Post on 05-Dec-2015
description
Bioamassa unicel.lular
Definició
� Material cel.lular microbià produit per a la seva utilització com aaliment humà o animal.
� Single Cell Protein (SCP) --> Proteïna unicel.lular� Terme poc apropiat. Apart de proteïnes hi han altres components (entre un
20 i un 70 % pot ser material no proteic)
� Single Cell Biomass (SCB) --> Biomassa unicel.lular� Terme recomanat per la IUPAC
� S’eviten termes com Biomassa Microbiana o BiomassaBacteriana. Disminuirien l’acceptació pùblica.
Història i ambit d’aplicació
� Alemania� Consum durant la 1ª Guerra Mundial.� Disminueix l’interès� Cap a 1930 es reactiva l’interès� Durant la 2ª Guerra Mundial es consumeixen unes 15.000 tones de SCB en
forma de llevat que s’incorporava a sopes i salsitxes.
� GB i EEUU� Es desenvolupa la producció de SCB com a complement dietetic per
animals
� Després de la 2ª Guerra Mundial l’interès disminueix.
� Torna a posarse de moda cap els anys 50 degut a estudis iprevisions publicats per diverses agencies internacionals.
Dèficit de proteïnes
� A la dècada dels 50 diverses agències internacionals preveienun dèficit de 70x106 tones de soja cap a principis del segle XXI
� Causes del dèficit:� Increment de la població mundial
� Pinsos compostos� En països desenvolupats la producció animal requereix pinsos compostos amb
un contingut protèic elevat (entre el 10 i el 30% del pes sec en proteïna)
� Per augmentar el contingut protèic s’afegeixen suplements com farina de soja,farina de peix o farines animals.
� Si s’utilitzés SCB, aquests recursos es podrien dedicar a l’alimentació humana.
Interès estratègic
� Molts països (Europa, ex USSR, Japó) són deficitaris enproducció de proteïna per alimentació animal i depenen deimportacions de soja procedents d’altres països.
� La producció de SCB disminueix la dependència de laimportació.� 1979 USSR produïa 1.1x106 tones/any de SCP en un total de 86 plantes
� 1981 - 1985 ampliació de la producció en 1.2x106 tones/any adicionals
� Entre 10 i 12x106 tones de SCB per any permeterien ser independent deles importacions.
Avantatges de laproteina unicel.lular
� Creixement ràpid --> Productivitat elevada� 1000 kg de vaca produeixen 1 kg en 24 h
� 1000 kg de llevat produeixen 4000 kg en 24 h dels quals 2000 son proteinacomestible
� Contingut proteic elevat (30-80% del pes sec)
� Utilització de fonts de carboni molt diverses que sovint sonconsiderades com a residus
� Es relativament fàcil seleccionar soques amb un bon rendimentde conversió i una composició adequada
� Es poden obtenir produccions elevades amb instal.lacionspetites
� La producció és independent del clima (excepte en el cas deles algues) --> Fàcil de controlar i planificar.
Consideracionssobre el consum de SCB
� L’any 1976 el Protein Advisory Group (FAO/WHO) avisa del’existència de diversos inconvenients d’utilitzar proteïnad’origen microbià en l’alimentació humana:� Problemes de seguretat
� El consum de proteïna unicel.lular pot tenir efectes perjudicials sobre la salut delconsumidor
� Problemes nutricionals� El consum de proteïna unicel.lular pot no ser tan beneficiós com el consum de
proteina convencional
Aspectes de Seguretat
� Els possibles problemes sanitaris del consum de proteïnaunicel.lular tenen que veure amb:� Concentració elevada d’àcids nuclèics ≈ 6 - 16% (sobre tot de RNA que és
el més abundant)
� Reaccions cutànies al consum de proteïnes extranyes
� Reaccions gastrointestinals (mareig i vòmit)
� Presència de productes cancerígens procedents del substrat
� Aquests problemes es poden intentar superar:� El contingut d’àcids nuclèics es pot reduir en el processat del material
cel.lular
� Les reaccions alèrgiques depenen del tipus de microorganisme utilitzat. Calfer una bona tria i demostrar que no i ha problemes mitjançant provestoxicològiques
� És necessari utilitzar substrats que no presentin tòxics en la sevacomposició
Contingut de RNA en SCB
� Consum excessiu d’àcids nuclèics --> Pedres al ronyó i gota a lesarticulacions
� Limit diari recomenat < 2g per persona i dia
� Aixó equival a que la dosi diaria de proteïna consumida tingui uncontingu de RNA associat menor al 1-2% del Pes Sec
Exemples: Spirulina 3.6% PS Bacteris 15-20% PS Llevats i Fongs 15% PS
� En general els continguts són molt elevats perque els microorganismescreixen molt ràpidament i necessiten molts ribosomes per sintetitzarproteïnes a gran velocitat.
Reducció delcontingut de RNA
� Hidròlisi alcalina i neutralització amb àcid� El RNA es solubilitza amb un tractament amb NaOH 0.125 N a 50º durant 1
hora
� Si al neutralitzar amb àcid es disminueix per sota de pH 6, el RNA torna aprecipitar
� Amb aquest tractament s'obté un material amb un 45% de proteina i un 1%de àcid nucleic
� Degradació amb RNAses endògenes� Procediment difícil
� Separació de la biomassa del medi
� Rentat i resuspensió en H2O a pH 7.5-7.8 amb NH4OH durant 4 h a 65 ºC
� Contingut d'AN baixa fins al 2% del Pes Sec
� Procediment senzill� Escalfar directament el cultiu a 64 ºC
� S'inactiven les proteases
� Les RNAses es mantene actives
� Després de 20-30 minuts el contingut de RNA ha disminuit a < 2% del Pes Sec
Comercialització denoves fonts de proteïna
� Els requeriments establerts per el Protein Advisory Group(FAO/WHO) i per la IUPAC respecte a noves fonts de proteïnasón molt estrictes� No s'haurien d'admetre noves fonts de proteïna com a ingredients en
l'alimentació animal a menys que s'hagin avaluat a fons respecte aseguretat i manca de toxicitat
� Avaluació� S'ha de portar a terme en mostres de processos ben estabilitzats i
estandaritzats que permetin tenir garanties de reprodubilitat del producte.
� Normalment cal utilitzar el producte d'una planta pilot
� Si l'avaluació és favorable i s'inicia la producció a gran escala, caldemostrar que el producte obtingut és identic al de la planta pilot
� Respecte als microorganismes responsables del procés:� Es pot utilitzar qualsevol microorganisme
� Pero cal demostrar:� Que no és patogen per l'home, ni per animals o plantes.
� Que no produeix compostos tòxics que no puguin ser reduïts per sota dels limitsacceptables
� Cal declarar tota la informació referent al microorganisme i a lescaracterístiques del procés
� Matèries primeres (substrats)
� Productes afegits (antiespumants, antiemulsionants, etc.)
� Solvents utilitzats en l'extracció
� Tipus de secat
� Precaucions sanitàries
� En el fons, el risc que presenta la SCB és molt baix, però elprocés d'aprovació és molt llarg
Aspectes Nutricionals
� Encara que els productes siguin segurs, cal que siguin tambénutricionalment correctes.
� Com a índex d'adequació nutricional s'utilitzen diversosparàmetres:� PER Protein Efficiency Ratio
� BV Biological Value
� NPU Net Protein Utilization
� PD Protein Digestibility
� FCR Feed Conversion Rate
� Valor biològic (BV) de diferents fonts de proteïna
62Brevibacterium
67Acinetobacter
84MYCOPROTEIN
59Aspergillus oryzae
90Ou
54-61TOPRINA
75Caseïna
Composició amino acids
� En general s'observa que les proteïnes d'origen microbià sóndeficitaries en aminoàcids sulfurats.
� Aquest dèficit es pot corretgir suplementant amb metionina.
� En definitiva, el que conta és que la proteïna consumida resultien un increment de massa corporal. Ex. Mucor i Alternariatenen un perfil d'aminoàcids adequat però tenen un valornutricional pobre. Alternaria causa la mort de les rates.
97 %90 %Ou sec
91 - 96 %54 - 61 %TOPRINA
BV+ 0.3% Met
BV ControlProducte
Composició SCB
,
TOPRINA™ Part 1
� A finals dels 50 British Petroleum desenvolupa un procés basaten llevats (C lipolytica i C tropicalis) creixent en alcans C12-C20
� Estandarització en planta pilot� Planta pilot a Grangemouth (GB). 1500 tones per any durant 7 anys, entre
1971 i 1978� Planta pilot a Cap Lavera (F). 16000 tones per any
� Proves de Toxicitat i Carcinogenicitat (12 anys)� Proves Toxicitat Aguda (Rates alimentades amb un 40% de TOPRINA
durant 6 setmanes)� Proves de Toxicitat Subcrònica --> 3 mesos� Proves de Toxicitat Crònica --> 2 anys� Proves Multigeneracionals --> 15 generacions en rates� Resultats excel.lents
� Producció a gran escala� Construcció d'una planta a Cerdenya (BP-ENI) amb 3 fermentadors de
1000 m3 i una produció de 100.000 tones/any
TOPRINA™ Part 2
� Es va intentar comercialitzar com a substitut de la farina depeix en pinsos d'alt contingut protèic i com a substitut de la lleten pols descremada en substituts de la llet
� Tot i que no hi havien indicis de toxicitat ni de carcinogenicitat,es temia la presència de hidrocarburs aromàtics en el producte.
� La principal oposició va apareixer a Japó de part de grupsecologistes i professors d'universitat. El tema es va acabarpolititzant i l'any 1972 el Japó va ser el primer país en prohibirla proteïna microbiana obtinguda a partir d'hidrocarburs.
� Com a consequència, el govern Italià va demanar que esportessin a terme estudis adicionals per demostrar que la SCPestava exenta de risc.
� Els porcs alimentats amb 30% de TOPRINA tenien menyshidrocarburs en els seus teixits que els porcs alimentatspasturant de forma natural.
� Davant d'aquests resultats, el govern Italià va autoritzar l’ús deTOPRINA en quantitats limitades i únicament per exportació.
� L'any 1977 la producció es va aturar degut a l'augment del preudels hidrocarburs.
MYCOPROTEIN™
� Producte desenvolupat per Ranks Hovis McDougall
� Utilitza un fong (Fusarium graminearum) crescut en melasses oen glucosa procedent de midó com a font de carboni, i NH3com a font de nitrogen i control de pH
� El producte és sotmés a un tractament tèrmic per reduir elcontingut de RNA. El miceli es separa per filtració al buit i se limodifica la textura per aproximar-la a la dels alimentsconvencionals.
� Adició d'un "binder" que aglutina les hifes del miceli per donar-les una consistència semblant a la de la carn.
� Després de 10 anys d'estudis toxicològics és la única proteïnafúngica (apart de la dels bolets) aprovada per alimentacióhumana (inicialment a GB i posteriorment a altres països)
MYCOPROTEIN™(Producció)
� Reactors de cicle pressuritzat de 45 m d'alçada.
� Al arribar a una certa concentració de biomassa s'inicia elprocessat del miceli. El material és extret del reactor a lamateixa velocitat a la qual creix. El sistema funciona encontinu.
� L'efluent és bombejat a través d'una unitat de tractamenttèrmic:� Inactivació del fong� Degradació endògena del RNA
� Centrífugues� Separen el miceli del medi
� Refrigeradors� Refrigeren la pasta de miceli
� Magatzem
MYCOPROTEIN™(Texturitzat)
� El material purificat és texturitzat per facilitar elconsum i la comercialització. Es simulen lesestructures dels productes càrnics (interacció fibramuscular-teixit conectiu) lligant les hifes de lamycoproteïna amb altres ingredients.� Barreja de la mycoproteina amb un binder i amb la resta dels
ingredients� Premsat per donar-li la forma desitjada� Escalfament per coagular el binder� Refrigeració� Empaquetat� Comercialització
Pekilo
� Procés desenvolupat a Finlàndia que utilitza fongs perdegradar els carbohidrats residuals dels efluents de la indústriapaperera
� Aprovat a Finlàndia per alimentació animal
� Utilitza plantes petites de 10.000 tones/any que processen 100m3/h d'efluent de paperera
� S'elimina el SO2 fent un stripping amb vapor
� Redueixen la DBO en un 80%
Valoració de fontsde proteina
� Digestibility (D)� D is the percentage of total nitrogen consumed that is
absorbed from the alimentary tract. The total quantity ofmicrobial protein ingested by animals is measured and thenitrogen content (I ) is analysed. Over the same period, faecesand urine are collected, and faecal nitrogen content (F ) andurinary nitrogen content (U ) are measured. Thus:
� Biological Value (BV)� BV is the percentage of total nitrogen assimilated that is
retained by the body, taking into account the simultaneousloss of endogenous nitrogen through urinary excretion. Thus:
� Protein Efficiency Ratio (PER)� PER is the proportion of nitrogen retained by animals fed the
test protein compared with that retained when a referenceprotein, such as egg albumin, is fed.
Esquema del procés
� Barreja components del medi
� Esterilització
� Fermentació� Aireació. Difícil de transferir oxigen en volums grans. S'utilitzen dissenys air
lift en lloc d’agitació amb turbines.
� Refrigeració. En reactors de volum gran es genera calor més rapidamentdel que es pot dissipar per la superfície del fermentador. Cal refrigerar deforma activa.
� RecuperacióSCB� L'objectiu és obtenir material sec
� Assecat Directe� 10 vegades més car que el procediment mecànic més sofisticat
� No separa la SCB dels components del medi
� Separació� Centrifugació. Útil en llevats però poc pràctic en bacteris (mida petita i densitat
propera a la del aigua fan que calguin temps llargs i velocitats molt elevades).
� Filtració. Molt utilitzat en fongs filamentosos. En bacteris es produeixenproblemes de colmatació difícils de resoldre.
� Aglomeració i floculació. Útil en bacteris. Augment de temperatura opolielectrolits catiònics.
� Eliminació aigua� Mecànica (premsat)
� Assecat� Temperatures inferiors a 75 ºC
� Tractament efluent líquid� DBO molt elevada. Reciclar a menys que tingui tòxics difícils d'eliminar
Substrats per laobtenció de SCP
La font de carboni constitueix aproximadament el 60% dels costos d’operació delprocés. Per reduir costos es important tenir un bon rendiment i utilitzar dins elpossible fonts de carboni de baix cost.
� Combustibles fossils� Hidrocarburs gasosos (metà, età, propà, butà)
� Hidrocarburs liquids (n-alkans) (TOPRINA - BP)
� Metanol
� Etanol (PRUTEEN - ICI)
� Gasoil
� Fonts de carboni renovables� CO2
� Melasses i xarops (remolatxa, canya de sucre)
� Serum lacti
� Hidrolitzat de polisacarids. Cel.lulosa, Midó (MYCOPROTEIN - RHM)
� Efluents industrials� Cerveseria
� Destileries
� Pastisseries
� Patata
� Conserves
� Papereres (PEKILO)
� Substrats sòlids� Fusta
� Palla
� Serradures
Combustibles fossils
� 1960’s >> Preu del petroli molt baix >> bon substrat per SCB
� n-alkans� hidrocarburs saturats lineals
� C5-C8 son aparentment tòxics
� C9-C18 substrats per SCP (es poden extreure de kerosé o de gasoil)
� S’utilitzen llevats degradadors d’hidrocarburs (Yarrowia lipolytica ,Candida tropicalis , C. rugosa and C. Guilliermondii)
� C10-C18 són insolubles en aigua i s’han de dispersar
� El creixement només es dona a la interfase amb la gotad’hidrocarbur
� 1973 >> 1ª crisi del petroli >> augment de preus inecessitat de substrats alternatius
� Metà� Molt abundant i economic pero:
� És poc soluble en aigua� El primer pas de la seva degradació és la oxidació fins a metanol
que és un procés lent i costós
� Metanol� Hi ha pocs llevats que el degradin. En la majoria dels cassos s’utilitzen
bacteris metilotròfics
Pruteen - ICI
� ICI va desenvolupar un procés de producció de 50.000tones/any
� Reactor de 1000 m3 de cicle pressuritzat
� Methylophilus methylotrophus
� El bacteri està manipulat geneticament de manera queincorpora NH3 per una via poc eficient (requereixconcentracions elevades de NH3 ), consumeix menys ATP >>augmenta el rendiment
� Separació per floculació i flotació seguits de centrifugació isecat.