Producción de Etanol

El etanol es producido por bacterias como E. coli, Zymomonas y Clostridium, o por levaduras como Saccharomyces y Candida. El proceso consta de una fase oxidativa (glucólisis) y una fase reductiva. Se puede obtener a través de varias rutas metabólicas:

• Ruta de Embden-Meyerhof: Produce más ATP (Glucosa + 2 ADP + 2 Pi → Biomasa + Etanol + 2 ATP), lo que favorece un mayor crecimiento del microorganismo.
• Ruta de Entner-Doudoroff: Llevada a cabo por Zymomonas, sigue pasos similares pero con una menor producción de ATP.
• Fermentación en E. coli: Además de etanol, se obtienen otras sustancias como acetato y succinato, lo que resulta en un menor rendimiento de etanol en comparación con Zymomonas.

Factores que Afectan al Crecimiento Microbiano

• Temperatura: En los procesos industriales se intenta alcanzar la temperatura óptima de producción. Las arqueas toleran y crecen a altas temperaturas, mientras que los protistas suelen preferir temperaturas más bajas.
• pH: Las arqueas y los hongos suelen crecer a pH bajos, mientras que los protistas prefieren pH elevados.
• Actividad del agua (a_w): Es la disponibilidad de agua para la célula en el medio. Oscila entre 0 y 1 y se define como la presión de vapor del agua en el medio dividida por la presión de vapor del agua pura. A menor actividad del agua, mayor es la presión osmótica. Ciertos solutos aumentan esta presión.
• Nutrientes: Los esenciales son carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, aunque también pueden serlo el fósforo y el azufre. Estos se utilizan para el mantenimiento celular, la síntesis de productos y la producción de biomasa.
• Cinética de crecimiento: Incluye la fase de latencia, la fase exponencial y la fase estacionaria.

Formulación de Medios de Cultivo

Factores a tener en cuenta para la correcta formulación de un medio de cultivo:

• Estequiometría de crecimiento y formación de producto.
• Bioquímica de la formación del producto, porque algunos productos solo se obtienen a partir de un sustrato específico.
• Requerimientos nutricionales para el crecimiento y la formación del producto.
• Rendimientos de biomasa y de formación del producto.
• Disponibilidad de iones.
• Mezclado y viscosidad del medio.
• Procesos prefermentativos y postfermentativos asociados.
• Costo y disponibilidad de los sustratos.

Fuentes Primarias de Carbono

Las principales fuentes de carbono utilizadas en procesos industriales incluyen:

• Polímeros de azúcares: Como el almidón, la sacarosa y la inulina (un polímero de fructosa).
• Lignocelulosa: Formada por celulosa, hemicelulosa y lignina.
  • La celulosa es uno de los polímeros más difíciles de degradar.
  • La degradación de la hemicelulosa produce azúcares como pentosas, galactosas y arabinosas.
  • La lignina es un derivado del fenol que puede inhibir el crecimiento microbiano.

Mecanismos de Control de Temperatura en Biorreactores

• Intercambiador de calor externo: Suele ser útil para esterilizar el medio de cultivo. Su principal inconveniente es que, si es necesario sacar el medio del reactor para enfriarlo o calentarlo, el microorganismo puede morir.
• Serpentín interno o externo: El serpentín interno está en contacto directo con el medio y debe ser esterilizado. En el externo, la energía térmica debe transferirse a través de la pared del biorreactor, lo que es más costoso energéticamente.
• Camisa o doble pared: El biorreactor posee una segunda capa externa. Entre ambas paredes circula un líquido que regula la temperatura, calentando o enfriando la pared interna del reactor.

Etapas de un Proceso Biotecnológico Industrial

Procesos Prefermentativos (Upstream)

Incluyen la preparación del catalizador biológico (microorganismo), la formulación y esterilización del medio de cultivo, la preparación del preinóculo y la inoculación del biorreactor.

Proceso Fermentativo

Es el proceso microbiano que ocurre dentro del biorreactor. Se controlan parámetros clave como el pH, la temperatura, el mezclado y la densidad óptica para monitorizar el crecimiento.

Procesos Postfermentativos (Downstream)

Comprenden la separación, purificación, control de calidad, gestión de residuos, reutilización de componentes (si es posible) y limpieza de los equipos.

El Biorreactor

Es el lugar donde un microorganismo cataliza una reacción para generar un producto. Se considera un sistema termodinámico cerrado que intercambia materia y energía con el entorno. La pared del biorreactor puede funcionar como una camisa para el control de temperatura. En su interior, un sustrato se convierte en producto mediante una reacción que libera o consume energía libre.

Procesos Postfermentativos (Downstream Processing)

Separación Celular

Se separa la biomasa (catalizador) del medio de cultivo. Los métodos incluyen: decantación, centrifugación, filtración, flotación y floculación (donde se agregan partículas para facilitar su sedimentación).

Métodos de Disrupción Celular

Si el producto de interés es intracelular, es necesario romper las células. Los métodos se clasifican en:

• Físicos: Homogeneización, sonificación, choque térmico y osmótico.
• Químicos: Agentes quelantes, detergentes, solventes.
• Biológicos: Autólisis, antibióticos y enzimas líticas.

Separación Primaria del Producto

Consiste en la separación de sustancias según su naturaleza química. Se emplean métodos físicos como: extracción con solventes, adsorción, precipitación, destilación y evaporación.

Separación Secundaria o Purificación

Separa componentes químicos de la misma naturaleza para alcanzar una alta pureza. Los métodos incluyen: cromatografía, ultrafiltración, precipitación fraccionada, ósmosis inversa y pervaporación.

Tipos de Cervezas según su Fermentación

Cervezas Ale (Fermentación alta)

Cerveza ambarina de fermentación alta (18-27 ºC durante 5-7 días) y sin guarda.

• Tipo Mild: Cerveza de bajo extracto y alcohol, con carácter a malta, débilmente lupulada y sabor dulzón.
• Tipo Pale: Se fabrican con menor tueste de malta, más lúpulo y sin azúcar añadido.
• Tipo Brown: Fuerte, malteada, de color oscuro. Puede ser dulce y de bajo contenido alcohólico.

Cervezas Lager (Fermentación baja)

Cerveza dorada de fermentación baja (6-15 ºC durante 2-7 días).

• Tipo Pilsen: Graduación alcohólica sobre 5º, sabor amargo, espuma clara y blanca.
• Tipo Dortmunder: Sabor fuerte y seco, con un 5,5% de alcohol. Menos aromática que la Pilsen.
• Tipo Bock: Muy malteada, con un contenido alcohólico de 6,5% y un característico dulzor.

Elaboración del Yogur

El yogur es un producto de leche coagulada obtenido de la fermentación láctica mediante la acción de bacterias como Lactobacillus o Streptococcus a partir de leche. El proceso de elaboración consta de las siguientes etapas:

1. Ordeño y recogida de la leche.
2. Enfriamiento de la leche para evitar que los microorganismos presentes sigan creciendo.
3. Traslado hacia la central lechera.
4. Estandarización para comprobar el estado de la leche y ajustarla a las condiciones deseadas (ej. contenido graso).
5. Pasteurización para destruir la mayoría de los microorganismos.
6. Homogeneización para estabilizar la emulsión de grasa.
7. Fermentación mediante la inoculación de las bacterias lácticas mencionadas.