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.
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