Micro Industrial Uno

5/13/2018 Micro Industrial Uno - slidepdf.com

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Microbiología IndustrialMicrobiología Industrial

Dr. Jorge Welti Chanes

1. De la Microbiología1. De la Microbiología

Industrial a la BiotecnologíaIndustrial a la Biotecnología

BIOTECNOLOGÍA

Diagnósticos

médicos

Industriafarmacéutica

Industria alimentaria

Y forrajera

Ingenieríade procesos

Industria de lafermentación

Ambiente yenergía

Industria química

Bioquímica

Biología celularBiología molecular

Genéticamolecular Microbiología

PRODUCT OS TIPICOS ENPRODUCT OS TIPICOS EN

INGENIERIA BIOQUIMICAINGENIERIA BIOQUIMICAÁcidos orgánicos

Alcoholes y solventes

AntibióticosProteí na unicelular

Esteroides

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, F-caroteno, rivoflavina Otros: alcaloides, enzimas, insectici-

das biológicos, metano, nucleótidos,

polisacáridos

Principales productos de laPrincipales productos de labiotecnología comercializados:biotecnología comercializados:

Bebidas alcohólicasQuesos

Antibióticos Alcohol Reactivos de diagnóstico

Jarabes de alto contenido en fructosa Aminoácidos Levadura para panificación

Esteroides

Principales productos de laPrincipales productos de labiotecnología comercializados (cont.):biotecnología comercializados (cont.): Vitaminas Ácido cítrico Enzimas Vacunas Albúmina Insulina Urokinasa Factor humano VIII Hormona del crecimiento Insecticidas microbianos

FermentaciónFermentación

Del latín fervere = ebullir

Acción de las levadurassobre extractos defrutas o granos

Apariencia de producción deebullición CO2

FermentaciónFermentación

Significado para bioquímicos:generación de energía por el

catabolismo de compuestos orgánicos

Significado para microbiólogosindustriales:

Es mucho más amplio. Cualquierproceso para la generación de unproducto mediante el cultivo másico

de un microorganismo

1.1. Tipos de procesos biotecnológicos1.1. Tipos de procesos biotecnológicos

a) Aquellos que producen célulasmicrobianas (biomasa) como producto

b) Aquellos que producen enzimasmicrobianas

c) Aquellos que producen metabolitosmicrobianos

d) Aquellos que modifican algúncompuesto, el cual se ha adicionado ala fermentación (proceso detransformación)

Ejemplos de productos de diferentesEjemplos 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

Productosbiosintéticos

Antibióticos, vitaminas, aminoácidos,ácidos orgánicos

Ejemplos de productos de diferentesEjemplos de productos de diferentes

categorías en la biotecnologíacategorías en la biotecnología(Cooney, 1983)(Cooney, 1983)

Productos catabólicos Etanol, metano, ácido láctico

BioconversiónJarabe de maíz rico en fructosa,

ácido 6-amino penicilánico

Tratamiento de desechos Lodo activado, digestión anaerobia

a) Procesos para laa) Procesos para la

producción de biomasaproducción de biomasa Proceso de fabricación relacionado

con el crecimiento CONDICIONES ÓPTIMAS

MAYOR CRECIMIENT O De acuerdo al sustrato que utilizan seclasifican en: Sustratos naturales ySustratos preparados a partir deproductos químicos puros

Sustratos naturalesSustratos naturales

Preparados a partir de productos osubproductos naturales, ejem: mostos

Complejidad y poca versatilidad de lossustratos

Requieren de investigación ingenierílprevia muy profunda, para determinarcondiciones óptimas de proceso

Sustratos preparados a partir deSustratos 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 (comometanol)

Sustrato conocido y fácil de seguir en

su reacción

Producción comercial de masaProducción comercial de masa

microbianamicrobiana

roducción de levaduras para laindustria panificadora

roducción de células microbianas(proteína unicelular) utilizada comoalimento humano o para animal

TIEMPOS TÍPICOS DE DUPLICACIÓNTIEMPOS TÍPICOS DE DUPLICACIÓNPARA MICROORGANISMOS,PARA MICROORGANISMOS,

PLANTAS Y ANIMALESPLANTAS Y ANIMALESOrganismo

Tiempo de duplicación(h)

Bacterias, hongos ylev aduras

0.3 ² 2

Algas 2 ² 50

Pastizales 170 ² 340Aves 340 ² 680

Cerdos 680 ² 1,000

Ganado 680 ² 13,600

b) Enzimas microbianasb) Enzimas microbianas Se producen a partir de fuentes

vegetales, animales y microbianas Ventaja de enzimas microbianas: seproducen en grandes cantidadesmediante técnicas de fermentación

perfectamente establecidas Se utilizan principalmente en el área

de alimentos e industrias relacionadas

Enzimas de uso común en la industriaEnzimas de uso común en la industria

ENZIMAENZIMA FUENTEFUENTE USOSUSOS

E- Amilasa

Aspergillus oryzal

Bacillus

amyloliquefaciensBacillus licheniformis

Hidrólisis de almidón

(mieles, cervecería),

Textiles y papel

Celulosas

Aspergillus sp.

Trichoderma ruseiPenicilliun sp.

Procesamiento de frutas y

hortalizas

F-Glucanasa Bacillus subtilisAspergillus niger

Hidrólisis ( F-glucanos)

en cervecería

Enzimas de uso común en la industriaEnzimas de uso común en la industria(cont.)(cont.)

GlucoamilasaAspergillus niger

Rhizopus sp.

Producción de mieles

de glucosa

Glucosa IsomerasaActinoplanesmissouriensis

trptomicetes sp.

Isomerización de

glucosa en mieles

Lactasa Sacharomices sp.Hidrólisis de lactosa

en leche y suero

Enzimas de uso común en la industriaEnzimas de uso común en la industria(cont.)(cont.)

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 Bacillusamiloliquenfaciens 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 logarí tmica Fase estacionaria Fase de muerte

Comportamiento de cultivo de acuerdo a losproductos obtenidos en cada etapa:

Fase logarí tmica (TROFOFASE): Losproductos generados son esenciales parael crecimiento de las células

(aminoácidos, nucleótidos, proteínas,ácidos nucleícos, lípidos, carbohidratos,etc.) PRODUCTOS PRIMARIOS delmetabolismo

Fase estacionaria (IDIOFASE): Compuestos que no tienen una funciónobvia en el metabolismo microbiano

PRODUCTOS SECUNDARIOS

PRODUCT OS DEL METABOLISMO PRODUCT OS DEL METABOLISMO

PRIMARIOPRIMARIOMetabolito PrimarioMetabolito Primario Importancia ComercialImportancia Comercial

Etanol

´Ingrediente activoµ en bebidas

alcohólicas.Combustible en motores mezclado conpetróleo

Ácido cítrico Diversos usos en la industria de alimentos

Acetona y butanol Solventes

Ácido glutámico Potenciador de sabor

PRODUCT OS DEL METABOLISMO PRODUCT OS DEL METABOLISMO

PRIMARIO (cont.)PRIMARIO (cont.)Metabolito PrimarioMetabolito Primario Importancia ComercialImportancia Comercial

LisinaS

uplemento alimenticio

Nucleótidos Potenciador de sabor

PolisacáridosDiversas 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 productosPropiedades de productos

secundarios:secundarios: Actividad antimicrobiana

Inhibición específica de enzimas

Promotores de crecimiento

Propiedades farmacológicas

Relación entre metabolismoRelación entre metabolismo

primario y secundarioprimario y secundario(Turner, 1971)(Turner, 1971)

Las rutas del catabolismo primario semuestran en la siguiente figura enlíneas obscuras

Los productos secundarios seidentifican con letra itálica

d) Procesos de transformaciónd) Procesos de transformación

Se utilizan células microbianas paraconvertir un compuesto en otroestructuralmente relacionado pero demayor valor

Las reacciones que pueden ser catalizaLas reacciones que pueden ser cataliza--das para efectuar este proceso son:das para efectuar este proceso son:

Deshidrogenación Oxidación Hidroxilación Deshidratación y condensación Descarboxilación Aminación Desaminación Isomerización

Ventajas de los procesos microbianosVentajas de los procesos microbianos

sobre los puramente químicos:sobre los puramente químicos:

Son muy específicos

Operan a bajas temperaturas

No requieren de metales pesadoscomo catalizadores

Ejemplos de procesos deEjemplos de procesos de

transformación:transformación:

Producción de vinagre

Producción de esteroides

Producción de antibióticos

Producción de prostaglandinas

Problema de los procesos deProblema de los procesos de

transformación:transformación:

Se tiene que producir una

gran masa microbiana paracatalizar la reacción

ENZIMAS

CELULAS INMOVILIZADAS

1.2. Historia de la Microbiología1.2. Historia de la Microbiología

IndustrialIndustrial Período de ignorancia

(antes de 1800) Período de descubrimiento

(1800 ² 1900) Período de desarrollo industrial

(posterior a 1900)

Período de ignoranciaPeríodo de ignorancia

Cavernícolas: almacenabancarne para mejorar su sabor,producían bebidas intoxicantesa partir de frutas y granos

Período a. C.: Diversas civilizacionesproducían queso, yogurt y salsas deleguminosas

Año 4000 a. C.: pan, vino y cerveza

Período de descubrimientoPeríodo de descubrimiento

Siglo XVIII: desarrollo del microscopio ydescubrimiento de los microorganismos. THENARDsugiere que los microorganismos producen el alcohol delvino

Siglo XIX: Pasteur demostró que eran correctas lasideas de Thenard.Hansen aisló y propagó cultivos de levadura (cerveceríaCarlsberg).

Se descubre que algunas enfermedades son causadas pormicroorganismos Emmerich y Low aislaron de bacteriasla FIOCIANASA (primer antibiótico)

Primeros pasos para tratar aguas residuales conmicroorganismos.

Período de desarrollo industrialPeríodo de desarrollo industrial

1900 - 1950: desarrollo procesosfermentativos industriales: fermentacionesalcohólicas, producción de ácidos acético,láctico, cítrico y glucónico, acetona, butanol

y glicerol.P

rocesos AERO

yANAEROBICOS.

Durante la Segunda Guerra Mundial:producción de penicilina

Durante la post-guerra: Se presentó unretroceso debido al crecimiento de laindustria petroquímica

Período de desarrollo industrialPeríodo de desarrollo industrial

Años 60·s: Avance importante debidoa la investigación para la producciónde masa microbiana como fuente deproteína, por parte de compañías

multinacionalesÚltima fase de desarrollo: inicia con el

desarrollo de las manipulacionesgenéticas de microorganismos INVIT RO, dando origen a la INGENIERIAGENETICA

Calendario de eventosCalendario de eventos

(según Houwink,198

4)(según Houwink,198

4) 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, glicerolÁcidos orgánicos (ácido cítrico)Tratamiento aerobio de agua residuales

(según Houwink, 1984)(según Houwink, 1984) La era de los antibióticos (1940-1960):

Penicilinas: tecnología de la fermentaciónsumergida

Gran variedad de antibióticosTecnología de la estructura de la célula

animal: vacunas contra virusTransformaciones microbiológicas de

esteroides

(según Houwink, 1984)(según Houwink, 1984) La era de los post-antibióticos (1960-1975):

AminoácidosProteína celularEnzimas (detergentes)Tecnología de las células y las enzimas

inmovilizadas (glucosa isomerasa)Tratamiento anaerobio de aguas de desechoPolisacáridos bacterianos (goma de xantán)

(según Houwink, 1984)(según Houwink, 1984) La era de la nueva biotecnología (1975 -):

Tecnología de los hibridomas: anticuerposmonoclonales

Pruebas diagnósticas con anticuerposmonoclonales (1980)

Ingeniería genética (1974)Vacunas de origen animal contra la diarrea

(1982)Insulina humana (1982)

1.3. Elementos de un proceso1.3. Elementos de un procesobiotecnológicobiotecnológico

i. Formulación del medio de cultivoii. Esterilización del medio, bioreactores y

equipo de apoyoiii. Producción de un cultivo activo y puroiv. Crecimiento del microorganismos en el

bioreactor bajo condiciones óptimas para la

formación del productov. Extracción y purificación del productovi. Manejo de los efluentes generados en el

proceso

DESARROLLO DE INÓCULO

Cultiv ostock

Biorreactorde siembra Biorreactor

de producción

Constituyentes del medio

FORMULACIÓN DEL MEDIO

ESTERILIZACIÓN DEL MEDIO

Cultiv o(fluido)

Biomasa

SEPARACIONDECELULAS

Sobrenadante

EXTRACCIÓN DEL PRODUCTO

TRATAMIENTO DE EFLUENTESPURIFICACIÓN

EMPAQUE

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