Todo lo que debe saber sobre el proceso de fermentación en estado sólido (SSF)

Cuando hablamos de fermentación, la mayoría de la gente piensa en la producción de cerveza, vino o yogur. Pero hay un proceso fascinante dentro de la biotecnología que está causando sensación en varias industrias: el proceso de fermentación en estado sólido.

A diferencia de la fermentación líquida con la que quizás esté familiarizado, la fermentación en estado sólido utiliza una cantidad mínima de agua y depende de microbios que crecen en materiales sólidos para producir una amplia gama de productos valiosos. Desde biocombustibles y enzimas hasta antibióticos y sabores, las aplicaciones de la fermentación en estado sólido son prácticamente infinitas.

Si tiene curiosidad sobre qué hace que el proceso de fermentación en estado sólido sea tan único, por qué las industrias lo están eligiendo o cómo está dando forma al futuro de la producción sustentable, está en el lugar correcto. Aquí, profundizaremos en cada aspecto de la SSF, explorando sus mecanismos, aplicaciones y las innovaciones prometedoras que lo convierten en uno de los avances más emocionantes en la tecnología de bioprocesos.

 

Conceptos básicos: ¿Qué es la fermentación en estado sólido?

El solido proceso de fermentación del estados Es un tipo de fermentación microbiana que ocurre en una superficie sólida que tiene suficiente humedad para que los microbios crezcan y florezcan sin estar completamente sumergidos.

El ejemplo más pequeño de SSF es un trozo de pan en el que empieza a aparecer moho. Los desechos agrícolas, como las mazorcas de maíz, las cáscaras de arroz o el salvado de trigo, se utilizan habitualmente como sustratos sólidos en entornos industriales, donde la escala es considerablemente mayor.

Este procedimiento es especialmente atractivo por varias razones.

• En primer lugar, el proceso de fermentación en estado sólido es más ecológico que las técnicas convencionales de fermentación sumergida, ya que consume menos agua.
• En segundo lugar, la SSF aprovecha recursos como restos de cultivos y subproductos de la industria alimentaria que de otro modo podrían desecharse.
• Por último, las circunstancias especiales de la SSF permiten producir productos estables y altamente concentrados como cepas de levaduras y enzimas de bioetanol para SSF.

¿Cómo funciona el proceso de fermentación en estado sólido?

El proceso de fermentación en estado sólido consta de varios pasos, y cada uno de ellos está bajo un estricto control para garantizar el resultado deseado. A continuación, se ofrece una explicación más detallada de cómo funciona la fermentación en estado sólido y qué distingue a cada paso:

Paso 1: Selección y preparación del sustrato

El sustrato sólido sirve como piedra angular del SSF, proporcionando estabilidad y nutrición a los microorganismos.

La selección de un sustrato es esencial; para promover el desarrollo microbiano, debe contener la proporción adecuada de nutrientes, porosidad y área de superficie. La soja, la pulpa de papel y el salvado de trigo son ejemplos de sustratos comunes. Estos sustratos se modifican o tratan ocasionalmente para mejorar su compatibilidad con la fermentación.

Paso 2: Inoculación con microorganismos

Una vez que el sustrato está listo, se le añaden determinados microorganismos. El tipo de bacteria, levadura u hongo utilizado dependerá del resultado final.

Por ejemplo, la fabricación de enzimas con frecuencia implica el uso de hongos como Aspergillus niger, pero la generación de bioetanol requiere el uso de cepas de levadura.

Los microorganismos se eligen cuidadosamente en función de su capacidad para prosperar en un entorno de estado sólido y generar eficazmente el bioproducto deseado.

Paso 3: Incubación y fermentación

Y ahora comienza la magia. El sustrato sólido infectado se coloca en un entorno controlado, normalmente un biorreactor específico para SSF, donde se regulan estrictamente variables como la humedad, el pH y la temperatura.

Estas variables son esenciales para el crecimiento microbiano y para maximizar la producción de los productos deseados. Por ejemplo, para producir enzimas de alta calidad, las cepas enzimáticas utilizadas en la SSF pueden necesitar un entorno más cálido y húmedo.

Paso 4: Cosecha y extracción del producto

El producto deseado, como bioetanol, antibióticos o ácidos orgánicos, debe extraerse después del período de incubación. Es necesario un procesamiento posterior para purificar el producto final porque los productos de SSF se combinan con frecuencia con otras sustancias en el sustrato.

En esta etapa, el bioproducto se puede aislar en su forma más eficiente mediante filtración, centrifugación u otros procedimientos de separación.

¿Por qué elegir la fermentación en estado sólido en lugar de la fermentación sumergida?

Si bien tanto la SSF como la fermentación sumergida tienen sus beneficios especiales, para algunas aplicaciones, Fermentación SSF es particularmente adecuado. Examinemos las razones por las que se prefiere la SSF en muchos bioprocesos:

1. Conservación del agua: en comparación con la fermentación sumergida, la fermentación submarina utiliza relativamente mucha menos agua, lo que minimiza los costos y respalda las iniciativas de sustentabilidad, especialmente en áreas donde el agua es un recurso limitado.
2. Estabilidad del producto: Los bioproductos y enzimas producidos mediante SSF son generalmente más estables. El entorno con bajo contenido de agua inhibe la descomposición, lo que es un beneficio significativo en sectores como el procesamiento de alimentos y la medicina.
3. Transferencia eficiente de oxígeno: en la SSF, el oxígeno puede penetrar fácilmente y llegar a los microorganismos ya que no están inmersos en el líquido. Esto facilita su crecimiento, así como la velocidad a la que se metabolizan, lo que permite una mayor productividad de algunos bioproductos.

Sin embargo, el uso del proceso de fermentación en estado sólido tiene algunas limitaciones. Por ejemplo, las condiciones ambientales son más difíciles de manejar y el proceso suele ser difícil de ampliar. Sin embargo, para la mayoría de los productos, especialmente los de las industrias de enzimas, alimentos y biocombustibles, los beneficios superan estas dificultades.

 Innovaciones recientes en fermentación en estado sólido

Aunque la fermentación en estado sólido se ha utilizado durante muchos años, los nuevos avances tecnológicos están ampliando sus usos. Los siguientes avances fascinantes están influyendo en el proceso de fermentación en estado sólido en el futuro:

1. Biorreactores avanzados

Anteriormente, la fermentación SSF solo se utilizaba para la producción a pequeña escala debido a los desafíos asociados con la ampliación. Sin embargo, los nuevos diseños de biorreactores como tambores rotatorios y biorreactores de lecho fluidizado Permiten un mayor control sobre parámetros como la temperatura y el oxígeno, lo que hace más posible la producción de SSF a gran escala. Con la ayuda de estos biorreactores, las empresas pueden generar rendimientos cada vez mayores.

2. Microorganismos modificados genéticamente

Mediante el uso de ingeniería genética, los investigadores han creado microbios que son más eficientes en la producción de algunos bioproductos. Por ejemplo, la levadura que se utiliza en la producción de bioetanol y las cepas de enzimas para la producción de SSF han sido modificadas para soportar mayores niveles de etanol, mejorando así el rendimiento.

3. Aplicaciones ambientales

El uso de la fermentación SSF en la biotecnología ambiental y la gestión de residuos es uno de sus usos más prometedores. Al utilizar los desechos agrícolas como sustrato sólido, la fermentación SSF no solo reduce la cantidad de desechos que terminan en los vertederos, sino que también los convierte en productos útiles como biocombustibles, biofertilizantes y bioplásticos. Este método circular es revolucionario para la sostenibilidad ambiental.

Aplicaciones reales de la fermentación en estado sólido

El proceso de fermentación en estado sólido se ha aplicado en diversas industrias debido a su adaptabilidad. Veamos cómo la fermentación en estado sólido está influyendo en los alimentos, los productos farmacéuticos, la agricultura y las energías renovables.

1. Industria alimentaria

La SSF se utiliza ampliamente para sintetizar enzimas necesarias para el procesamiento de alimentos en la industria alimentaria. Por ejemplo, las amilasas y proteasas que se utilizan para facilitar la descomposición del almidón y las proteínas se elaboran utilizando SSF para su uso en la producción de cerveza, panadería y productos lácteos. La SSF también se utiliza para crear sabores y texturas distintivos en alimentos fermentados.

2. Producción de productos farmacéuticos y antibióticos

En la industria farmacéutica, la fermentación SSF se utiliza en la producción de antibióticos, agentes anticancerígenos y compuestos bioactivos. Por ejemplo, el antibiótico penicilina que transformó el mundo de la medicina se produce mediante SSF. Este procedimiento facilita la producción de compuestos de alta potencia con pocos o incluso ningún contaminante, lo que hace que la SSF sea un mejor enfoque en la producción de productos farmacéuticos.

3. Agricultura: Biofertilizantes y alimentos para animales

El uso de procesos de fermentación en estado sólido para elaborar alimentos para animales y biofertilizantes es crucial para la agricultura. Los biofertilizantes generados mediante la fermentación en estado sólido mejoran la calidad del suelo al agregar microorganismos útiles, mientras que los alimentos para animales mejorados con enzimas mejoran el crecimiento y la digestión del ganado. Este método sostenible reduce la necesidad de aditivos y fertilizantes artificiales para los alimentos, lo que fomenta prácticas agrícolas respetuosas con el medio ambiente.

4. Energía renovable y biocombustibles

Uno de los sectores más exitosos en los que la SSF es esencial y se utiliza con frecuencia es el del bioetanol. Al elegir cepas de levadura con altos rendimientos que sean las más adecuadas para la producción de etanol, la SSF puede transformar eficazmente los azúcares disponibles en los residuos agrícolas en etanol, proporcionando una fuente de energía sostenible que reduce el uso de energía fósil.

Productos de fermentación producidos por bacterias en SSF

Aunque los hongos ocupan un lugar central durante el proceso de fermentación en estado sólido, las bacterias contribuyen igualmente a la formación de una variedad de bioproductos a través de la fermentación en estado sólido. Veamos una lista más larga de productos de la fermentación bacteriana y sus usos especiales:

1. Ácido láctico

Se sabe que las bacterias Lactobacillus y Streptococcus producen ácido láctico, ya que poseen un alto nivel de este químico, que tiene aplicaciones versátiles en diferentes industrias. Se utiliza en productos alimenticios como yogur, queso y verduras fermentadas, ya que tiene un sabor ácido y espeso. Además de en alimentos, el ácido láctico se usa ampliamente en cosméticos por su efecto peeling y en la industria farmacéutica como base para productos biodegradables como suturas quirúrgicas.

2. Etanol y ácido acético

While yeast is the rockstar of ethanol in biofuels, some bacterial species can also produce ethanol, moreover, they can survive higher ethanol levels, which is beneficial for energy production. Then there’s acetic acid, which is produced by bacteria called Acetobacter aceti and is used to make vinegar, a very useful product for cleaning, cooking as well as preservation.

3. Bioconservantes

¿Quieres conservar los alimentos de forma natural? Algunas bacterias sintetizan bioconservantes, como las bacteriocinas, que tienen un efecto inhibidor sobre los organismos que provocan la descomposición y los patógenos. Las especies de Lactobacillus producen nisina, un conservante natural para alimentos como el queso y las verduras enlatadas, que mejora las defensas sin necesidad de utilizar sustancias artificiales.

4. Vitaminas

Otro factor que repone eficazmente las vitaminas esenciales es el proceso de fermentación en estado sólido mediante cepas bacterianas. Por ejemplo, las especies de Propionibacterium sintetizan vitamina B12, que es importante para el funcionamiento de los nervios y la producción de glóbulos rojos, y las cepas de Bacillus producen riboflavina (vitamina B2), que se utiliza habitualmente en el enriquecimiento de alimentos.

5. Enzimas

Las bacterias SSF también son capaces de sintetizar enzimas que se utilizan en todo tipo de aplicaciones, desde detergentes hasta el procesamiento de alimentos. Por ejemplo, Bacillus subtilis es uno de los productores más eficientes de proteasa, una enzima que tiene numerosos usos en industrias como la de los detergentes. Otras enzimas, como la amilasa y la lipasa, se emplean en la panadería, la elaboración de cerveza y los biocombustibles, y todas contribuyen a que el proceso sea más eficiente y ecológico.

6. Aminoácidos y ácidos orgánicos

Seguramente habrás oído hablar del ácido cítrico, que se utiliza en refrescos y caramelos para dar una sensación ácida en la boca, y del ácido butírico, que se utiliza en medicina y en la producción de biocombustibles en el proceso de fermentación bacteriana en estado sólido. Los aminoácidos como el L-glutámico y la L-lisina se producen a partir de bacterias como Corynebacterium glutamicum y Brevibacterium como suplementos para piensos y alimentos nutritivos para animales.

Bacterias del ácido láctico y sus productos de fermentación

Aunque las bacterias del ácido láctico (BAL) pueden no parecer particularmente fascinantes, son responsables de algunos de los productos alimenticios y de la salud más beneficiosos. Estas bacterias trabajan sin esfuerzo para producir ácido láctico, que es importante para la conservación de los alimentos, el sabor y el tracto digestivo. A continuación, se presenta una mirada más detallada a los extraordinarios productos de las BAL y por qué son tan valiosos:

1. Probióticos: un impulso para la salud intestinal

Las bacterias probióticas son la base de la mayoría de los alimentos probióticos, entre los que se incluyen el yogur, el kéfir, el kimchi y el chucrut. Estos probióticos de bacterias probióticas, cuando se ingieren, ayudan a regular la microbiota intestinal, refuerzan la inmunidad, reducen el riesgo de infecciones y ayudan a la digestión. Muchas personas consideran ahora que los probióticos basados en bacterias probióticas son vitales para la salud diaria, ya que proporcionan un medio natural para preservar la salud intestinal.

2. Bioconservantes: prolongan naturalmente la vida útil

Las LAB también son excelentes para sintetizar ácidos orgánicos como el ácido láctico, que posee actividad antimicrobiana. Al suprimir las bacterias peligrosas, estas sustancias conservan los alimentos de forma natural, lo que hace que los bioconservantes a base de LAB sean un sustituto útil de los conservantes artificiales. Para las personas que buscan opciones alimentarias naturales, estos bioconservantes a base de LAB ayudan a que los alimentos se mantengan frescos durante más tiempo sin necesidad de aditivos artificiales.

3. Otros productos valiosos de fermentación de LAB

Las bacterias lácticas también producen bacteriocinas como la nisina, que se utilizan en quesos y alimentos enlatados para evitar su deterioro y la contaminación por patógenos. Además, producen exopolisacáridos (EPS), que mejoran la textura de alimentos como el yogur y pueden tener propiedades inmunoestimulantes.

Beneficios ambientales y económicos de la fermentación en estado sólido

Otro aspecto revelador del proceso de fermentación en estado sólido es que ofrece numerosos beneficios en términos de alineamiento con los objetivos de sostenibilidad ambiental. A continuación, se muestra cómo la SSF contribuye a un futuro más ecológico y rentable:

• Eficiencia de recursos: El aprovechamiento de los residuos agrícolas como sustrato reduce los residuos y el uso de material sintético. Su posibilidad de “reutilización de residuos” lo hace ideal para fábricas que buscan ser respetuosas con el medio ambiente.
• Conservación de agua y energía: dado que la fermentación SSF necesita menos agua y energía que la fermentación sumergida, es más económica. Un menor uso de agua también significa menos desperdicio, lo que es un beneficio muy importante para los sectores que buscan diversas estrategias para reducir el impacto ambiental de sus negocios.
• Rentabilidad: Para las empresas que intentan reducir gastos, la SSF ofrece un método para fabricar productos valiosos con costos operativos mínimos. El uso de materias primas económicas y la reducción del consumo de energía y agua ayudan a las empresas a ahorrar mucho dinero.

  

El futuro del proceso de fermentación en estado sólido: oportunidades y desafíos

En general, el concepto de SSF es absolutamente prometedor, pero hay obstáculos que superar. Todavía es difícil ampliar los métodos de SSF para su uso industrial. Optimizar el rendimiento y la calidad del producto en reactores SSF a gran escala requiere un control cuidadoso de variables como la temperatura y la humedad, lo que puede resultar especialmente difícil.

Sin embargo, para superar estos desafíos, aún se están realizando investigaciones. Se espera que el desarrollo de nuevas tecnologías de automatización y la mejora del diseño de los biorreactores hagan que la SSF sea más escalable y confiable. La ingeniería genética también está logrando éxitos en el desarrollo de microorganismos de alto rendimiento que se caracterizan por niveles elevados de tolerancia al estrés y tasas de productividad.

De cara al futuro, la SSF podría expandirse a nuevos campos, incluidos los bioplásticos, la medicina personalizada y los textiles sostenibles. Imagine un mundo en el que los desechos agrícolas no terminen en vertederos, sino que se conviertan en un recurso valioso para producir productos respetuosos con el medio ambiente.

Conclusión: El futuro es la fermentación en estado sólido

El proceso de fermentación en estado sólido no es simplemente una idea científica; es una tecnología revolucionaria que está cambiando la forma en que producimos antibióticos y biocombustibles. Al utilizar recursos mínimos, reducir los desechos y aprovechar los materiales renovables, la fermentación en estado sólido encarna los ideales de la producción sustentable. A medida que seguimos avanzando en la tecnología de bioprocesos, la fermentación en estado sólido se erige como un modelo de lo que es posible cuando combinamos los procesos de la naturaleza con la ciencia moderna.

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