A fermentación industrial é o uso deliberado da fermentación nun proceso de fabricación. Ademais da produción en masa de alimentos e bebidas fermentadas, a fermentación industrial ten moitas aplicacións na industria química. Produtos químicos básicos, como o ácido acético, ácido cítrico e etanol prodúcense por fermentación. Ademais, case todos os encimas industriais producidos comercialmente, como lipases, invertases e callo, prodúcense por fermentación con microbios modificados xeneticamente. Nalgúns casos, o obxectivo é a produción da propia biomasa, como no caso de proteínas de orixe unicelular, lévedo de panadaría e cultivos de inicio para bacterias do ácido láctico usadas na fabrición de queixo.
Aínda que se utiliza o termo «fermentación», hai que sinalar que, metabolicamente, as condicións de cultivo nas fermentacións biotecnolóxicas en biorreactores son na maioría dos casos aerobias a fin de obter un máximo rendemento na produción.
En xeral, as fermentacións poden clasificarse en catro tipos segundo o seu obxectivo: Produción de biomasa (material celular viable) Produción de metabolitos extracelulares (compostos químicos) Produción de compoñentes intracelulares (encimas e outras proteínas) Transformación de substratos (na cal o substrato transformado é o produto).
Estes tipos non están necesariamente separados, pero proporcionan un marco para comprender as diferentes estratexias. Os organismos usados son microorganismos, especialmente bacterias, algas e fungos, como os lévedos e mofos, pero a fermentación industrial pode tamén consistir en cultivos celulares orixinados de plantas e animais, como os de células de ovario de hámster chinés (CHO) e células de insectos. Consideración especial merecen os organismos específicos usados na fermentación, xa que se debe elixir o nivel axeitado de oxíxeno disolto, niveis de nutrientes e a temperatura. A velocidade da fermentación depende da concentración de microorganismos, células, compoñentes celulares e encimas, así como da temperatura, pH e o nivel de oxíxeno para a fermentación aerobia. A recuperación de produto implica frecuentemente a concentración da solución diluída.
Resumo do proceso xeral Na maioría das fermentacións industriais os microorganismos ou células eucariotas son mergullados nun medio líquido; noutros casos, como a fermentación de grans de cacao, bagas de café e miso, a fermentación ten lugar sobre a supericie húmida do medio.
Hai tamén unha serie de consideracións industriais relacionadas co proceso de fermentación que se deben ter en conta. Por exemplo, para evitar a contaminación dos procesos biolóxicos, hai que esterilizar o medio de fermentación, o aire e o equipo utilizado. O control da formación de escuma pode conseguirse quer pola destrución mecánica da escuma quer por axentes antiescumantes químicos. Outros factores deben medirse e controlarse, como a presión, temperatura, potencia do brazo axitator, e viscosidade. Un elemento importante para as fermentacións industriais é o seu escalado. Isto é a conversión dun procedemento de laboratorio a un proceso industrial. Está ben establecido no campo da microbioloxía industrial que o que funciona ben á pequena escala do laboratorio pode funcionar mediocremente ou non funcionar en absoluto cando se intenta por primeira vez a grande escala. Xeralmente non é posible tomar as condicións de fementación que funcionaban ben no laboratorio e aplicalas sen máis axustes nos equipos a escala industrial. Aínda que se teñen comprobado moitos parámetros como criterios de escalado, non hai unha fórmula xeral debido á variación nos procesos de fermentación. Os métodos máis importantes son o mantemento constante do consumo de enerxía por unidade de caldo e o mantemento dunha taxa de transferencia volumétrica constante.
Fases de crecemento miniatura|upright=1.2|Curva de crecemento bacteriana. A fermentación comeza unha vez que se inocula o medio de crecemento co organismo que interesa. O crecemento do inóculo non se produce inmediatamente. Este é o período de adaptación, chamado fase de retardo. Despois da fase lenta de retardo, a velocidade de crecemento do organismo aumenta sostidamente durante un certo período chamado fase logarítmica ou exponencial.
Despois dunha fase de crecemento exponencial, a velocidade de crecemento faise máis lenta, debido á continua baixada das concentracións de nutrientes ou ao aumento continuo (por acumulación) de concentracións de substancias tóxicas. Esta fase, onde se comproba o incremento da velocidade de crecemento, é a fase de deceleración. Despois da fase de deceleración, o crecemento cesa e o cultivo entra nunha fase estacionaria ou nun estado estable. A biomasa permanece constante, agás cando certos compostos químicos acumulados no cultivo degradan quimicamente as células nun proceso denominado quimiólise. A non ser que outros organismos contaminen o cultivo, a constitución química permanece sen cambios. Se se consomen todos os nutrientes do medio ou se a concenración de toxinas é demasiado grande, as células poden facerse senescentes e empezar a morrer. A cantidade total de biomasa pode non decrecer, pero o número de organismos viables si diminuirá.
Medio de fermentación Os microbios ou células eucariotas usadas na fermentación crecen en ou sobre un medio de crecemento especialmente deseñado que lles proporciona os nutrientes que precisan. Existen diversos medios, pero invariablemente conteñen unha fonte de carbono, unha fonte de nitróxeno, auga, sales e micronutrientes. Na produción de viño, o medio é mosto de uvas. Na produción de bioetanol, o medio pode consistir principalmente nalgunha fonte de carbono barata dispoñible.
As fontes de carbono adoitan ser azucres ou outros carbohidratos, aínda que no caso de transformacións de substratos (como na produción de vinagre) a fonte de carbono pode ser un alcohol ou alcohol e algo máis. Para fermentacións a grande escala, como as usadas para a produción de etanol, fontes baratas de carbohidratos, como as melazas, licor de millo, zume de cana de azucre, ou zume de remolacha son as usadas para minimizar custos. Nas fermentacións máis sensibles poden utilizarse glicosa purificada, sacarosa, glicerol ou outros azucres, o cal reduce a variación e axuda a asegurar a pureza do produto final. Os organismos que se pretende produzan encimas como a beta galactosidase, a invertase ou outras amilases poden ser alimentados con amidón para seleccionar os organismos que expresen os encimas en gande cantidade.
As fontes de nitróxeno fixado son necesarias para a maioría dos organismos para sintetizaren proteínas, ácidos nucleicos e outros compoñentes celulares. Dependendo das capacidades encimáticas dos organismos, o nitróxeno pode proporcionarse como proteína en masa, como fariña de soia; como polipéptidos predixeridos, como peptona ou triptona; ou como amoníaco e sales de nitratos. O custo é tamén un factor importante na elección da fonte de nitróxeno. Cómpre fósforo para a produción de fosfolípidos das membranas celulares e para a produción de ácidos nucleicos. A cantidade de fosfato que se debe engadir depende da composición do caldo e das necesidades do organismo, así como do obxectivo da fermentación. Por exemplo, algúns cultivos non producirán metabolitos secundarios en presenza de fosfato.
Os factores de crecmento e nutrientes traza inclúense no caldo de fermentación para organismos incapaces de producir todas as vitaminas que necesitan. O extracto de lévedos é unha fonte común de micronutrientes e vitaminas para medios de fermentación. Os nutrientes inorgánicos, incluíndo elementos traza como o ferro, cinc, cobre, manganeso, molibdeno e cobalto están normalmente presentes en fontes de carbono e nitróxeno non refinadas, pero pode haber que engadilas cando se usan fontes de carbono e nitróxeno refinadas. As fermentacións con grandes cantidades de gas (ou que requiren a adición de gas) tenderán a formar unha capa de escuma, xa que o caldo de fermentación xeralmente contén diversas proteínas, péptidos e amidóns que reforzan a escuma. Para impedir que se produza ou acumule esta escuma, poden engadirse axentes antiescumantes. Poden usarse sales tamponantes minerais, como carbonatos e fosfatos, para estabilizar o pH preto do óptimo. Cando está presente ferro metálico en altas concentracións, pode ser necesario o uso dun axente quelante.
O desenvolvemento dun medio óptimo para a fermentación é unha cuestión clave na optimización eficiente. A elección preferente é o método denominado un-factor-á-vez (en inglés OFAT, de one-factor-at-a-time) que os investigadores usan para deseñar a composición dun medio. Este método consiste en cambiar un só factor á vez mentres se mantén a concentración dos outros constante. Este método pode separarse en varios subgrupos. Un é o dos experimentos de retirada. Nestes experimentos retírase un compoñente do medio cada vez e vense os efectos sobre o medio ata que se fixo a proba retirando cada un deles. Os experimentos de suplementación supoñen avaliar os efectos dos suplementos de carbono e nitróxeno na produción. O experimento final é un experimento de substitución, consistente en substituír fontes de nitróxeno e carbono que mostran un efecto de potenciación sobre a produción pretendida. En conxunto a estratexia de un-factor-á-vez ten máis vantaxes sobre outros métodos de optimización debido á súa simplicidade.
Produción de biomasa
Ás veces o produto que se pretende obter na fermentación son as propias células microbianas ou biomasa. Exemplos son células produtoras de proteína de orixe unicelular, lévedo de panadaría, lactobacilos, Escherichia coli e outros. No caso das proteínas de orixe unicelular, as algas que as producen cultívanse en grandes estanques abertos onde poden realizar a fotosíntese. Se a biomasa se vai usar para a inoculación doutras fermentacións, debe terse coidado de impedir que se produzan mutacións.
Produción de metabolitos extracelulares Os metabolitos poden dividirse en dous grupos: os producidos durante a fase de crecemento do organismo, chamados metabolitos primarios e os producidos durante a fase esacionaria, chamados metabolitos secundarios. Algúns exemplos de metabolitos primarios son os seguintes: etanol, ácido cítrico, ácido glutámico, lisina, vitaminas e polisacáridos. Algúns exemplos de metabolitos secundarios son a penicilina, a ciclosporina A, a xiberelina e a lovastatina.
Metabolitos primarios Os metabolitos primarios son compostos prodcidos durante o metabolismo ordinario do organismo durante a fase de crecemento. Un exemplo común é o etanol e o ácido láctico, producidos durante a glicólise. O ácido cítrico prodúceno algunhas cepas de Aspergillus niger como parte do ciclo do ácido cítrico (ou de Krebs) para acidificaren o seu ambiente e impediren que os competidores o ocupen. O glutamato prodúceno algunhas especies de Micrococcus, e algunhas especies de Corynebacterium producen lisina, treonina, triptófano e outros aminoácidos. Todos estes compostos prodúcense durante o funcionamento normal da célula e libéranse ao ambiente. Non hai, pois, necesidade de romper as células para recuperar os produtos.
Metabolitos secundarios