Fermentaciones en la glucólisis

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LITZY MARIANA HERMOSILLO GARCÍA
Fermentaciones en la glucólisis 2
¿Qué es la fermentación? 3
Ejemplo 1 de fermentación 3
Hidrólisis 4
Acidificación 4
Fase Acetogénica 6
Fase Metanogénica 7
Factores a considerar en el proceso metanogénico 8
Ejemplo 2 de fermentación 9
Ventajas de la FES 10
Desventajas de la FES 10
Saccharina, para alimento animal elaborados por FES 11
Bibliografía 13
Fermentaciones en la glucólisis
· 1910 Chaim Weizmann
· Descubrió una bacteria
· Clostridium acetobutyricum
· Fermenta almidón a butanol y acetona
· Fermentaciones industriales
· Metanol para gasoholnse produce por fermentación microbiana
· Acido
· Fórmico
· Acético
· Propiónico
· Butírico
· Succínico
· Glicerol
· Etanol
· Isopropanol
· Butanol
· Butanodiol
· Complicadas transformaciones químicas
· Muchos pasos
· Rendimientos elevados
· Pocos productos secundarios
Tiamina pirofosfato (TPP)
· Proviene vitamina B
· Ausencia causa beriberi
· Hinchamiento
· Dolor
· Parálisis
· Muerte
· Rotura enlaces adyacentes carbonilo
· Descarboxilación a-cetoácidos
· Anillo tiazolio
· Protón en C-2 acido
· Sumideros de electrones
· Papel importante reacciones bioquímicas
· Facilita reacciones 
· Reacción catalizada por piruvato descarboxilasa
· Descarboxilación forma carbanión
· Protonación libera hidroxietil TPP
· Disocia un protón regenerar carbanión
El etanol
· Levadura y otros microorganismos
· Fermentan la glucosa a etanol y CO2
· Piruvato a etanos y CO2 por 2 pasos
· 1° piruvato de descarboxila
· Reacción irreversible 
· Catalizada
· Piruvato descarboxilasa
· 2° acetaldehído reduce a etanol
· Alcohol deshidrogenasa
· Poder reductor del NADH
· Piruvato descarboxilasa
· Levadura de cerveza y panificación
· Hígado humano cataliza oxidación etanol
· Ingerido o producido microorganismo intestinales
· Reducción contaminante del NAD+ a NADH
El piruvato 
· Condición aeróbica se oxida a acetato
· Ciclo del ácido cítrico
· Oxidado a CO2 y H2O
· Incapacidad de regenerar NAD+
· Detiene reacciones de la glucólisis 
· Producen energía
· Se regenera el NAD+ otra reacción 
· Tejidos animales
· No se puede suministrar oxigeno
· Mantener la oxidación aeróbica 
· Del piruvato y del NADH de la glucolisis
· NAD+ se regenera del NADH
· Reducción del piruvato a lactado
· Reducción del piruvato
· Catalizada por lactato deshidrogenasa
· Forma isómero 1 del lactato a pH 7
· Lactato por la sangre al hígado
· Convierte a glucosa
· Recuperación de actividad muscular vigorosa
· Glucosa y acido láctico
· Proporción H:C es la misma
¿Qué es la fermentación?
La fermentación es un proceso de oxidación incompleta llevado a cabo por microorganismos, bacterias y levaduras bajo condiciones anaerobias obteniendo energía y teniendo características físico-químicas controladas, siendo el producto final un compuesto orgánico. Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de fermentaciones. Fue descubierta por Louis Pasteur quien la nombro como “la vie sans làir “(la vida sin aire).
Ejemplo 1 de fermentación 
La fermentación metanogénica o biometanogénesis es un medio antiguo de transformación energética de la biomasa descubierto en 1776 por Volta, que encontró metano en el gas de los pantanos. Es un proceso de degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno el cual genera metano, dióxido de carbono y otros compuestos e implica la realización de una serie de reacciones bioquímicas, en las cuales participa una gran variedad de microorganismos.
Este tipo de fermentación es la que se realiza en los biodigestores, que tienen la función de degradar materia orgánica que en el caso de la Ingeniería en Sistemas Pecuarios la materia orgánica se puede referir tanto a desechos de alimento como ha excretas animales con la finalidad de convertirlos a biogás principalmente metano, que puede ser utilizado para cocinar y/o producir energía para la misma granja o externa a esta.
“Clasificación de los microrganismos productores de metano”
En bioquímica la fermentación metanogénica es un tipo de respiración anaerobia, donde los electrones de sustratos orgánicos generan dióxido de carbono, que se reduce a metano. Además de los sustratos orgánicos, el hidrógeno producido por bacterias anaerobias, cumple la función de donador de electrones para las metanobacterias.
El metano puede obtenerse de compuestos aromáticos, en condiciones de anaerobiosis estricta, las bacterias presentes en las fases de la degradación de los ciclos aromáticos hasta llegar al acetato, su deshidrogenación libera electrones para la reducción del dióxido de carbono en metano. Este proceso se realiza mediante las siguientes fases
1. Fase de hidrólisis: se rompen los enlaces para dar lugar a la formación de compuestos más sencillos.
2. Fase de acidificación: se forman ácidos orgánicos de cadena corta. 
3. Fase acetogénica: se da la formación de acetato a partir de los ácidos orgánicos. 
4. Fase metanogénica: se da la formación de metano por bacterias metanogénicas a partir de acetato, hidrógeno y dióxido de carbono. 
Hidrólisis
Esta fase da inicio con los compuestos insolubles como celulosa, proteínas y lípidos que son convertidos en monómeros por exoenzimas (hidrolasa) producidas por microorganismos anaeróbicos estrictos y facultativos. Los enlaces covalentes de los compuestos son rotos por reacciones acuosas.
El tiempo de hidrólisis depende del tipo de compuesto, ya que en los carbohidratos se lleva a cabo en pocas horas, mientras que en las proteínas y lípidos se realiza en días; a diferencia de la lignocelulosa y lignina pues estos son degradados lentamente e incluso la mayoría de las veces la transformación es realizada de forma incompleta. Los microorganismos anaeróbicos facultativos toman el oxígeno disuelto en el agua produciendo condiciones de bajo potencial redox que es necesario para los microorganismos anaeróbicos estrictos.
“Formación de monómeros en la fase de hidrólisis”
Acidificación
Los productos obtenidos de la hidrolisis (monómeros) son utilizados por las bacterias anaeróbicas (facultativas y estrictas) para ser transformados a ácidos orgánicos de cadena corta (ácido butírico, ácido propiónico, acetato, ácido acético, alcoholes, hidrógeno y dióxido de carbono). 
· Carbohidratos: Se forma ácido propiónico por bacterias vía succinato y acrilato. También existe formación de ácido butírico por los microorganismos del género Clostridium a partir de ácido acético.
“Degradación del piruvato”
“Degradación del ácido acético a ácido butírico”
· Ácidos grasos: Son degradados por bacterias como la acetobacteria por oxidación β. Se unen a una coenzima A y luego son oxidados en etapas. En cada una de estas etapas son liberados 2 átomos de Carbono, en forma de acetato.
· Aminoácidos: Los clostridiospeptolíticos hidrolizan proteínas y fermentan aminoácidos. Muchos aminoácidos no son transformados en forma aislada. Stickland en 1934 descubrió que una mezcla de alanina y glicina es fermentada con mayor rapidez por Clostridiumsporogenes, aunque los aminoácidos aislados no sean transformados. 
· La alanina actúa como donador de hidrógeno y la glicina como aceptor de hidrógeno donde la energía es obtenida de una reacción del tipo oxidorreducción. Como dadores de hidrógeno además de la alanina se encuentran la leucina, isoleucina, valina, serina, metionina, entre otros.
· Como aceptores de hidrógeno aparte de la glicina se puede utilizar la prolina, arginina, triptofano, entre otros.
· El aminoácido donador se desamina a un oxácido, que mediante una descarboxilación oxidativa se transforma en el ácido graso. Gracias a una fosforilación esta reacción se convierte en una reacción productora de energía
· No todos los aminoácidos pueden ser utilizados por todos los clostridiospeptolíticos
Fase Acetogénica
Los productos de la fase acidogénica son aprovechados como sustratos para bacterias de la fase acetogénica. Las reacciones acetogénicas son endergónicas (necesitan un aporte neto de energía para llevarse a cabo). Las bacterias acetogénicas producen H2.
“Degradación acetogénica”
· La formaciónde acetato por medio de la oxidación de los ácidos grasos de cadena larga, se realiza de forma natural y es termodinámicamente posible a una baja presión del hidrógeno. Cuando la presión parcial del hidrógeno es baja, las bacterias acetogénicas forman principalmente CO2 y acetato. 
· Cuando la presión del hidrógeno aumenta, predominan el ácido butírico, capriónico, propiónico, valérico y también el etanol. Gracias a estos compuestos los microorganismos metanogénicos solo pueden procesar acetato, H2 y CO2.
· Aproximadamente el 30% de toda la producción de CH4 es por la reducción del CO2 por H2.
· Del 5 al 6 por ciento de toda la producción de metano es atribuido al hidrógeno disuelto. Ya que este se mueve directamente desde los microorganismos acetogénicos a los metanogénicos sin ser disuelto.
· La transformación anaeróbica de ácidos grasos y alcoholes se da en la metanogénesis cuando existe el sustrato necesario (H2, CO2 y ácido acético) para el crecimiento de las bacterias acetogénicas.
· La fase acetogénica limita la velocidad de degradación en la fase final; por lo tanto, la cantidad y la composición del biogás, dependen en mayor parte de la actividad de las bacterias acetogénicas.
Fase Metanogénica
En esta la última fase, la formación del metano toma lugar bajo estrictas condiciones anaeróbicas. Este tipo de reacciones se catalogan como exergónicas. Los sustratos que los microorganismos pueden degradar se dividen en tres grupos
“Degradación metanogénica”
Factores a considerar en el proceso metanogénico 
Estos factores influyen al ser capaces de modificar la rapidez de la descomposición. 
· Material de carga para la fermentación metanogénica 
· Relación Carbono – Nitrógeno
· Concentración de la carga 
· Temperatura 
· Valor de pH 
· Promotores e inhibidores de la fermentación
“Concentración de algunos inhibidores comunes de las bacterias que intervienen en el proceso de fermentación anaeróbica”
“Sustratos para la producción de biogás con sus respectivos valores de materia seca y rendimientos”
Ejemplo 2 de fermentación 
La fermentación en estado sólido (FES) radica en hacer crecer un microorganismo sobre un sustrato, empleando una fuente de nitrógeno y sales mineralizadas (ricas en macro y micronutrientes), bajo ciertas condiciones de humedad, pH, aireación y temperatura. La FES no presenta agua libre en su estructura, aunque conlleva determinados requerimientos de humedad con un límite inferior al 12%.
La FES, es un proceso antiguo que se ha utilizado especialmente en la obtención de productos como 
· Panes
· Quesos
· Kojí
· Shoyu
· Bebidas como el Sake
Además, la producción de enzimas, ácidos orgánicos, toxinas, antibióticos y otros metabolitos de interés se pueden obtener gracias a este tipo de fermentación. Se presentan los residuos agrícolas e industriales, como una fuente importante de biomasa para unos en la alimentación animal, por procesos como la FES que mejora estos residuos y los hace más digestibles para los animales hoy en día son una alternativa muy prometedora, no solo para la producción de alimento animal de bajo costo y alto nivel nutricional proteico-energético, sino con muchos otros usos, farmacéuticos, biorremediación, biodegradación de compuestos peligrosos, etc.
Ventajas de la FES
· Los medios de cultivo son simples, generalmente subproductos agrícolas que presentan un alto contenido de los nutrientes necesarios para el proceso fermentativo. 
· Fermentadores con menores requerimientos espaciales, ya que los sustratos se utilizan más concentrados y no se utilizan grandes volúmenes de agua. 
· La baja actividad del agua es de gran ayuda para evitar las contaminaciones, especialmente de bacterias y levaduras.
· Mayor simplicidad en el diseño de los fermentadores y en los sistemas de control. 
· La aireación forzada es facilitada por la porosidad del soporte, lo que permite alta transferencia de oxígeno al microorganismo. 
· Mayores facilidades para la obtención y aplicación del inóculo, pudiendo utilizarse las esporas directamente en la mayor parte de las situaciones. 
· Facilidad para el escalado de los procesos. 
· Necesidades reducidas de disolventes para la extracción de los productos. 
· Rendimientos comparables, e incluso superiores, a los correspondientes procesos en cultivo sumergido. 
· El proceso de recobrado es simplificado, ya que algunos productos son utilizados integralmente como alimento animal,
· Reducido riesgo de contaminación bacteriana, menos aptas para soportar la baja actividad de agua que caracteriza a estos sistemas. Posibilidad en ocasiones, de trabajar incluso en condiciones no asépticas.
· Elevada aireación del sistema, lo que hace a esta modalidad de cultivo especialmente adecuada a aquellos procesos que impliquen un metabolismo oxidativo intenso.
· Bajos requerimientos energéticos. A menudo no es preciso esterilizar, airear ni agitar. 
· Ambiente similar al de los hábitats naturales de los microorganismos utilizados.
· Reducido volumen de efluentes. 
· Los procesos se consideran generalmente como tecnologías limpias.
Desventajas de la FES
· Frecuente necesidad de pretratamiento de los sustratos (molienda y prehidrólisis parciales). 
· Su aplicación se limita a microorganismos que crecen en bajos contenidos de humedad.
· Dificultad para mantener los niveles óptimos de humedad durante la fermentación. 
· La extracción del calor metabólico puede ser un problema, sobre todo cuando se trabaja a gran escala y no se controla el proceso.
· Ausencia de métodos analíticos simples para determinar el crecimiento microbiano.
· Dificultad para la agitación en aquellos procesos que así lo requieran. 
· Frecuente necesidad de inóculo voluminoso.
· Los procesos de transferencia de masa son limitados por la difusión. 
· Aspectos ingenieriles como el diseño de reactores y el escalado están muy poco caracterizados.
“Metabolitos secundarios formados en procesos de FES”
Saccharina, para alimento animal elaborados por FES
Un alimento realizado con FES con objetivo de enriquecimiento proteico de la caña de azúcar logró un producto proteico-energético, de gran importancia para la alimentación animal, el cual se denominó Saccharina. Se reporta que este producto presenta valores en proteína bruta similares al maíz y el trigo y valores de energía bruta de 16 MJ/kg MS. Los niveles de fibra varían del 25 al 30%, destacándose que la mayor parte está formada por celulosa y hemicelulosa.
Es importante destacar que la caña utilizada es limpia sin hojas ni cogollo. También se han realizado trabajos con caña integral (tallos, hojas y cogollo) con resultados similares, se realizaron una variación en la elaboración de Saccharina utilizando tallos quemados de caña, sin encontrar diferencias en la calidad nutricional
Se ha confirmado la utilización de la Saccharina y la Leucaena (Leucaena leucocephala) como suplemento a hembras bovinas (Holstein) en crecimiento, en pastizales de gramíneas de secano, donde se obtuvo ganancias diarias de peso promedio de 735gr/día, con un concentrado que contenía 58% de Saccharina en la dieta. 
Otro ejemplo es el “Consumo y digestibilidad en carneros alimentados con diferentes proporciones de Saccharina en el concentrado”, elaborado por Ruiz et al., (1990), donde se sustituye maíz y trigo en dietas de carneros por Saccharina, en porcentajes de inclusión de esta hasta el 90% en la dieta, incrementando la digestibilidad de la fibra bruta, hasta 62%, además, se reporta que la energía suministrada con adición del 70% de Saccharina en la dieta, solo representó una diferencia de tan solo 5% con respecto a concentrado de granos (maíz, trigo). Al alimentar ovinos con distintos tipos de caña de azúcar entre ellas las fermentadas, destacan que efectivamente los residuos de caña fermentados mejoraron significativamente su valor nutricional.
“Niveles de Sustitución de alimento concentrado por Saccharina en diferentes especies”
“Elaboración de alimentos por medio de fermentación en estado sólido Inoculados con preparados microbianos (Bacterias, Hongos, levaduras)”Bibliografía
CELESTE, C. G., ALFREDO, R. O., & JOSE, S. C. (AGOSTO de 2010). Obtenido de UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERIA QUÍMICA: http://ri.ues.edu.sv/id/eprint/138/1/10136039.pdf
M., B. S., & Giovanny, T. V. (30 de agosto de 2016). Producción de alimentos para animales a través de fermentación. Obtenido de Scielo: http://www.scielo.org.co/pdf/rori/v20n2/v20n2a07.pdf
Neira, I. R. (2012). FERMENTACIONES INDUSTRIALES. Obtenido de UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA PESQUERA Y DE ALIMENTOS: https://unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/IF_MAYO_2012/IF_BAILON%20NEYRA_FIPA.pdf
Robinson, T., Singh, D., & Nigam, P. (s.f.). Obtenido de FERMENTACIÓN EN ESTADO SÓLIDO: UNA TECNOLOGÍA MICROBIANA PROMISORIA PARA LA PRODUCCIÓN DE METABOLITOS SECUNDARIOS: https://www.redalyc.org/pdf/1698/169818107003.pdf