Ingenieria de FermentacionesIngenieria de Fermentaciones
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Exámenes parcialesExámenes parciales
29 de enero26 de febrero1 de abril29 de abril
1. De la Microbiología 1. De la Microbiología Industrial a la Industrial a la BiotecnologíaBiotecnología
BIOTECNOLOGÍA
Diagnósticosmédicos
Industria farmacéutica
Industria alimentariaY forrajera
Ingenieríade procesos
Industria de lafermentación
Ambiente yenergía
Industria química
Bioquímica
Biología celular
Biología molecular
Genética molecular Microbiología
PRODUCTOS TIPICOS EN PRODUCTOS TIPICOS EN INGENIERIA BIOQUIMICAINGENIERIA BIOQUIMICA
Ácidos orgánicos
Alcoholes y solventes
AntibióticosProteína unicelular
Esteroides
Otros
Aminoácidos
Vitaminas
Ejemplos:Ejemplos:
Ácidos orgánicos: acético, cítrico, fumárico, glucónico, itacónico, láctico.
Aminoácidos: glutamato de sodio, L-lisina, L-metionina, L-triptofano, L-valina
Alcoholes y solventes: Acetona, butanol, 2,3 butanodiol, etanol, glicerol
Antibióticos: bacitracina, estrepto-micina, neomicina, penicilina, tetraciclina
Ejemplos:Ejemplos:
Esteroides: cortisona, hidrocortisona, prednisolona, testosterona, triamci-nolona.
Proteína unicelular: Algas, bacterias, levaduras, hongos
Vitaminas: ácido ascórbico, cianocoba-lamina, -caroteno, rivoflavina
Otros: alcaloides, enzimas, insectici-das biológicos, metano, nucleótidos, polisacáridos
Principales productos de la Principales productos de la biotecnología comercializados:biotecnología comercializados:
Bebidas alcohólicas Quesos Antibióticos Alcohol Reactivos de diagnóstico Jarabes de alto contenido en
fructosa Aminoácidos Levadura para panificación Esteroides
Principales productos de la Principales productos de la biotecnología comercializados biotecnología comercializados (cont.):(cont.): Vitaminas Ácido cítrico Enzimas Vacunas Albúmina Insulina Urokinasa Factor humano VIII Hormona del crecimiento Insecticidas microbianos
Tendencias de la Tendencias de la Tecnología a FuturoTecnología a Futuro
Fuente: The Futurist, Nov.-Dic. 1997
FermentaciónFermentación
Del latín fervere = ebullir
Acción de las levaduras sobre extractos de frutas o granos
Apariencia de producción de ebullición CO2
FermentaciónFermentación
Significado para bioquímicos:generación de energía por el
catabolismo de compuestos orgánicos
Significado para microbiólogos industriales:
Es mucho más amplio. Cualquier proceso para la generación de un producto mediante el cultivo másico de un microorganismo
AZÚCARESAZÚCARES
NUCLEÓTIDOSDE PIRIDINAREDUCIDOS
La oxidación de nucleótidos reducidos acoplada con la
reducción de un compuesto orgánico
Transferencia de electronesvía sistema citocromoactuando el O2 como
aceptor terminal de electrones
CONDICIONESAERÓBICAS
CONDICIONESANAERÓBICAS
PROCESOOXIDATIVO
CATABOLISMO
Productos de la fermentación Productos de la fermentación bacteriana del piruvatobacteriana del piruvato (Dawes y Large, 1982) (Dawes y Large, 1982)
A: bacterias ácido lácticas (Streptococcus, Lactobacillus)
B: Clostridium propionicum C: Levaduras, Acetobacter, Zymomonas,
Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora E: Clostridia F: Klebsiella G: Levaduras H: Clostridia (organismos butíricos y
butílicos) I: Bacterias ácido propiónicas
1.1. Tipos de procesos 1.1. Tipos de procesos biotecnológicosbiotecnológicos
a) Aquellos que producen células microbianas (biomasa) como producto
b) Aquellos que producen enzimas microbianas
c) Aquellos que producen metabolitos microbianos
d) Aquellos que modifican algún compuesto, el cual se ha adicionado a la fermentación (proceso de transformación)
Ejemplos de productos de diferentes Ejemplos de productos de diferentes categorías en la biotecnologíacategorías en la biotecnología
(Cooney, 1983)(Cooney, 1983)
Masa celular Levadura de Baker, proteína celular
Componentes celulares
Proteínas intracelulares
Productos biosintéticos
Antibióticos, vitaminas, aminoácidos, ácidos orgánicos
Ejemplos de productos de diferentes Ejemplos de productos de diferentes categorías en la biotecnologíacategorías en la biotecnología
(Cooney, 1983)(Cooney, 1983)
Productos catabólicos
Etanol, metano, ácido láctico
Bioconversión
Jarabe de maíz rico en fructosa, ácido 6-amino penicilánico
Tratamiento de desechos
Lodo activado, digestión anaerobia
a) Procesos para la a) Procesos para la producción de biomasaproducción de biomasa
Proceso de fabricación relacionado con el crecimiento
CONDICIONES ÓPTIMAS
MAYOR CRECIMIENTO De acuerdo al sustrato que utilizan
se clasifican en: Sustratos naturales y Sustratos preparados a partir de productos químicos puros
Sustratos naturalesSustratos naturales
Preparados a partir de productos o subproductos naturales, ejem: mostos
Complejidad y poca versatilidad de los sustratos
Requieren de investigación ingenieríl previa muy profunda, para determinar condiciones óptimas de proceso
Sustratos preparados a partir de Sustratos preparados a partir de productos químicos purosproductos químicos puros
Fuentes de carbono fijas para la producción de energía y proteínas en forma económica.
Se usaron crudos de petróleo y productos derivados de éste (como metanol)
Sustrato conocido y fácil de seguir en su reacción
Producción comercial de Producción comercial de masa microbianamasa microbiana
1. Producción de levaduras para la industria panificadora
2. Producción de células microbianas (proteína unicelular) utilizada como alimento humano o para animal
TIEMPOS TÍPICOS DE DUPLICACIÓN TIEMPOS TÍPICOS DE DUPLICACIÓN PARA MICROORGANISMOS, PLANTAS PARA MICROORGANISMOS, PLANTAS
Y ANIMALESY ANIMALES
Organismo Tiempo de duplicación (h)
Bacterias, hongos y levaduras
0.3 – 2
Algas 2 – 50
Pastizales 170 – 340
Aves 340 – 680
Cerdos 680 – 1,000
Ganado 680 – 13,600
b) Enzimas microbianasb) Enzimas microbianas
Se producen a partir de fuentes vegetales, animales y microbianas
Ventaja de enzimas microbianas: se producen en grandes cantidades mediante técnicas de fermentación perfectamente establecidas
Se utilizan principalmente en el área de alimentos e industrias relacionadas
Enzimas de uso común en la Enzimas de uso común en la industriaindustria
ENZIMAENZIMA FUENTEFUENTE USOSUSOS
- Amilasa Aspergillus oryzalBacillus amyloliquefaciensBacillus licheniformis
Hidrólisis de almidón (mieles, cervecería), Textiles y papel
Celulasas Aspergillus sp.Trichoderma ruseiPenicilliun sp.
Procesamiento de frutas y hortalizas
-Glucanasa Bacillus subtilisAspergillus niger
Hidrólisis (-glucanos) en cervecería
Enzimas de uso común en la Enzimas de uso común en la industriaindustria(cont.)(cont.)
ENZIMAENZIMA FUENTEFUENTE USOSUSOS
Glucoamilasa
Aspergillus nigerRhizopus sp.
Producción de mieles de glucosa
Glucosa Isomerasa
Actinoplanes missouriensisStrptomicetes sp.
Isomerización de glucosa en mieles
Lactasa Sacharomices sp. Hidrólisis de lactosa en leche y suero
Enzimas de uso común en la Enzimas de uso común en la industriaindustria(cont.)(cont.)ENZIMAENZIMA FUENTEFUENTE USOSUSOS
Lipasa Aspergillus sp.Mucor sp.Rhizopus sp.
Modificación de sabor en queso y mantequilla. Procesamiento de grasa y aceite
Pectinasa Aspergillus niger Extracción y clarificación de jugos
Proteasa Bacillus amiloliquenfaciens
Panadería y cervecería
c) Metabolitos microbianosc) Metabolitos microbianos
El crecimiento de un cultivo se divide en una serie de etapas:
Periodo de adaptación o fase lag
Fase exponencial o logarítmicaFase estacionariaFase de muerte
Comportamiento de cultivo de acuerdo a los productos obtenidos en cada etapa:
Fase logarítmica (TROFOFASE): Los productos generados son esenciales para el crecimiento de las células (aminoácidos, nucleótidos, proteínas, ácidos nucleícos, lípidos, carbohidratos, etc.) PRODUCTOS PRIMARIOS del metabolismo
Fase estacionaria (IDIOFASE): Compuestos que no tienen una función obvia en el metabolismo microbiano PRODUCTOS SECUNDARIOS
PRODUCTOS DEL METABOLISMO PRODUCTOS DEL METABOLISMO PRIMARIOPRIMARIO
Metabolito Metabolito PrimarioPrimario
Importancia ComercialImportancia Comercial
Etanol “Ingrediente activo” en bebidas alcohólicas. Combustible en motores mezclado con petróleo
Ácido cítrico Diversos usos en la industria de alimentos
Acetona y butanol Solventes
Ácido glutámico Potenciador de sabor
PRODUCTOS DEL METABOLISMO PRODUCTOS DEL METABOLISMO PRIMARIO (cont.)PRIMARIO (cont.)
Metabolito Metabolito PrimarioPrimario
Importancia ComercialImportancia Comercial
Lisina Suplemento alimenticio
Nucleótidos Potenciador de sabor
Polisacáridos Diversas aplicaciones en la industria de alimentos, recuperación de aceites
Vitaminas Suplemento alimenticio
METABOLISMO SECUNDARIOMETABOLISMO SECUNDARIO
No todos los microorganismos lo presentan
Común entre bacterias filamentosas, hongos y bacterias esporulantes
No se presenta en enterobacterias
Propiedades de productos Propiedades de productos secundarios:secundarios:
Actividad antimicrobiana
Inhibición específica de enzimas
Promotores de crecimiento
Propiedades farmacológicas
Relación entre metabolismo Relación entre metabolismo primario y secundarioprimario y secundario(Turner, 1971)(Turner, 1971)
Las rutas del catabolismo primario se muestran en la siguiente figura en líneas obscuras
Los productos secundarios se identifican con letra itálica
d) Procesos de d) Procesos de transformacióntransformación
Se utilizan células microbianas para convertir un compuesto en otro estructuralmente relacionado pero de mayor valor
Las reacciones que pueden ser Las reacciones que pueden ser cataliza-das para efectuar este cataliza-das para efectuar este proceso son:proceso son:
Deshidrogenación Oxidación Hidroxilación Deshidratación y condensación Descarboxilación Aminación Desaminación Isomerización
Ventajas de los procesos Ventajas de los procesos microbianos sobre los puramente microbianos sobre los puramente químicos:químicos:
Son muy específicos
Operan a bajas temperaturas
No requieren de metales pesados como catalizadores
Ejemplos de procesos de Ejemplos de procesos de transformación:transformación:
Producción de vinagre
Producción de esteroides
Producción de antibióticos
Producción de prostaglandinas
Problema de los procesos de Problema de los procesos de transformación:transformación:
Se tiene que producir una gran masa microbiana para catalizar la reacción
ENZIMAS
o
CELULAS INMOVILIZADAS
1.2. Historia de la 1.2. Historia de la Microbiología IndustrialMicrobiología Industrial
1. Período de ignorancia (antes de 1800)
2. Período de descubrimiento(1800 – 1900)
3. Período de desarrollo industrial(posterior a 1900)
Período de ignoranciaPeríodo de ignoranciaCavernícolas: almacenaban carne para mejorar su sabor, producían bebidas intoxicantes a partir de frutas y granos
Período a. C.: Diversas civilizaciones producían queso, yogurt y salsas de leguminosas
Año 4000 a. C.: pan, vino y cerveza
Período de descubrimientoPeríodo de descubrimiento
Siglo XVIII: desarrollo del microscopio y descubrimiento de los microorganismos. THENARD sugiere que los m.o. producen el alcohol del vino
Siglo XIX: Pasteur demostró que eran correctas las ideas de Thenard. Hansen aisló y propagó cultivos de levadura (cervecería Carlsberg).Se descubre que algunas enfermedades son causadas por m.o. Emmerich y Low aislaron de bacterias la FIOCIANASA (primer antibiótico)1ros pasos para tratar aguas residuales con m.o.
Período de desarrollo Período de desarrollo industrialindustrial
1900 - 1950: desarrollo procesos fermentativos industriales: fermentaciones alcohólicas, producción de ácidos acético, láctico, cítrico y glucónico, acetona, butanol y glicerol. Procesos AEROBICOS y ANAEROBICOS.
Durante la Segunda Guerra Mundial: producción de penicilina
Durante la post-guerra: Se presentó un retroceso debido al crecimiento de la industria petroquímica
Período de desarrollo Período de desarrollo industrialindustrial
Años 60’s: Avance importante debido a la investigación para la producción de masa microbiana como fuente de proteína, por parte de compañías multinacionales
Última fase de desarrollo: inicia con el desarrollo de las manipulaciones genéticas de m.o. IN VITRO, dando origen a la INGENIERIA GENETICA
Calendario de eventos Calendario de eventos (según Houwink, 1984)(según Houwink, 1984)
La era pre-Pasteur (antes de 1865): Bebidas alcohólicas (cerveza, vino) Productos lácteos (queso, yogurt) Otros alimentos fermentados
La era Pasteur (1865-1940): Etanol, butanol, acetona, glicerol Ácidos orgánicos (ácido cítrico) Tratamiento aerobio de agua residuales
Calendario de eventos Calendario de eventos (según Houwink, 1984)(según Houwink, 1984)
La era de los antibióticos (1940-1960):Penicilinas: tecnología de la
fermentación sumergidaGran variedad de antibióticosTecnología de la estructura de la célula
animal: vacunas contra virus Transformaciones microbiológicas de
esteroides
Calendario de eventos Calendario de eventos (según Houwink, 1984)(según Houwink, 1984)
La era de los post-antibióticos (1960-1975): Aminoácidos Proteína celular Enzimas (detergentes) Tecnología de las células y las enzimas
inmovilizadas (glucosa isomerasa) Tratamiento anaerobio de aguas de desecho Polisacáridos bacterianos (goma de xantán) Gasohol
Calendario de eventos Calendario de eventos (según Houwink, 1984)(según Houwink, 1984)
La era de la nueva biotecnología (1975 -):Tecnología de los hibridomas:
anticuerpos monoclonalesPruebas diagnósticas con anticuerpos
monoclonales (1980)Ingeniería genética (1974)Vacunas de origen animal contra la
diarrea (1982)Insulina humana (1982)
1.3. Elementos de un proceso 1.3. Elementos de un proceso biotecnológicobiotecnológico
i. Formulación del medio de cultivoii. Esterilización del medio, bioreactores y
equipo de apoyoiii. Producción de un cultivo activo y puroiv. Crecimiento del m.o. en el bioreactor
bajo condiciones óptimas para la formación del producto
v. Extracción y purificación del productovi. Manejo de los efluentes generados en el
proceso
DESARROLLO DE INÓCULO
Cultivo
stock
Biorreactorde
siembra
Biorreactorde
producción
Constituyentes del medio
FORMULACIÓN DEL MEDIO
ESTERILIZACIÓN DEL MEDIO
Cultivo(fluido)
Biomasa
SEPARACIONDE
CELULAS
Sobrenadante
EXTRACCIÓN DEL
PRODUCTO
TRATAMIENTO DE
EFLUENTES
PURIFICACIÓN
EMPAQUE