-1900) y un periodo de desarrollo industrial (después de 1900).
1.2 CARATERISTICAAS DE LOS MATERIALES BILOGICOS, EXPLOTABLES INDUSTRIALMENTE
Las industrias de procesos bioquímicos están principalmente interesadas en la explotación controlada de la bioquímica de los materiales biológicos tales como microorganismos, plantas y tejidos animales, fracciones microbianas y enzimas libres de células. Los procesos que están explotando actualmente con éxito están relacionados con microorganismos y enzimas libres de células.
Los enzimas libres de células son solubles en agua y relativamente inestables; son por lo tanto difíciles de recuperar del producto para volverlos a utilizar.
Fermentación, de acuerdo con su etimología significa simplemente una acción burbujeante o de ebullición y fue usado por la primera vez en un momento en que la única reacción industrial conocida de su tipo tenía lugar en la producción de vino.
Como los enzimas son enzimas son los catalizadores biológicos universales, la fermentación en el más amplio sentido puede ser definida como un proceso en el que los cambios químicos son llevados a cabo de sustrato orgánico por la acción de enzimas, se encuentren estos enzimas dentro de la célula (in vivo) o sea libre de células (in vitro).
La actividad de las especies biológicas decrece a medida que aumenta su complejidad estructural. Los organismos inferiores tienen 3 ventajas básicas para el desarrollo de los procesos industriales:
1.- segregan, o pueden ser inducidos a segregar, productos químicos útiles a menudo en proporción a su velocidad de crecimiento.
3.- Su productividad potencial como fuente de alimentación humana y animal, en términos de utilización del suelo es extremadamente alta comparada con los métodos de labranza tradicionales.
Los requerimientos básicos para los procesos microbiológicos industriales son energía, carbono, nitrógeno y minerales. El carbono es un compuesto orgánico, que es oxidado para que libere energía y, al mismo tiempo, proporciona el carbono estructural para la síntesis de nuevo material celular. Globalmente el metabolismo es exotérmico. La energía liberada por las reacciones de oxidación es parcialmente absorbida en las reacciones de síntesis que consumen energía y el resto es liberada parcialmente como calor al medio ambiente externo, y parcialmente en forma de trabajo mecánico y osmótico.
Cuando están implicados productos bioquímicos, el objetivo industrial es usar una parte del metabolismo global para una conversión bioquímica particular. Esto se consigue de una forma ventajosa por selección de una cepa particular de una especie de microorganismo dada y por el suministro de un reactivo orgánico primario (sustrato) además de aquellos metabolitos requeridos para la supervivencia del microorganismo. Si es posible se intenta aumentar la cantidad y la actividad de las enzimas implicadas en la conversión y reprimir aquellas enzimas que ataquen el producto deseado. Esto se hace usualmente por adición de constituyentes químicos apropiados a la mezcla reaccionante (medio nutriente). La composición de este medio se determina generalmente de una forma empírica. Los medios que existen naturalmente han resultado ser más satisfactorios que los sintéticos.
1.3 PROCESOS ACTUALES DE FERMENTACION INDUSTRIAL
La conversión microbiana puede ser solo una etapa de una secuencia de conversión de múltiples etapas, como la producción de algunas vitaminas, esteroides, penicilina y productos alimenticios.
Gran parte de esta penicilina es usada en alimentación animal, esto hace necesario la adición de la penicilinas a la leche para destruir la penicilina antes de que los microorganismos puedan desarrollarse durante la manufactura del queso y del yogurt.
En el tratamiento biológico de las aguas contaminadas los microorganismos se utilizan para transformar los productos residuales de la sociedad humana en materiales inocuos. Esto es posible porque las aguas residuales domesticas y algunos efluentes industriales son ricos en compuestos que contienen un gran número de diferentes microorganismos. Los procesos de tratamiento biológico de residuos son precedidos usualmente por una etapa de sedimentación, y su objetivo es la eliminación de impurezas orgánicas de las aguas residuales por conversión en masa microbiana adicional y compuestos con cadenas de carbonos cortas, o preferentemente dióxido de carbono. Estos procesos requieren la participación de oxígeno y se dice que son aerobios.
Desarrollos recientes en la tecnología de la fermentación industrial han hecho posible la preparación de unos 100 enzimas libres de células a partir de bacterias y hongos y avances similares en las técnicas de separación bioquímica han conducido a la disponibilidad de varios grados de pureza.
1.4 PROCESOS DE FERMENTACION ACTUALMENTE EN ETAPA DE DESARROLLO
El costo de las materias primas, el costo de la aireación, la extensión de la conversión, frecuentemente baja, del sustrato de un producto bioquímico, y las bajas concentraciones de producto conseguidas al final de la fermentación, representan factores significativos en el precio final del mercado de muchos productos bioquímicos. Se están realizando con éxito investigaciones para resolver estos problemas de diferentes maneras: mediante el uso de sustratos hidrocarbonados por el desarrollo de nuevas configuraciones de fermentador que conduzcan a eficiencias de aireación más altas, por el uso de conversiones enzimáticas como un sustituto de los microorganismos, por el desarrollo de nuevas técnicas de separación e inevitablemente por funcionamiento continuo. La producción de proteínas microbianas, la utilización de una tecnología basada en el uso de tejidos vegetales para producir productos bioquímicos, y la extracción de materiales metalúrgicos útiles a partir de minerales de baja riqueza por extracción microbiana pueden ser de mayor importancia en el futuro.
1.4.1 PROTEINAS MICROBIANAS
Se ha encontrado que las levaduras pueden utilizar n-parafinas en el rango de carbonos c10-c30 y que pueden separar estas parafinas a partir de una fracción de petróleo estándar. se han afirmado que las levaduras producidas de esta manera no exhiben diferencias bioquímicas básicas cuando se comparan con las levaduras convencionales y producidas a partir de carbohidratos.
El principal propósito de estos procesos es la transformación del nitrógeno inorgánico en la forma orgánica como proteína adecuada para uso alimenticio. La intención es combinarlos con otras fuentes de proteínas por ejemplo harina de cereal, para proporcionar un adieta equilibrada en proteínas para animales.
1.4.2 TEJIDOS DE PLANTAS
Desarrollos recientes en el cultivo de tejidos de plantas aumentan la posibilidad de utilizar células de plantas superiores, cultivadas para la producción de productos bioquímicos. Hasta el momento los rendimientos alcanzados han sido muy bajos sin embargo, la historia del mejoramiento en los rendimientos de la penicilina da lugar al optimismo.
1.4.3 ENZIMAS
Un gran número de materiales orgánicos se han sintetizado con éxito por microorganismos en cantidades comerciales. Sin embargo, tales procesos tienen un numero de desventajas inherentes, a saber:
1.- las dificultades implicadas en el mantenimiento de las características genéticas de la cepa dada.
2.- El esfuerzo requerido en las etapas de fermentación previas a la producción de un proceso determinado.
3.- Una parte del sustrato se utiliza en el crecimiento de la población de microorganismos.
4.- se forman numerosos productos.
6.- Se requieren generalmente mezclas de nutrientes altamente complejas apara mantener el crecimiento de los microorganismos.
A causa de estas desventajas se piensa que pueden obtenerse resultados mejores separando los materiales activos, por ejemplo, enzimas y componiendo artificialmente las vías de reacción necesarias. Una dificultad implícita en tal procedimiento está relacionada con el hecho de que todos los procesos efectuados por microorganismo se realizan en presencia de una fase acuosa en la que los enzimas son solubles.
Entonces los productos y las enzimas serian descargados juntos del recipiente de reacción. Es por tanto necesario idear algunos medios de retener las enzimas dentro del reactor sin impedir al mismo tiempo el acceso a ellos de los reactivos. En estos últimos años se han desarrollado 3 métodos principales de alcanzar este objetivo, a saber, retención mecánica, enlace químico y adsorción.
Generalmente se piensa que los reactores químicos industriales basados en metales metódicos alcanzara un gran desarrollo en vista del gran número de productos químicos complejos que pueden producirse, normalmente más baratos por medios bioquímicos que por los puramente químicos.
1.4.4 LIXIVIACION MICROBIANA
La lixiviación o solubilización de minerales de azufre por la acción de bacterias autótrofas se ha observado en el área de las operaciones de minería durante muchos años. La bacteria en estas situaciones crece rápidamente utilizando la oxidación de minerales sulfurosos como fuente de energía y dióxido de carbono atmosférico como fuente de carbono estructural. Los organismos en cuestión son facultativos, pero la disponibilidad de oxigeno atmosférico conduce a mayores velocidades de crecimiento y extracción. Estas bacterias pueden tolerar valores de pH ácidos y altas concentraciones de sales minerales.
procesos podrían usarse tanto para la extracción de minerales valiosos como para enriquecer minerales.
CONCLUSION
Las industrias de procesos bioquímicos estan interesadas en la inversion en materiales biológicos como microorganismos, plantas y tejidos animales, fracciones microbianas y enzimas libres de células. Teniendo mayor auge actualmente las enzimas libres de células.
Los enzimas libres de células son solubles en agua y un tanto inestables por lo que son difíciles de recuperar del producto para volverlos a utilizar en procesos industriales.
El proceso de fermentacion es capaz de abarcar muchos sectores si consideramos que el termino <<fermentación>> como tal, es el nombre asignado a toda clase de cambios químicos producidos en los sustratos por la accion de los microorganismos vivientes.
La eficiencia de las especies biológicas decrece si su complejidad estructural aumenta por eso los organismos inferiores presentan mayor ventaja y son preferidos en su utilizacion industrial. Algunas d estas ventajas son:
1.- Pueden ser inducidos a segregar, productos químicos proporción a su velocidad de crecimiento (alto).
2.- Tienen una velocidad de crecimiento mayor que los organismos superiores. 3.- Sus necesidades para desarrollo y crecimiento son minimas en comparacion con organismos mas complejos.
