INGENIERÍA DE BIOPROCESOS 2013

Producción de Glutamato Monosódico

Ingenieria en Alimentos

Cabello Soledad – Gonzalez Fernanda – Roselot Stella Maris

Obtención industrial de GMS a partir de fermentación en tanque agitado utilizando la bacteria Corynebacterium Glutamicum

AMINOÁCIDOS

Las proteínas son polímeros de aminoácidos los cuales están unidos entre si mediante tipos específicos de enlaces covalentes. Comúnmente en las proteínas se encuentran 20 diferentes aminoácidos, 10 de los cuales son considerados como esenciales. Los aminoácidos difieren unos de otros por los grupos radicales presentes en sus cadenas y varían en estructura, tamaño, carga eléctrica y solubilidad en agua. Todos los aminoácidos son α-aminoácidos, tienen un grupo carboxilo, un grupo amino, un grupo radical y un átomo de hidrógeno unido al mismo átomo de carbono; este átomo de carbono, conocido como carbono α, es considerado como un centro quiral. Casi todos los compuestos biológicos que presenten un centro quiral existen de manera natural en una sola forma estereoisomérica, ya sea D o L. Los aminoácidos en las proteínas son exclusivamente L estéreo isómeros.

Cuando los compuestos quirales se forman de simples reacciones químicas, se obtienen mezclas de isómeros L y D las cuales son difíciles de identificar y separar. Desde hace algún tiempo los procesos químicos para la obtención de aminoácidos han dejado de utilizarse casi por completo para dar lugar a métodos microbiológicos debido a que las células son capaces de sintetizar específicamente los isómeros L, y ya que los sitios activos de las enzimas son asimétricos, las reacciones catalizadas por ellas son estéreo específicas.

Los principales microorganismos productores de aminoácidos a escala industrial son cepas sobreproductoras, la mayoría mutantes no reguladas o auxótrofas inducidas de cepas silvestres, el grupo de las corynebacterias es uno de los más importantes. En 1957, se reportó la bacteria que fue identificada como Micrococcus glutamicus (reidentificada después como Corynebacterium glutamicum), la cual producía L-ácido glutámico en apreciables cantidades en medios de cultivo por lo que la producción microbiana de glutamato monosódico dio inicio.

De este grupo de corynebacterias, la especie más utilizada es la Corynebaterium glutamicum aunque también se emplean Arthrobacter, Brevbibacterium, Microbacterium y Micrococuus.

PRODUCCION DE ACIDO GLUCONICO:

En años recientes la industria de alimentos ha incrementado considerablemente el uso de aditivos alimentarios. Los aditivos alimentarios son sustancias que se añaden a los alimentos con el fin de modificar sus propiedades, su conservación o el proceso de elaboración de los mismos.

Dentro de los aditivos alimentarios encontramos a los potenciadores de sabor, que como su nombre lo indica, tienen la propiedad de incrementar el sabor de los alimentos, haciéndolos más apetitosos. El glutamato monosódico (GMS), es quizás el potenciador de sabor más utilizado a nivel industrial.

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La producción industrial de GMS se lleva a cabo por medio de una fermentación sumergida en un proceso aireado, utilizando melazas de caña o de remolacha como sustrato y la bacteria Corynebacterium glutamicum (ATCC 13032). Posteriormente hay una serie de operaciones unitarias con el fin de separar el glutamato hasta obtenerlo como cristales.

Para un buen desempeño de cualquier sistema biológico, es necesario mantener el medio ambiente de los microorganismos en condiciones óptimas. Aparte de la temperatura y la composición del medio, los dos factores más importantes que afectan este ambiente son el grado de mezclado y la aireación. La función del mezclado es obtener condiciones uniformes en la totalidad del volumen de trabajo del biorreactor.

Se tiene reportado que Corynebacterium glutamicum tiene rendimientos del 50%, es decir el 50% de la fuente de carbono se utiliza para la producción de ácido glutámico.

METABOLISMO BIOSINTETICO - FERMENTACIÓN

La ruta biosintética para la obtención del acido glutámico es conocida, a partir de glucosa como fuente de carbono utilizando la ruta metabólica Embden-Meyerhof y el ciclo pentosa-fosfato se canalizan al ciclo de ácidos tricarboxilicos. Las cepas comerciales son mutantes en el ciclo tricarboxilico, con un bloqueo de la alfacetoglutarato deshidrogenas, lo cual permite acumulación de acido glutámico. La estequiometria de la reacción con base a glucosa es de 1 mol de aminoácidos por 1 mol de glucosa.

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Un proceso de fermentación típico de esta fermentación se presenta a continuación.

Todas las cepas productoras del ácido glutámico tienen un requerimiento de biotina para crecer, carecen o tienen poca actividad de la enzima a-cetoglutarato deshidrogenasa y una alta actividad de glutamato deshidrogenasa.

La biotina es una coenzima esencial en la síntesis de los ácidos grasos.

Durante el crecimiento con glucosa, los microorganismos súper-productores acumulan intracelularmente glutamato, hasta 25 - 35 μg de ácido L glutámico/ mg peso seco. Por medio de la regulación por retroalimentación o retroinhibición, se bloquea la síntesis de glutamato, salvo que se modifique la permeabilidad de la célula y de esta manera se facilita la salida del aminoácido al exterior de la célula.

La modificación de la permeabilidad, se consigue con una deficiencia en el bloqueo biosintético de la biotina. Una deficiencia en biotina origina cambios en la composición lipídica de la membrana debido al papel que desempeña la biotina en la síntesis de ácidos grasos.

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Los niveles de biotina que se requieren para el medio son críticos a la hora de obtener una buena producción de ácido L- glutámico. Las concentraciones que se usan oscilan entre 1-5 μg/L de biotina, por ello una concentración mayor de 5 μg/L produce un aumento en la síntesis de ácido oleico, lo cual se manifiesta en un contenido mayor en fosfolípidos en la membrana celular. Las células con alto contenido en fosfolípidos son incapaces de excretar ácido glutámico originando que la síntesis intracelular se detenga por retroinhibicion.

MICROORGANISMO: BACTERIA

Se utiliza un cierto número de bacterias Gram positivas, inmóviles aerobias, dependientes de biotina, de los géneros Corynebacterium, Brevibacterium, Arthhrobacterium y Microbacterium. Estos géneros no esporulados, inmóviles y con forma de coco o cocobacilo están taxonómicamente relacionados y se conocen como bacterias de ácido glutámico. Pueden emplear glucosa, acetato o etanol como fuentes de carbono.

Las cepas productoras de ácido glutámico se caracterizan por:

- Su requerimiento de biotina - Por poseer una muy baja actividad de la enzima α-ceto glutarato deshidrogenasa. - Predominio de las vías anapleroticas

Cuando se cultivan estas bacterias dependientes de biotina en un medio limitante de biotina, tiene lugar un descenso en el contenido de fosfolípidos de la membrana celular. La disminución que se produce en la permeabilidad de la membrana facilita la secreción de ácido glutámico.

CONDICIONES DEL MEDIO DE CULTIVO:

La materia prima requerida en el proceso de fermentación son: una fuente de carbono para producir el “esqueleto” del acido glutámico y una fuente de nitrógeno para el grupo amino. Además, son necesarios como materiales auxiliares: sales orgánicas, elementos de nutrición para el crecimiento de la bacteria, agentes neutralizantes y agentes despumantes.

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En la fermentación de ácido glutámico pueden ser utilizados una amplia variedad de carbohidratos. Entre los monosacáridos que se utilizan se encuentran: glucosa y sacarosa; fructosa, maltosa, ribosa, xilosa y las fuentes de carbohidratos no refinados; las melazas de caña de azúcar y de remolacha son las más importantes; así como los hidrolizados de almidón.

La melaza es una mezcla compleja que contiene sacarosa, azúcar invertido, sales y otros compuestos solubles en álcali que normalmente están presentes en el jugo de caña localizado, así como los formados durante el proceso de manufactura del azúcar. Además de la sacarosa, glucosa, fructosa los cuales son fermentables, las melazas también contienen sustancias reductoras no fermentables.

Los principales azúcares en la melaza son la sacarosa (60% - 63% en peso), la glucosa o dextrosa (6% - 9% en peso), y la fructosa o levulosa (5% - 10% en peso); estas dos últimas constituyen la mayor porción de los azúcares reductores encontrados en los análisis.

Como fuente de nitrógeno se utilizan las sales amoniacales, y el amonio en estado gaseoso o en solución acuosa.

El amonio desempeña un papel importante en la producción industrial del ácido glutámico. La alimentación con amonio permite el control del pH y elimina el problema de la toxicidad del mismo, para ello se utiliza con mucha secuencia la urea.

Como sales inorgánicas es necesario utilizar sulfatos de fosfato, magnesio, fosforo, manganeso y hierro.

Los factores nutricionales para el crecimiento de la bacteria, así como las cantidades de los mismos a ser usada, deben ser seleccionados cuidadosamente debido a que son variables que afectan grandemente al rendimiento de la fermentación, una concentración total de tales elementos de un 0.2% se considera adecuada. Para este fin se usan normalmente sustancias naturales, aun cuando lo más recomendable es usar aminoácidos y vitaminas purificadas (BIOTIN), tales como: D-BIOTIN, DESTHIOBIOTIN, ACIDO 7-8 DIAMINOPERALGONICO y THIAMINA.

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La concentración óptima de biotina depende de la fuente de carbono utilizada por ejemplo, en medios con el 10% de glucosa la concentración es de 5 μg/L, y en medios menores que el 10% de concentración de glucosa es menor la concentración de biotina.

Como agente neutralizante al hidróxido de sodio o también puede utilizarse carbonato cálcico.

Como agente antiespumante se puede usar cualquier aceite vegetal o aceite de silicones.

En un proceso típico de fermentación se logra que la bacteria convierte del 40 al 50 % de la fuente de carbono a acido L-glutámico, alcanzándose concentraciones de 80-100 g/Lt, con una productividad del orden de 20 toneladas por metro cubico de fermentación por año.

PRODUCCION INDUSTRIAL

La producción de Industrial se lleva a cabo en procesos discontinuos durante 2-4 días en fermentadores que contienen hasta 450 m3. Se han desarrollado métodos que utilizan procesos continuos pero no han sido todavía implementados en plantas comerciales.

Debido a la alta velocidad de degradación de los azúcares y a la alta actividad respiratoria durante la fermentación se produce un gran requerimiento de oxigeno. Las velocidades óptimas de aireación para cada proceso individual dependen de las cepas, el sustrato y la vía biosintética.

El exceso de calor debe ser disipado simultáneamente ya que el proceso que se lleva a cabo a temperaturas de entre 28 y 38ºC.

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El pH se mantiene constante entre 6.8 y 8.0, dependiendo del proceso; frecuentemente se utiliza UREA para el control del pH y se metaboliza simultáneamente como fuente de nitrógeno.

Durante el proceso de fermentación de aminoácidos los parámetros críticos como la velocidad de aireación, la temperatura, el pH y la dosis de antiespumante son todos regulados automáticamente y en unos pocos casos están bajo el control de un ordenador.

El acido L-glutámico se produce por fermentación; para obtener la sal, el acido se neutraliza con hidróxido de sodio. Se obtienen 87 g/Lt de acido glutámico, lo que da un rendimiento de conversión azúcar-acido glutámico de 42.3 %, en tanto la conversión de acido glutámico a glutamato monosódico (GMS) es de 92%.

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DESARROLLO DEL INÓCULO

La biomasa inoculada al reactor, se obtiene de un preinoculo que consiste en 50 ml de medio de cultivo en un matraz erlenmeyer de 500 ml el cual, es inoculado con pequeñas colonias provenientes de una caja de petri incubada durante 24 horas en una estufa (Felisa) a 30°C.

Von der Osten, et. al. (1989), desarrollaron un medio definido para el crecimiento de Corynebacterium glutamicum, en el cual el citrato facilita la asimilación de hierro. Estas concentraciones permiten un crecimiento de 4.7 g/l de biomasa en peso seco (BPS) con una velocidad de crecimiento específico de 0.36 h-1 y un valor de YX/S igual a 0.43 g de BPS/g de glucosa.

El preinoculo crece durante 10 horas, luego se toman 30 ml son transferidos a 3 matraces que contienen 100 ml de medio de crecimiento el cual se mantiene a 30°C y 200 rpm en una agitadora mecánica. Para minimizar el oscurecimiento y alcanzar un pH inicial lo más cercano posible a 7, el medio de crecimiento

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fue esterilizado en tres partes por separado en una autoclave a 121°C durante 15 minutos. La primera parte consistió de glucosa y todas las sales minerales, en la segunda parte se incorporaron el sulfato de amonio o urea, las sales de fosfato y los aminoácidos, las vitamina biotina fue esterilizada mediante filtración porque es un compuesto termosensible. Después de 10 horas, se obtiene una biomasa aproximada de entre 2 y 3 g/l.

PROCESO DE PRODUCCION:

La melaza de caña cruda deberá someterse primero a un proceso de clarificación y de hidrólisis de la sacarosa, toda vez que las sustancias de partida o sustratos a partir de las cuales la bacteria producirá el acido glutamico son la dextrosa y fructosa, las cuales ya se encuentran presentes en la melaza en forma de azúcar invertido (partes iguales de dextrosa y fructosa).

El porcentaje en el cual se encuentra presente dicho azúcar invertido en la melaza fresca, es del 20% mientras que la sacarosa esta en un 30%, esta es la razón de la hidrólisis de la sacarosa, la cual se realiza de acuerdo a la siguiente reacción:

Por razones de crecimiento de la bacteria, se hará el cultivo en dos tanques en serie, en este sentido es importante cuidar de los siguientes puntos relativos al control del proceso:

a) Se requiere una selección cuidadosa de los componentes en el medio de cultivo, así como la concentración de los mismos para maximizar el rendimiento.

b) Es necesario realizar esterilización estricta del medio de cultivo del fermentador. Deberá evitarse una exposición del mismo valor a temperatura muy elevada, no solamente para ahorro de calor, sino también para prevenir la desnaturalización del medio de cultivo, que se incrementara el tiempo de fermentación y disminuirá el rendimiento. Es adecuado usar un filtro de lana de vidrio para eliminar la contaminación de aire, el cual debe mantenerse libre de gotas de agua.

Luego de agregadas las sales para el crecimiento de la bacteria, los agentes antiespumantes, vitaminas y una solución de urea esterilizada (para mantener Ph neutro y fuente de nitrógeno), se lleva a cabo la fermentación de acuerdo a las siguientes reacciones:

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FERMENTADOR

Los tanques agitados se construyen generalmente de forma cilíndrica. Si es posible la base del tanque debe ser redondeada con el fin de eliminar las esquinas y cavidades donde las corrientes de fluido pueden penetrar y propiciar la formación de regiones estancadas. Los tanques son de acero inoxidable y están pulidos a fin de facilitar la limpieza y posterior esterilización.

- SISTEMA DE AIREACIÓN

El aire se inyecta por la parte inferior del tanque y es distribuido por una corona que posee pequeños orificios espaciados regularmente. El chorro de aire sale de cada orificio es golpeado por las paletas de la turbina inferior generándose miles de pequeñas burbujas de aire desde las cuales difunde el oxigeno hacia el seno del liquido. El aire que ingresa en el biorreactor debe estar estéril.

Un sistema de aireación consta de cuatro partes mecánicas: fuente de aire; tubería y filtros de entrada; boquilla y difusor de aire; tubería y filtros de salida. Y tres partes de control: control de flujo aire; control de presión de aire; control de difusión de oxígeno disuelto que se explicaran en control de parámetros físicos y químicos más adelante.

Fuente de Aire: dado que el sistema de aireación, en su conjunto, depende de la correcta elección del dispositivo que suministrará la fuente de aire, se siguieren dos opciones:

Compresor de Aire: su principal característica es que opera con: alta presión y bajo caudal de aire; por eso, cuando operan, es de manera continua o, cuando se requiere capacidad, debe haber un tanque de almacenamiento a alta presión como parte del sistema.

Soplador Regenerativo: se caracteriza por funcionar como si fuera una bomba centrífuga de succión y desplazamiento de aire por lo que, opera con presión negativa (vacío) en la succión y presión positiva (compresión) en el desplazamiento.

Esterilización del aire. La esterilización del aire que proporciona el oxigeno en un proceso aeróbico, además de ser vital, representa una demanda de energía muy importante. Un fermentador típico

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necesita varias toneladas de aire que deben, en principio, estar libre de microorganismos. Aunque durante la compresión del aire se produce una esterilización parcial, el método más utilizado es la filtración, en el que el aire pasa a través de una almohadilla de material fibroso. El efecto del espesor de la almohadilla es logarítmico con respecto a la eliminación de partículas ya que cada unidad de espesor del filtro elimina la misma proporción de partículas que pasan a través de él. Esto quiere decir que, aunque los filtros más espesos eliminan más partículas, se necesitaría un espesor infinito para eliminar todas las partículas del aire. El filtro se esteriliza normalmente pasando a través de él una corriente de vapor o bien calentándolo eléctricamente. Para conseguir una esterilización absoluta de aire habría que pasarlo a través de filtros con poros o aperturas suficientemente pequeñas para que impidan el paso de partículas tan pequeñas como una fracción de una micra, que atraparía a las esporas microbianas o a las partículas de virus. No obstante, tales filtros son caros, se obstruyen fácilmente y requieren ser sustituidos con frecuencia, lo que provoca una fuerte caída de presión. Los materiales que se utilizan para los filtros de esta naturaleza son el papel, la cerámica no viriada y el papel de parafina o los tapones de plástico poroso.

Tubería - Línea de Aire: esta debe ser de acero inoxidable.

Filtros de las Líneas de Aire: para sistemas pequeños de diámetros de tubería estándar, se utilizan filtros en línea con la tubería; estos son de membrana microporo que filtran el 99,99% de los contaminantes. Para sistemas mayores (industriales) debe diseñarse un método de esterilizar in situ la línea de aire; generalmente se hace calentando fuertemente la línea de aire y luego enfriarla. Las membranas microporo que filtran el aire tienen un punto de burbuja que es la presión de agua máxima que pueden soportan antes de romperse (recuerde que el sistema tiene un medio líquido) y un flujo máximo el cual es el máximo caudal que puede soportar la membrana antes de su ruptura.

Sistema de Difusión de Oxígeno Disuelto: debe optimizar al máximo la transferencia de oxígeno disuelto al medio líquido. El sistema consta de dos partes mecánicas: boquilla y difusor de aire; una parte de medición: sensor de oxígeno disuelto y una de control: controlador de oxígeno disuelto que se explicaran en control de parámetros.

Difusor de Aire: los cultivos aeróbicos requieren que la corriente de aire estéril que se difunda en la forma de miles de pequeñas burbujas, desde el difusor de aire, hacia el volumen del líquido; esta acción se realiza mediante un plato o domo cilíndrico de acero inoxidable finamente perforado. Alternativamente y si el sistema es pequeño o mediano en escala, se puede utilizar un difusor de material cerámico poroso el cual, tiene la ventaja de que, provee una cama más fina de burbujas (de menor diámetro) y mayor área de transferencia (volumen de burbujas).

- SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE CALOR

En los birreactores se suele usar principalmente dos procesos de transmisión de calor. El primero es la esterilización discontinua in situ del medio líquido. El recipiente del fermentador que contiene el medio de cultivo se calienta utilizando vapor de agua, se mantiene a la temperatura de esterilización por un

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cierto tiempo y luego se utiliza agua de refrigeración para volver a la temperatura normal. La otra aplicación es la de control de temperatura durante la operación. Este sistema también consta de una etapa de control que se explicara en control de parámetros físicos y químicos más adelante.

- SISTEMA DE AGITACIÓN

Un sistema de agitación consta de cuatro partes mecánicas y una de control de velocidad que se explicara más adelante en el control de parámetros físicos y químicos.

Motor impulsor: suministra la potencia al eje de potencia, dee ser de corriente alterna

Eje de trasmisión de potencia: es una barra cilíndrica de acero inoxidable, esta transmite la potencia del motor impulsor at raves de las hojas de agitación.

Puerta de entrada del biorreactor: superficie física donde se instala un dispositivo de entrada o salida del biorreactor, un anclaje3 o aparato mecánico o de medición.

Blafles: disminuyen la turbulencia ocasionada por las hojas del impulsor que rompen disgregan los cúmulos celulares y micelos. Estos mejoran la eficiencia de mezclado.

La agitación se realiza mecánicamente mediante un eje provisto de un rotor accionado por un motor. El efecto rotatorio de rodete consiste en bombear el líquido y crear un flujo regular. El liquido es empujado fuera de rodete, circula a través de reactor y periódicamente retorna a la región de rodete.

El tipo de flujo existente depende del diseño de rodete. Aunque la mayoría de los agitadores son de acción rotatoria, el flujo circular del liquido alrededor del eje del agitador s perjudicial y debe evitarse. En un flujo circular, el líquido se mueve de manera laminar y existe poca mezcla de fluido situado a diferentes altura del tanque. El flujo c circular tiende a formar vórtices por ello se instalan deflectores que irrumpen el flujo circular.

Además del fuljo circular existe también un movimiento del flujo en dirección radial y axial. Estos flujos son generados por el rodete son responsables de la mezcla de fluido.

Los rodetes se clasifican como axial o radial dependiendo de la dirección que toma el líquido ala salido del rodete

Rodete de flujo axial: las Palas están situadas en forma paralela al eje del agitador y del tanque.

Rodete de flujo radial: las palas forman un ángulo inferior a 90° con el plano de rotación, es el caso de hélices y turbinas de palas inclinadas. Este tipo de rodetes son útiles cuando se necesitan corrientes verticales fuertes, reduce los esfuerzos cortantes, disminuye la turbulencia y la potencia requerida para homogeneizar el mezclado. Si el objetivo que se persigue es una mezcla perfecta se recomiendo impulsores de flujo axial para cultivar células sensibles.

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CONTROL DE PARAMETROS FISICOS Y QUIMICOS

Control de velocidad del motor:

Los motores de inducción de corriente alterna tienen velocidades nominales de rotación de 1800rpm a 3600rpm.

Estas velocidades son muy altas para los sistemas biológicos causando destrucción de las células y microorganismos de cultivo la velocidad de rotación debe reducirse a un máximo de 600 rpm para que no cause daño celular. Usualmente se coloca a la salida del eje de rotor una caja de reducción de velocidad. Adicionalmente se coloca un control de velocidad que puede ser análogo o digital al motor para un control más fino y preciso de la velocidad de rotación.

Control de temperatura:

Mantiene estable y dentro de un rango óptimo requerido por el cultivo para su máximo crecimiento, la temperatura interna del sistema consta de un intercambiador de calor, un controlador de temperatura, un sensor de temperatura y tuberías d conducción de agua.

Para el control se utilizan sondas de temperatura como termómetros y termistores.

Los termómetros están basados en que la resistencia de los materiales aumenta con la temperatura. Se construyen con un hilo de longitud determinada y se enrollan en forma de ovillo para reducir su tamaño. Cuando la corriente pasa a través del ovillo se genera una diferencia de voltaje que se puede relacionar con la temperatura. Al estar encapsulados en una membrana para protegerlos del ambiente tienen un tiempo de respuesta de 5 a 10 segundos.

Control de pH:

El cultivo puede variar el pH por sus productos de desecho y el metabolismo propio del microorganismo. El sistema de control consta de-. Un sistema dispersor de acido, un sistema dispersor de álcali, un controlador de pH ordena y regula la acción del motor que controlan las bombas peristálticas que suministran el acido y álcali y un sensor de pH.

Control y Regulación del Flujo de Aire:

Las membranas que filtran el aire tienen un punto de burbuja y un flujo máximo por encima del cual, se rompen; por eso, se debe regular el flujo de aire y controlar la presión en la línea de aire. La forma más económica de hacerlo es manualmente, con un manómetro para presión. Existe también la versión digital, más costosa, pero que, controla de forma automática el flujo de aire y la presión según se escoja.

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Control y Medición del Oxígeno Disuelto (OD):

además de regular el flujo y la presión del aire en la línea o tubería, se debe controlar el valor y la concentración del oxígeno disuelto (OD) dentro del medio líquido; variable que puede medirse en dos formas (parámetros):

a) Oxígeno Disuelto (OD): es la concentración de oxígeno disuelto requerido para la reducción química de un equivalente en iones sulfito (de sodio) a la cantidad de materia orgánica presente en el medio líquido que se debe oxidar.

b) Demanda Bioquímica Oxígeno (DBO): es la taza de oxidación biológica o demanda bioquímica de oxígeno disuelto requerida por el microorganismo o célula en cultivo para oxidar la materia orgánica presente en el medio líquido.

Una probeta o electrodo OD es un sensor que mide la concentración de oxígeno disuelto en el medio líquido. Similarmente, una probeta o electrodo BOD mide la concentración de oxígeno disuelto en el medio líquido en equilibrio con el gas. ) En ambos casos, el material de su construcción debe ser acero inoxidable y su especificación es por la longitud de inmersión (H) y diámetro (D) de la probeta.

Para el control de oxigeno disuelto se emplean sondas de oxigeno disuelto.

Consisten básicamente en una camisa de acero inoxidable o de cristal que contienen dos electrodos y un electrolito adecuado. Para separar el electrodo y los electrolitos del caldo de fermentación, la sonda está recubierta con una membrana. el oxigeno difunde a través de la membrana y se reduce en el cátodo polarizado negativamente con respecto al ánodo. Este produce una corriente que puede ser trasladada a la concentración del oxigeno.

Control de nivel de espuma:

La formación de espuma puede ser un problema muy serio en la fermentación. Si se permite su formación puede bloquear los filtros de salida, estimular la contaminación o reducir el rendimiento. Lamentablemente la mayor parte de los medios de fermentación facilitan la formación de espuma y su reducción se puede conseguir química o mecánicamente.

El control de la espuma se lleva a cabo utilizando un aparato sencillo de corte, ayudado por control químico d la espuma, para lo que existe conjunto de agentes antiespumantes. Los sistemas de adición automática de antiespumante incorporan una sonda de conductividad inmersa a través de la parte superior de la vasija de fermentación. La sonda puede ser simplemente una varilla de acero inoxidable recubierta de teflón con el extremo expuesto. La sonda será activada tocar la espuma el extremo de la sonda. Una señal será enviada al sistema de control que conduce la adición de antiespumante mediante una bomba (en los fermentadores pequeños) o neumáticamente ( en los grandes) el antiespumante entra en el fermentador, rompe la espuma que separa el extremo de la sonda y de esta forma se rompe el circuito.

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Es importante adicionar la cantidad adecuado de antiespumante, ya que demasiado antiespumante reducirá el contenido de gas afectando por lo tanto la transmisión de oxigeno y puede complicar la recuperación de producto.

RECUPERACIÓN DE PRODUCTO

Una vez que se obtiene el caldo fermentado comienzan las etapas de recuperación y purificación del producto .En primer lugar se realiza una filtración para separar la masa celular y restos del medio de cultivo del líquido ya que el ácido glutámico se encuentra en solución, para ello se hace una microfiltración, que retiene partículas de 0.1 a 10 μm. se usan membranas fabricadas en polipropileno las cuales son resistentes y se trabajan a presiones de 0.5 a 5 kg/cm2, de esta manera se obtiene el filtrado que contiene ácido glutámico. Posteriormente esta solución se hace pasar por una columna de adsorción utilizando carbón activado con el objetivo de eliminar olores y coloración. Luego ingresa al evaporador (evaporador de simple efecto), en cual se concentra el ácido para facilitar las etapas de separación siguientes. La solución concentrada de ácido glutámico se neutraliza con hidróxido de sodio concentrado para formar la sal cristalina de glutamato monosódico. Luego ingresa a un filtro de tambor para separar los cristales una vez que se obtienen estos son enviados a un secador de túnel con una humedad del 15% para salir de esta etapa con una humedad del 0.04% aproximadamente. Posteriormente se realiza una reducción del tamaño de partícula (0.2-0.4 mm) en un tamiz y se lo envía a la empaquetadora.

Tratamiento de residuos

De la microfiltración se obtienen por un lado los sólidos (células y partículas del medio de cultivo) los cuales se envían a la planta de tratamiento o se pueden vender a otra industria.

En el vapor de simple efecto además del ácido glutámico concentrado se obtienen vapor de agua y otras sustancias volátiles al igual que el vapor de agua que se extrae del secadero de tambor todos estos vapores son sometidos a una destilación para recuperar el agua luego ingresa a una resina de intercambio iónico y es enviada nuevamente al proceso sumistrandola a los equipos que lo requieran.

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Descripción de las etapas:

- Microfiltración Temperatura de operación 25°CRetiene partículas de 0.1-10 μm Presión de operación: 0.5-5 Kg/cm2

- Columna de Carbón Activado Temperatura de operación: 15 ºC Presión de operación: 2 Kg/cm2 Se adsorbe 2% de ácido glutámico

- Evaporador Efecto SimpleTemperatura de operación: 140°CPresión de operación: 1.1 Kg/cm2

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Neutralización y cristalización:

Tanque neutralizadorPotencia del motor: 0.5 HPEficiencia del motor: 70 % RPM: 30 Impulsor: Turbina Rushton 6 paletas Temperatura de operación: Medio; T entrada: 100 ºC, T salida 20°C Agua enfriamiento: T entrada: 4 ºC, T salida 20 ºC

Los cristales de MSG se obtienen por una filtración en un equipo de filtro tambor y son sometidos luego a un proceso de secado en un secadero de túnel donde se obtienen cristales con 15 % de humedad. Finalmente pasan por tamiz móvil de base fija con rango de partículas 0,4-0,6 mm para obtener el producto final con granulometría homogénea.

Problema propuesto Calcular las concentraciones mínimas de glucosa y urea que debe contener el medio de cultivo para producir 100g/l de células en un fermentador de 50lt.Considerar: del total de glucosa incorporada solo el 60% es usado por el microorganismo.

Formula C3.97H6.46O1.94N0.845 PM: 96,97 g/mol100 g de cél/lt *50lt = 5000 g de cél 96,97 g/mol de cél 47,64 g/mol de C 5000g de cél X =2456,43 g de C

PM de glucosa: 180 g/mol180 g/mol de glucosa 72 g/mol de C 6141,07 g de glucosa = X 2456,43 g de C 6141,07 g de glucosa 60%10235,12 g de glucosa= X 100% Respuesta: se necesitan 10,23kg de glucosa.

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PM de urea: 60 g/mol96,97 g/mol de cél 11,83 g/mol de N 5000g de cél X = 609,98 g de N 60 g/mol de urea 28g/mol de N1307,1 g de urea = X 609,98 g de N

Respuesta: se necesitan 1,307kg de urea.

BIBLIOGRAFIA:

ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA LA INSTALACIÓN DE UNA PLANTA PRODUCTORA DE GLUTAMATO MONOSÓDICO UTILIZANDO SACAROSA COMO SUSTRATO Profesores: Mario Ricardo Arteaga Martínez, Octavio Francisco González Castillo, Rosaura Guerra Vargas Juan Manuel Morgan Sagatsume. Universidad Iztapalaya-MEXICO

Belitz, H.-D. Aminoácidos, Péptidos y Proteínas, en Química de los Alimentos. Zaragoza: Acribia. García, G. Q.M. Biotecnología alimentaria. México, D.F.: Limusa. Biosíntesis de L-lisina en con Corynebacterium glutamicum. Dr. Eleazar M. Escamilla Silva.

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