Revision bibliografica de fermentacion en estado solido

FERMENTACION EN ESTADO SOLIDO, PRODUCCION DE CELULASAS JUAN MARTIN HOYOS CESAR AUGUSTO MURCIA PAOLA ANDREA YEPES JHONNY DAVID OCAMPO OBJETIVOS Relacionar los bioprocesos industriales con el curso de esta asignatura y dar algunos ejemplos relacionados con ciertos sectores de interes: productos quimicos, industria alimentaria y medio ambiente. RESUMEN.

Para el presente revision, se hizo una busqueda exhaustiva en los diferentes medios de informacion, en los cuales se hizo referencia a la Fermentacion En Estado Solido (SSF por sus siglas en ingles) como medio de produccion de la Celulasa y su utilizacion en los diferentes procesos en los cuales se ve referenciada como una materia prima importante y perteneciente al proceso de hidrolisis de la celulosa, pues esta es una fuente de carbono importante y necesaria para la obtencion de nuevos materiales, los cuales son utilizados areas de alimentos y de quimica.

La celulasa es de gran valor, tanto comercial como investigativa, ya que es la responsable de la obtencion de etanol, esporas entre otras varios productos. En esta revision, se analizara la utilizacion de la celulasa para produccion de otros productos en investigacion y ya plenamente desarrollado, y su gran importancia en la biotecnologia INTRODUCCION. El estudio de la fermentacion en estado solido

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es de gran importancia para las distintas areas de investigacion, por su gran aporte a los avances en quimica, en los alimentos, entre otras.

En los ultimos anos, la fermentacion en estado solido (SSF) ha demostrado mucho en el desarrollo de bioprocesos de varios productos. La fermentacion en medio solido o tambien Fermentacion en estado solido (FMS), se define como el crecimiento de microorganismos en medios solidos, o semi-solidos, en ausencia de agua libre. Esta tecnica ha sido aplicada desde la antiguedad en la preparacion de alimentos fermentados. (Aidoo KE. Mendry R, Wood BJB, 1982). Es un proceso microbiologico que ocurre comunmente en la superficie de materiales solidos que tienen la propiedad de absorber y contener agua, con o sin nutrientes solubles (P.

Larralde Corona, Lopez Isunza, Viniegra Gonzalez. 1997). Esta definicion abarca a procesos donde el soporte solido es inerte y los sustratos que utiliza el microorganismo pueden ser sustancias solubles en agua, como el proceso de bioconversion de etanol y el crecimiento de Candida utilis sobre amberlita (Christen 1993). Las condiciones ambientales tales como la humedad, la actividad del agua, el pH, la temperatura, la concentracion y disponibilidad del sustrato, la aireacion, el tamano de particulas y la forma de inoculacion afectan significativamente tanto el crecimiento como la formacion de productos.

En el cultivo liquido agitado el control de las condiciones ambientales es relativamente simple, ya que estos sistemas son homogeneos desde el punto de vista de la concentracion celular, nutrientes y productos. Sin embargo se presentan serios problemas en los sistemas solidos con el mezclado, la transferencia de oxigeno, el intercambio de calor y el control de la humedad y el pH, debido, principalmente, a la heterogeneidad y la consistencia del sistema (Doelle, 1992).

Fermentacion en estado solido se debe utilizar para definir solo aquellos procesos en los que el sustrato si actua como el carbono o la fuente de energia, que ocurren en el ausencia o la casi ausencia de agua libre. Empleando un sustrato natural que el anterior, o un material inerte sustrato utilizado como soporte solido (A. Pandey, W. Azmi, J. Singh and U. C. Banerjee , 1999) Al menos el 75% de las enzimas empleadas en los procesos industriales se emplea para realizar la hidrolisis de sustancias naturales (despolimerizacion).

Las proteasas son el tipo mas empleado de enzimas en la industria, representan el 40% del total y se emplean en la industria lactea (como coagulantes) y en los detergentes. Las carbohidrasas son el siguiente tipo de enzima mas empleado; se usan destilaciones, obtencion de la cerveza. El empleo de enzimas es ventajoso porque actuan en condiciones de pH, temperatura, presion… que son compatibles con el mantenimiento de la estructura y otras propiedades del producto; ademas minimiza los requerimientos energeticos del proceso.

Las variaciones de las condiciones podrian hacer perder las propiedades deseadas del producto que se pretende obtener. Un ejemplo de las enzimas utilizadas hidrolisis son las celulasas. Estas son glucosidasas capaces de catalizar la hidrolisis de los enlaces 1, 4 glicosidicos de la celulosa. Las exocelulas hidrolizan principalmente por el final del polimero de celulosa, mientras que las endocelulasas lo hacen en cualquier parte de la cadena. Los ultimos productos formados por la accion de celulasas son cadenas cortas de oligosacaridos consistentes en dos-cinco moleculas de glucosa unidas.

Como en los casos anteriores, se deben elegir entre celulasas alcalinas o neutras para su empleo en detergentes. ( WIDSEMAN, 1985) La actividad de las celulasas esta determinada por varios patrones, y diferentes celulasas tienen comportamientos muy diferentes en funcion de los sustratos empleados. Como por ejemplo: En la formacion de azucar reductores, cada enlace glucosidico que se hidroliza al final se libera en la forma hemiacetalica. La cantidad de azucar reducido puede detectarse por el color de la reaccion con ferricianuro. La reduccion de la viscosidad corresponde a la actividad de las celulasas.

Las cadenas covalentes coloreadas de la celulosa pueden solubilizarse cuando se liberan pequenos fragmentos de polimero de celulosa. El color que permanece en la solucion despues de una filtracion indica la actividad de la celulasa. Algunos sustratos producen cromoforos en la accion de la celulasa. Las celulasas se emplean en los detergentes para una mejor conservacion de las fibras textiles. Incluso pueden eliminar partes de tejidos danados. Los efectos visibles de que generan las celulasas son: * Brillo en los colores * Aumento de la suavidad * Mejora la eliminacion de particulas de suciedad

A pesar de todo esto, hay que tener en cuenta que las celulasas danar los tejidos, aunque lo hacen de manera tan suave que compensa su empleo: producen mas beneficios que incomodidades. ( Widseman, 1985) En el area de los alimentos la fermentacion por estado solido con implicacion directa y/o indirecta de la celulasa, ha sido y sera de gran importancia, ya que con esta tecnica se investiga muchos de los aspectos que perjudican los alimentos, creando la posibilidad de regenerar y mejorar la calidad de varios alimentos en los cuales se presenta este fenomeno.

Un ejemplo de ello es la Nalgiovense Penicillium que es la especie tipica utilizada como cultivo iniciador en la de la carcasa de embutidos secos fermentados (Papagianni & Papamichael, 2007) y ha sido producida a menudo por fermentacion en estado solido (SSF). Granos de soja, granos de maiz y salvado de trigo se han probado como sustratos en SSF para conidios la produccion y la viabilidad en nalgiovense P.

Las esporas de aplicaciones en la industria de alimentos han sido producidas a menudo por una fermentacion en estado solido (SSF), debido a un mejor rendimiento de los homogenea y pura conidias. La naturaleza del sustrato solido empleado es el factor mas importante afecte el proceso de SSF y su seleccion depende de varios factores principalmente relacionados con el costo y la disponibilidad y por lo tanto puede afectar a la Proyeccion de varios de los agro-residuos industriales (Bapat, Kundu, y Wangikar, 2003).

Con la creciente demanda de bio-combustibles y productos quimicos, se ha prestado mucha atencion a la realizacion de diferentes materias primas. Hoy en dia, la biomasa ha tomado una problematica actual como un medio de supervivencia y de desarrollo, ya que hemos demostrado la capacidad de esta materia prima para la produccion de azucares fermentables utilizando celulasas producido en el sitio. Celulasa y ? -glucosidasa han sido una de las encargadas de optimizar la sacarificacion.

El desarrollo de alternativas a los combustibles fosiles esta recibiendo mayor atencion, ya que se convierte en una urgente prioridad mundial debido a la creciente preocupacion por el efecto de los gases de efecto invernadero en el medio ambiente y la seguridad del suministro mundial de combustibles liquidos (Rubin, 2008). El etanol celulosico podria ser un combustible alternativo clave, pero varios tipos de materias primas que crecen bien en diferentes condiciones climaticas son necesarios para que esta fuente de energia viable.

Basandose en un analisis economico reciente, el sorgo dulce es considerado como uno de los cultivos resistentes a la sequia y tiene un mayor rendimiento de la biomasa y los costos de produccion mas bajos que muchas otras plantas (Corredor et al. , 2009). La celulosa es la materia organica mas abundante en la tierra y tal vez es el polimero mas estudiados (O’Sullivan, 1997). Para su utilizacion como combustible de transporte, el foco importante de investigacion es la de convertir la celulosa en azucar manometrica, que puede ser economicamente fermentada en etanol.

Lignocelulosa consisten principalmente en celulosa, hemicelulosa y lignina, que estan unidos por enlaces covalentes, varios puentes intermoleculares, y van der Waals que forman una estructura compleja, por lo que es resistente a la hidrolisis enzimatica e insoluble en agua (O’Sullivan, 1997). Hay seis polimorfos conocidos de celulosa (I, II, III1, IIIII, IVI, y IVII), que tambien puede interconvertir. Celulosa I, tambien denominado como la celulosa nativa, tiene disposicion paralela de las cadenas y es el unico polimorfo que se produce de forma natural.

Celulosa II se convierte a traves de mercerizacion o solubilizacion de regeneracion de la celulosa, nativos o no. La estructura de celulosa II es termodinamicamente mas estable con una disposicion antiparalela de las cadenas y algunos entre los puentes de hidrogeno hoja. Celulosa y IIII IIIII se puede obtener de la celulosa I y II, respectivamente, por el tratamiento con amoniaco liquido o algunas aminas, mientras que los polimorfos IVIand IVII se puede obtener de la celulosa y calefaccion IIII IIIII, respectivamente, a 206 ° C en glicerol ([Marchessault y Sarko, 1967], [O’Sullivan, 1997], [Sarko, 1978] y [Sarko, 1987]).

Hace dos decadas, se informo que la celulosa natural existe como una mezcla de dos formas cristalinas I? y I? , despues de haber triclinico celulas y unidad monoclinica, respectivamente (Atalla y Vanderhart, 1984). Celulosa I? es termodinamicamente menos estable, como lo demuestra su conversion a la celulosa I? por recocido a 260 ° C. En ambas formas cristalinas, celobiosa es la unidad que se repite con una fuerte intra-H de la cadena de los bonos de 3-OH al O5 anillo precedente, mientras que la inter-H cadena de union y de embalaje del cristal son ligeramente diferentes en las dos formas (Sinnott, 2007).

Celulosa microcristalina (MCC) es un tratamiento previo con agua subcritica en un reactor de flujo continuo para mejorar su reactividad enzimatica con la enzima celulasa. De celulosa y la suspension de agua se mezcla con subcritico (es decir, a presion y climatizada) de agua y despues se introdujeron en el reactor a una temperatura y presion constantes. Despues de la reaccion, el producto se enfria inmediatamente en un intercambiador de doble tubo de calor. La parte solida del producto (es decir, tratados MCC) se separo y la prueba de la estructura molecular y reactividad enzimatica.

Los experimentos se realizaron a temperaturas que van desde 200 hasta 315 ° C, de 27,6 MPa, y para 3. 4-6. 2 s tiempos de reaccion Con SSF es posible utilizar los renovables y de bajo costo de los recursos naturales, tales como los agricolas y de restos de madera, cultivos energeticos y los subproductos de la industria alimentaria al (Pandey et al. , 2000). Sin embargo, cuando las plantas o residuos de cultivos con alto contenido de azucar se utilizan para la SSF, la disponibilidad de azucar puede ser baja o inhibicion en el crecimiento microbiano puede ocurrir, resultando en la productividad del sistema bajo.

En las fabricas de pasta de celulosa, la mayoria de las hemicelulosas, junto con la lignina, se disuelve en el licor negro durante el proceso de fabricacion de pasta altamente alcalino. El licor negro que contiene los azucares hemicelulosa esta siendo quemada produciendo vapor de agua y electricidad. Teniendo en cuenta el poder calorifico inferior de la hemicelulosa de semilla de azucar en comparacion con la lignina aromaticas, esto no puede haber un uso eficaz de la recuperacion de la capacidad de la caldera e solidos contribuyendo asi negativamente a la economia global. En lugar de quemar la hemicelulosa con el licor negro, antes de la extraccion de la hemicelulosa de semilla antes de la fabricacion de pasta y una mayor conversion a los biocarburantes ofrece una oportunidad economica de interes para la industria de pulpa y papel (Programa de Tecnologia 2020 de la Alianza, 2020). Un modelo para simular el proceso de integracion de biorefineria fabricacion de pasta de bosques y otros co-productos se ha desarrollado.

Este modelo ha sido utilizado para comparar los tres escenarios bio-refineria integrada: el proceso convencional de fabricacion de pasta Kraft, la planta de celulosa basada en IFBR con hemicelulosas antes de la extraccion de pulpa para la produccion de etanol, y la planta de celulosa-IFBR base con las dos pre-extraidos hemicelulosas y el corto de fibra para la produccion de etanol. ). La viabilidad economica de IFBR se puede mejorar mediante el uso de nuevas mejoras en el proceso previo a la extraccion, otras biomasas, como residuos de maiz para producir etanol, y aprovechando las economias de escala.

Etanol a partir de materias primas lignocelulosicas ha recibido mucha atencion recientemente por su papel potencial como combustible para vehiculos ligeros de los derechos debidos a la inestabilidad de los precios del petroleo, el etanol para reducir el potencial de America del Norte la dependencia del petroleo importado, y las recientes politicas para reducir la intensidad de carbono de los combustibles para el transporte y para aumentar la produccion de biocombustibles ([Solomon et al. 2007] y [Sperling y Yeh, 2009. A pesar de esta atencion no hay, hasta ahora, no lignocelulosa comercial a plantas de etanol, y existe una considerable incertidumbre sobre las tecnologias preferidas y sus parametros de funcionamiento. De etanol lignocelulosico ha atraido mucha atencion debido a su promesa de ayudar a los gobiernos para avanzar en la reduccion de las emisiones de gases de efecto invernadero del sector del transporte (Farrell et al. , 2006).

Celulasa es un grupo de enzimas que en conjunto tienen la capacidad de catalizar la hidrolisis de la celulosa en glucosa (Ladisch et al. , 1981). La glucosa producida puede ser utilizado como sustrato para la produccion de muchos productos de fermentacion como el etanol (McMillan, 1994). La produccion de celulasas efectivo es de vital importancia para la biorefineria, de utilizar los materiales lignocelulosicos renovables para la produccion de combustibles y productos quimicos ([Araujo y D’Souza, 1980] y [Brandt et al. , 1973]).

Celulasa se produce industrialmente por procesos de fermentacion usando Trichoderma reesei, la anamorfo del hongo jecorina Hypocrea ([Mohagheghi et al. , 1988] y [Shin et al. , 2000]). Los oligosacaridos forman durante la hidrolisis de la celulosa se cree que juegan un papel importante en la induccion de la celulasa naturales ([Huang, 1975] y [Ladisch et al. , 1981]). los materiales solidos celulosicos lo tanto a menudo han sido utilizados como sustrato y de la fuente de los inductores en los procesos de fermentacion para la produccion de celulasas [Huang, 1975], Todos los hidrolizados de examen apoyado el crecimiento de celulas, aunque con fases mas retraso que las observadas en los controles con los medios de comunicacion de la mezcla de glucosa y Avicel (Sigma), de celulosa. Aunque todos los hidrolizados de produccion de celulasas tambien inducidos, los hidrolizados preparados con la duracion mas corta de ebullicion, es decir, 15 y 30 minutos, dio la mas alta productividad de las celulasas (Lo et al. , 2005).

La mayor potencia de induccion de estos hidrolizados en armonia con el mayor contenido de oligosacaridos mide en estos hidrolizados. Bibliografia * Aidoo KE. Mendry R, Wood BJB (1982). Solid state fermentations. Adu Appl Microbiol * P. Larralde Corona, F. Lopez Isunza & G. Viniegra Gonzalez. “Morfometric evaluation of the specific growth rate of Aspergillus niger” growth in agar plates at high glucose levels” Biotechnology & Bioengineering 56, 287-294 (1997) * Christen, P. ; Auria, R. ; Villegas, E. and Revah, S. (1993).

Growth of Candida utilis in solid state fermentation. Biotechnology Advances. 11: 549-557. * 1] A. Pandey, W. Azmi, J. Singh and U. C. Banerjee, Types of fermentation and factors affecting it. In: V. K. Joshi and A. Pandey, Editors, Biotechnology: Food Fermentation, Educational Publishers, New Delhi (1999), pp. 383–426. * Doelle H. W. , Mitchell D. A. y Rolz C. E. (1992). Solid Substrate Cultivation. Elsevier Applied Science, London, N. York, Chapter 3, 35. * WIDSEMAN, A. Manual de Biotecnologia de las Enzimas Ed. Acribia Zaragoza (1985)