Dra. Lorena Amaya Delgado
Unidad de Biotecnología Industrial
CIATEJ
La fermentación es un proceso bioquímico fundamental en el que los microorganismos, como bacterias, levaduras u hongos, descomponen sustancias orgánicas para obtener energía y diversos metabolitos de interés. Es por ello, que la fermentación es un proceso de gran relevancia en diversas industrias, ya que a través de ella se transforman sustratos orgánicos, como los azúcares, en productos útiles como bebidas y alimentos. Sin embargo, la fermentación no solo es esencial en la industria alimentaria, sino que también desempeña un papel crucial en la biotecnología y la industria farmacéutica, en la generación de bioenergíay en la producción de químicos.
Industria alimentaria y de bebidas
La fermentación es crucial en la producción de alimentos y bebidas, como yogurt, queso, pan, cerveza, vino, pigmentos, etc. Estos productos no solo son apreciados por su sabor y textura, sino también por sus beneficios para la salud, como la mejora de la digestión y la preservación de nutrimentos.
Biotecnología y farmacéutica
En la biotecnología, la fermentación es utilizada para la producción de antibióticos, hormonas, enzimas y otros productos farmacéuticos. Por ejemplo, la producción de penicilina e insulina a gran escala se basa en procesos de fermentación altamente controlados.
Energía y medio ambiente
La fermentación también juega un papel importante en la producción de biocombustibles, como el bioetanol, hidrógeno y biogás. Estos combustibles renovables son una alternativa sostenible a los combustibles fósiles y contribuyen a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.
Productos químicos industriales
La fermentación permite la producción de productos químicos industriales, como ácidos orgánicos (ácido láctico, ácido cítrico), solventes (acetona, butanol) y polímeros biodegradables. Estos productos tienen aplicaciones diversas en la industria química, cosmética y de materiales.
Tipos de fermentación
Dependiendo del tipo de microorganismo utilizado y las condiciones de cultivo (temperatura, pH, oxígeno), las fermentaciones se pueden clasificar en 4 grandes tipos:
- Fermentación alcohólica: Es la más conocida de todas. De manera general, es un proceso anaeróbico (en ausencia de oxígeno) realizado por levaduras, principalmente del género Saccharomyces, y algunas bacterias como Zymomonas mobilis. En este tipo de fermentación los azúcares, como por ejemplo la glucosa y sacarosa, son transformados en etanol y dióxido de carbono. La fermentación alcohólica es fundamental en la producción de bebidas como la cerveza, el tequila, el mezcal y el vino, así como en la panificación, donde el CO₂ producido permite el esponjamiento de la masa.
- Fermentación láctica: Este tipo de fermentación es llevada a cabo por bacterias lácticas, como las del género Lactobacillus y Streptococcus en condiciones anaeróbicas. En este proceso, la glucosa se convierte en ácido láctico. Existen dos tipos de fermentación láctica: la homoláctica, donde el producto principal es ácido láctico, y la heteroláctica, que produce ácido láctico, etanol y CO2. Esta última es esencial en la elaboración de productos lácteos fermentados como el yogurt y el queso, así como en la conservación de vegetales en forma de encurtidos.
- Fermentación acética: Es realizada por bacterias del género Acetobacter y Gluconobacter. En este proceso aerobio (en presencia de oxígeno), diversos sustratos como el etanol o azúcares son transformados en ácido acético; este tipo de fermentación es la utilizada en la producción de vinagre.
- Fermentación butírica: Es llevada a cabo por bacterias del género Clostridium bajo condiciones completamente anaeróbicas, es decir, en completa ausencia de oxígeno. En este tipo de fermentación los azúcares y el lactato se convierten en ácido butírico, dióxido de carbono e hidrógeno. Es menos común en aplicaciones alimentarias debido a los olores fuertes y desagradables del ácido butírico, pero es de interés en la producción de ciertos biocombustibles y productos químicos industriales, como el butanol y el hidrógeno.
Como se puede ver, las diferencias entre los tipos de fermentaciones dependen del microorganismo y de las condiciones de operación utilizadas. Así mismo, hay otros tipos de fermentaciones que son variantes de las antes descritas, como por ejemplo la fermentación butanodiólica que es llevada a cabo por enterobacterias para producir butanodiol, y la fermentación propiónica llevada a cabo por bacterias del género Propionibacterium para producir ácido propiónico.
Operaciones unitarias en la fermentación
El proceso de fermentación involucra diversas operaciones unitarias que aseguran la conversión eficiente de sustratos en productos deseados. Estas operaciones incluyen:
- Preparación del sustrato: La primera operación unitaria es la preparación del sustrato, que incluye la selección y tratamiento de materias primas. Este proceso puede incluir la molienda, hidrólisis enzimática de azúcares complejos, como por ejemplo almidón, ajuste del pH y la concentración de nutrimentos para optimizar las condiciones de fermentación.
- Esterilización: La esterilización es crucial para eliminar a los microorganismos contaminantes que podrían interferir con el proceso de fermentación. Este paso puede incluir la esterilización del medio de cultivo, los reactores de fermentación y equipos de medición mediante calor, filtración o agentes químicos. El método de esterilización dependerá de la sensibilidad de los sustratos y nutrimentos utilizados en el medio de cultivo.
- Inoculación: Esta fase implica la introducción de microorganismos seleccionados en el medio de cultivo esterilizado, es decir, el microorganismo que producirá el compuesto de interés. Este paso debe realizarse bajo condiciones asépticas para evitar la contaminación del reactor con microorganismos no deseados. La concentración inicial del inóculo y las condiciones de inoculación son críticas para el éxito de la fermentación.
- Fermentación: Es la operación principal, donde los microorganismos metabolizan el sustrato bajo condiciones controladas de temperatura, pH y oxígeno. Los reactores de fermentación pueden ser de varios tipos, incluyendo tanques agitados, reactores de lecho fijo y reactores de membrana, dependiendo del proceso específico y el producto deseado.
- Separación y purificación: Después de la fermentación, los productos deben ser separados y purificados. Esta operación puede incluir la centrifugación, filtración, destilación y cromatografía, dependiendo del producto y su aplicación final. Por ejemplo, en la producción de etanol, la destilación es crucial para obtener un producto de alta pureza.
- Tratamiento de residuos: El tratamiento de residuos es una operación importante para gestionar los subproductos y desechos del proceso de fermentación. Esto puede incluir el tratamiento biológico de aguas residuales, la recuperación de subproductos útiles y la disposición segura de residuos sólidos. Un ejemplo de esto es el tratamiento de vinazas, que es el líquido que queda de la fermentación alcohólica una vez que se destila el etanol.
- Control de calidad: El control de calidad es esencial para garantizar que los productos finales cumplan con las especificaciones y estándares requeridos. Esto incluye pruebas microbiológicas, químicas y sensoriales, así como el monitoreo continuo del proceso de fermentación para asegurar la consistencia y la eficiencia.
Finalmente, la fermentación es un proceso biológico fundamental con gran aplicación en la industria moderna. Los diferentes tipos de fermentación, desde la alcohólica hasta la butírica, permiten la producción de una amplia gama de productos útiles para la humanidad. Es por esto que la continua investigación y desarrollo en esta área promete innovaciones significativas que podrían transformar industrias enteras y contribuir a un futuro más sostenible.
Bibliografía:
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