PRODUCCIÓN DE ENZIMAS POR FERMENTACIÓN SOBRE SUBSTRATOS SÓLIDO G. Viniegra-González y E. Favela-Torres Universidad Autónoma Metropolitana México, D.F., MEXICO
Feb 23, 2016
PRODUCCIÓN DE ENZIMAS POR FERMENTACIÓN SOBRE
SUBSTRATOS SÓLIDO
G. Viniegra-González y E. Favela-TorresUniversidad Autónoma Metropolitana
México, D.F., MEXICO
Gran variedad de soportes sólidosEnzimas Substratos
Celulasas Residuos Celulósicos, ensilage de sorgo dulce, coconut pith, sugar bagazo de caña.
Quitinasas Residuos sólidos de crustáceosGlucosa oxidasa Salvado de trigoGlucosidasas yamilasas
Harina de yuca, salvado de trigo, salvado de arroz, residuos de plátano. almidón, harina de soya
Glutaminasa y glutamato oxidasa
Impregnated perlitas de poliestirene, salvado de trigo, cáscara de arroz.
Ilunilasas Salvado de trigo, salvado de arroz, copra y harina de maíz.Lacasas y peroxidasas Salvado de trigoLipasas Salvados de trigo y arroz, copra, residuos de babazú.Pectinases Salvado de trigo, bagazo de manzana, pulpa de café, bagazo de caña
con pectina, salvado de soya, poliuretano con pectina.Fitasas Harinas de canola o de trigol, mostaza, habas molidas o en harina,.Proteasas Salvados de trigo y arroz, residuos de arroz.Pulunasas Salvados de trigoTanasas Bagazo de caña con ácido tánico, residuos forestales, poliuretano con
ácido tánico.Xilanasas Salvado de trigo, borra del café, pajas de arroz o trigo, pulpa de
betabel y bagazo de manzana, fibras ligno celulósicas, bagazo de caña bagasse, tallos de plátano, olote de maíz, cáscaras de mango.
A. niger crecido en espuma de poliuretano Espacios
intersticiales llenos de aire.
El mosto se extiende en láminas delgadas, por tensión superficial.
El agua rodea a los mohos.
A/V > 100/cmRomero S. J. tesis doctoral, 2000
Diagrama de la FMS
micelio
Soporte sólido
O2
CO2
Ventajas de FMS (sólida) sobre FsM (sumergida) Menor represión catabólica. Mayor rendimiento de la biomasa, con
menos aireación forzada. Mayor resistencia a substratos tóxicos. Menor actividad proteolítica en el mosto. Mayor productividad del reactor. Ahorro de agua y energía.
Organism Enzyme(s) Support
Aspergillus carbonarius
phytase canola meal
Aspergillus b-fructo- furanosidase sugar cane bagasse
Aspergillus exo-pectinases polyurethane foam
Aspergillus exopolygalacturonase polyurethane foam
Aspergillus pectinase bagasse pith
Aspergillus pectinesterase and polygalacturonase sugar cane bagasse
Aspergillus recombinant laccase polyurethane foam
Aspergillus tannase polyurethante foam
Aspergillus tamari xylanase wheat bran, corn cob, sugar cane bagasse
Apergillus exopectinase polyurethane foam
Aspergillus pectinases coffee pulp
Bacillus coagulans a-amylase wheat bran
Bacillus licheniformis
xylanase wheat bran
Bacillus sp. xylanase wheat bran
Bacillus licheniformis
a-amylase wheat bran
Bacillus licheniformis
a-amylase wheat bran
FMS sobre soportes porosos
El O2 desciende del aire hacia el micelio
El Substrato asciende del soporte al micelio
So So
O2 O2O2
So So So So
Mayor rendimiento de biomasa en la FMSF A. niger en PUF. Abcisas: So=
[glucosa] Ordenadas: Máxima
biomasa, XM
FMS (); FsM ()
Romero S. J. Ph. D. thesis, 20000
10
20
30
40
0 20 40 60 80 100
So (g/L)
XM
(g/L
)
Interpretación En PUF, A/V = 330/cm En los matraces, A/V = 2/cm Aunque los matraces están agitados, la
transferencia de oxígeno es pobre. En PUF, la transferencia pasiva de
oxígeno es eficiente. Si aumenta, S0, m/m fija en PUF y
creciente en FsM.
Menor proteólisis en la FMS
0
2000
4000
6000
8000
0 20 40 60
UI/L
TIME (hours
PECTINASE BY SmF
0102030405060
0 20 40 60
U/L
TIME (hours)
PROTEOLYTIC ACTIVITY (AZOCOL)
02000400060008000
0 5 10 15 20 25 30 35 40
(U/L)
TIME (hours)
PECTINASE BY SSF
0102030405060
0 10 20 30 40
U/L
TIME (hours)
PROTEOLYTIC ACTIVITY (AZOCOL)
Data from, Diaz-Godinez et al. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 26: 271 (2001)
Interpretación Las proteasas son respuestas al estrés
fisiológico (deficiencias nutricionales, falta de oxígeno, etc.)
En FMS hay menos estrés que en FsM y por ello hay menos proteasas.
Se puede aumentar las proteasas en FMS si se desequilibran las proporción C/N.
Productividad de la tanasa A. niger en PUF Ácido tánico: es un
substrato tóxico. Productividad en
función del volumen del mosto.
Mosto/PUF: 20 mL/g 0 20 40 60 80 10
00
50
100
150
200
250
300
350
400
450
SmF
Poly-nomial (SmF)
SSF
Tannic acid (g/L)
Prod
uciv
ity (U
/Lh)
Aguilar et al., J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 26: 296, 2001.
Interpretación: El ácido tánico es menos tóxico en FMS
que en FsM. Por eso aumenta la productividad en la
primera y disminuye en la segunda.
Títulos Enzimáticos : FsM vs. FMS*Enzyme EW(L) ER(L) EW(S) ER(S) EW(S)/EW(L) ER(S)/ER(L)
Units U/mL U/cm3 U/mL U/cm3
Fitasa 8.1 6.5 65.3 107.7 8.1 16.6Endo-Pectinasa 0.8 0.6 2.5 1.3 3.2 2.0Exo-Pectinasa 5.2 4.2 1.5 2.5 0.3 0.6Pectin Liasa 0.2 0.1 0.5 8.4 2.6 59.0Pectin Esterasa 0.0 0.0 0.0 0.3 1.4 31.4
Poly Galacturonasa 2.0 1.6 0.5 8.3 0.2 5.2
EW(L), EW(S) = Títulos por L del mosto, FsM (L) ó FMS(S)ER(L), ER(S) = Títulos por L del reactor, FsM (L) ó FMS(S)*Recopilación: Viniegra-Gonzalez & Favela-Torres (2002)
Comentario: Se pueden aislar cepas específicas para
FMS que igualan o superan a las cepas para FsM.
Ejemplos publicados de a-amilasa: FsM, > 1x106 U/L; 1010 U/10 m3 FMS, > 5x104 U/g; 1010 U/(133
bandejas)
Limitaciones de la FMS Problemas de transferencia de masa y
calor en el substrato sólido. Los micelios no se pueden agitar mucho
porque se rompen. Asepsia del sólido más difícil que en el
mosto. Pocos diseños de reactores industriales.
Ventajas prácticas de la FMS La ausencia de agua residual reduce a
la mitad los costos de las instalaciones. Si se puede usar el producto crudo, se
abate el costo principal: la recuperación del producto.
Es ventajosa la FMS para producir complejos enzimáticos que degraden bio-polímeros complejos insolubles.
Conclusiones: Limitante principal: la cepa altamente
productiva y especializada para FMS. Ventaja principal de la FMS es la
eliminación de la planta de tratamiento de aguas residuales.
Ventajas adicionales: complejos enzimáticos crudos recuperados como harinas o pastas con bajos costos de recuperación.