La fermentación en estado sólido (SSF) se define como el crecimiento microbiano sobre partículas sólidas en ausencia de agua libre (Lonsane y col., 1985).
En la naturaleza, han ocurrido y ocurren fermentaciones en estado sólido que el hombre ha aprendido a explotar en su propio beneficio. El descubrimiento de este tipo de fermentación se atribuye a los egipcios, con el proceso de fabricación del pan, que es una de las artes culinarias más antiguas conocidas por el hombre. El cultivo de setas en SSF para alimento humano, el procesado con hongos de algunos alimentos, tales como comidas y bebidas orientales, la maduración de quesos con hongos, el compostaje y la conservación de productos cárnicos y pescados, son también procesos de fermentación en estado sólido que se practican desde hace muchos cientos o miles de años.
Otro proceso de SSF que se ha empleado a lo largo de los siglos por granjeros y jardineros es el compostaje, en el que la materia vegetal y el estiércol animal se acumulan en pilas para su descomposición, antes de su uso como abono.
Ya en el siglo XX, entre el año 1920 y 1940 se produjeron enzimas microbianas en SSF. En la década de los 40, la industria de fermentación en estado sólido crece con el descubrimiento y explotación de los antibióticos. La SSF también se ha utilizado como tratamiento para la reutilización de residuos animales, vegetales y domésticos con vistas a la biorremediación del medio ambiente (Raimbault y col., 1997)
I.1.7.1. Parámetros que controlan la fermentación en estado sólido
En la Figura I.4 se presenta un esquema que pone de manifiesto la interrelación entre los principales parámetros físico-químicos y bioquímicos que controlan el desarrollo de la SSF, entre los cuales cabe destacar:
Figura I.4. Esquema representativo de las interrelaciones de los parámetros que controlan el proceso de SSF Actividad de Agua Porcentaje de humedad Aireación y Transferencia de O2y CO2 Temperatura Tamaño de partícula Mezcla Pretratamiento pH Inóculo Sustrato Microorganismo Actividad de Agua Porcentaje de humedad Aireación y Transferencia de O2y CO2 Temperatura Tamaño de partícula Mezcla Pretratamiento pH Inóculo Sustrato Microorganismo
12 • Actividad de agua y porcentaje de humedad
La actividad de agua (aw) se define como la relación entre la presión de vapor de agua en un sistema (P) y la presión de vapor del agua pura (Po), aw= P/Po.
El nivel adecuado de este parámetro está en función, tanto de la naturaleza del sustrato, como del tipo de producto final y de los requerimientos del microorganismo. El límite de agua que admite la SSF no es fácil de determinar y depende principalmente de la capacidad de absorción del sustrato, variando desde un 35 % a un 85% de humedad. Si disminuye el contenido de agua por debajo del mínimo, se inhibe el crecimiento del microorganismo, pero si aumenta demasiado, puede cerrar los espacios inter-partícula inhibiendo la circulación de los gases.
• Aireación y transferencia de O2 y CO2
La degradación de los residuos lignocelulósicos por microorganismos es un proceso oxidativo y por tanto requiere, en gran medida, una renovación del aire. Cuando el sustrato está formado por partículas de pequeño tamaño pero con grandes diámetros de poro, se incrementa el área de contacto y se hace más fácil la penetración de las hifas y del aire, pero también disminuye el espacio interparticular, aumentando el empaquetado e impidiendo la circulación de los gases.
• Temperatura
En la SSF se produce un aumento de temperatura debido a la actividad metabólica del sistema. El nivel térmico alcanzado depende del microorganismo, del diámetro de poro, del tamaño de partícula, así como del grosor del cultivo.
• pH
El pH es el parámetro cuya monitorización y control durante el proceso de SSF resulta más difícil. Sin embargo, la relativa estabilidad de estos sistemas al pH, debido a la elevada capacidad tampón de los sustratos habituales, hace que una vez fijado el valor de inicio, pueda obviarse el control a lo largo del proceso (Lonsane y col., 1985).
• Tipo de sustrato
En la SSF se pueden utilizar dos tipos de sustratos, un material sólido que es la fuente principal de nutrientes para el microorganismo, y que usualmente consiste en residuos agrícolas o agroindustriales, o un soporte inerte, como vermiculita, resinas o espumas de poliuretano, que es capaz de absorber los nutrientes que están disueltos en la solución. En ambos casos, el éxito del proceso está directamente asociado con las características físicas del soporte (porosidad, consistencia, tamaño y forma de las partículas) que deben favorecer la difusión de los gases y nutrientes y el anclaje de los microorganismos (Pandey y col., 2000). Frecuentemente es necesario realizar un pretratamiento del sustrato con el fin de incrementar la accesibilidad de los microorganismos al mismo, gracias a la formación de partículas más pequeñas o de zonas de más fácil penetración de las hifas. Algunos tratamientos mecánicos utilizados son: la molienda, explosión o estallido con vapor, aplastamiento, triturado, remojo, etc. y entre los tratamientos químicos, la hidrólisis ácida con HCl, H2SO4, etc., que favorecen el ataque de los carbohidratos por los microorganismos (Gupte y Modamwar, 1997).
13 • Tipo de inóculo
La utilización de esporas como inóculo de la SSF ha resultado adecuada en algunos procesos (Durand y Chereau, 1988), pero también el micelio ha tenido éxito en otros muchos (Berrocal y col., 1997; Camarero y col., 1998).
• Estimación de la biomasa
Aunque la estimación del crecimiento de los microorganismos filamentosos en SSF por métodos directos no es posible debido a la dificultad para separar el micelio del residuo sólido, existen otros métodos más adecuados para observar el patrón del crecimiento del microorganismo como son, la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la microscopia óptica confocal, que se ha desarrollado en los últimos años y puede medir la biomasa in situ (Raimbault, 1998). Asimismo, se han utilizado métodos indirectos entre los que se encuentran, la determinación de constituyentes de la biomasa, como la glucosamina, el ergosterol, los azúcares totales y los ácidos nucleicos (Koliander y col., 1984) y la determinación de actividades metabólicas, donde se incluyen la estimación del ATP (Matcham y col., 1984) y la determinación de enzimas extracelulares (Okazaki y col., 1980). También se ha descrito la aplicación de métodos continuos de estimación de la biomasa como son, la evolución del CO2 (Rathbun y Shuler, 1983) y el consumo de oxígeno (Nishio y col., 1979),
La SSF tiene una incidencia muy importante en áreas relacionadas con la agricultura y el medio ambiente, entre las que cabe destacar, la biorremediación y biodegradación de compuestos recalcitrantes, la destoxificación de residuos agroindustriales y la biotransformación de residuos agrícolas para su enriquecimiento nutricional (Pandey y col., 2000). Asimismo es importante señalar, el interés actual de la SSF en la producción de enzimas a gran escala, con características apropiadas para su utilización en procesos industriales. Entre éstas cabe mencionar, la producción de amilasas, lipasas, proteasas, celulasas, pectinasas, hemicelulasas, etc. (Raimbault, 1998).
Los procesos SSF presentan aspectos socioeconómicos positivos, entre los que destaca la utilización de sustratos de bajo coste como es el caso de los residuos agroindustriales que estén disponibles localmente, los cuales mediante una tecnología muy simple aplicable en zonas rurales, podrían utilizarse en la producción de alimentos ricos en proteína aptos para el consumo humano, aspecto muy importante en países como Nicaragua, en el que la deficiencia proteica es una de las principales causas de la malnutrición. Otra alternativa es la producción de alimentos fermentados y enriquecidos en proteínas para alimento animal, utilizando bien sustratos amiláceos para la alimentación de animales monogástricos, o residuos lignocelulósicos en los que se debe incrementar la digestibilidad de sus fibras, para poder ser utilizados en la alimentación de los rumiantes (Zadrazil e Isikhumhen, 1995).
Entre las ventajas técnicas de este proceso, cabe señalar, la reducción de costes de materiales y energía, la ausencia de efluentes contaminantes y un escalado más sencillo que en el caso de cultivo sumergido. No obstante, presenta una serie de inconvenientes como son, la dificultad para el mantenimiento y control de las variables esenciales del cultivo y la cuantificación de la biomasa.
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I.1.8. Características generales de los Actinomicetos y su importancia como