Desde un punto de vista industrial, lo que se pretende es que se obtenga el mayor rendimiento posible de producto a partir del sustrato utilizado.

MICROBIOLOGIA MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL INDUSTRIAL

Fermentaciones Fermentaciones microbianamicrobiana

TECNOLOGIA TECNOLOGIA ENZIMATICA ENZIMATICA Biocatálisis Biocatálisis enzimáticaenzimática

Los procesos de la Microbiología IndustrialMicrobiología Industrial constituyen aquellos procesos industriales catalíticos basados en el uso de Microorganismos.

Áreas de aplicación:- Salud- Alimentos- Producción vegetal y animal - Insumos industriales- Minería- Servicios

Proceso de fermentaciónProceso de fermentación: proceso que se lleva a cabo en un recipiente llamado fermentador o biorreactor, mediante el cual determinados sustratos que componen el medio de cultivo son transformados por acción microbiana en metabolitos y biomasa.

Microorganismos con utilidad industrial

LEVADURAS

-Saccharomyces cerevisiae (cerveza, vino,pan y alcoholes industriales) -Yarrowia lipolytica (ácido cítrico) - Trichosporum cutaneum (sistemas de digestión aeróbica de aguas residuales)

HONGOS FILAMENTOSOS

-Enzimas comerciales (amilasas, proteasas, pectinasas) -Acidos orgánicos (cítrico, láctico) -Antibióticos (penicilina)-Quesos especiales (Camembert, Roquefort)

BACTERIAS

-Gluconobacter y Acetobacter (etanol en ácido acético)-Bacillus (antibióticos (gramicidina, bacitracina, polimixina), proteasas e insecticidas)- Streptococcus y Lactobacillus (yogur)

CÉLULAS COMO PRODUCTO-Estrategia orientada a obtener la masa celular necesaria en el menor tiempo posible y al costo mas reducido, conservando las características estructurales y funcionales celulares para ese propósito. CÉLULAS COMO HERRAMIENTA- Estrategia dictada por el objetivo de optimizar el rendimiento y la productividad de la sustancia a obtener, ligado mas a la funcionalidad celular para la síntesis de ese producto, que a la multiplicación de la masa celular.

CELULA

EFECTORES FISICOS

T, viscosidad, agitación, etc

EFECTORES QUIMICOS

nutrientes

EFECTORES INTERNOS

Dotación genética

EXPRESION PRODUCTO

Criterios para la selección:

-1. La cepa a utilizar debe ser genéticamente estable.

-2 Su velocidad de crecimiento debería ser alta.

-3. La cepa debe estar libre de contaminantes, incluidos fagos.

-4. Sus requerimientos nutricionales deberían ser satisfechos a partir de medios de cultivo de costo reducido.

-5. Debe ser de fácil conservación por largos períodos de tiempo, sin pérdida de sus características particulares.

-6. Debería llevar a cabo el proceso fermentativo completo en un tiempo corto.

- 7. Si el objetivo del proceso es un producto, éste debería ser de alto rendimiento y de fácil extracción del medio de cultivo.

Objetivos de la conservación de los cultivos:

a)Preservar la pureza genética del cultivo sin pérdida de ninguna de sus propiedades bioquímicas

b) Preservar los niveles de su productividad inicial

c) Lograr que el cultivo pueda ser transportado y manejado con facilidad.

Optimización del medio y condiciones

de cultivo Mejoramiento genético de

la cepa

Selección natural de variantes

Mutación inducida

Recombinación genética

Obtención de nuevas cepas por ingeniería

genética

Requerimientos nutricionales-Metabolismo celular:

Autotrófico: microorganismos que obtienen el carbono del C02 como las algas

Heterotróficos: necesitan compuestos orgánicos como fuente de carbono.

- Aerobio o anaerobio: En la ausencia del 02 , el N03 o S04 son utilizados como aceptores de electrones por algunas bacterias. Las bacterias metanogénicas son auxótrofos anaerobios, H2 para reducir el C02 a CH4 para obtener energía. Otras protistas obtienen su energía, en condiciones anaerobias de compuestos orgánicos.

- Fuentes de nitrógeno: inorgánica u orgánica. El nitrógeno es utilizado para la biosíntesis de proteínas, ácidos nucleicos y polímeros de la pared celular.

- Aminoácidos

- Macronutrientes: P y S. El fósforo se incorpora en ácidos nucleicos, y polímeros celulares. El S es asimilado para la síntesis de aminoácidos azufrados, y otros componentes.

Requerimientos nutricionales

- Micronutrientes

a) Los que son esenciales para el crecimiento

(Ca, Mn, Fe, Co, Cu y Zn)

b) Los que son raramente esenciales

(B, Na, Al, Si, Cl, V, Cr, Ni, As, Se, Mo, Sn)

Requerimientos nutricionales

Tanque agitado Air lift

Biorreactores

Salto de escala

Implica el paso en el cual un procedimiento desarrollado con éxito en el laboratorio, en volúmenes reducidos, es modificado para ser usado en fermentaciones de gran tamaño, manteniendo las mismas condiciones.

Tener éxito en el salto de escala querrá decir conseguir la máxima producción en la planta, en el mínimo de tiempo y con el mínimo de costes.

Relación del biocatalizador con el medio y el agua

Cinética del proceso y la entrada de medio

La dinámica con que se realizara el proceso

depende más del producto que del microorganismo.

Considerando la cinética de la entrada de medio

podemos clasificar 3 tipos de cultivo:

- Discontinuos (o batch)

- Discontinuos con alimentación (Fed – batch)

- Continuos

Equipos auxiliares

Biorreactor instrumentalizado de laboratorio - OD, T, pH, ES: sensores de O2 disuelto, temperatura, de pH y de espuma - AE, OH-, H+: recipientes con antiespumante, álcali y ácido - F: Filtros de aire - M: Motor de rompeespumas y de la agitación (inferior) - PM: Toma de muestras - B: Rompecorrientes -R: Resistencia térmica

BIOINGENIERÍA

BIOLOGÍA MOLECULAR

Diseña y optimiza el medio en el que se desarrolla la célula o en el que actúa el catalizador

Diseña y optimiza a la célula a través del conocimiento de su funcionamiento y el desarrollo de herramientas para su manipulación

ENZIMAS

INGENIERIA GENETICA

diseño y selección de nuevas propiedades enzimáticas en las proteínas

BIOCONVERSIONES

-Fermentaciones industriales con microorganismos modificados -Fermentaciones o procesos de biocatálisis-Diseño de bioreactores y desarrollo de técnicas de cultivo para células animales o vegetales-El uso de animales transgénicos como unidades de producción-Producción de moléculas de interés directamente en plantas-Aprovechamiento de las biomasas-Desarrollo de biosensores

FASES

Homogéneo

Heterogéneo

TIPO DE OPERACION

Continuo

Discontinuo

Semicontinuo

ESTADO DEL BIOCATALIZADOR

En suspensión

Inmovilizadas

Especiales

enzimas (homogéneos)

células(heterogéneos)

• Relación h/Ø: 1• Versátiles: permite cambios, uso multipropósito• Los más empleados• Agitados mecánicamente• Otros elementos: bafles deflectores, rompe-espumas• Aireados (células aerobias)• Transferencia de calor: Serpentines, camisas• Tipo de operación: Discontinua, Semicontinua, Continua

Reactor tipo TANQUE AGITADO

Reactores tipo COLUMNA

- Relación h/Ø: > 6/1, Reactores tubulares (COLUMNAS de BURBUJEO)- Agitados neumáticamente (gas a presión)- Aireados: Distribuidores de aire- Transferencia de calor: Serpentines,Cambiador externo- Tipo de operación: Discontinua, Continua- Accesorios: recirculación (AIR-LIFT)- Células susceptibles daño

Flujo Homogéneo Flujo Heterogéneo

Reactores tipo COLUMNA

ViscosidadVolumen reactor Potencia

Daño celular

Transferencia de calor

Mecánica Baja y alta Pequeño Elevado Elevado

Generaciónelevada

(sistemas no muy

exotérmicos)

Neumática Baja Elevado Alto BajoGeneración

baja(todo tipo de

sistemas)

Tipo de biocatalizador

Enzimas Células

CSTRTubular

Lecho fijoInmovilización

PasivaFiltro biológico

ActivaTanque agitadoLecho fluidizado

Lecho fijoatrapamiento

• Equipos cilíndricos h≈D

• Agitación mecánica

• Mezcla perfecta (líquidos con baja viscosidad)

• Homogeneización: Elevada

• Bajos costes producción

• Gran automatización

• Equipos versátiles

• Enzimas inmovilizadas

partículas suspendidas (filtro)

Partículas retenidas (agitador, bafles)

Circulación partículas

Tanque cesta Tanque (tabiques)

Tanque slurryTanque slurryTanque slurry

Lecho fijo

•Elevadas [E]

•Alto inmovilizado

•Bajos costes producción (automatización)

•Enzimas inmovilizadas

•Cambios en la actividad específica con el tiempo (y la localización)

•Concentración intraparticular y gradientes de pH

•Interacción entre el soporte y el microorganismo o el reactivo

•Población de estructura heterogénea en el reactor

•Cambios fisiológicos en los microorganismos

•Alteraciones en los mecanismos de reproducción y en la cinética de envejecimiento

•Incremento en la sensibilidad mecánica de las partículas de biocatalizador

•Alteración en la capacidad de resistencia a la contaminación

•Alteración de la dinámica del reactor

Crecimiento células en superficies materiales rugososOperación en continuo-VENTAJAS: No pre-producción células Partículas reutilizables Cambio de escala no complicado-DESVENTAJAS: No esterilidad: tratamiento residuos

Filtro biológico

Células Soporte Producto

Cultivo mixto Espuma de poliuretano Tratamiento de residuos

Microorganismos metanogénicos

Espuma de poliuretano Metano

E. coli Espuma de silicona Amilasa

S. cerevisiae Acero o espuma de poliester

Etanol

Clostridium acetobutilicum

Esponja natural Acetona, butanol, etanol

Trichoderma viride Acero Celulasa

Mucor ambiguus Espuma de poliuretano Ác γ-linolénico

Rizopus chimensis Espuma de poliuretano Lipasa

Penicillium chrisogenum

Espuma de poliuretano Penicilina

Tanque agitado- Robustez biocatalizador- Proceso aerobio: limitaciones

Lecho fijo- VENTAJAS:

facilidad operación ↑velocs reacción- DESVENTAJAS:

Taponamiento lecho: Células no viables o resting cells poco aporte de O2 Eliminación CO2

Lecho fluidizado

- MO aerobios y anaerobios

- MO susceptibles de daño celular

- Fácil Control y medida

- Introducción catalizador activo

- Veloc. mínima fluidización con recirculación líquido

- Pequeñas partículas con elevada área

- Mala estabilidad

- Complejidad diseño

- No esterilidad

Reactor Células Inmovilización Producto

Lecho fijo E. coli Gel poliacrilamida

fumárico⇒aspártico

S. cerevisiae Alginato cálcico

Etanol

Brevibacterium flavum

Colágeno Ácido glutámico

Lecho fluidizado

Cultivo mixto --- Tratamiento aguas

Tanque agitado

Células animales --- Anticuerpos monoclonales

Los procesos de la industria textil pueden dividirse en cuatro etapas principales:

1)producción de la hebra

2)hilado, tejido

3)acabado de los tejidos

4)fabricación del producto textil.

AMILASAS (almidón monosacáridos) Actualmente se utilizan las amilasas bacterianas provenientes de Bacillus subtilis y Bacillus lichenformis, estables a altas temperaturas. Según su temperatura óptima, se distinguen 3 grupos de amilasas: •temperatura óptima de 60-70ºC: se utiliza para el desengomado en un baño de larga duración (2 a 6 horas) •temperatura óptima de 80ºC: usadas en máquinas de lavado continuo por algunos minutos. •temperatura óptima 100ºC: tratamientos con vapor por 1 a 2 minutos.

LIPASAS ( triacilgliceroles ácidos grasos, diacilglicerol, monoacilglicerol) Son usadas, junto con las amilasas, para el desengrasado de las fibras.

PECTINASAS Extraen pectinas de la pared de las células primarias del algodón. Numerosos estudios realizados muestran que un tratamiento usando solamente pectinasa, seguido por un enjuagado en agua caliente, es capaz de hacer que la fibra de algodón se vuelva hidrófila y absorbente, facilitando su posterior utilización.

CATALASAS (2 H2O2 2 H2O + O2)Descompone en oxígeno y agua el peróxido de hidrógeno (H202)

residual después del blanqueo de las fibras de algodón.La remoción de este producto es necesaria para que las fibras puedan luego ser teñidas.

PEROXIDASAS (Donante + H2O2 Donante oxidado + H2OLos restos de peróxido de hidrógeno utilizados en la etapa de blanqueo, pueden provocar pequeñas alteraciones en la tonalidad. La utilización de peroxidasas reduce el peróxido de hidrógeno, reduce la cantidad de agente reductor inorgánico y no causan problemas ecológicos, como la elevada carga de sales en los efluentes.

CELULASAS (celulosa glucosa)- Degradan las fibras de la superficie (fibras sueltas y microfibrillas) haciendo a los tejidos más lisos y blandos. - Producir la apariencia “stonewashed” en los jeans, reemplazando el uso piedra pomez (no biodegradables).-Se utilizan para otorgar textura aterciopelada similar a la seda natural.

LACASAS -biodegradación de polímeros con grupos aromáticos fenólicos.- oxidación del índigo (colorante de tipo fenólico) en la preparación de telas para jeans. - Especificidad a gran número de compuestos no biodegradables, se utiliza en tratamientos de efluentes industriales.

TRATAMIENTO DE EFLUENTESLos efluentes textiles poseen un elevado contenido de colorantes y aditivos no biodegradables.-Bacillus subtillis adaptado para biodegradar colorantes del tipo "azo" bajo condiciones anóxicas (con deficiencia de oxígeno). - Pseudomonas sp y Sphingomonas sp, degradación de azo-colorantes.-Hongos (Phanerochaete chrysosporium, Pleorotus ostreatus, Trametes versicolor, Trametes hirsuta, etc) degradan varios tipos de colorantes textiles. Poseen la capacidad de mineralizar, además de la lignina, una variedad de contaminantes resistentes a la degradación. -Enzimas recombinantes: Por ejemplo, existen enzimas alfa amilasa y lipasas y celulasas obtenidas a partir de microorganismos recombinantes

Proteasas y lipasas- Remojo: producen rehidratación más eficiente, mejor abertura de la fibra y penetración de reactivos, degradación y dispersión de excesos grasos, remoción de carbohidratos y proteínas de la piel. -Pelambre: remoción de pelo o lana, remoción de epidermis, remoción de componentes residuales y no estructurales, remoción/dispersión de componentes adiposos, reducción de la carga de efluentes.- Purga: Limpiar la piel de pelos y epidermis degradados, promover la remoción de proteínas no estructurales, auxiliar en la remoción de carbohidratos

También se aplican en desengrasado, tratamiento de efluentes

Celulasas y Hemicelulasas Aumentan el área de enlaces entre fibras, mejorando algunas propiedades de los papeles. Fuente: Bacterias termófilas Clostridium, Streptomyces, Thermomonospora y Thermobifida.

AmilasasProvoca un debilitamiento de la estructura superficial del papel. También podrían ser utilizadas para facilitar el desprendimiento del tóner en los papeles impresos

Xilanasas Mejora blancura del papel . permite una reducción en el uso de cloro y soda cáustica.

MicroorganismosHongos Basidiomicetes: capaces de degradar la lignina , producen un blanqueamiento de la madera.

Tratamiento de efluentesUtilizan enzimas y bio-dispersantes controlar niveles de DBO (demanda biológica de Oxígeno) y acelerar el tiempo de tratamiento del ambiente.

Biocombustibles provienen de la biomasa, o materia orgánica que constituye todos los seres vivos del planeta. La biomasa es una fuente de energía renovable, pues su producción es mucho más rápida que la formación de los combustibles fósiles.

Tipos de combustibles obtenidos de la biomasa

Sólidos Líquidos GaseososPaja

Leña sin procesarAstillas

BriquetasCarbón vegetal

AlcoholesBiohidrocarburos

Aceites vegetales y ésteres derivadosAceites de pirolisis

Gas de Gasógeno

BiogásHidrógeno

Proceso de obtención de biocombustiblesMecánicos Termoquímicos Biotecnológicos Extractivos

Técnicas Astillado

Trituración

Compactación

Pirolisis Gasificación Fermentación

Digestión anaerobia

Extracción físico-

química

Productos Leñas

Astillas

Briquetas

Aserrín

Carbón

Aceites

Gas de gasógeno

Etanol

Varios

Biogás

Co2, CH4

Aceites

Ésteres

Hidrocarburo

Aplicaciones

Calefacción

Electricidad

Calefacción

Electricidad

Transporte

Industria química

Calefacción

Electricidad

Transporte

Industria química

Transporte

Industria química

Calefacción

Electricidad

Transporte

Industria química

Ingeniería genética para el mejoramiento de cultivos, reduciendo costos de cultivo y aumentan el potencial de producción de forma significativa. Aumentan la competitividad de los cultivos energéticos en relación con los combustibles fósiles.

Proyectos en desarrollo: -obtención de levaduras OGM para la producción de bioetanol a partir de desechos agrícolas- modificación genética de bacterias para optimizar la conversión de la pulpa de la remolacha azucarera, en una importante fuente renovable de metanol.

Ventajas:- 40% menos en costo de horas maquina- menor uso de materiales (arcilla o grava)- menor uso de agua- aprovecha factores físicoquimicos y biológicos de los materiales de construcción. - estable y resistente

Levadura genéticamente modificada, que normalmente produce alcohol, produce musina (polímero de aminoácidos rodeado de un polímero de azucares). El contacto con el suelo permite la identificación de sales orgánicas e inorgánicas, por lo que se produce una reacción que permite su compactación, una mayor resistencia y durabilidad.