Fermentación en estado sólido (SSF)

• Fermentación en Estado Sólido (FSS) es un método de fermentación utilizado por varias industrias como la farmacéutica, la alimentaria, la textil, etc., para producir metabolitos de microorganismos utilizando un soporte sólido en lugar del medio líquido.
• Se define como el crecimiento de microbios sin fase acuosa de flujo libre.
• La SSF es una alternativa a la fermentación sumergida para la producción de productos de valor añadido como antibióticos, proteínas unicelulares, PUFA's, enzimas, ácidos orgánicos, biopesticidas, biocombustibles y producción de aromas.
• El soporte utilizado es especialmente el salvado de cereales, las tortas de semillas oleaginosas desaceitadas y otras sustancias similares.
• Inicialmente, se utilizaban sobre todo hongos en dicha fermentación (ya que se consideraba que estos microorganismos tenían una actividad óptima en una actividad acuosa muy baja). Más tarde, también se utilizaron muchas especies bacterianas y levaduras para llevar a cabo dicha fermentación.
• El proceso microbiológico de la FSS ha suscitado un gran interés en los últimos años porque puede utilizarse para diversos fines, con el apoyo de algunos autores que incluso han indicado numerosas ventajas sobre sus homólogos líquidos (fermentación sumergida).

Fermentación en Estado Sólido (FSS) Sustrato

• Hay muchos procesos biotecnológicos que implican el crecimiento de organismos en sustratos sólidos en ausencia o casi ausencia de agua libre.
• La fermentación en estado sólido (FSS) se ocupa de sustratos que son sólidos y contienen bajos niveles de humedad.
• Los sustratos sólidos más utilizados son los granos de cereales (arroz, trigo, cebada y maíz), las semillas de leguminosas, el salvado de trigo, los materiales lignocelulósicos como las pajas, el serrín o las virutas de madera, y una amplia gama de materiales vegetales y animales.
• La mayoría de estos compuestos son moléculas poliméricas -insolubles o poco solubles en agua-, pero la mayoría son baratos y fáciles de obtener y representan una fuente concentrada de nutrientes para el crecimiento microbiano.

Los SSF pueden definirse en función de las siguientes propiedades:

• Una matriz sólida porosa que puede ser biodegradable o no, pero con una gran superficie por unidad de volumen, del orden de 103 a 106 m2/ cm3, para un fácil crecimiento microbiano en la interfaz sólido/gas.
• La matriz debe absorber agua hasta una o varias veces su peso en seco, con una actividad de agua relativamente alta en la interfaz sólido/gas, para permitir altas tasas de procesos bioquímicos.
• La mezcla de oxígeno con otros gases y aerosoles debe fluir a una presión relativamente baja y mezclar el mosto en fermentación.
• La interfaz sólido/gas debe ser un buen hábitat para el rápido desarrollo de cultivos específicos de mohos, levaduras o bacterias, ya sea en cultivos puros o mixtos.
• Las propiedades mecánicas de la matriz sólida deben soportar la compresión o la agitación suave, según se requiera para un determinado proceso de fermentación. Para ello se necesitan partículas granulares o fibrosas pequeñas, que no tiendan a romperse ni a pegarse entre sí.
• La matriz sólida no debe estar contaminada por inhibidores de las actividades microbianas y debe ser capaz de absorber o contener los alimentos microbianos disponibles, como los hidratos de carbono (celulosa, almidón, azúcares) las fuentes de nitrógeno (amoníaco, urea, péptidos) y las sales minerales.

Organismos utilizados en la fermentación en estado sólido (FSS)

• Los componentes microbiológicos de la FSS pueden presentarse como cultivos puros individuales, cultivos mixtos identificables o microorganismos autóctonos totalmente mezclados.
• Algunos procesos de FLA, como el tempeh y el ontjom producción, requiere el crecimiento selectivo de organismos como los mohos, que necesitan bajos niveles de humedad para llevar a cabo la fermentación con la ayuda de enzimas extracelulares segregadas por los microorganismos fermentadores.
• Sin embargo, las bacterias y las levaduras, que requieren un mayor contenido de humedad para una fermentación eficaz, también pueden utilizarse para la FSS, pero con un menor rendimiento.

Pasos de la fermentación en estado sólido (FSS)

Figura: Esquema del fermentador de estado sólido para la conversión de biomasa lignocelulósica en enzimas. Fuente: Amit K. Jaiswal.

La FSS suele ser un proceso de varios pasos que incluye las siguientes etapas:

1. El pretratamiento de las materias primas de los sustratos, ya sea mediante un procesamiento mecánico, químico o bioquímico, para mejorar la disponibilidad de los nutrientes ligados y también para reducir el tamaño de los componentes, por ejemplo, pulverizando la paja y triturando los materiales vegetales para optimizar los aspectos físicos del proceso. Sin embargo, el coste del pretratamiento debe equilibrarse con el valor final del producto.

2. Hidrólisis de sustratos principalmente poliméricos, por ejemplo, polisacáridos y proteínas.

3. Utilización (fermentación) de los productos de la hidrólisis.

4. 4. Separación y purificación de los productos finales.

• El bajo contenido de humedad de la SSF permite un menor volumen de reactor por masa de sustrato que la LSF y también simplifica la recuperación del producto.
• Sin embargo, surgen graves problemas con respecto a la mezcla, el intercambio de calor, la transferencia de oxígeno, el control de la humedad y los gradientes de pH, nutrientes y producto como consecuencia de la heterogeneidad del cultivo.
• Esta última característica de la FSS hace que la medición y el control de los parámetros mencionados sean difíciles, laboriosos y a menudo inexactos, lo que limita el potencial industrial de esta tecnología. Debido a estos problemas, los microorganismos que se han seleccionado para la FSS son más tolerantes a una amplia gama de condiciones de cultivo.

Aplicaciones de la fermentación en estado sólido (FSS)

• La fermentación en estado sólido ha surgido como una tecnología potencial para la producción de productos microbianos como piensos, combustibles, alimentos, productos químicos industriales y productos farmacéuticos.
• Se aplica ampliamente a la producción de varias enzimas, ácidos orgánicos, compuestos aromatizantes, etc., que deben extraerse y purificarse para luego utilizarlos en diferentes productos.
• Su aplicación en bioprocesos como la biolixiviación, la biobeneficiación, la biorremediación, el biopulido, etc. ha ofrecido varias ventajas.

Ventajas de la fermentación en estado sólido (FSS)

• La principal ventaja de estos métodos es que producen una cantidad mínima de residuos y efluentes líquidos, por lo que no son muy perjudiciales para el medio ambiente.
• La fermentación en sustrato sólido emplea sólidos naturales simples como medio.
• Es de baja tecnología, gasta poca energía y requiere menos inversión de capital.
• No se necesita esterilización, hay menos contaminación microbiana y es fácil el procesamiento posterior.
• La utilización de residuos agroindustriales como sustratos en los procesos de FLA proporciona una vía alternativa y un valor añadido a estos residuos, que de otro modo serían infrautilizados o no se utilizarían.
• El rendimiento de los productos es razonablemente alto.
• El diseño del biorreactor, el proceso de aireación y el tratamiento de los efluentes son bastante sencillos.
• Muchos residuos domésticos, industriales y agrícolas pueden utilizarse de forma fructífera en la FSS.

Limitaciones de la fermentación en estado sólido (FSS)

• Sólo se pueden utilizar los microorganismos que toleran un bajo contenido de humedad.
• No es posible realizar un seguimiento preciso de la SSF (por ejemplo, los niveles de O2 y CO2, el contenido de humedad).
• Los organismos crecen lentamente y, en consecuencia, hay una limitación en la formación de productos.
• La producción de calor crea problemas y es muy difícil regular el entorno de crecimiento.

Referencias

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369703X02001213
2. http://www.biologydiscussion.com/notes/short-notes-on-solid-substrate-fermentation/10044
3. https://www.omicsonline.org/open-access/solid-state-fermentation-and-food-processing-a-short-review-2155-9600-1000453.php?aid=66522
4. https://www.omicsonline.org/open-access/solid-state-fermentation-and-food-processing-a-short-review-2155-9600-1000453.php?aid=66522
5. https://www.researchgate.net/publication/27205523_SolidState_Fermentation_An_Overview
6. https://www.slideshare.net/ajithnandanam/solid-state-fermentation
7. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5428094/
8. http://microbiology.ukzn.ac.za/Libraries/MICR304/SOLID_STATE_FERMENTATION.sflb.ashx