Fermentacin de sustrato Solido

Fermentacin de sustrato Solido

FERMENTACIN DE SUSTRATO SOLIDO

I. INTRODUCCIO:Segn Sato (1983) la fermentacin de sustrato slido (FSS) tuvo sus orgenes en la fabricacin de pan por los antiguos egipcios as como en la manufactura de alimentos tradicionales del Lejano Oriente hace miles de aos. Durante siglos, la FSS se utiliz de manera artesanal en la elaboracin de alimentos en China y Japn, en la maduracin de ciertos quesos y en el composteo y ensilado de rastrojos y otros residuos. Sin embargo, la automatizacin e industrializacin de procesos que involucran a la FSS slo se ha llevado a cabo en algunos pases orientales mientras que en occidente, la industria prefiri desarrollar la fermentacin en cultivo sumergido..La fermentacin en estado slido (en adelante SSF) es una tcnica conocida desde hace siglos y se define como el proceso fermentativo en el cual los microorganismos crecen sobre una matriz slida en escasez o ausencia de agua libre El sustrato debe contener slo la humedad suficiente para favorecer el crecimiento y la actividad metablica del microorganismo. Estos sustratos no son solubles en agua y constituyen las fuentes de carbono, vitaminas y minerales que favorecen el crecimiento microbiano. En la actualidad, la fermentacin sobre sustrato slido se usa con gran xito en la produccin de antibiticos, micotoxinas, surfactantes, cidos orgnicos, compuestos aromticos, pesticidas y enzimas, entre otros.

II. OBEJRTIVOS: Conocer la definicin de la fermentacin de sustrato solido Conocer los parmetros se requiere en la fermentacin de sustrato slido. Dar a conocer los avances de la fermentacin de sustrato slido. Reconocer los microrganismos ms relevantes para esta fermentacin Dar a conocer las ventajas y desventajas de la fermentacin de sustrato slido.

III. DEFINICIN:La definicin ms general y reciente fue formulada por Viniegra-Gonzlez (1997), donde se plantea que "es un proceso microbiolgico que ocurre comnmente en la superficie de materiales slidos que tienen la propiedad de absorber y contener agua, con o sin nutrientes solubles".La FSS se define, entonces, como un sistema que consta de una matriz de partculas solidas, una fase liquida unida a aquellas y una fase gaseosa atrapada entre las partculas (Durand, 1988); los microorganismos crecen sobre la superficie de las partculas slidas y normalmente toman la forma de hongos creciendo en la superficie de granos u otros soportes.Esta tcnica ha sido aplicada desde la antigedad en la preparacin de alimentos fermentados, como el koji en China que se obtiene por el cultivo del hongo Aspergillus oryzae sobre cereales cocidos, y en Japn es la base de la elaboracin de sake, del teiupeh habitual en Indonesia. Tambin suele utilizarse en la elaboracin de aromas artificiales de alimentos. En la dcada de los aos 70 se promovi con fuerza el estudio cientfico, con vistas a aprovechar las ventajas econmicas de este tipo de fermentacin

IV. PARMETROS DE LA FERMENTACIN DE SUSTRATO SOLIDO:Los parmetros de importancia son: microorganismo, humedad, concentracin de inoculo, temperatura, pH, agitacin, aireacin, forma y tamao de particular.a) Microorganismos: Basado en el tipo de microorganismos presentes en la fermentacin en estado slido se dividen los microorganismos en dos grupos principales: Natural (silvestres o nativos), cuyo ejemplos son el ensilaje y la composta que utilizan microflora natural. Puro (individual o mezclado) son generalmente usados a nivel industrial que requiere de un control y la utilizacin de un sustrato seleccionado.En las fermentaciones de sustrato slido, la seleccin de un microorganismo adecuado, es importante para su desarrollo. Diversos grupos de microorganismos pueden crecer en sustrato solido, sin embargo el bajo contenido de agua en este tipo de fermentaciones, favorecen para el desarrollo de los hongos. Los hongos crecen en el medio solido produciendo protena a partir del consumo del sustrato, adicionado con fuentes inorgnicas de nitrgeno y otros minerales. La ventaja de utilizar los hongos para produccin de biomasa para el consumo animal y humano, es el bajo contenido que poseen en cidos nucledos al compararlos con las bacterias y con las levaduras (Cuadro 3). Dentro de este grupo, los gneros Aspergillus y Rhlzopus se han usado extensamente por su capacidad de sntesis de amilasas y proteasas. Existen pocas especies de estos gneros que en condiciones especficas producen micotoxina .

Diversas especies de Rhizopus son consideras de inters para la industria de alimentos. Han sido utilizadas en fomentaciones solidas especialmente en Asia (china, corea, Japn, indonesia, malasia, Singapur, etc.) para la preparacin de muchos alimentos fermentados. Rhizopus no solo mejora la digestibilidad y el contenido de protena, sino que tambin previene la formacin de sustancias txicas como. Rhlzopus oligosporusha sick, utilizado para enriquecimiento de protena y estudios de cinticas de crecimiento en fermentaciones en sustrato Wide., su actividad lipolitica es mayor que su actividad aminolitica y proteolitica, pero se conoce que presenta proteasas que rompen las protenas de los.b) Humedad: El nivel de agua se ajusta segn los requerimientos de los microorganismos. Cuando el contenido de agua es muy alto los espacios vacios entre las partculas se llenan de agua desalojando al aire y provocando disminucin del oxigeno en la masa. Y adems podra estimular la contaminacin bacteriana. Por otro lado, si el contenido de agua es bajo el crecimiento de los hongos se inhibe.En la elaboract6n de alimentos fermentados, existen diferentes rangos de humedad para su adecuada obtencin. Su % de humedad puede variar entre 30 80%c) Cantidad de inoculo: Usualmente para asegurar un rpido crecimiento. se requiere una alta concentracin de esporas en la inoculacin, as como para competir con otros microorganismos por el sustrato. La cantidad ptima de inoculacin vara de esporas/g de material seco (Pealoza1981).d) Temperatura: Los hongos pueden crecer en un amplio rango de temperatura entre los 20 y 45'C, cuya Influencia tiene efectos complejos. Altas temperaturas inhiben la germinacin de esporas pero no afectan significativamente el desarrollo del micelio. Para la produccin de enzimas y micotoxinas La temperatura ideal varia entre 28 y 35C. micelio de A. Nger se desarrolla en los 35 y 45C, pero se consigue un mayor rendimiento en los 35 y 40C.

e) PH: Los hongos crecen a pH cidos entre 3.0 y 4.5; el efecto del pH inicial en las fermentaciones solidas no esta bien establecido. Durante La fermentacin el pH tiende a disminuir dependiendo de la cantidad de urea y sales de amonio que intervengan en la fermentacin (Pealoza 1981).

f) Aireaci6n y agitacin: Son parmetros claves en la transferencia de masa dentro de las partculas. La transferencia de oxigeno entre las partculas depende de los espacios libres, de la aireacin y la agitacin o mezclado . El flujo de aireacin sobre la produccin de biomasa tiene un comportamiento tal que es optimo a flujos volumtricos de aire bajos, suficientes para favorecer la remocin del bixido de carbono producido por la respiracin y la transferencia de masa intraparticula, al hacer ms accesible el oxgeno disuelto en agua procurando condiciones cercanas a la isotermicidad alrededor de este punto. la eficiencia disminuye. Al reducirse el flujo de aire por debajo de este punto, se restringe el suministro de aire y el hongo tiende a la esporulacin, a flujos mayores del optimo la produccin de biomasa disminuye por dificultarse la fijacin de la espora al sustrato al existir perturbaciones o pequeas turbulencias en el fermentador. En las fermentaciones estticas la aireacin desempea las funciones de agitaci6n, el aumento en el flujo del aire mejora el desarrollo del micelio y el consumo del sustrato.g) Forma y tamao de las partculas: En las reacciones bioqumicas de las fermentaciones slidas el oxigeno es esencial, y para ello el oxigeno debe de difundirse en la capa acuosa que rodea a la partcula solida o penetrar en los poros del sustrato. En consecuencia, el tamao y la forma de las partculas determinan el grado de porosidad. El tamao de partcula optimo varia dependiendo del sustrato, del microorganismo a utilizar y de la cantidad de oxgeno presente en el medio. Las partculas pequeas tienen la ventaja de poseer una mayor relacin de superficie a volumen. Esta relacin tiene una gran influencia sobre la transferencia de masa inter e intraparticula.

V. SUSTRATOS NATURALES:

Fibras de paja de trigo. Maz Arroz. bagazo de caa y de remolacha. Residuos de pltano. Residuos de papa. Te. Coco. Manzana. Ctricos. Harina de trigo y maz. Cascara de caf y arroz.

VI. PROCESO GENERAL DE LA FERMENTACION DE SUSTRATO SOLIDO

VII. APLICACIN DE LAS FERMENTACIONES SOLIDAS EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS:Los alimentos producidos post fermentaciones en estado solido se pueden clasificar en seis categoras, en base a los mtodos empleados y al tipo de producto obtenido (Paredes y Harry 1988):1. Alimentos producidos per fermentacin per bongos seguidos per una adicin de sal.2. Alimentos producidos utilizando bacterias.3. Alimentos producidos en dos periodos de fermentacin, una fermentacin acido-lcticas regulada por una fermentacin fngica en estado solido.4. Alimentos producidos per fermentativo alcohlica a partir de sustratos ricos en carbohidratos, usando levaduras y bongos.5. Productos alimenticos preparados a partir de masas fermentadas usando principalmente bacterias acido-lcticas.6. Ingredientes para alimentos, pueden ser preparados usando Fermentacin en estado solido.Existen alimentos que dependen de las fermentaciones solidas y que actualmente son producidos per grandes industrias, entre los cuales estan el koji. mist, salsa de soya. tempe, sake, sufu, ontjom, bongkrek. Asi come la obtencin de otros productos y la aplicacin de otros procesos. Cada uno varia en el sustrato y el microorganismo utilizado como se puede observar en el cuadro 4.Se han realizado valoraciones nutricionales de algunos de estos alimentos, obtenindose buenos resultados en enriquecimiento especficos, as como un aumento de la digestibilidad y una aceptabilidad rgano pticaPor ejemplo, el tempe hecho a base de soya, no tiene el sabor tpico de la soya.koji, se prepara con arroz cocido, arroz con soya, o soya con salvado de trigo. Los materiales se esterilizan, se distribuyen en bandejas, se inoculan con Aspergillus orizae o Rhizopus oligosporus, y se deja fermentar per tres das a 25-30'C en condiciones aerbicas. El koji obtenido se usa como iniciador o intermediario en la fabricacin de varios productos.Salsa de soya.- la mezcla de soya con trigo tostado se fermenta como en el proceso anterior hasta obtener koji, luego se aade salmuera y se incula anaerbicamente a 35-38C por 1 a 3 meses, el lquido se separa y finalmente se retina (Beauchat 1984, Young y Wood 1974).Miso.- Se obtiene por fermentacin sotica anaerbica de soya mesclada con arroz; come iniciador se usa el koji.

Tempe.- Se prepara con soya y se inocula con esporas de Rhizopus oligosporus, la mescla se distribuye en pequeas porciones que se envuelven en hojas de banano y se fermentan durante 20 a 24 hs. El tempo es una pasta de sabor fresco y agradable que se consume ampliamente en Indonesia.

VIII. MODELAMIENTO MATEMATICO:La determinacin de la biomasa por mtodos indirectos se ha empleado por diferentes investigadores. Entre ellos, Sato y col. (1983), Rodrguez y col. (1988), Desgranges y col. (1991) han basado sumetodologaen el metabolismo respiratorio. El O2 consumido y el CO2 producido son el resultado de los procesos metablicos a travs de los cuales los microorganismos aerbicos obtienen la energa necesaria para su crecimiento. Por tanto, estas actividades metablicas estn asociadas al crecimiento del microorganismo y pueden usarse para estimar la biomasa sintetizada. Entonces es posible relacionar en trminos diferenciales el O2 consumido (dO2/dt) y el CO2 producido (dCO2/dt) tanto al crecimiento celular como al mantenimiento segn se expresa en lasecuaciones1 y 2 (Sato y col., 1983):

(1) (2)

a) Las ecuaciones que intervienen en la transferencia de calor son las siguientes:

Donde Pr = Pa = Pq = 1 Pr: Parmetro de conduccin radial, adimensional. U: Coeficiente global de conduccin radial . A: rea volumtrica de conduccin de calor. : Masa fermentativa por volumen de reactor. Cp : Capacidad calorfica de la masa fermentativa .Pa: Parametro de convecci6n axial, adimensional. T: Temperatura de la masa empacada en el reactor .Tj: Temperatura de la chaqueta .H1: Entalpia del aire a la entrada.H2 i m. Entalpia del aire a la salida.Pq: Parmetro de generaci6n de calor, adimensional fermentativa.Ci: Tasa de generaci6n msica del componente i de hi : Calor de formacin del componente i de la masa fermentativa .Vg: Velocidad lineal del aire de enfriamiento. : Masa del aire de enfriamiento.L: Longitud axial del reactor La masa Se hace hincapi en que los parmetros de conducci6n radial (Pr), de conveccin axial (Pa) y de generacinmetablica de calor (Pq) son adimensionales. Se les asignan valores arbitrarios desde 0.1 hasta 10 con el objeto de observar su incidencia en el desarrollo de la simulacin. El valor encontrado permitirescalar el del termino respectivo de la ecuacin de transferencia de calor. Se eligieron como factores los parmetros Pr, Pa y Pq.

b) Parmetros bilgicos: Las ecuaciones que describen el comportamiento de la fase biolgica del modelo matemtico son las siguientes:

Al, A2: Constantes del modelo de Arrhenius [=I h-l. Ea1, Ea2: Energas de activaci6n de las reacciones de crecimiento y muerte celular, respectivamente. R: Constante de los gases ideales T: Temperatura en Kelvin. Ks : Constante adimensional de Monod;

Por su parte, la tasa de formacin de sustrato es:

Donde: : Coeficiente de mantenimiento de sustrato [=I : Porcentaje de humedad de biomasa = 80% w/w. : Rendimiento de crecimiento (verdadero) de sustrato [-I IX. DISEO DE FERMENTADORES :

X. OBTENCIN INDUSTRIAL DE PRODUCTOS POR FERMENTACION DE SUTRATOS SOLIDOS.

XI. NUEVAS APLICACIONES:

CONTROL MEDIOAMBIENTAL Biorremediacion. Biodegradaciones de compuestos txicos. Destoxificacion de residuos agrcolas. Las biotransformaciones de algunos cultivos o de sus residuos para la mejora de su calidad nutricional. Pulpeado biolgico.

PRODUCTOS DE ALTO VALOR AADIDO Metabolitos secundarios. cidos orgnicos. Pesticidas. Compuestos aromticos. Combustibles. Enzimas. XII. VENTAJAS: Mayor rendimiento. Ms fcil de recuperacin de los productos. No se producen espumas. Volumen de reactor menor. El riesgo de contaminacin se reduce dado los bajos niveles de humedad en el medio. Se pueden emplear como sustratos materias primas o residuos de bajo costo de industrias agrcolas o de alimentos. La biomasa agotada puede ser utilizada para la alimentacin de animales de granja. Impacto ambiental menor: se reduce el volumen de los efluentes.DESVENTAJAS Tipo de microorganismo limitado, solo los que pueden crecer en condiciones de baja humedad. Heterogeneidad del medio. Pueden requerirse cantidades relativamente mayores de inoculo. Fermentacin de materiales en gran escala presenta problemas de control de nutrientes concentrados en el sustrato, temperatura, ph y humedadXIII. COCLUSIONES:

Se conoci la definicin de la fermentacin de sustrato solido Se determin los parmetros se requiere en la fermentacin de sustrato slido. Se determin los avances de la fermentacin de sustrato slido. Se reconocer los microrganismos ms relevantes para esta fermentacin Se mostr las ventajas y desventajas de la fermentacin de sustrato slido.

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