17.1D: Fermentaciones a Gran Escala

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Las fermentaciones a gran escala son clave para la producción de numerosos productos que van desde alimentos hasta productos farmacéuticos.

Objetivos de aprendizaje

Describir la fermentación y sus aplicaciones para producir alimentos, bebidas alcohólicas, combustibles y productos recombinantes como la insulina

Puntos Clave

Las fermentaciones a gran escala se utilizan para crear cantidades masivas de etanol que se utilizan para la producción de alimentos, la producción de alcohol e incluso la producción de gasolina.
La fermentación se caracteriza por los procesos metabólicos que se utilizan para transferir electrones liberados de los nutrientes a moléculas obtenidas de la descomposición de esos mismos nutrientes.
La fermentación utiliza numerosos compuestos orgánicos, como azúcares, como aceptores de electrones endógenos para promover la transferencia de electrones que se produce.

Términos Clave

oxidación: Una reacción en la que los átomos de un elemento pierden electrones y la valencia del elemento aumenta.
amilasa: Un tipo de enzima digestiva capaz de descomponer carbohidratos complejos en azúcares simples.

La fermentación incluye los procesos mediante los cuales se extrae energía de la oxidación de compuestos orgánicos. La oxidación de compuestos orgánicos se produce mediante la utilización de un aceptor de electrones endógeno para transferir electrones liberados de los nutrientes a moléculas obtenidas de la descomposición de estos mismos nutrientes.

imagen — Figura: **Tipos comunes de fermentación**: Estos son tipos comunes de fermentación utilizados en células eucariotas.

Existen diversos tipos de fermentación que ocurren a nivel industrial como la fermentación de etanol y los procesos de fermentación utilizados para producir alimentos y vino. La capacidad de utilizar el proceso de fermentación en condiciones anaerobias es crítica para los organismos que demandan producción de ATP por glucólisis. La fermentación también se puede llevar a cabo en condiciones aeróbicas, como en el caso de las células de levadura que prefieren la fermentación a la fosforilación oxidativa. La siguiente es una breve descripción de algunos tipos de fermentaciones a gran escala utilizadas por las industrias en la creación de producción.

Fermentación de etanol

La fermentación de etanol se utiliza para producir etanol para su uso en alimentos, bebidas alcohólicas y tanto en combustibles como en la industria. El proceso de fermentación de etanol ocurre cuando los azúcares se convierten en energía celular. Los azúcares que se utilizan con mayor frecuencia incluyen glucosa, fructosa y sacarosa. Estos azúcares se convierten en energía celular y producen tanto etanol como dióxido de carbono como productos de desecho. La levadura es el organismo más utilizado para producir etanol a través del proceso de fermentación para la producción de cerveza, vino y bebidas alcohólicas. Como se indicó anteriormente, a pesar de las abundantes cantidades de oxígeno que pueden estar presentes, las levaduras prefieren utilizar la fermentación. De ahí que el uso de levadura a gran escala para producir etanol y dióxido de carbono ocurre en un ambiente anaeróbico.

El etanol que se produce puede entonces ser utilizado en la producción de pan. La levadura convertirá los azúcares presentes en la masa en energía celular y producirá tanto etanol como dióxido de carbono en el proceso. El etanol se evaporará y el dióxido de carbono expandirá la masa. En cuanto a la producción de alcohol, la levadura inducirá la fermentación y producirá etanol. Específicamente, en la elaboración del vino, la levadura convertirá los azúcares presentes en las uvas. En cerveza y alcohol adicional como el vodka o el whisky, la levadura convertirá los azúcares producidos como resultado de la conversión de almidones de grano en azúcar por amilasa. Adicionalmente, la fermentación de levadura se utiliza para producir en masa etanol que se agrega a la gasolina. La principal fuente de azúcar utilizada para la producción de etanol en Estados Unidos es actualmente el maíz; sin embargo, también se pueden usar cultivos como la caña de azúcar o la remolacha azucarera.

Productos Recombinantes

La fermentación también se utiliza en la producción masiva de diversos productos recombinantes. Estos productos recombinantes incluyen numerosos productos farmacéuticos como la insulina y la vacuna contra la hepatitis B. La insulina, producida por el páncreas, sirve como regulador central del metabolismo de carbohidratos y grasas y es responsable de la regulación de los niveles de glucosa en la sangre. La insulina se usa médicamente para tratar a individuos diagnosticados con diabetes mellitus. Específicamente, los individuos con diabetes tipo 1 son incapaces de producir insulina y aquellos con diabetes tipo 2 a menudo desarrollan resistencia a la insulina donde la hormona ya no es efectiva.

El incremento de individuos diagnosticados con diabetes mellitus ha dado como resultado un incremento en la demanda de insulina externa. La producción masiva de insulina se realiza utilizando tanto la tecnología de ADN recombinante como los procesos de fermentación. E. coli, w hich ha sido alterada genéticamente para producir proinsulina, se cultiva en gran cantidad para producir cantidades suficientes en un caldo de fermentación. La proinsulina se aísla a través de la interrupción de la célula y se purifica. Hay reacciones enzimáticas adicionales que ocurren para luego convertir la proinsulina en insulina cruda que puede alterarse adicionalmente para su uso como compuesto medicinal.

Un producto recombinante adicional que utiliza el proceso de fermentación para ser producido es la vacuna contra la hepatitis B. La vacuna contra la hepatitis B está desarrollada para dirigirse específicamente a la infección por el virus de la hepatitis B. La creación de esta vacuna utiliza tanto la tecnología de ADN recombinante como la fermentación. Un gen, el VHB, que es específico para el virus de la hepatitis B, se inserta en el genoma de la levadura del organismo. La levadura se utiliza para cultivar el gen del VHB en grandes cantidades y luego se cosecha y se purifica. El proceso de fermentación se utiliza para cultivar la levadura, promoviendo así la producción de grandes cantidades de la proteína del VHB que se añadió genéticamente al genoma.

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