Fermentación: conceptos básicos, procedimientos y control de gases
¿Qué es la fermentación? La mayoría de las personas piensan en la digestión anaeróbica, las bebidas alcohólicas o quizá incluso en la conservación de alimentos. De hecho, los seres humanos han utilizado procesos de fermentación para elaborar pan, queso, yogur y bebidas alcohólicas desde hace miles de años. Hoy en día, muchas industrias utilizan procesos de fermentación en la investigación y producción. Además de las empresas de producción de alimentos y bebidas, también se incluye la industria farmacéutica.
A continuación, le explicamos más detalles sobre la fermentación y la regulación del gas en su proceso.
¿De dónde procede el término "fermentación" y qué significa?
El término "fermentación" proviene del latín y está estrechamente relacionado con "Fermentum", que significa "levadura". En biotecnología, se habla de fermentación cuando las sustancias orgánicas se transforman con la ayuda de cultivos de bacterias, hongos o células y la adición de enzimas (fermentos), y crean gases, alcohol y ácidos. De esta manera, los alimentos se pueden conservar durante más tiempo. Existen diferentes tipos de fermentación. La diferencia fundamental reside en si es anaeróbica (sin oxígeno) o aeróbica (con oxígeno).
¿La fermentación y la digestión anaeróbica son lo mismo?
Fermentación y digestión anaeróbica: ¿son lo mismo? Estos términos se utilizan a menudo como sinónimos, pero no es del todo correcto, ya que la digestión anaeróbica solo se refiere a procesos anaeróbicos. La fermentación, por su parte, incluye procesos tanto aeróbicos como anaeróbicos. Es decir, la digestión anaeróbica es un tipo de fermentación que ocurre sin oxígeno.
Las seis fases de la fermentación
El proceso de fermentación se puede dividir en seis fases. Para obtener un resultado óptimo, el proceso debe detenerse antes de pasar a la fase estacionaria.
- La fermentación comienza al inocular en el medio de cultivo el microorganismo deseado.
- En la fase de demora o fase de incubación, los microorganismos se adaptan al nuevo entorno. El crecimiento celular sigue siendo lento.
- A continuación, la fase exponencial comienza con un aumento constante en la tasa de crecimiento.
- Durante la fase de demora, la tasa de crecimiento se reduce debido a la disminución de la concentración de nutrientes.
- A continuación, tiene lugar la fase estacionaria, cuando la biomasa se mantiene constante.
- Finalmente, empieza la fase declinante de los microorganismos.
Aplicaciones de la fermentación
- Fabricación de medicamentos (por ejemplo, insulina, vacunas, antibióticos)
- Alimentos y licores (pan, yogur y fermentación alcohólica, como por ejemplo cerveza y vino)
- Biocombustibles
- Productos químicos (por ejemplo, detergentes)
- Aminoácidos (por ejemplo, glutamato)
- Tratamiento biológico de aguas residuales
La diferencia entre un biorreactor y un fermentador
Para un proceso de fermentación controlado, se requiere un recipiente adecuado, conocido como biorreactor o fermentador. Dichos recipientes están diseñados para asegurar que la fermentación se desarrolle de manera controlada y en condiciones óptimas.
Bacterias, levadura, hongos. Cultivos de células
¿Dónde se utilizan biorreactores y fermentadores?
Los biorreactores se utilizan principalmente en la fabricación de productos farmacéuticos como medicamentos, anticuerpos o vacunas. Los fermentadores, por otro lado, se utilizan en la producción de alimentos, ácido láctico o etanol.
El biorreactor: estructura y procedimientos
Un biorreactor debe ofrecer el mayor rendimiento de producto posible. Esto requiere un control preciso de todos los parámetros para apoyar de manera óptima la fermentación. El tipo y concentración de nutrientes, la temperatura, el contenido de oxígeno y el valor del pH resultan decisivos. Los procesos reproducibles son un requisito esencial para una calidad de producto alta y constante.
Fermentación discontinua, semicontinua y continua: Ventajas e inconvenientes
En biorreactores y fermentadores se utilizan tres procesos diferentes: el discontinuo, el semicontinuo y el continuo. En las grandes plantas de producción, el método continuo tiene sentido por razones económicas. Las fermentaciones discontinuas se suelen utilizar en investigación o en plantas más pequeñas. Si lo desea, puede consultar más información sobre los pros y los contras de estos enfoques aquí.
El proceso discontinuo
El biorreactor se llena completamente antes de que comience el proceso de fermentación y se vacía por completo una vez que ha terminado. Mientras tanto, no se agrega ni se elimina nada. La elaboración de cerveza, por ejemplo, se realiza con este método.
Ventajas
+ Uso flexible
+ Bajos costes de inversión
+ Los breves tiempos de cultivo garantizan un bajo riesgo de infección
+ La influencia mutacional de las células apenas ejerce ningún efecto
Inconvenientes
- El llenado, esterilización, recolección y limpieza son tiempos muertos no productivos
- Alto desgaste de material
- Se necesita inóculo para cada lote
- La calidad del producto fluctúa
El proceso semicontinuo
Los sustratos se agregan al biorreactor durante el proceso de fermentación. Este proceso se utiliza cuando el continuo no resulta económico y el discontinuo no es lo suficientemente productivo (por ejemplo, debido a una baja concentración de sustrato).
Ventajas
+ Alta flexibilidad
+ Alto índice de productividad gracias al tiempo de cultivo definido
+ Condiciones de gestión óptimas
+ Proceso de funcionamiento intermitente.
Inconvenientes
- Control de procesos costoso
- Alto desgaste de material
- Tiempos muertos improductivos
El proceso continuo
Los sustratos se agregan continuamente al biorreactor durante el proceso de fermentación en curso y el producto final se elimina de manera continua. El proceso continuo se utiliza, por ejemplo, en la producción de masa madre o tratamiento de aguas residuales
Ventajas
+ Procesos automatizados y muy económicos
+ Calidad consistente
+ Bajos costes de personal
+ Bajo riesgo de infección
Inconvenientes
- Baja flexibilidad en la fabricación
- Se requiere una calidad constante de la materia prima
- Altos costes de inversión para la automatización y gestión estéril
- Alto riesgo de mutación
- Mayor riesgo de contaminación, que puede provocar la pérdida de producto
El suministro de gas en el biorreactor
Para controlar con precisión el proceso de fermentación, se pueden introducir cuatro gases fermentadores en el biorreactor según sea necesario: Oxígeno (O2), nitrógeno (N2), dióxido de carbono (CO2) y aire. Es necesario controlar estos gases con precisión para lograr los procesos deseados.
El oxígeno (O2) y el dióxido de carbono (CO2) promueven el proceso de crecimiento.
- El oxígeno (O2) y el dióxido de carbono (CO2) promueven el proceso de crecimiento.
- El nitrógeno puro (N2) controla la tasa de crecimiento (p. ej., antes de la recogida).
- Si no se requiere un suministro de gas especial, el aire sirve como gas universal. Ya que contiene un 21 % de oxígeno y un 79 % de nitrógeno.
La regulación precisa del gas en la fermentación es esencial para garantizar un proceso de crecimiento óptimo. Aquí encontrará información sobre cómo se pueden regular con precisión los gases en su biorreactor.
Caudalímetros másicos y reguladores de caudal másico para la fermentación
Regulador de caudal másico (MFC) de Bürkert para procesos reproducibles durante la fermentación. Con la ayuda de nuestro MFC, puede regular los gases de forma precisa, automatizada y repetible. Estos equipos tienen certificación de la USP (clase VI) y la FDA, y pueden entregarse con certificado 3.1.
MFC/MFM Tipos 8741 y 8745
Regulador de caudal másico (MFC)/ medidor de caudal másico (MFM) para gases
- Rangos de caudal nominal de 0,010 l/min a 160 l/min
- Gran precisión y repetibilidad en la medición
- Tiempos de reacción muy rápidos
- Sustitución de dispositivos más sencilla gracias a la memoria de configuración
- Opcionalmente: conformidad según USP clase VI, FDA y CE 1935
Regulador de caudal másico (MFC)/medidor de caudal másico (MFM) para gases
- Rangos de caudal nominal de 0,010 lN/min a 160 lN/min
- Alta exactitud de medición y reproducibilidad con tiempos de reacción muy rápidos
- Calibración del caudal estable a largo plazo
- Sustitución de dispositivos más sencilla gracias a la memoria de configuración
- Opcional: ATEX II cat. Conformidad según 3G/D o USP clase VI, FDA y CE 1935
Controlador de caudal másico (MFC)/medidor de caudal másico (MFM) para gases
- Rangos de caudal nominal de 20 lN/min a 2500 lN/min
- Gran precisión y repetibilidad
- Comunicación por señal estándar o Ethernet industrial
- Disponibles accionamientos de válvula electromagnético y con motor eléctrico
- Sustitución de dispositivos más sencilla gracias a la memoria de configuración
Regulador de caudal másico (MFC)/caudalímetro másico (MFM) para gases
- Rangos de caudal nominal de 20 lN/min a 2500 lN/min
- Alta exactitud de medición y reproducibilidad con tiempos de reacción muy rápidos
- Calibración del caudal estable a largo plazo
- Sustitución de dispositivos más sencilla gracias a la memoria de configuración
- Opcional: conformidad ATEX II cat. 3G/D o USP clase VI, FDA, CE 1935