Fermentacion casera

Una de las actividades lucrativas de algunas personas es la fermentación etílica casera, se trata de un proceso químico de baja eficiencia y del que se obtiene etanol en cantidades relativamente altas. El equipo básico para realizar la fermentación de forma casera puede consistir en las siguientes piezas:

• Fermentador o Cuba madre - Suele ser un recipiente de gran volumen de 30  (es preferible que tenga escala graduada en sus paredes). Este recipiente (generalmente de polietileno) se puede llenar de agua con sacarosa o cualquier zumo de fruta (pudiendo poner incluso fruta madura en su interior). El recipiente debe ser amplio en su boca superior para que el dióxido de carbono pueda liberarse y facilitar su limpieza posterior. Se denomina a veces a este recipiente como simplemente 'fermentador' y es el espacio en el que se realiza la fermentación. Debe ser de un tamaño tal que permita ser removido de vez en cuando.
• Tapón de fermentación - El recipiente, o fermentador, debe tener un calibre de 'boca' sufiente para que pueda enroscarse un tapón de fermentación con un agujero sobre el que se pueda introducir un airlock. Este tapón debe garantizar la estanqueidad del proceso, permitiendo tan sólo acceso a través del airlock.
• Cubierta de goma para el tapón - Se debe hacer notar que el tapón debe ser cubierto con una funda de goma para que garantice la estanqueidad del fermentador durante el proceso. Este accesorio no es realmente necesario y su función es la de garantizar la estanqueidad que debe proporcionar el tapón.
• Airlock - La misión de este dispositivo es la de permitir la salida del dióxido de carbono generado mientras que al mismo tiempo se evita la entrada de aire en el 'fermentador' y evitar así la contaminación del proceso (que oxidaría el alcohol etílico en ácido acético). El bloqueo de este aparato se hace mediante el empleo de agua introducida en unas ampolletas comunicadas, estas ampolletas permiten la salida del CO₂ pero no la entrada del aire (O₂). Este dispositivo puede encontarse elaborado en vidrio o en plástico.

Se suele comercializar para poder hacer la mezcla inicial diferentes productos con levaduras deshidratadas en su interior, la elección del producto dependerá fundamentalmente del tipo de azúcar empleado. Las levaduras deshidratadas deben pasar un periodo de hidratación de unas horas antes de ser añadido al substrato. Se debe considerar que la fermentación debe empezar aproximadamente a las 10 horas de componer el sistema y suele durar entre dos y cuatro días. A veces se incluyen además esencias diversas que se añaden en la elaboración final de estas bebidas caseras con el objeto de aromatizar o proporcionar diferentes sabores. En el kit de desarrollo debe incluirse un termómetro y un densímetro.
Este proceso es normalmente asociado el proceso de destilación casera para aumentar la pureza del alcohol resultante, permitiendo de esta manera producir aguardientes y otras bebidas de alto contenido alcohólico.



Escalado de la fermentacion

Escalamiento de la fermentación

El escalamiento involucra el estudio de los problemas asociados a transferir la información obtenida en el laboratorio (ml)  a escala de planta piloto (lt) y desde escala de planta piloto (lt) a escala industrial (m³).

En cada una de las etapas de escalamiento se evalúan algunos aspectos del proceso:

1. Escala de laboratorio se llevan a cabo:

–         la selección de cepas

–        estudios básicos de cinéticas de crecimiento

–        niveles de expresión

–        selección del medio, etc.

2. Planta piloto se optimizan las condiciones de operación

–        forma de operación

–        flujos, presiones

–        Temperaturas

–        velocidades de agitación, etc

3. Escala industrial se lleva a cabo la producción del producto de interés a niveles rentables.

El escalamiento más difícil en entre la escala de laboratorio y la planta piloto, debido a :

–        El diseño de los equipos, dado que la fluidodinámica es diferentes en cada escala.

–        Tamaño de los electrodos

Criterios de Escalamiento

•         La selección del criterio de escalamiento dependerá de cual es la variable más importante para el crecimiento del microorganismo y para la producción de producto deseado, por ejemplo:

•          Fragilidad del m.o.

•          Trasferencia de O₂

•         Generalmente el escalamiento se hace en base de principios de semejanza entre 2 sistemas. Esta semejanza se refiere a similitud entre las 2 escalas. Dichas similitudes pueden ser:

•         Similitudes geométricas: Las razones entre las longitudes correspondientes deben ser iguales en ambos sistemas.

•         Similitudes cinemáticas: Las razones entre las velocidades en puntos equivalentes deben ser iguales en ambos sistemas.

•         Similitudes dinámicas: Las razones entre las fuerzas en puntos equivalentes deben ser iguales en ambos sistemas.

Criterios de escalamiento

1.- Coeficiente de transferencia de oxígeno (kla) =>  (kla) _escala1 = (kla) _escala2

            2.-  Potencia por unidad de volumen (Pg/V) =>                      (Pg/V)_escala1= (Pg/V)_{escala 2}

         3.- Velocidad tangencial de agitación (p N Di) => (p N Di) _escala1= (p N Di) _escala2

4.-   Mantención del N_Reynold  ( N Di² r/m) =>     

                        (N Di² r/m) _escala1 = (N Di² r/m) _{escala 2}

5.-Velocidad de Bombeo de airea  (F/V) => 

                        (F/V) _escala1  = (F/V) _escala2

caracteristicas de las fermentaciones a gran escala

Características de las fermentaciones a gran escala

El contenedor recipiente en que se realiza el proceso industrial se denomina fermentador. Los fermentadores varían de tamaño, desde un fermentador pequeño de 5 a 10 litros de capacidad para producción a escala en laboratorio, hasta de 500 mil litros a escala industrial. Por tanto, el tamaño del fermentador utilizado dependerá del proceso y como se realice este.

Los fermentadores industriales pueden derivarse en dos clases principales, según se trate de procesos anaeróbicos o aeróbicos. Los fermentadores aeróbicos necesitan poco aireamiento especial, excepto el necesario para eliminar el exceso de calor generado durante la fermentación, mientras que los fermentadores aeróbicos requieren un equipamiento mas especial, para garantizar que se consiga el mezclado y la aireación adecuados.

Las fermentaciones industriales a gran escala presentan varios problemas en cuanto a su ingeniería y diseño. Los proceso aeróbicos necesitan mecanismos que aseguren la agitación y aireación. Los procesos microbianos tienen que controlarse continuamente para garantizar un rendimiento satisfactorio del proceso deseado.

Tamaño del fermentador en litros	Producto
1 a 20000	Enzimas para diagnostico, sustancias para biología molecular.
40 a 80000	Algunas enzimas, y antibióticos.
100 a 150000	Penicilina, antibióticos, aminoglicosidos, proteasas, amilasas, transformación de esteroides, aminoácidos, vinos y cerveza.
200000 a 500000	Aminoácidos (acido glutaminico) vino y cerveza.

Tabla 1. Tamaños de fermentador para diversos procesos industriales

Extracción y Purificación de enzimas

En general, las enzimas se encuentran formando parte de mezclas complejas, usualmente en el interior de células que además poseen cientos de otras enzimas. Pueden formar parte de agregados moleculares, complejos con otras enzimas, proteínas inertes, ácidos nucleicos, polisacáridos o lípidos. Para estudiar una en particular, se hace indispensable entonces un proceso de purificación.

EXTRACCION DE ENZIMAS

Las condiciones para extraer las enzimas y pasarlas a solución son a menudo críticas y requieren el estudio de muchas variables. Es necesario destruir las células, eventualmente las estructuras subcelulares y disociar las enzimas de otras moléculas. A veces es necesario pasarlas a solución como complejo mucoproteico o nucleoproteico y disociarlo luego durante la purificación.

Aunque la dispersión de agregados moleculares puede frecuentemente lograrse mediante medios mecánicos, en muchos complejos enzimáticos están involucradas fuerzas específicas; de la naturaleza de las mismas depende el método a emplear.

En general, el primer paso consiste en la obtención de un homogenato, que implica la destrucción de la célula y el pasaje de las enzimas a solución o suspensión. Esto puede llevarse a cabo por:

a) Homogenización mecánica: puede utilizarse un homogeneizador de vidrio, mortero, licuadora, a veces con la ayuda de abrasivos como alúmina, arena o bolitas de vidrio y con un solvente adecuado, isotónico (sacarosa 0,25 M, NaCl 0,9%, KCl 0,15 M) o ligeramente hipertónico, en un buffer adecuado para controlar el pH.

b) Homogeneización sónica: el choque de ondas sónicas o ultrasónicas provoca cambios de presión de miles de atmósferas, que rompen la pared celular. Se usa generalmente para bacterias y levaduras y, a veces, para determinados tejidos animales (bazo, riñón, eritrocitos).

c) Desintegración t­érmica: El congelamiento y descongelamiento rápidos y repetidos suelen usarse para desintegrar bacterias y eritrocitos. Por congelación se forman cristales de hielo intracelulares, destruyendo la estructura. Al descongelarse, las células se destruyen osmóticamente debido a la presencia de agua pura y se libera su contenido.

d) Desintegración química: se utilizan agentes que atacan la pared celular, como el etanol, éter de petróleo, isopentanol, etc.

e) Homogeneización por deshidratación: se basa en la precipitación de proteínas por solventes orgánicos. En la preparación del "polvo acetónico" se utiliza acetona en frío.

PURIFICACION

Los métodos a elegir dependen de la fuente biológica y de la concentración de la enzima, y se basan en las distintas propiedades fisicoquímicas de las proteínas.

El primer paso consiste en la separación de los distintos componentes intracelulares, generalmente por centrifugación. Las partículas que difieren en densidad o tamaño sedimentan a distintas velocidades por aplicación de una fuerza centrífuga (campo gravitacional, g). Una centrifugación diferencial permite la separación del homogenato en varias fracciones. Un esquema tipo es el siguiente:

Cada una de las fracciones precipitadas puede tratarse con agentes químicos para solubilizar las enzimas que fuesen particuladas. A partir de aquí comienza la purificación.

Los procesos de purificación utilizan las técnicas clásicas de fraccionamiento proteico y pueden basarse en el movimiento de sustancias en una fase líquida (electroforesis o filtración en geles) o en la transición de sustancias de una fase a otra (cromatografía o precipitación). La elección de un determinado procedimiento es un problema de prueba y error: hay que probar procedimientos y seleccionar. En general, la repetición de un paso es ventajoso, ya sea en forma sucesiva o interpolando otros pasos, aunque a veces provoca grandes pérdidas de actividad total. Una vez llevado a cabo un paso satisfactorio, la cantidad de material resultante debe ser manejable antes de pasar al paso posterior.

Aparentemente los métodos pueden usarse en cualquier orden y el mejor orden se determina experimentalmente. Existen sin embargo ciertas restricciones que hacen que haya un orden lógico.

Por ejemplo, el calentamiento tiene por objeto eliminar grandes cantidades de proteínas inespecíficas y no requiere el agregado de grandes volúmenes de líquido; es lógico, por lo tanto, que se haga al principio. En muchos casos no es practicable por la inestabilidad de la enzima o por la presencia de enzimas proteolíticas que la dañarían mucho al elevar la temperatura, o bien porque no aumenta el grado de purificación. 

enzimas que se obtienen en procesos industriales

Las Enzimas bacterianas pueden clasificarse según su lugar de acción en: ENDOENZIMAS y EXOENZIMAS. las endoenzimas son aquellas enzimas que actuan en el interior de la célula, Ej. oxidasas, reductasas y transaminasas. las exoenzimas son enzimas que siendo tambien sintetizadas en el interior de la célula para ejercer su función deben ser exportadas al mmedio extracelular en bacyerias gram positivas y al espacio periplasmico en la bacterias gram negativas. Su función principal es degradar macromoleculas, las que por su tamaño, no atraviesan las capas superficiales de la célula procariota. Ej. proteasas, lipasas.

Las extremoenzima son responsables de catalizar reacciones químicas en ambientes extremos, como pueden ser temperaturas muy altas o muy bajas, valores de pH altos o bajos, presiones altas, concentraciones de sales o metales altas. Los microorganismos poseedores de estos enzimas reciben el nombre de extremófilos, debido al hecho que viven en condiciones que resultan letales para otros microorganismos.

Las extremoenzimas pueden agruparse en distintos grupos según el ambiente en el que se desarrollan:

• Termófilas (altas temperaturas; entre 45°C i 85°C): amilasa, proteasas, polimerasas.

• Hipertermófilas (más de 100°C): amilasas, proteasas, polimerasas.

• Psicrófilas (bajas temperaturas; entre 0°C i 20°C): amilasas, proteasas, deshidrogenasas.

• Acidófilas (pH bajo).

• Alcalósilas (pH alto).

• Halófilas (alta concentración de sales).

• Piezófilas (alta presión).

• Metalófilas (alta concentración de metales).

• Radiófilas (altos niveles de radiación).

• Microaerófilas (bajo nivel de oxígeno).

Actualmente se usan enzimas para catalizar reacciones químicas en el sector industrial, ya que pueden ser extraídas y son reutilizables. Aún así, los enzimas se desnaturalizan si no se encuentran en ambientes de temperatura moderada, pH adecuado… y, sin embargo, hay procesos industriales que requieren de altas temperaturas, por ejemplo, para que se puedan llevar a cabo. Es por ello que las extremoenzimas son útiles en procesos industriales que funcionan en condiciones extremas de temperatura, pH, concentración… Un ejemplo de la ventaja que ha supuesto utilizar extremoenzimas se hace evidente en la técnica de la PCR

Así pues, hoy en día se utilizan extremoenzimas en diferentes sectores de la industria:

• Industrias azucarera, textil y papelera:

Son varias las enzimas que están implicadas en el metabolismo de hidratos de carbono, particularmente de la familia de las glicosil-hidrolasas. Se utilizan en la obtención de jarabes de glucosa, fructosa, recubrimiento amiláceo de determinados alimentos, industria panadera, de bebidas, etc. Algunos ejemplos pueden ser: α-amilasa de Pyrococcus woesei , Pululanasa de Pyrococcus woesei, β-glucosidasa… Por otro lado son importantes las enzimas que actúan sobre la celulosa, poliglícido muy abundante en la naturaleza, destacando las celulasas obtenidas de los géneros Thermophilum, Pyrococcus y Thermococcus.

• Industria de detergentes:

Los organismos hipertermófilos sintetizan un abundante número de proteasas y peptidasas intra y extracelulares con una gran variedad de sustrato-especificidades. Las proteasas procedentes de los géneros Desulfurococcus, Thermococcus y Pyrococcus son algunos ejemplos.

• Industria farmacéutica:

Las extremoenzimas pueden utilizarse con fines analíticos, como es el caso, por ejemplo, de la determinación de glucosa en sangre. La enzima usada en esta determinación es la glucosa DSH de Sulfolobus solfataricus.

• Biología molecular:

Otra importante aplicación de las extremoenzimas es la utilización de diversas ADN-polimerasas en la técnica de PCR.

• Industria minera:

Se pueden mencionar las enzimas de las archaeabacteria acidófila y quimiolitotrofa Sulfolobus metallicus. Estas extremoenzimas pueden solubilizar la calcopirina, presente en explotaciones mineras, lo cual permite la recuperación de cobre y hierro y la exposición de los metales preciosos para que puedan ser explotados.

• Industria del reciclaje:Un buen ejemplo es el uso de la especie Pyrococcus furiosus para su aplicación en el reciclaje de neumáticos.

En un futuro se espera haber ampliado los campos de aplicación de los extremoenzimas, y es por ello que aún se están estudiando sus utilidades. De esta manera puede ser que se consigan nuevos antibióticos, la obtención de cultivos resistentes a sequías...

Microorganismos utilizados por la industria para la producción de enzimas

Microorganismos productores de enzimas

A pesar de los avances biotecnológicos en la elección de enzimas, aún hace falta explorar ambientes nuevos o exóticos para encontrar microorganismos que desarrollen enzimas con propiedades excepcionales. La mayoría de las enzimas microbianas se producen a partir de aproximadamente 25 organismos, sin embargo, solo alrededor del 2% de los microorganismos se han ensayado como fuente de enzimas. A pesar de la multiplicidad de los microorganismos, un número limitado se usa como fuente de enzimas, frecuentemente porque es más fácil llevar a cabo la purificación de varias enzimas a partir de un microorganismo, para reducir ostos.

Los microorganismos adecuados para la producción de enzimas deben ser estables y aceptados por las autoridades de control, tener facilidad y rapidez de crecimiento con nutrientes sencillos y relativamente baratos, producir una enzima de alto rendimiento, que sea fácil de aislar, purificar y concentrar sin contaminantes o tóxicos. Tradicionalmente, el objetivo es maximizar la velocidad de formación de la enzima para minimizar los costos de producción de la enzima.

Habitualmente los microbios se sumergen en fermentadores bien agitados y aireados o en fermentadores sólidos o semisólidos, por ejemplo, los que producen lactasa, a-amilasa, proteasa, entre otros. Lo más adecuado es usar enzimas termostables, que a mayor temperatura, producen mayor velocidad de reacción, menor viscosidad del sustrato, mayor solubilidad del reactivo y menor contaminación. Además, para liberar más rápido la enzima se añaden surfactantes al medio de cultivo que aceleran la liberación. Las reacciones enzimáticas se llevan a cabo por numerosas enzimas con distintas funciones, por ello, una pequeña cantidad de enzimas son necesarios, inclusive a escala industrial; los preparados enzimáticos necesitan poco espacio de almacenamiento y las reacciones son controladas de forma sencilla y pueden detenerse cuando se ha alcanzado el grado deseado de conversión de sustrato.

Las enzimas microbianas se consideran seguras porque son extractos naturales, además las enzimas tóxicas son muy raras. La introducción de nuevas enzimas requiere una demostración de que no son tóxicas. Los microorganismos más comunes usados en el sector comercial son los hongos y bacterias, entre ellos se destacan los Aspergillus niger, A. oryzae y Bacillus subtilis.

Hongos productores de enzimas

Frecuentemente las enzimas fúngicas tienen un pH ácido o neutro y no son termoestables. Los más usados son:
Penicillium lilacinum
Penicillium funiculosom
Saccharomyces cerevisiae
Aspergillus niger (cepas como: A. awamori, A. foetidus, A. phoenicis, A. saitoi y A. usumii)
Aspergillus oryzae (cepas como: A. sojae y A. effusus)
Mucor javanicus
Rhizopus arrhizus
Rhizopus oligosporus
Kluyveromyces fragilis
Rhizopus oryzae
Kluyveromyces lactis

Bacterias productoras de enzimas

Las enzimas bacterianas tienden a tener un pH alcalino o neutro y con frecuencia son termoestables. Las más usadas son:
Bacillus subtilis (cepas como: B. mesentericus, B. natto y B. amyloquefaciens)
Leuconostoc oenos

Utilidad de enzimas producidas industrialmente

Aqui un buen articulo...
http://www.unicauca.edu.co/biotecnologia/ediciones/vol1/Ar11.pdf