qwertyuiopasdfghjklzxcvbn mqwertyuiopasdfghjklzxcv bnmqwertyuiopasdfghjklzx cvbnmqwertyuiopasdfghjkl BIOTECNOLOGIA zxcvbnmqwertyuiopasdfghj SEMINARIO: OBTENCION DE ACIDOS ORGANICOS Y ETANOL ETANOL klzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasd fghjklzxcvbnmqwertyuiopa sdfghjklzxcvbnmqwertyuio pasdfghjklzxcvbnmqwertyu iopasdfghjklzxcvbnmqwert yuiopasdfghjklzxcvbnmqwe rtyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbn mqwertyuiopasdfghjklzxcv bnmqwertyuiopasdfghjklzx 18/07/2012
ALUMNA: ANCAJIMA RUIZ DANIELA MERCEDES PROFESOR: MICROBIOLOGO CESAR TORRES
SEMINARIO: OBTENCION OBTENCION DE ACIDOS ORGANICOS ORGANICOS Y ETANOL ETANOL ACIDOS ORGANICOS Los ácidos orgánicos son más débiles que los inorgánicos, de gran utilidad ya que son los principales catalizadores de reacciones, algunos abundan en la naturaleza como el ácido cítrico, presente en las naranjas y otros se obtienen por distintos procesos como el ácido acético (vinagre) La razón por la cual estos ácidos son más débiles débiles es que contienen en su cadena carbonos. A los ácidos orgánicos también se los denomina ácidos carboxílicos y es común encontrar la leyenda en alimentos“. Conservar en lugar fresco y seco”. Cuando esto no se cumple, algunos cambian y no tienen el mismo gusto o aroma. Por ejemplo si se deja la manteca fuera de la heladera, adquiere un sabor y olor característico y se dice que está “rancia”. Esto Esto se debe debe a la presen presencia cia de ácidos ácidos orgánico orgánicos, s, generalmente degradados por microrganismos. Los ácidos más solubles en agua son los de cadena más corta, poseen un sabor agrio. Los Los de cuatro a ocho átomos de carbono por molécula tienen tienen olor desagradable, desagradable, pero los de cadena carbonada larga son prácticamente inodoros debido a su poca volatilidad. En conclusión, su solubilidad disminuye a medida que aumenta la cadena carbonada. El punto de ebullición de los ácidos carboxílicos aumenta con el incremento de la masa molecular. Existe un grupo de ácidos carboxílicos cuya importancia radica en que intervienen en la síntesis de las grasas y aceites vegetales y/o animales, de ahí que se denominan ácidos grasos. También También se los utiliz utiliza a para para conser conservar var aliment alimentos, os, en partic particula ularr sus sales. sales. En genera generall retardan la descomposición del alimento inhibiendo el crecimiento de bacterias, hongos u otros microrganismos.
PRODUCCION DEL DEL ACIDO CITRICO: CITRICO: Introducción: El ácido cítrico ha sido conocido como una sustancia natural de las plantas desde finales del siglo XIX, y desde entonces se sabe que era producida por hongos filamentosos. En 1923 se inició la primera fermentación práctica para la producción de este ácido orgánico
utilizando microrganismos que crecían sobre la superficie de los cultivos. Actualmente más del 99% de la producción mundial de ácido cítrico se produce microbiológicamente.
Cepas utilizadas: Muchas cepas excretan trazas de ácido cítrico como producto del metabolismo primario. Como ejemplos están Aspergillus niger, A. wentii, A. clavatus, Penicillium luteum, P. citrinum, Mucor piriformis, Paecelomyces divaricatum, Citromyces pfefferianus, Candida guillermondii, Saccharomycopsis lipolytica, Trichoderma viridae, Arthrobacter paraffineus y Corynebacterium sp. Sin embargo, para la producción comercial sólo se utilizan mutantes de A. niger. Comparado con las cepas de Penicillium, los aspergillus producen más ácido cítrico por unidad de tiempo. Además la formación de productos laterales no deseados, como ácido oxálico, ácido isocítrico y ácido glucónico puede ser más fácilmente suprimida en estos mutantes.
Condiciones y controles de los procesos: El ácido cítrico puede ser producido tanto en procesos de superficie como sumergidos. Los procesos en superficie pueden ser subdivididos a su vez de acuerdo con el estado del medio de cultivo que se utilice: sólido o líquido. De procesos sumergidos se utilizan dos tipos: fermentadores agitados o fermentadores de elevación por aire (air-lift).Varios factores afectan la elección del tipo de proceso: la existencia de capital de inversión, la abundancia de energía, el costo, el entrenamiento de la mano de obra, la existencia de técnicas para la medida y la regulación. El material utilizado como inóculo para la producción de ácido cítrico es una suspensión de esporas, las cuales germinan en el medio de cultivo a 32ºC, y se forma micelio en forma de bolillas o pellets (para los sistemas sumergidos). Es necesario tener el cultivo de la cepa bien desarrollado en estría (agar Sabouroud o papa dextrosa), bien esporulado y de 10-20 días de edad.
Procesos en superficie: •
Medio sólido
Plantas de baja producción, muy limitadas, unas 500 toneladas al año. Se usa sustrato sólido, como migas de pan o pulpa de almidón. El pH del medio se reduce hasta 4 o 5 antes de la esterilización. Después se inocula con esporas, extendiéndolo sobre bandejas en capas de 3 a 5cm de grosor y se incuba a 28ºC. El proceso dura unas 90 h, al final de las cuales la solución entera se extrae con agua caliente para aislar el ácido cítrico.
•
Medio líquido
Es el método más antiguo de producción. Actualmente se produce el 20% del total deácido cítrico con este método. Permanece en uso todavía debido a la baja inversión que requiere para su funcionamiento, ya que la tecnología es sencilla y el costo en energía para los sistemas de refrigerado es bajo. El mayor costo viene por la mano de obra, más grande que en los reactores sumergidos, pero es mano de obra no especializada. En reactores sumergidos se requiere menos mano de obra, pero capacitada. En los sistemas modernos, el medio se esteriliza en continuo. La solución nutritiva estéril fluye automáticamente por un sistema de distribución sobre las bandejas. La inoculación se hace en cámaras de inoculación a 30–40ºC, diseminando esporas secas o pulverizando una suspensión de esporas. La temperatura se mantiene constante mediante un sistema de corriente de aire. La ventilación es muy importante también, para el flujo de gases. La velocidad de producción de ácido cítrico baja si la concentración de CO2 pasa del 10%. Al cabo de 24 h de la inoculación, las esporas germinan y forman una fina capa de micelio sobre la superficie de la solución. Al cabo de 30 h empieza la idiofase. La fermentación se detiene al cabo de 8 a 14 días. Si hay demasiado hierro se producirá ácido oxálico, produciéndose una sustancia amarillenta que dificulta el proceso de recuperación. Durante la recuperación se separa el micelio de los nutrientes por filtración. En algunos casos se usan prensas para obtener más cítrico a partir de las células. En los procesos en sólidos se hace así.
Procesos sumergidos: El 80% de la producción mundial de ácido cítrico se hace mediante procesos sumergidos. Aunque dura más días que los otros métodos presenta varias ventajas: menor inversión en la construcción y menor inversión total, es necesaria menos mano de obra. También presenta algunas desventajas respecto de los métodos anteriores: mayor costo de energía, la tecnología de control es más sofisticada, con lo que se requiere un personal más especializado, la formación de espuma también es un problema en la producción de ácido cítrico, pero se soluciona por la adición de antiespumantes. En resumen, el rendimiento es mayor en la producción sumergida. Existen 3 factores especialmente importantes para los procesos sumergidos:
La calidad del material para construir el fermentador: El fermentador debe estar protegido de la acción de los ácidos o bien ser de acero inoxidable, porque de no ser así, cuando se alcancen valores de pH de 1 ó 2, se liberarán metales de las paredes del fermentador, que podrán inhibir la formación de ácido cítrico.
La estructura del micelio: Si el micelio es largo y filamentoso, la producción de ácido cítrico en la idiofase desciende. Para conseguir una velocidad óptima de producción el micelio debe estar formado por pellets sólidos muy pequeños. La relación Cu/Fe determina la estructura del micelio.
Suministro de O2: Aunque A. niger requiere poco oxígeno, es sensible a su ausencia. Por lo tanto, es necesaria la presencia de oxígeno a una concentración solo del 20–25% de su valor de saturación.
Rendimientos: En la trofofase, parte de la glucosa añadida se utiliza para la producción de micelio y se convierte a través de la respiración en CO2. En la idiofase el resto de la glucosa se convierte en ácidos orgánicos y existe una pérdida mínima por la respiración. El rendimiento teórico es de 123 g de ácido cítrico 1hidrato (o 112 g de ácido cítrico anhidro) por cada 100 g de sacarosa. Sin embargo, tales rendimientos no se obtienen en la práctica debido a las pérdidas durante la trofofase.
Recuperación del producto: Si se llega a formar ácido oxálico como producto lateral debido a un bajo control de la fermentación, se precipita como oxalato de calcio a pH bajo, dejando el ácido cítrico en la solución como citrato monocálcico. Se utilizan filtros rotatorios o centrífugos para separar el micelio y el precipitado de oxalato cálcico del líquido. A pH 7,2 y 70-90ºC, precipita el ácido cítrico, lo que permite a su vez que sea separado mediante filtros rotatorios y secado. Para algunos usos especiales, el ácido cítrico es purificado por adición de ácido sulfúrico para disolver el ácido cítrico, formándose un precipitado de sulfato cálcico. Las etapas subsiguientes de recuperación incluyen el tratamiento con carbón activado, cambiadores de iones y la cristalización como ácido cítrico o ácido cítrico monohidratado. Por encima de 40ºC el ácido cítrico cristaliza como ácido anhidro y por debajo de 36,5ºCcomo monohidrato. La pureza requerida del producto depende del uso para el que se prepare. Cuando se destina a la industria de los alimentos debe ser más puro que el que se necesita para usos industriales.
Usos: El ácido cítrico se comercializa como ácido cítrico monohidratado o como anhidro. La mayor parte se utiliza en las industrias de alimentos y bebidas. El sabor de los jugos de frutas, caramelos, helados y mermelada se aumenta o se preserva por adición de este ácido. La industria farmacológica utiliza citrato de hierro y ácido cítrico como preservativos de la sangre almacenada, en tabletas, pomadas y en preparaciones cosméticas. En la industria química se utiliza como agente antiespumante, reblanquecedor y para el tratamiento de textiles. También se lo utiliza en los detergentes porque puede reemplazar a los polifosfatos. En la industria metalúrgica los metales puros se producen como citratos metálicos.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO GLUCÓNICO Introducción: El ácido glucónico es un producto de gran demanda por su diversidad de aplicaciones a nivel industrial; se emplea en pequeñas cantidades para preparados antianémicos de gluconato ferroso, pero el uso principal de este ácido es como agente de limpieza y moldeado en las industrias de metal, así como para la eliminación de depósitos de calcio en instalaciones de tratamiento y elaboración de cerveza. El gluconato sódico se utiliza como agente secuestrante en muchos detergentes. En la producción de ácido glucónico sólo participa una enzima microbiana, la glucosaoxidasa, que se encuentra en A. niger. Este hongo crece en condiciones óptimas en el líquido de maceración del maíz pero cuando el crecimiento se ve limitado por el nitrógeno, las células en reposo transforman la glucosa restante en ácido glucónico.
Cepas utilizadas: Se utilizanA. niger , o la bacteria Acetobacter suboxydans, en procesos sumergidos. En estos procesos se generan ácido glucónico, gluconatos sódico y cálcico y glucosa oxidasa. Otros organismos que han sido optimizados para producir este ácido, pero que no se han utilizado comercialmente, son los hongos Penicillium, Scopulariopsis, Gonatobotrys, Endomycopsis y Pullularia, y las bacterias Vibrio y Pseudomonas.
Condiciones y controles de los procesos: La fermentación, que se lleva a cabo a pH 4,5, requiere un medio de crecimiento en el quesean limitantes tanto el fosfato como el nitrógeno. Si se va a producir gluconato cálcico no puede ser añadida mas de 13-15% de glucosa como sustrato debido a la baja solubilidad del gluconato cálcico; concentraciones más altas de sustrato permitirían concentraciones más altas de gluconato que cristalizaría espontáneamente dificultando la purificación. En la producción de gluconato sódico, puede ser utilizada una concentración de hasta 28-30% de glucosa, ya que la solubilidad es más alta. En general, se siembra el reactor con esporos. En el inóculo se trata de obtener una elevada masa microbiana y favorecer la síntesis de la glucosa oxidasa, enzima clave en la oxidación de la glucosa. Para ello se trabaja con un medio con elevada concentración de fuentes nitrogenadas y factores de crecimiento, siendo en general utilizados urea o sulfato de amonio yagua de hidrolizado de maíz o su forma deshidratada. Se utiliza glucosa o el monohidrato de ésta como fuente de carbono para inducir la glucosa oxidasa. Las fermentaciones se llevan a cabo durante 20 h a 28-30ºC con una alta velocidad de aireación. Elevando la presión en el sistema puede ser aumentada la solubilidad del oxigeno y por tanto los rendimientos de ácido glucónico. Los rendimientos comerciales actualmente son del 90-95%
Recuperación de los productos: Gluconato de calcio El efluente del medio de cultivo se decolora con carbón activado, se concentra evaporando el 15-20% del agua y se deja cristalizar a temperaturas cercanas a 0ºC. La sal se filtra y se lavan los cristales con agua fría. Se puede obtener de esta manera un producto con un adecuado grado de pureza. Si se requiere una sal de alto grado de pureza se recristaliza en agua o agua-alcohol.
Gluconato de sodio La forma comercial de esta sal se puede preparar concentrando el efluente del cultivo a4045% de sólidos, ajustando el pH a 7,5 con NaOH y luego secando en tambor rotatorio. Un producto de mejor calidad se puede obtener decolorando con carbón activado el concentrado caliente luego de la evaporación y luego recristalizando el producto resultante del secado por tambor rotatorio.
Acido glucónico: La solución al 50% de ácido glucónico que se encuentra en el mercado se obtiene concentrando por evaporación la solución del ácido (que puede haber sido obtenido tratando con H2S04 una solución concentrada de gluconato de calcio previamente purificado). Las lactonas se obtienen por precipitación de soluciones saturadas a diferentes temperaturas, como ya se indicó.
Rendimientos: El rendimiento teórico en la producción de ácido glucónico a partir de glucosa, asumiendo que no hay formación de C02, es de 109 g de ácido/100 g de azúcar. En la práctica se obtienen rendimientos superiores al 90% de este máximo.
Usos El ácido glucónico no se comercializa en forma cristalina sino que se ofrece en solucionesal 50%. La lactona es comercializada en forma cristalina.Tanto el ácido, como sus lactonas, se utilizan fundamentalmente como acidulantes paraalimentos. La lactona es usada universalmente como un ácido latente en polvos para h ornear, sustancias leudantes para panificación y mezclas para preparar tortas. La sal sódica del ácido glucónico es el derivado con mayor importancia comercial. Debido a sus excelentes propiedades como agente complejante se lo utiliza en soluciones lavadoras de material de vidrio, soluciones alcalinas de NaOH, particularmente en el caso de botellas retornables. Los carbonatos de metales di y trivalentes son fácilmente removidos por estas soluciones. También se utiliza el gluconato de sodio en cementos mezclas donde modifican las propiedades de fraguado e incrementan la dureza y resistencia al agua del cemento. El gluconato de calcio es ampliamente usado para el tratamiento de enfermedades que
producen déficit de calcio o para suplir este metal durante el embarazo. El gluconato ferroso es utilizado para suministrar este metal en casos de anemia
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO ACÉTICO Introducción: La producción de ácido acético a partir de líquidos alcohólicos ha sido conocida desde hace tanto tiempo como la producción de vino (unos 10.000 años). Los romanos y los griegos, que utilizaban el vinagre diluido como bebida refrescante, producían vinagre dejando el vino abierto al aire. Los primeros vinagres fabricados industrialmente eran producidos en vasijas planas abiertas. Eran procesos lentos en los que flotaba una película de bacterias sobre la superficie del vino. En el siglo XIX se modificaron los procesos en superficie hacia métodos más rápidos. Uno de éstos, el proceso del generador de goteo se utiliza todavía en la actualidad debido al mejor sabor en los productos que se obtienen.
Cepas utilizadas: Aunque el ácido acético es producido por muchas bacterias fermentativas, sólo miembros de un grupo especial, las bacterias del ácido acético, se utilizan en la producción comercial. Estas bacterias se dividen en dos géneros, Gluconobacter y Acetobacter , el primer grupo oxida etanol solamente a ácido acético, y el segundo, las superoxidantes, son capaces de oxidar el etanol primero a ácido acético y luego adicionalmente a CO2y H2O.Los miembros del género Acetobacter son bacterias Gram negativas y ácido tolerantes. Las cepas utilizadas comercialmente pertenecen a las especies Acetobacter aceti (como se ve en la Figura 5) , A. pasteurianusy A. peroxidans. Losmiembros del géneroGluconobacter no son superoxidantes. Gluconobacter oxydansy varias subespecies de esta especie son utilizadas comercialmente. Podría parecer que Gluconobacter es el ideal para producir el ácido acético, pero en realidad no es así, porque produce cetonas y otros productos que dificultan la purificación del producto final. Se usa Acetobacter , pero vigilando que no se agote el alcohol, porque en ese caso empezaría a degradar el acético. El inóculo puede provenir de cultivos puros o de vinagre de lotes previos.
Sustratos técnicos: Los materiales de partida con bajo contenido en etanol como vino, suero de leche, malta o sidra, no requieren ningún componente adicional para constituir una solución completa de nutrientes. Sin embargo, si se utilizan alcohol técnico o licores de papa o de grano, deben ser añadidos nutrientes en muchos casos, para obtener el crecimiento y la producción de ácido acético óptimos. En la fermentación sumergida la concentración de los nutrientes debe ser cinco veces superior debido a la mayor biomasa que se saca del biorreactor con el vinagre.
Recuperación de los productos:
El ácido acético que se obtiene en el proceso sumergido es turbio debido a la presencia de bacterias y el producto debe ser clarificado por filtración. Una vez que se obtiene el filtrado, cuando se desea, se utiliza K4[Fe(CN)6] para decolorar el producto final.
PRODUCCIÓN DE VINAGRE Introducción: Se denomina vinagre al producto obtenido por fermentación acética en contacto con el aire de líquidos alcohólicos de todas clases o de diversas disoluciones azucaradas o amiláceas que hayan experimentado la fermentación alcohólica. Claridad, brillo y edad, son atributos de un buen vinagre. Por fermentación acética, es posible elaborar vinagres a partir de alcohol, vino blanco o tinto, manzana, sidra, melaza, malta y frutas. Los mejores vinagres de vino son los obtenidos con vinos de buena calidad. Los varietales se procesan a partir de un sólo tipo de uva. Los vinagres saborizados se elaboran a partir de vinos blancos, con el agregado de hierbas frescas como romero, albahaca, tomillo y estragón y, también, con pimiento Cayena, chiles, ajo, nuez moscada, frambuesa, pieles de limón y miel. Los acetos o vinagres balsámicos se obtienen a partir del mosto de uvas y se añejan en cascos de madera noble como roble, castaño, cerezo, fresno y mora. El añejamiento se realiza como mínimo durante diez años. Los vinagres argentinos están elaborados a partir de alcohol, vino blanco o tinto y manzana. Con 1 L de alcohol (96º) se elaboran 89 L de vinagre; con 1 L de vino, 1,75 L de vinagre y con 1 L de jugo de manzana se obtiene 920 cm3de vinagre. Los de vino contienen una acidez del 6%, los de alcohol, 5% y los de manzana, 4%.
Nociones sobre la tecnología de elaboración: En general, existen en el mercado dos tipos de vinagres de calidad. El primero se obtiene como producto de la fermentación o acetificación con cultivo superficial, donde las bacterias acéticas se encuentran en contacto directo con oxígeno gaseoso situadas en la interface líquido-gas, o bien fijadas a soportes de materiales tales como virutas, elaborándose así la mayoría de los vinagres tradicionales. El segundo tipo se elabora por la acetificación o fermentación con cultivo sumergido, donde las bacterias acéticas están sumergidas libremente en el seno del líquido a fermentar, en el que constantemente se introduce aire, solo o enriquecido con oxígeno, en condiciones que permitan la máxima transferencia posible desde la fase gaseosa a la fase líquida. Así se obtienen de forma rápida los vinagres comerciales actuales de menor precio.
Procesos en superficie: Pese al éxito de los procesos sumergidos, los procesos en superficie se utilizan aún de manera amplia en la producción de vinagre, especialmente en la fabricación de vinagre casero. Existen dos métodos básicos de producción en superficie:
MÉTODO DE ORLEÁNS O MÉTODO LENTO. Es uno de los métodos más antiguos para fabricar vinagres. Emplea toneles de aproximadamente 250–300 litros de capacidad, que se colocan tumbados en filas horizontales y superpuestas (como se ve en la Figura 6), provistos de dos agujeros de
aproximadamente 5 cm en cada extremo de los fondos de cada barril a 2/3 de la altura del fondo, que se rellenan con estopa para evitar la entrada de las moscas del vinagre, pero que dejan pasar aire. Además, en el lateral superior se hace otro orificio que se tapa con un tapón de corcho por donde penetra un tubo de vidrio recto que llega casi hasta el fondo del líquido permitiendo renovar el sustrato sin alterar el velo bacteriano situado en la superficie
Este método se trata de un procedimiento estático donde el líquido a acetificar es una mezcla de vino de bajo grado alcohólico con un 20% de vinagre turbio. Los rendimientos de transformación de etanol en acético son bajos y el proceso dura de 8 a 10 días una vez comenzada la acetificación. Se comienza añadiendo 60 litros de un buen vinagre, y después de 8 días se adiciona una quinta parte de este volumen de vino, que se transformará en vinagre. Inmediatamente se inocula el tonel con un cultivo de un tonel vinagrero en
marcha o con una telilla especialmente criada. Esta operación se lleva a cabo con la varilla de vidrio recta, y se tapa el tonel. El género Acetobacter es aerobio, y por lo tanto si pasa más de 2 min sin oxígeno muere. En este método, al principio se usa Acetobacter xylinum, porque produce celulosa que le permite flotar, a diferencia que la mayoría de las bacterias que se hunden. Estos toneles se mantienen en locales a temperaturas de 20-25ºC, y al cabo de 8 días se añaden poco a poco por el tubo recto otros 12 litros de vino; estas adiciones se reiteran cada 8días hasta que el líquido llegue casi al borde inferior del orificio de entrada de aire, quedando entonces en marcha normal el tonel vinagrero. A partir de este momento, semanalmente se sacan por el tubo de nivel 12 litros de vinagre ya hecho, que se sustituyen por 12 litros de vino, continuándose así indefinidamente la elaboración. El plazo de una semana entre cada adición no es exacto y depende de la temperatura, de la clase y capacidad de las bacterias acetificantes, del grado alcohólico y composición del vino. Pero en general para producir 12 litros de vinagre es necesario esperar 7 semanas.
GENERADOR DE GOTEO O MÉTODO ALEMÁN. El fundamento de este método y su diferencia con el método de Orleáns está en emplear virutas de haya que periódicamente quedan sumergidas en el líquido que está acetificándose. Así se consigue aumentar la superficie de acetificación de la bacteria y mejorar la transferencia de oxígeno, por lo que aumenta la velocidad de acetificación. La cuba giratoria más elemental se prepara con un orificio grande en el centro de uno delos fondos, para procurar la entrada de aire. En uno de los costados de esta cuba, en la parte más alejada de la abertura, se practica un orificio estrecho, que puede obturarse con un tapón; es una canilla de madera o de vidrio para vaciado del envase. El tonel está dividido en dos partes desiguales por un falso fondo, agujereado con numerosos y finos orificios. La parte menor del tonel está llena de virutas de haya. En este compartimento penetra un largo termómetro para controlar la temperatura. Se obtienen cantidades de vinagre, que pueden llegar como máximo, cada 48 h, ala cuarta parte del contenido de un tonel. El vinagre elaborado, que se extrae de las cubas, se sustituye por porciones iguales de vino, continuando la elaboración indefinidamente. Se emplean toneles verticales de encina con doble fondo, como se ve en la Figura 8. Sobre el primero, agujereado, se colocan capas de virutas de madera de haya, impregnadas de vinagre de buena calidad. Sobre el borde superior se lleva un diafragma perforado, con los orificios obturados con algodón. Al pasar el vino por el diafragma, burbujea el aire que existe entre las virutas. El vinagre se extrae por la parte inferior. Se pueden emplear barriles giratorios de roble, parcialmente llenos de virutas, consiguiéndose así una mejor aireación. Las ventajas que se destacan en este proceso son la regulación de oxígeno y su uso para la producción continua de vinagre. El vinagre obtenido con el método de cultivo superficial tiene el aroma y el gusto propio de la lentitud de la acetificación que se ve favorecido por el simultáneo envejecimiento. Los principales inconvenientes de estos métodos que utilizan virutas como soporte son: la acumulación de bacterias muertas sobre las virutas, debido a la falta de aireación y aumentos de temperaturas; el desarrollo de bacterias productoras de celulosa (Acetobacter xylinum); la infección por anguílulas (pequeños nematodos) que son imposibles de
combatir una vez que se desarrollan; los aumentos de temperatura difícilmente controlables, con perdidas de alcohol por evaporación en la corriente ascendente de aire caliente, y descenso del rendimiento; la necesidad de gran espacio (generadores de relleno).
Procesos sumergidos: Se entiende por fermentación sumergida aquella en la que no se utiliza material poroso o soporte, sino que se hacen circular pequeñas burbujas de aire a través de la biomasa, con lo que se favorece el proceso fermentativo. Emplea toneles de madera o tanques de acero inoxidable quedando siempre una parte del vinagre de la operación anterior como inóculo para iniciar el ciclo siguiente. Se llena con vino, y se introduce posteriormente una fuerte corriente de aire. La acetificación es muy rápida. Este proceso se utiliza ampliamente en la actualidad. Los rendimientos de la transformación del alcohol en ácido acético resultan ser muy elevados, y la velocidad a la que se desarrolla el proceso es mayor, así como la uniformidad del producto y, sobre todo, se puede lograr la acetificación de iguales volúmenes de alcohol en mucho menor volumen de instalación, con el consiguiente ahorro de espacio. Se puede trabajar con dispositivos automáticos que no sólo regulen el control de la aireación, sino también los ciclos de carga y descarga. El fundamento es la presencia de cultivo sumergido en el seno del líquido a acetificar, que se satura constantemente de pequeñas burbujas de aire. Una mayor población bacteriana así como la disponibilidad de oxígeno por los microrganismos permiten obtener un mayor rendimiento de la transformación de etanol en ácido acético (rendimientos del 94%) y una mayor velocidad del proceso (25-30 h). Este procedimiento requiere el estricto control de tres parámetros: la temperatura, la presión parcial de oxígeno y los ciclos de carga y descarga. La bacteria acética es viable entre 28-33ºC, pero la velocidad de fermentación varía en función de la temperatura. La temperatura de la fermentación debe estar comprendida dentro del intervalo 30-31ºC que es la óptima para un mejor rendimiento. La oxidación de etanol a ácido acético es una reacción exotérmica que eleva la temperatura del depósito. Por lo tanto cuando la temperatura se eleva, aumentan las pérdidas de alcohol y productos volátiles y, en menor cantidad, de ácido acético, aunque lo más importante es que ocurra la parada del proceso por la muerte de las bacterias. Un elevado suministro de aire puede causar el fenómeno de sobre oxidación y arrastre delos componentes volátiles, y por otro lado, su carencia puede paralizar la acetificación dado el carácter aerobio de las bacterias. Además de la cantidad de aire, se debe tener en cuenta su calidad y pureza, ya que las bacterias acéticas son sensibles a los contaminantes de este. Todos los parámetros están interrelacionados en la acetificación. El etanol no debe llegar a agotarse totalmente ya que las bacterias mueren rápidamente y se pierde el cultivo. Por ello en este tipo de sistema de producción de vinagre, se suele llevar a cabo la acetificación en forma discontinua realizándose ciclos de descarga-carga. Así se impide que las bacterias acéticas metabolicen el ácido acético formado convirtiéndolo en CO2y agua.
Se descarga aproximadamente el 40-45% del volumen del líquido, que se repone con nueva materia prima suministrándole sustrato a la bacteria. Por eso, se puede trabajar de forma automatizada con dispositivos que regulen el control de la temperatura y de la aireación, así como los ciclos de carga y descarga.
En la Figura 9 se muestra un esquema del acetificador, que esta constituido por un depósito de acero inoxidable de entre 10.000 y 30.000 litros. Los conductos están rodeados por un intercambiador de calor de agua para disipar el calor producido en el proceso y mantener la temperatura a 30ºC.Para evitar las pérdidas de compuestos volátiles se ha desarrollado un sistema cerrado, mejorando sensiblemente los resultados del proceso fermentativo. El fermentador consta de un sistema de recirculación de aire y un sistema de control automatizado que inyecta oxígeno endicha corriente a medida que este es consumido por la biomasa.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO GLUTÁMICO El ácido glutámico: El ácido glutámico es uno de los aminoácidos más importantes, tanto por su abundancia en la composición de las proteínas (6.3%), como por su papel en el intercambio de energía entre los tejidos y el crecimiento celular (Alberts B. et al. 2002). Aislado del gluten de trigo por H. Ritthausen en 1866, este aminoácido, o su forma ionizada, el glutamato (abreviado Glu o E), pertenece al grupo de los llamados aminoácidos ácidos, o con carga negativa a pH fisiológico, debido a que presenta un segundo grupo carboxilo en su cadena lateral (como se observa en la ilustración) (Anfinsen, C.B. 1992).
Imagen 1. Estructura tridimensional.
del
ácido
glutámico,
conformación
plana
y
En 1908 Ikeda descubrió que este compuesto era el responsable de la potenciación del sabor en sopas y alimentos derivados del alga Laminaria japonica, utilizada en la cocina Japonesa. Es por ello, que hoy día se conoce su propiedad de proporcionar un sabor peculiar denominado “umami”, considerado como “el quinto sabor”. En la industria alimentaria, el ácido glutámico se utiliza como potenciador del sabor en sazones y condimentos en forma de glutamato monosódico (MGS o E621) (Kirimura J. et al. 1969). Además de intervenir en reacciones de transaminación y en la síntesis de diferentes aminoácidos como la prolina, hidroxiprolina, ornitina y arginina, el ácido glutámico es el neurotransmisor excitatorio por excelencia de la corteza cerebral humana. Normalmente, funciona como mensajero químico en la sinapsis neuronal, pero por encima de unos niveles críticos, el glutamato puede convertirse en un tóxico para el sistema nervioso, provocando su degeneración y muerte, por lo que se le clasifica como excitotoxina (Palucha A. et al. 2005). En los últimos 30 años, el uso de esta excitotoxina en la alimentación ha suscitado mucha controversia a raíz de diversos artículos científicos sobre el papel de esta sustancia en la patogénesis y la patología de muchas enfermedades del sistema nervioso central (SNC) y
otras enfermedades agudas y crónicas. En 1968, se describieron las reacciones agudas que pueden darse poco después de ingerir alimentos que contengan glutamato (dolores de cabeza, debilidad, entumecimiento, palpitaciones, asma, problemas de sueño, dolores abdominales, calambres, hormigueo, opresión en el pecho, etc.), es decir, lo que se denominó el “síndrome de restaurante chino” (Rejane G. et al . 2002). A pesar de los numerosos estudios que han demostrado la toxicidad del glutamato, la legislación española permite hasta 10g/Kg de E-621 (glutamato sódico) solo o en combinación con otros aditivos como el E-620 o del E-622 al E625, en su función de aditivo alimentario general (salvo en alimentos para lactantes y niños de corta edad), mientras que en los condimentos y aderezos se permite la dosis máxima de quantum satis, es decir, un nivel máximo no especificado (BOE, 22/01/1986).
Ruta biosintética del ácido glutámico Los aminoácidos podemos clasificarlos en esenciales, que son aquellos que no somos capaces de sintetizar metabolitamente y que tenemos que incorporarlos en nuestra dieta, y los no esenciales, que son aquellos que sí podemos sintetizar. Los aminoácidos no esenciales se sintetizan a partir de precursores que derivan de distintas rutas metabólicas, entre las que destacan: Ruta metabólica
Precursor de aminoácido
Glucólisis
3-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Piruvato
Ciclo de Krebs
Oxalacetato α-Cetoglutarato.
Pentosas-fosfato
Ribosa-5-fosfato
El ácido glutámico, o glutamato, es un aminoácido no esencial, que deriva directamente de un intermediario del ciclo de Krebs, concretamente el α-cetoglutarato. Esta conversión es posible principalmente gracias a la acción de enzimas como la Glutamato deshidrogenasa, capaz de catalizar la reacción: α-cetoglutarato + NH4+ + NADPH + H+ glutamato + NADP+ Y en menor medida por otras enzimas como la Glutamato sintasa, que usa la glutamina como donadora del grupo amonio: α-cetoglutarato + glutamina + NADPH + H+ 2 glutamato + NADP+O La Carbamilfosfato sintetasa, que lo sintetiza de forma indirecta: HCO3- + glutamina + 2 ATP carbamil fosfato + glutamato + 2 ADP + Pi
Gracias a estas tres enzimas, podemos obtener anabólicamente el ácido glutámico o su forma ionizada, el glutamato (Stryer, 2003). En condiciones óptimas para la producción de glutamato a partir de glucosa, predomina la ruta de Embden-Meyerhof-Parnas o Glucólisis que dirige los precursores del carbono hacia el ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs. El NADPH + H+ formado en la descarboxilación oxidativa del isocitrato a α-cetoglutarato suministra el cofactor reducido, que, junto con el NH3, se necesita para la conversión de α-cetoglutarato a glutamato por la acción de la glutamato deshidrogenasa (Lehninger, 2005). Imagen 2. Desvío de los productos de la glucólisis al ciclo de Krebs. Las cepas productoras de ácido glutámico comercial carecen del enzima α-cetoglutarato deshidrogenasa del ciclo del ácido cítrico y por consiguiente, en ausencia de iones NH4+ aunque con suficiente oxígeno, el ácido α-cetoglutárico se acumula (Lehninger, 2005). Los compuestos intermedios del ciclo de Krebs, necesarios para el aprovisionamiento del oxalacetato que interviene en la reacción de condensación de las citrato sintetasa y otras reacciones celulares, provienen de reacciones anapleróticas, como el paso de fosfoenolpiruvato con la adicción de CO2 a oxalacetato. Por otra parte, los compuestos intermedios del ciclo de Krebs pueden provenir del ciclo del glioxilato. Estequiométricamente a partir de 1.4 moles de glucosa se obtiene 1 mol de glutamato mediante el ciclo del glioxilato, mientras que la ruta que implica la fijación del dióxido de carbono bajo la acción de la fosfoenolpiruvato carboxilasa es más eficaz y produce 2 moles de glutamato por 1 mol de glucosa (Lehninger, 2005). Es por ello, que con el objeto de incrementar la eficacia de la conversión se han introducido en la producción algunos mutantes que tienen niveles bajos del enzima isocitrato liasa del ciclo del glioxilato. En el esquema adjunto se muestra la vía metabólica seguida para la producción de glutamato a partir de glucosa, destacando las enzimas clave en el proceso (Lehninger, 2005).
Producción Industrial del ácido glutámico En 1909, Saburosuke Suzuki and Ikeda llevaron a cabo por primera vez la producción industrial de L-glutamato monosódico (MSG). El primer proceso de producción industrial consistió en la extracción de glutamato a partir de proteínas vegetales, las cuales eran tratadas con ácido hidroclorídrico para romper los enlaces peptídicos. El ácido L-glutamico era entonces aislado desde este material y purificado como MSG. Esta producción inicial de MSG estaba limitada debido a los problemas técnicos que presentaba el método para ser desarrollado a gran escala (Sano C., 2009).
Extracción de tejidos vegetales La proteína vegetal hidrolizada (PVH) es fuente de glutamato procesado en la que hay concentraciones altas de dicho compuesto. Las proteínas hidrolizadas que se utilizan para
realzar el sabor se preparan utilizando ácidos o enzimas que permiten digerir químicamente la harina de soja, el gluten de trigo, las cepas comestibles de levadura, etc. Este proceso, que consiste en hervir productos vegetales en un recipiente lleno de ácido sulfúrico durante varias horas, para luego neutralizar el ácido con sosa cáustica, descompone las proteínas en sus aminoácidos constituyentes. Así se obtiene un fango de color marrón que se recoge y se deja secar. El producto final es un polvo marrón con altas concentraciones de glutamato. Además, igual que el glutamato obtenido por fermentación, la PVH contiene las mismas sustancias cancerígenas que este tipo de glutamato, así como las formas D y L de esta sustancia (Sano C., 2009). Mejoras en la producción del ácido glutámico no aparecieron hasta los años 50s. Una de estas mejoras consistía en la síntesis química directa, que fue utilizada para la producción de MSG desde 1962 hasta 1973 (Sano C., 2009).
Síntesis química El acrilonitrilo se forma catalíticamente con CO/H2 y en presencia de [Co (CO)4]2, para dar un aldehído que mediante la reacción de Strecker, en presencia de ácido cianhídrico y amoniaco, se transforma en el dinitrilo del ácido glutámico. En medio básico se obtiene la mezcla racémica del ácido glutámico, que contiene los isómeros D y L: H2C=CH-CN OHC-CH2-CH2-CN NC-CH(NH2)-CH2-CH2-CN ácido D,L-Glutámico La separación de la mezcla racémica se consigue favoreciendo la cristalización de ácido Lglutámico a partir de la disolución sobresaturada de la mezcla de isómeros mediante siembra con el derivado L (Sano C., 2009).
ÁCIDOS ORGÁNICOS PRODUCIDOS POR RIZOBACTERIAS SOLUBILIZAN FOSFATO: UNA REVISIÓN CRÍTICA
QUE
La producción de ácidos orgánicos de bajo peso molecular por las rizobacterias es uno de los mecanismos más ampliamente conocidos de solubilización del fosfato del suelo, que hace al fósforo (P) disponible para la nutrición de las plantas. Dentro del período de 19082008 se reportó la capacidad solubilizadora de fosfatos por los ácidos: oxálico, cítrico, butírico, malónico, láctico,succínico, málico, glucónico, acético, glicónico, fumárico, adípico, indolacético y 2-cetoglucónico. Los géneros bacterianos con capacidad de producir ácidos orgánicos que solubilizan fosfato se tienen: Pseudomonas, Rhizobium, Burkholderia, Achromobacter, Agrobacterium, Aereobacter, Flavobacterium, Yarowia, Streptosporangium y Erwinia. Los ácidos glucónico y 2-cetoglucónico son los agentes más
frecuentemente reportados como solubilizadores de fosfato. La capacidad de los ácidos orgánicos para aumentar la disponibilidad de P, no sólo se debe a la acidificación en la rizósfera de la planta, sino también a su capacidad de formar complejos estables con elAl y Fe. Los ácidos orgánicos incrementan la disponibilidad de micronutrientes, como Fe, Zn y Mn, en el suelo al disminuir el pH en la rizósfera, o por la quelación de estos micronutrientes. De igual manera, los ácidos orgánicos participan en elsuelo en fenómenos como la quimiotaxis microbiana y la detoxificación de metales. Sin embargo, su papel en la mayoría de estos procesos sigue siendo desconocido, debido a la falta de datos experimentales que expliquen las reacciones de los ácidos orgánicos en el suelo. El objetivo de esta revisión es analizar el papel que juegan los ácidos orgánicos producidos por las rizobacterias en la solubilización de fosfatomineral y susimplicaciones en el estatus nutricional del suelo.
PRODUCCION DE ETANOL Efecto de adición de iones hierro y zinc sobre la producción de etanol de dos cepas recombinantes de Saccharomyces cerevisiae La producción de etanol por fermentación es influenciada por la presencia de iones metálicos como hierro y zinc dado que son cofactores de la enzima alcohol deshidrogenasa. El estudio de este efecto permitiría identificar el comportamiento de los microorganismos fermentadores en sustratos industriales que contienen altas concentraciones de este tipo de iones. Este trabajo evaluó la producción de biomasa, los azúcares residuales y la producción de etanol por fermentación de tres cepas de S. cerevisiae, CBS8066, recombinantes GG570-CIBI y GG570-CIBII, bajo el efecto de la adición de hierro a 0, 50 y 150 M, y zinc a 0 y 50 M. Las cepas presentaron inhibición en la producción de biomasa y etanol bajo efecto de iones de hierro y zinc, siendo dicha inhibición mayor al estar en presencia de zinc o alta concentración de hierro. GG570-CIBI mostró disminución en producción de biomasa de 4 g/L y una caída en producción de etanol de 40% en el tratamiento 150 M hierro-50 M zinc (con respecto al tratamiento basal). GG570-CIBII fue la menos afectada con inhibición en la producción de etanol inferior a 11% a las 20 h de fermentación. Adicionalmente, presentó la mayor producción de etanol cuando hubo adición de 150 M Fe con o sin adición de zinc, siendo dicha producción entre un 9 y 14% superior a la de las cepas CBS8066 y GG570-CIBI respectivamente, bajo las mismas condiciones. Posteriormente, GG570-CIBII será evaluada en sustratos industriales debido a su menor inhibición en la producción de etanol, permitiendo así obtener mejores rendimientos.
Producción de etanol a partir de algas marinas
En un trabajo muy prometedor, se logró combinar la producción de etanol, utilizando bacterias de fácil cultivo como Escherichia coli, con la degradación de alginato (un glúcido o hidrato de carbono presente en las algas) que no es digerido de forma natural por estas bacterias. Aprovechando que hay bacterias que sí son capaces de digerirlo, como las del género Vibrio, se ha incorporado un trozo (36 kilobases) del genoma de la bacteria V. splendidus en el genoma de la bacteria E. coli; esta labor de ingeniería genética ha permitido introducir la ruta metabólica para digerir el alginato en E. coli, permitiendo su uso industrial en la producción de etanol a partir de algas marinas. A partir de este logro se podría ofrecer una fuente importante de biocombustibles. Según investigaciones, en menos del 3% de las aguas marinas costeras se pueden producir algas suficientes como para sustituir más de 226.800 millones de litros de combustibles fósiles. El inconveniente que presenta es que es demasiado caro como para competir con otros combustibles derivados del petróleo, pero a medida que pase el tiempo, se encontrará la manera de introducirla en el mercado con un costo accesible.
Lignocelulosa Como Fuente de Azúcares Para la Producción de Etanol. La lignocelulosa es el principal componente de la pared celular de las plantas, esta biomasa producida por la fotosíntesis es la fuente de carbono renovable más prometedora para solucionar los problemas actuales de energía. El principal impedimento tecnológico para la utilización de la biomasa vegetal es, en general, la ausencia de una tecnología de bajo costo dirigida a la recalcitrancia de la lignocelulosa. Se han desarrollado diversos métodos que mejoran la hidrólisis de la lignocelulosa, como los pretratamientos fisicoquímicos y
biológicos. La finalidad del pretratamiento es remover la lignina, hidrolizar la hemicelulosa a azúcares fermentables, y reducir la cristalinidad de la celulosa para liberar la glucosa. El propósito de esta revisión es mostrar un panorama de los métodos que se han desarrollado para hidrolizar la lignocelulosa.
BIBLIOGRAFIA:
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http://es.scribd.com/doc/13167007/Fermentaciones-aerobicas-especiales
http://es.scribd.com/doc/14715667/39/PRODUCCION-DE-ACIDOS-ORGANICOS
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http://www.smbb.com.mx/revista/Revista_2009_3/Lignocelulosa.pdf
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http://www.gunt.de/download/CE640_flyer_spanish.pdf
https://sites.google.com/site/losacidosenlocotidiano/acidos-organicos
