UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTN
FACULTAD DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL
Tecnologa Agroalimentaria II
(TRABAJO ENCARGADO: Cultivos microbianos industriales)
Docente: Ing. Dr. EULER NAVARRO PINEDO
Alumno: Gabriel Irigon Crdova
Cdigo : 112105
Tarapoto Per
2014
CULTIVOS MICROBIANOS INDUSTRIALES
I. INTRODUCCIN El cultivo de microorganismos consiste en
proporcionarles las condiciones fsicas,qumicas y nutritivas
adecuadas para que puedan multiplicarse de forma controlada. En
general, podemos distinguir cultivos lquidos y slidos en funcin de
las caractersticas del medio y cultivos discontinuos y continuos en
funcin de la disponibilidad de nutrientes en el medio.Un
microorganismo necesita para crecer nutrientes que le aporten
energa y elementos qumicos para la sntesis de sus constituyentes
celulares. Dependiendo de la fuente de carbono que utilizan, los
microorganismos se pueden clasificar en auttrofos si es el CO2
atmosfrico (microorganismos que fotosintetizan) y hetertrofos si
utilizan carbono orgnico.La elaboracin de medios de cultivo
requiere proporcionar los elementos antes citados en una forma
asimilable. As, por ejemplo, el C debe estar en forma de carbono
orgnico para los hetertrofos y como CO2 para los auttrofos, el N en
forma de NH4, de NO3 o de NO2 o en forma de aminocidos a los que se
pueda tomar su grupo amino. Adems, en ciertos casos, es necesario
aadir a los medios de cultivo algunos aminocidos o vitaminas que
determinados tipos de microorganismos no pueden sintetizar.Desde
tiempos ancestrales se han obtenido productos en cuya fabricacin
han intervenido los microorganismos, aunque no se haya tenido
conciencia de ello, como ocurra con la fabricacin de queso, vino,
yogur, cerveza, etc.La primera prueba de la existencia de
microorganismos se debe a los "animlculos que Leuweenhoek observ
gracias a su sistema de lentes en el siglo XVIII. Sin embargo, no
fueron estudiados hasta el siglo siguiente por Pasteur.Los primeros
procesos industriales que aprovecharon la accin de microorganismos
fueron procesos de obtencin de alcohol y cidos lctico y ctrico,
entre otros, a principios del s. XX. La Primera Guerra Mundial
potenci la fabricacin de otros productos necesarios para la guerra
por va microbiana, como glicerol o acetona. Sin embargo, es en la
Segunda Guerra Mundial donde la necesidad de antibiticos,
descubiertos poco antes, da el impulso definitivo al estudio de las
capacidades industriales de los microorganismos.As, en los aos 70
se perfeccionan las tcnicas de inmovilizacin de clulas para
aumentar el rendimiento econmico de los cultivos (en medios slidos,
la vida media de los cultivos es mucho mayor, adems de que facilita
la separacin del producto), as como los cultivos en continuo y el
conocimiento en procesos anaerobios.Existe una amplsima diversidad
de microorganismos, entre los que se puede llevar a cabo casi
cualquier reaccin metablica. Sin embargo, y a pesar de su
abundancia, slo unas pocas presentan actualmente inters industrial,
por lo que la bsqueda de una determinada especie con unas ciertas
caractersticas es bastante compleja. Adems, las necesidades
industriales son demasiado elevadas, por lo general, para los
microorganismos. Es por ello que las cepas salvajes son sometidas a
diversas alteraciones con el fin de inculcar a stas las
caractersticas buscadas. Por ello, las cepas industriales pueden
ser muy diferentes de las salvajes originales, y deben patentarse
en alguna de las colecciones de cultivo existentes por el mundo.II.
OBJETIVOS
Conocer el manejo y conservacin de las cepas microbianas de
importancia industrial. Recordar la aplicacin industrial de cada
tipo de microorganismo en la industria alimenticia.
III. REVISIN BIBLIOGRFICACULTIVO DE MICROORGANISMOS
El cultivo de microorganismos consiste en proporcionarles las
condiciones fsicas, qumicas y nutritivas adecuadas para que puedan
multiplicarse de forma controlada. En general, podemos distinguir
cultivos lquidos y slidos en funcin de las caractersticas del medio
y cultivos discontinuos y continuos en funcin de la disponibilidad
de nutrientes en el medio.
MEDIOS DE CULTIVOUn microorganismo necesita para crecer
nutrientes que le aporten energa y elementos qumicos para la
sntesis de sus constituyentes celulares. Dependiendo de la fuente
de carbono que utilizan, los microorganismos se pueden clasificar
en auttrofos si es el CO2 atmosfrico (microorganismos que
fotosintetizan) y hetertrofos si utilizan carbono orgnico.
La frmula elemental de un microorganismo es,
aproximadamente,C4H7O2Nlo que supone que los componentes de las
clulas son: carbono que representa alrededor del 50% del peso seco,
oxgeno (32%), nitrgeno (14%), fsforo (3%), azufre (entorno al 1%) y
otros elementos traza entre los que se encuentran Fe, K, Mg, Mn,
Co,Mb, Cu y Zn.La elaboracin de medios de cultivo requiere
proporcionar los elementos antes citados en una forma asimilable.
As, por ejemplo, el C debe estar en forma de carbono orgnico para
los hetertrofos y como CO2 para los auttrofos, el N en forma de
NH4, de NO3 - o de NO2 - o en forma de aminocidos a los que se
pueda tomar su grupo amino; el P debe estar en forma de PO43-, el S
procede de aminocidos sulfurados o de SO4 2-, etc. Adems, en
ciertos casos, es necesario aadir a los medios de cultivo algunos
aminocidos o vitaminas que determinados tipos de microorganismos no
pueden sintetizar.
MTODOS DE AISLAMIENTOEl aislamiento de bacterias a partir de
muestras naturales se realiza, en la mayora de los casos, mediante
la produccin de colonias aisladas en cultivos slidos. El
crecimiento explosivo de las bacterias permite producir un gran
nmero de ellas a partir de una nica clula inicial de forma que,
tras un periodo de incubacin en las condiciones ambientales
adecuadas, se produce una colonia observable a simple vista y
formada por individuos iguales (un clon bacteriano).Sin embargo, no
todos los microorganismos presentes en las muestras ambientales son
cultivables (microorganismos no cultivables). Esto es debido a
dificultades intrnsecas en el cultivo (microorganismos parsitos de
otros), al desconocimiento de los requerimientos especficos de
cultivo, y a la existencia de grupos de microorganismos que deben
mantenerse en equilibrio para poder sobrevivir (casos de sintrofa
por ejemplo).Se estima que en slo en torno al 1% de las bacterias
del suelo al 0,1 - 0,01 % de las bacterias marinas son
cultivables.CRECIMIENTO MICROBIANOEn un cultivo discontinuo de
bacterias en medio lquido, se pueden diferenciar cuatro fases en la
evolucin de los parmetros que miden el crecimiento microbiano:
1.- Fase lag o de adaptacin durante la que los microorganismos
adaptan su metabolismo a las nuevas condiciones ambientales
(abundancia de nutrientes y condiciones de cultivo) para iniciar la
fase de crecimiento exponencial.
2.- Fase exponencial o logartmica: en ella la velocidad de
crecimiento es mxima y el tiempo de generacin es mnimo. Durante
esta fase las bacterias consumen a velocidad mxima los nutrientes
del medio. La evolucin del nmero de clulas durante esta fase se
explica con los modelos matemticos que describiremos a
continuacin.
3.- Fase estacionaria: en ella no se incrementa el nmero de
bacterias (ni la masa u otros parmetros del cultivo). Las clulas en
fase estacionaria desarrollan un metabolismo diferente al de la
fase exponencial y durante ella se produce una acumulacin y
liberacin de metabolitos secundarios que pueden tener importancia
industrial.Los microorganismos entran en fase estacionaria porque
se agota algn nutriente esencial del medio o porque los productos
de desecho que han liberado durante la fase exponencial hacen que
el medio sea inhspito para el crecimiento microbiano.La fase
estacionaria tiene gran importancia porque probablemente represente
con mayor fidelidad el estado metablico real de los microorganismos
en los ambientes naturales.4.- Fase de muerte: se produce una
reduccin del nmero de bacterias viables del cultivo.
MICROORGANISMOS UTILIZADOS A NIVEL INDUSTRIAL
No todos los microorganismos tienen un uso industrial. Mientras
que los microorganismos aislados de la naturaleza muestran el
crecimiento celular como su principal propiedad fisiolgica, los
microorganismos industriales son organismos que se han seleccionado
cuidadosamente para que produzcan uno o ms productos especficos.
Incluso cuando el microorganismo industrial es uno que se ha
aislado por las tcnicas tradicionales, se convierte en un organismo
altamente "modificado" antes de entrar en las industrias a gran
escala. En gran parte, los microorganismos industriales son
especialistas metablicos capaces de producir especficamente
determinados metabolitos y con gran rendimiento. Con el fin de
lograr esta elevada especializacin, las cepas industriales estn
alteradas genticamente, por mutacin o por recombinacin.
Habitualmente se reprimen o se eliminan las vas metablicas menores
y frecuentemente existe en ellas un desequilibrio metablico. Los
microorganismos industriales pueden presentar muchas propiedades
celulares y bioqumicas alteradas. Aunque las cepas industriales
pueden crecer satisfactoriamente bajo las condiciones altamente
especializadas de un fermentador, pueden mostrar un crecimiento
pobre en ambientes naturales competitivos.
Origen de las cepas industriales
La fuente ltima de todas las cepas de microorganismos
industriales es el ambiente natural. Pero a travs de los aos, a
medida que los procesos microbianos a gran escala se han ido
perfeccionando, un cierto nmero de cepas industriales se han ido
depositando en las colecciones de cultivos. Cuando se patenta un
nuevo proceso industrial, al solicitante de la patente se le
requiere para que deposite una cepa capaz de llevar a cabo el
proceso, en una coleccin de cultivos reconocida. Hay varias
colecciones de cultivos que actan de depositarias y suministradoras
de cultivos microbianos. Aunque estas colecciones pueden ser una
fuente rpida y fcil de cultivos, es comprensible que la mayora de
las compaas industriales se sientan poco dispuestas a depositar sus
mejores cultivos en las colecciones de cultivos. Adems de cultivos
de microorganismos, muchas colecciones de cultivos tienen tambin
colecciones de varios plsmidos, de genes clonados y de vectores
para su uso en ingeniera gentica, de lneas celulares animales para
el cultivo de virus animales, y de hibridomas para producir
anticuerpos monoclonales.
Mejora de cepas
La fuente inicial de un microorganismo industrial es el ambiente
natural, pero el aislamiento original se modifica en gran medida en
el laboratorio. Como resultado de esta modificacin, es posible
anticipar una mejora progresiva en el rendimiento de un producto.
El ejemplo ms espectacular de tal mejora progresiva es el de la
penicilina, el antibitico producido por el hongo Penicillium
chrysogenum. Cuando se produjo por primera vez la penicilina a gran
escala, se obtuvieron rendimientos de 1- 10 g/ml. A lo largo de los
aos, como resultado de la mejora de las cepas acoplada a cambios en
el medio y en las condiciones de cultivo, el rendimiento de
penicilina aument hasta 50.000 g/ml. Es interesante decir que todo
este incremento de 50.000 veces el rendimiento, se obtuvo por
mutacin y seleccin; no estuvo implicada ninguna manipulacin
gentica. La introduccin de nuevas tcnicas genticas ha conducido a
posteriores, aunque mucho ms modestos, incrementos del
rendimiento.
ACTIVIDADES Y CARACTERSTICAS DE INTERS. PRINCIPALES TIPOS
Propiedades de un microorganismo industrial Un microorganismo
adecuado para su utilizacin industrial debe producir la sustancia
de inters, pero hay muchos otros aspectos a considerar. Es preciso
disponer del organismo en cultivo axnico (puro), debe ser
genticamente estable, y debe crecer en cultivo a gran escala.
Adems, debe ser posible mantener cultivos del organismo durante un
perodo de tiempo largo en el laboratorio y en la planta industrial.
El cultivo debe producir preferentemente esporas o alguna otra
forma celular reproductora, para que los organismos se puedan
inocular fcilmente en los grandes fermentadores. Una caracterstica
importante es que el organismo industrial crezca rpidamente y
produzca el compuesto deseado en un perodo de tiempo relativamente
corto.
El organismo, adems, debe ser capaz de crecer en un medio de
cultivo lquido y relativamente barato, que se pueda obtener en
grandes cantidades. Muchos procesos microbiolgicos industriales
utilizan fuentes carbonadas de desecho de otras industrias, como
principal ingrediente o como suplemento para los medios de cultivo
a escala industrial. Algunas de estas fuentes son, por ejemplo, el
licor de maceracin de maz (un producto rico en nitrgeno y factores
de crecimiento), el suero (un producto lquido de desecho de la
industria lechera, que contiene lactosa y sales minerales) y otros
materiales de desecho industriales, que tienen elevado contenido de
carbono orgnico. (La utilizacin de estos materiales carbonados de
desecho ayuda tambin a resolver los problemas de eliminacin de
residuos, creados por la elevada demanda biolgica de oxgeno (BOD)
de los residuos orgnicos de desecho). Adems, un microorganismo
industrial debera no ser daino para las personas ni para los
animales y plantas econmicamente importantes. Debido al gran tamao
de la poblacin dentro del fermentador y a la imposibilidad prctica
de evitar la contaminacin del ambiente fuera del fermentador, un
patgeno podra plantear problemas potenciales desastrosos. Otro
requisito importante de un microorganismo industrial es que sea
posible eliminar las clulas microbianas del medio de cultivo con
relativa facilidad. En el laboratorio, las clulas se retiran
principalmente por centrifugacin, pero la centrifugacin a gran
escala puede ser difcil o cara. Los organismos industriales ms
favorables son aquellos que tienen un tamao de clula grande, porque
las clulas ms grandes se depositan rpidamente en un cultivo o
pueden filtrarse fcilmente con materiales de filtro relativamente
baratos. Los preferidos son los hongos, las levaduras y las
bacterias filamentosas. Las bacterias unicelulares, debido a su
pequeo tamao, son difciles de separar del fluido de cultivo.
Finalmente, un microorganismo industrial debera ser susceptible de
manipulacin gentica. En microbiologa industrial, el incremento del
rendimiento se ha obtenido primordialmente por medio de la mutacin
y seleccin. Tambin es deseable que el organismo industrial sea
capaz de sufrir recombinacin gentica, bien por un proceso sexual o
por algn tipo de proceso parasexual. La recombinacin gentica
permite incorporar en un solo genoma, caractersticas genticas de ms
de un organismo. Sin embargo, muchas cepas industriales se han
mejorado enormemente por mutacin y seleccin, sin el uso de la
recombinacin gentica.
REQUISITOS DE LAS CEPAS INDUSTRIALES Posibilidad de obtener
cultivos puros Genticamente estables Fcil de mantener por largos
perodos de tiempo Tasa rpida de produccin de formas de propagacin
Tasa rpida de crecimiento en pre-inculo y en fermentador Ausencia
de problemas tecnolgicos durante el escalado Nutricionalmente poco
exigentes Autoproteccin (bajada de pH, temperatura ptima extrema,
produccin de agentes antagonistas, etc). Produccin rpida de los
metabolitos de inters Fcil separacin entre el producto y el
microorganismo Produccin mayoritaria del metabolito de inters Falta
de produccin de sustancias txicas Susceptible de mejora gentica
DIFERENTES TIPOS DE MICROORGANISMOS INDUSTRIALESLos
microorganismos que sintetizan productos tiles para el hombre
representan, como mximo, unos pocos centenares de especies de entre
las ms de 100000 descritas en la Naturaleza. Los pocos que se han
encontrado con utilidad industrial son apreciados por elaborar
alguna sustancia que no se puede obtener de manera fcil o barata
por otros mtodos.
LEVADURAS
Las levaduras se vienen utilizando desde hace miles de aos para
la fabricacin de pan y bebidas alcohlicas. La levadura que sin duda
fue la primera y an hoy en da sigue siendo la ms utilizada por el
hombre es Saccharomyces cerevisiae de la que se emplean diferentes
cepas para la fabricacin de cerveza, vino, sake, pan y alcoholes
industriales. Kluyveromyces fragilis es una especie fermentadora de
la lactosa que se explota en pequea escala para la produccin de
alcohol a partir del suero de la leche. Yarrowia lipolytica es una
fuente industrial de cido ctrico. Trichosporum cutaneum desempea un
importante papel en los sistemas de digestin aerbica de aguas
residuales debido a su enorme capacidad de oxidacin de compuestos
orgnicos, includos algunos que son txicos para otras levaduras y
hongos, como los derivados fenlicos.
HONGOS FILAMENTOSOS
Los hongos tienen una gran importancia econmica, no tan slo por
su utilidad, sino tambin por el dao que pueden causar. Los hongos
son responsables de la degradacin de gran parte de la materia
orgnica de la Tierra, una actividad enormemente beneficiosa ya que
permite el reciclaje de la materia viva. Por otro lado, los hongos
causan gran cantidad de enfermedades en plantas y animales y pueden
destruir alimentos y materiales de los que depende el hombre. Los
efectos perjudiciales de los hongos estn contrarrestados por su
utilizacin industrial. Los hongos son la base de muchas
fermentaciones como la combinacin de soja, habichuelas, arroz y
cebada que dan lugar a los alimentos orientales miso, shoyu y
tempeh. Los hongos son tambin la fuente de muchos enzimas
comerciales (amilasas, proteasas, pectinasas), cidos orgnicos
(ctrico, lctico), antibiticos (penicilina), quesos especiales
(Camembert, Roquefort) y, evidentemente, de las setas.
BACTERIAS
Entre las especies bacterianas de inters industrial estn las
bacterias del cido actico, Gluconobacter y Acetobacter que pueden
convertir el etanol en cido actico. El gnero Bacillus es productor
de antibiticos (gramicidina, bacitracina, polimixina), proteasas e
insecticidas. Del gnero Clostridium cabe destacar Clostridium
acetobutylicum que puede fermentar los azcares originando acetona y
butanol. Las bacterias del cido lctico incluyen, entre otras, las
especies de los gneros Streptococcus y Lactobacillus que producen
yogur. Corynebacterium glutamicum es una importante fuente
industrial de lisina. El olor caracterstico a tierra mojada se debe
a compuestos voltiles (geosmina) producidos por Streptomyces aunque
su principal importancia radica en la produccin de antibiticos como
anfotericina B, kanamicina, neomicina, estreptomicina,
tetraciclina, etc.
MANTENIMIENTO Y CONSERVACIN DE MICROORGANISMOS INDUSTRIALES
Dado el alto coste de obtencin de las cepas industriales, se
requiere la adopcin de tcnicas de conservacin apropiadas que
permitan preservar sus propiedades. No existe un nico mtodo, ya que
cada especie presenta sus preferencias de conservacin:
SUBCULTIVO: Consiste en el paso de un inculo de un cultivo
agotado en otro fresco (preferentemente, slido). No es la ms
apropiada para la industria, ya que presenta tres grandes
inconvenientes: El tiempo de persistencia de las clulas es, por lo
general, bastante bajo. Este tiempo puede aumentarse por
refrigeracin a unos 4 C. Se puede producir contaminacin fcilmente,
dada la alta frecuencia de manipulacin. Debido a la manipulacin
continua, aumenta el riesgo de variabilidad gentica en la cepa.
DESECACIN: Consiste en la eliminacin de agua del microorganismo,
reduciendo as el metabolismo. Para evitar que el proceso de
desecacin dae las clulas, se aaden compuestos protectores. El
proceso se produce a temperatura ambiente una vez aadidos los
protectores. Finalizado el proceso, se sella el cultivo y se
conserva en refrigeracin. Un mtodo alternativo es el del L-secado.
Consiste en pequeos discos gelatinosos que se impregnan con el
cultivo lquido y se secan por un proceso activo (temperatura,
etc.). Al igual que antes, al finalizar el proceso, se sella y se
lleva a refrigeracin.
CONGELACIN: Segn la tcnica empleada, la temperatura de
congelacin vara. Se usan congeladores normales (unos 30 C),
industriales (-70 C) o nitrgeno lquido (hasta 200 C). Cuanto ms
baja sea la temperatura, mejor es la conservacin, pero tambin es
mayor el costo. Para evitar la formacin de cristales en el interior
de las clulas, que pueden producir daos en sus estructuras, se usan
dos tcnicas: Adicin de compuestos protectores, como
dimetilsulfxido. Congelacin lenta, de modo que se formen primero
los cristales en el medio exterior. Esto provocar la prdida de agua
de la clula por smosis. El inconveniente de este mtodo es el gran
aumento de la concentracin de sales en el proceso de descongelacin,
a la que las clulas pueden ser muy vulnerables. Para evitarlo, se
usan medios de congelacin poco salinos.
LIOFILIZACIN: Se hace una congelacin previa antes de pasar al
liofilizador. En l, el agua se sublimar por bajada de presin y el
cultivo microbiano queda en el seno de una matriz porosa protectora
(que por lo general es leche descremada o sacarosa). Debido a las
caractersticas del mtodo, se sella a vaco. Este mtodo, junto con la
congelacin, es el ms valorado, ya que permite unos tiempos de
conservacin bastante altos.
Los principales usos de las distintas clases de microorganismos
son:
Levaduras- Industria panadera- Bebidas alcohlicas- Fuente de
vitaminas y de protena unicelular (SCP, importante complemento
diettico de bajo costo, de gran importancia en zonas con carencias
de alimentos).- Sntesis de protenas de origen no microbiano,
tales
SaccharomycescerevisiaeKluyveromyces fragilis
Hongos filamentosos- Setas, derivados de soja y ciertos quesos.-
Produccin de diversas enzimas, como pectinasas (tiles para la
elaboracin de zumos).- Sntesis de cidos orgnicos (sobre todo,
ctrico y lctico).- Sntesis de antibiticos, como la penicilina.-
Sntesis de alcaloides, con diversos fines teraputicos.
Aspergillus niger (sobre todo en sntesis de
cidosorgnicos)Penicillium notatum
Bacterias
Bacterias lcticas (elgrupo ms importante)- Embutidos y
conservas- Probiticos (productosde efectos beneficiosospara la
salud)- cido lctico
Actinomicetos(similares a hongos por morfologa y tipo de
crecimiento, presentes en suelos)- Antibiticos- Enzimas-
InhibidoresenzimticosCorinebacterias,Utilizadas en industriaquesera
y en sntesis depotenciadores de sabor
Bacillus- Antibiticos peptdicos- Enzimas proteasas-
InsecticidasBacillus thuringiensis
Clostridium (organismosEstrictamente anaerobios)- Sntesis de
disolventes- Degradacin desustratos complejos encombinacin con
otrasespecies demicroorganismos
IV. BIBLIOGRAFIA
file:///C:/Users/mi%20pc/Downloads/14715667-Bases-de-Microbiologia
Industrial.pdf Microbiologa Industrial, ALICIA HERNANDEZ
Introduccin a la microbiologa, Volumen 2Escrito por John L.
Ingraham,Catherine A. Ingraham
http://recursospolitecnico2012.bligoo.cl/media/users/24/1214066/files/352529/CAPITULO_3_MICROORGANISMOS_DE_INTERES_INDUSTRIAL.pdf
