proteina unicelular (1)
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3. PRODUCCIÓN DE BIOMASA. PROTEÍNA UNICELULAR
3.1.INTRODUCCIÓN
El término proteína unicelular ( PUC ) se emplea para referirse a
microorganismos tales como bacterias, levaduras, algas y hongos filamentosos, que son
empleados para alimentación humana o animal, principalmente por su alto contenido en
proteínas. El hombre ha consumido microorganismos presentes en alimentos
fermentados desde hace siglos y más recientemente empleo para consumo animal
microorganismos derivados de la producción de cerveza y de bebidas alcohólicas.
Pero el alto costo de su producción sólo es competitivo en ciertas circunstancias
con respecto de las proteínas de origen vegetal. Los microorganismos crecen
rápidamente, lo cual es una de las razones más importantes para su interés en su
producción industrial.
Bacterias de los géneros Methilomonas, Pseudomonas, Bacillus y Aerobacter
tuvieron en los 60 gran interés debido a su alta velocidad de duplicación y alto
contenido proteico pero el incremento del costo de los sustratos (metano, metanol,
hidrocarburos...) han limitado su aplicación.
Sin embargo ciertas especies de levaduras, como Candida utilis, Saccharomyces
cerevisiae y Kluyveromycees fragilis ( k.marxianus ) han sido aceptadas para
alimentación humana y producidas continuamente desde la Segunda Guerra Mundial.
Los hongos filamentosos y las algas tienen la desventaja de crecer más
lentamente. En la actualidad se producen comercialmente los hongos Gliocladium
deliquescens, Paecilomyces varioti y Fusarium graminearum y las algas Spirulina y
Chlorella. En el caso de las algas su producción es similar a la de la agricultura
convencional.
En cuanto al sustrato, aunque la atención inicial se centró en hidrocarburos y
derivados del petróleo recientemente se ha derivado hacia recursos renovables como
residuos agrícolas y subproductos industriales. En muchos casos los sustratos requieren
de un pretratamiento fisico, químico o enzimático previo a la fermentación. Los
residuos agrícolas forestales, por ejemplo deben ser hidrolizados a azúcares simples o
sometidos a una deslignificación parcial para que puedan ser fácilmente accesibles a los
microorganismos.
3.2 PRODUCCIÓN DE PROTEÍNAS DE ORGANISMOS
UNICELULARES.
SUSTRATOS.
Los principales sustratos utilizados son alcanos, alcoholes y carbohidratos.
La Candida utilis se obtuvo en ambas guerras mundiales como suplemento
proteico por fermentación de caldos de sulfito desecho de plantas de celulosa y por
crecimiento en melazas en Jamaica. Después también en USA y Finlandia como
levadura forrajera pero debido a la superabundancia de proteínas vegetales estos
procesos se convirtieron en antieconómicos.
En 1974 en Finlandia se desarrollo el proceso Pekilo para la producción de
proteínas de organismos unicelulares fúngicos para alimentación animal haciendo crecer
Paecilomyces varioti utilizando como sustrato caldos de sulfito.
La celulosa de fuentes naturales y restos de madera como material de partida
para la producción de PUC frecuentemente necesita de un pretratamiento térmico o
químico combinado con la hidrólisis enzimática.
El suero de leche entera o el desproteizado son una fuente de carbohidratos que
crea problemas de eliminación, de variaciones estacionales de suministro y elevado
contenido en agua. Aunque la mayoría de los organismos no utilizan lactosa como
fuente de carbono, las levaduras Kluyveromyces fragilis crecen fácilmente en este
carbohidrato por lo que se han construido plantas utilizándolo para la producción de
PUC.
El proceso Symba diseñado en Suecia para producir PUC utiliza dos cepas de
levaduras; Saccharomycopsis fibuligera que produce enzimas para la degradación del
almidón y permite el cocrecimiento de Candida utilis fue diseñado para aprovechar los
deshechos del procesado de patata.
La glucosa de calidad alimentaria fue el sustrato elegido por RHM ( Rank Hovis
McDougall para producir PUC utilizando Fusarium graminearum.
El proceso original de BP ( British Petroleum ) para producir PUC mediante la
fermentación de alcanos que aunque el coste del sustrato ( ceras contenidas en el gas-
oil) era bajo hubo de cerrar debido a los inconvenientes de eliminar de las levaduras
producidas los carcinógenos y el mal olor mediante un exhaustivo proceso de extracción
y además existía cierta tendencia a la contaminación microbiana. Otra planta construida
en Cerdeña en asociación de BP y ANIC que empleaba n-parafinas nunca fue autorizada
a operar comercialmente.
ICI escogió metanol como sustrato para la producción de PUC para consumo
animal, usando Methilophilus methylotrophus pero también hubo de cerrar con el
aumento del precio del metanol.
ICI se asocio con RHM para usar el proceso FusariumRHM en la gran planta de
fermentación de ICI.
Pure Culture Products utilizó etanol como sustrato y Candida para producir
proteínas de calidad alimentaría hasta que dejo también de ser rentable.
RENTABILIDAD DE LA PRODUCCIÓN DE PROTEÍNAS UNICELULARES.
La filosofía inicial de ICI y BP era obtener a bajo costo proteínas de alto valor a
partir del petróleo, para ser añadidas a los alimentos industriales, como sustitos de
aditivos proteicos importados como la harina de soja. Pero se vio resentida por el
incremento del precio del crudo ( 1973 ) pues el sustrato suponía de un 40 a un 60% de
los costes totales de fabricación.
La agricultura principal competidor, tiene una gran capacidad para responder a
las demandas del mercado manteniendo los precios, y los cultivos convencionales de
soja, cacahuetes, semillas de colza, semillas de algodón, habas...ricos en proteínas
ganaron el mercado de las proteínas unicelulares destinadas a la alimentación animal
así que RHM y Pure Control Products dirigieron sus productos hacia el mercado de la
alimentación humana. RHM produjo sucedáneos de carne de alto valor añadido con alto
porcentaje en fibra y un 50% de proteínas.
Los principales factores económicos son productividad, rendimiento y precio de
venta y como el costo del sustrato representa una gran proporción del costo de
fabricación de la mayoría de los productos de proteínas de organismos unicelulares, es
esencial que el rendimiento celular ( peso de células producido por unidad de peso de
sustrato ) sea elevado y la formación de subproductos sea mínima.
ELECCIÓN DEL MICROORGANISMO.
Se deben tener en cuenta criterios como el sustrato necesario y los posibles
suplementos del mismo, la velocidad de crecimiento, productividad y rendimiento del
sustrato, el PH y la temperatura, la aireación, morfología del crecimiento en el
fermentador, seguridad y no patogenicidad, ausencia de productos tóxicos, facilidad de
recuperación de las proteínas de organismos unicelulares, la composición proteíca, el
contenido de RNA ( indeseable para la utilización humana )...
Los hongos tienen la capacidad de degradar un amplio rango de productos
vegetales y son fáciles de recuperar por filtración, pero son difíciles de airear en su
morfología filamentosa que optimiza la velocidad de crecimiento de los mismos. Por su
parte las bacterias crecen muy rápidamente pero exigen de refrigeración en el
fermentador. Las bacterias y levaduras son más fáciles de airear pero más difíciles de
recuperar que los hongos, exigiendo técnicas de sedimentación y centrifugación.
Además aunque las bacterias tienen mayor contenido proteico que los hongos éstas
tienen un nivel mayo de RNA indeseable nutricionalmente.
DISEÑO DEL FERMENTADOR.
Económicamente el proceso debe realizarse en el mínimo de fermentadores
posibles a gran escala. Con objeto de maximizar la productividad es esencial operar en
procesos continuos, manteniendo velocidades de crecimiento microbiano elevadas y
minimizando el tiempo de residencia en el reactor. Un parámetro de vital importancia es
una elevada velocidad de transferencia de oxígeno que implica una elevada
productividad y gran desprendimiento de calor metabólico que debe ser refrigerado
eficazmente.
a) Bioreactor de BP en su plantas de Escocia y Cerdeña (1800m3) agitado
mecánicamente con deflectores con mezcladores de turbina y aireación
mediante difusores.
b) Con el gas-oil BP utiliza un diseño con tubo de retorno agitado por
aire.
c) Fermentador agitado por aire de Kanegufuchi en el que el medio de
fermentación es conducido por un bucle giratorio externo por la fuerza
del aire.
d) Fermentador piloto de ICI con presurización combinación de reactor
agitado por aire y otro de bucle, es una columna agitada por aire con
un tubo de retorno donde se elimina el calor.
e) El fermentador de producción del diseño piloto de ICI en cambio no
tiene tubo de retorno externo.
f) Fermentador con dos agitadores con ejes separados funcionando a sus
respectivas velocidades óptimas para optimizar la transferencia de
masa en las fermentaciones de biomasa fúngica.
CALIDAD Y SEGURIDAD DEL PRODUCTO.
La ingestión humana de RNA de alimentos no convencionales no debe
superar las dos onzas diarias, pues conduce a un incremento de ác.úrico en le
plasma lo que puede ocasionar trastornos metabólicos en el hombre y algunos
primates, como por ejemplo la gota y la formación de cálculos en el riñón.
Esto no es problema en la mayoría de animales que transforman el
ác.úrico en alantoína que excretan fácilmente con la orina. Por tanto cuando la
biomasa este destinada al consumo animal no es necesaria la eliminación de los
ác. nucleicos.
Para consumo humano se recomendaron tratamientos de eliminación con
álcali pero dan lugar a lisinoalanina, un factor nefrotóxico, mientras que métodos
más recientes se basan en mantener la temperatura a unos 64ºC durante unos 30
minutos en un tanque de agitación continua.
PROCESOS DE FERMENTACIÓN DE LAS PROTEÍNAS DE ORGANIMOS
UNICELULARES.
PRODUCCIÓN DE PROTEÍNAS DE ORGANISMOS UNICELULARES
FOTOSINTÉTICOS.
La agricultura convencional tiene una eficacia fotosintética baja aprovechando
alrededor de un 1% de la energía solar disponible. Mediante procesos situados en la
interfase entre la agricultura tradicional y la producción de biomasa, se han cultivado
organismos fototrópicos en lagunas grandes y las algas han sido utilizadas como
componentes de la dieta humana por los aztecas y los nativos africanos del lago del
Chad. Se ha sugerido que con biorreactores fotosintéticos adecuados podría conseguirse
una solución a los problemas globales de suministro de energía ( almacenando energía
solar ), alimentos y compuestos químicos.
INÓCULOS MICROBIANOS.
CULTIVOS “STARTER” DE LA INDUSTRIA ALIMENTARIA.
Estos cultivos se utilizan actualmente en el procesado de alimentos para inducir
cambios en sus propiedades, modificando su textura, la conservación, el desarrollo de
aromas o la mejora nutricional. Sus principales aplicaciones se encuentran en las
industrias de panadería y lechería, aunque también hay levaduras “starter” destinadas a
la fermentación de bebidas alcohólicas y a la producción de alcohol industrial.
Levaduras de panadería.
Las levaduras de panadería, Saccharomyces cerevisiae, utilizadas en la
elaboración de pan, degradan los azúcares a una mezla de alcohol y dióxido de carbono
gaseoso que queda retenido en la masa. Actúan química y mecánicamente el gluten,
proteína mayoritaria del trigo. Las melazas son el sustrato más utilizado en la
producción de estas levaduras y son suplementadas con sales amoniacales y ác.
ortofosfórico. Este proceso es discontinuo y necesita de hasta ocho etapas, las dos
primeras de inoculación exigen fermentaciones asépticas, en tanto que las posteriores de
inoculación y producción generalmente no las requieren y tampoco precisan de
recipientes a presión.
La separación sólido-líquido se lleva acabo mediante centrifugación continua,
produciendo una pasta de levaduras del 18-20% que es concentrada posteriormente
hasta un 27-28% de sólidos mediante filtración rotatoria a vacío. La torta desmenuzable
obtenida por filtración es comercializada. Las levaduras secas activas se producen
usualmente mediante secadores en lecho fluidizado.
Cultivos “starter” para las industrias lácteas.
En la manufactura de productos lácteos fermentados se emplean
microorganismos para producir ác.láctico, para secretar metabolitos de aroma y sabor
característicos y para conseguir otros cambios químicos deseables. Las especies
bacterianas más importantes usadas para la elaboración de quesos son las mesófilas
Streptococcus cremoris y s. Lactis, que son homofermentativas y producen sólo
ác.láctico. Para el yogur, el inóculo consiste principalmente en dos cepas
homofermentativas termofílicas, S.thermophilus y Lactobacillus bulgaricus, a los a
veces se les incorpora L.acidophilus a concentraciones bajas. Los mohos blancos
Penicillium camemberti y sus biotipos, P.candidum y P.caseioculum, se utilizan en la
manufactura de quesos madurados cuya superficie esta recubierta por mohos, y los
mohos azules, como P.roqueforti.
El objetivo de los procesos de fermentación y recuperación, en la producción a
gran escala de los cultivos lácticos “starter” es el de conseguir elevados rendimientos de
productos libres de bacteriófagos. El medio de fermentación contiene usualmente
nutrientes complejos como leche, suero, extracto de levaduras, peptonas, mono o
disacáridos, vitaminas, tampones, sales e inhibidores de fagos, y puede esterilizarse
mediante un proceso UHT. Usualmente el proceso de fermentación se lleva a cabo con
agitación suave y una vez completada la fermentación, el caldo se enfría y puede
concentrarse asépticamente por filtración para dar un cultivo concentrado que pude ser
almacenado en forma congelada o liofilizada o bien inoculado directamente.
Cultivos “starter” para las industrias cárnicas.
El objetivo final de la fermentación de los productos cárnicos es el de su
conservación. La mayoría de derivados cárnicos fermentados consisten en fiambres
secos o semisecos. Se consiguen mejoras en el proceso de elaboración de estos
productos mediante la adición de azúcar, que acelera la producción de ác.láctico, y
nitratos, que disminuyen el potencial de oxidación-reducción de la carne al convertirse
en nitritos, dando lugar a la estabilización del color de la carne al impedir la oxidación
de la hemoglobina y suministrando un ambiente favorable a los productores de
ác.láctico evitando el desarrollo de bacterias indeseables.
Características deseables de los “starter” cárnicos son:
-capacidad para producir ác.láctico.
-tolerancia a la sal, especias, nitratos y nitritos.
-capacidad para reducir nitrato.
Los organismos empleados son :
-Pediococcus cerevisae, con capacidad de producir ác. pero no de reducir al
nitrato.
-Micrococcus, que reducen el nitrato.
-otras bacterias productoras de ác., como: Lactobacillus plantarum, L.brevis y
Leuconostoc mesenteroides.
Se dispone comercialmente de cepas puras y mezcladas de estos cultivos en forma
congelada y liofilizada, y se prevee un mayor uso en el futuro de inoculantes
microbianos, no solamente en los derivados fermentados sino también en el control del
crecimiento de microoganismos indeseables
.
