1 microbiologia industrial 2010
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MICROBIOLOGIA
INDUSTRIAL
Dr. Blgo. Carlos E. Villanueva AguilarCiencias Biológicas
Microbiología Industrial y Biotecnología [email protected]
1. DEFINICION: OBJETO Y OBJETIVO
OBJETO DE ESTUDIO SU OBJETIVO
1. Los microorganismos de interés industrial
Utilizarlos en procesos industriales o bioprocesos donde sus actividades tienen significado económico.
2. Los procesos donde intervienen los microorganismos con un eminente valor económico.
Facilitar o evitar (o inhibir) el crecimiento microbiano o la formación de productos metabólicos con significado industrial.
Se ocupa de:Las aplicaciones industriales de los microorganismosmicroorganismos
Las actividades útiles de los microorganismosmicroorganismos
La producción de bienes y servicios con células microbianascélulas microbianas
Abarca todo proceso que se realiza con microorganismosmicroorganismos
Es la base de la biotecnología que en todo el mundo se esta desarrollando y traduciendo en logros industriales.
OBTENCION DE PRODUCTOS DE INTERÉS INDUSTRIAL
Se reúnen en 7 categorías principales:
1. Células microbianas: biomasa2. Macromoléculas de síntesis: enzimas.3. Productos del metabolismo: primario (compuestos esenciales para
el crecimiento) y secundario (compuestos no esenciales). 4. Productos de conversiones biológicas; un compuesto
transformado en otro estructuralmente.5. Alimentos fermentados: productos lácteos, cerveza, vino, pan, etc.6. Productos de procesos metalúrgicos, lixiviación de metales. 7. Detoxificación y degradación de residuos: aguas residuales,
desechos industriales, mareas negras, vertido de lastres y lavado petrolero
OBJETIVO 1
OBJETIVOS DESDE UN PUNTO DE VISTA INDUSTRIAL
OBJETIVO 2 MAYOR RENDIMIENTO POSIBLE DEL PRODUCTO A PARTIR DEL
SUSTRATO UTILIZADO.
Por síntesis química: se obtienen altos rendimientos pero contaminan.Por síntesis biológica: rendimiento limitado pero no contaminan
La energía se utiliza no sólo para la obtención del producto deseado, sino además en todos los procesos metabólicos que permiten el crecimiento.
Cuanto más complejo es el ser vivo más energía requiere para crecer
Por lo tanto: menor rendimiento del producto
De ahí que se utilizan microorganismos
Se recurre a plantas o animales?
En la obtención de productos no sintetizados
por microorganismos
En la obtención de productos industriales … la primera vía es la síntesis química ¿CONTAMINANTE?
si no funciona se recurre a los microorganismos, plantas y finalmente animales.
OBTENCION DE PRODUCTOS DE INTERÉS INDUSTRIAL
IMPORTANCIA DE LA MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL
• APROVECHA la capacidad de los microorganismos para 2 fines.
Transformación de productos Producción de sustancias
PROCESOS EMPLEADOS:
1. Fermentación : Método tradicional de producción de sustancias
2. Técnicas de manipulación genética: Métodos modernos de producción de sustancias
Obtención masiva de nuevos productos que los microorganismos normalmente no sintetizan:
– Insulina– Hormona de crecimiento humana– Interferón.
DESARROLLO HISTORICO DE LA
MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL
1. DESARROLLO EMPIRICO
EL ARTE DE LA FERMENTACIÓN
• Fermentación: (definición técnica) transformación química de compuestos orgánicos con ayuda de enzimas (sobre todo microbianas). Es muy antigua.
Cerveza: Antes 6000 a.c. Sumerios y Babilonios ya conocían la capacidad de levaduras para producir alcohol Pan: Hacia 4000 a.c. Egipcios, descubren que CO2 generado por levaduras (Saccharomyces) fermentan el pan. Vino: En el Génesis consta que Noé hacia uso de esta bebida
Destilación de bebidas alcohólicas. Hacia siglo XIV d.c., en China a partir de grano fermentado
Alimentos y bebidas, durante más de 8000 años son elaborados por los microorganismos, sin tener noción de su existencia.
2. DESARROLLO CIENTIFICO
La fermentación pasa de arte (resultados imprevisibles) a ciencia (resultados previsibles).
EL PAPEL DE LAS LEVADURAS COMO AGENTES FERMENTADORES
• A mediados del siglo XIX– Pasteur, descubrió que las levaduras transforman: azúcar ----> alcohol (en ausencia de aire)– Proceso anaeróbico llamado fermentación alcohólica.
• A finales del siglo XIX – Desarrollo de técnicas de cultivos puros– Se aisla 1era cepa levadura vínica, la Steinberg 92, para uso
comercial en la producción del vino
• En 1883– Emil Christian Hansen obtuvo 1er cultivo puro levadura
cervecera: Saccharomyces carlsbergensis.
Considerables progresos en bioquímica básicabioquímica básica:Descubrimiento de enzimas Buchner, 1897 Se aplican en fermentación industrial en 1era guerra mundial (1914)
LA OBTENCIÓN DE GLICEROL PARA LA FABRICACIÓN DE EXPLOSIVOS
• Para Alemania, una necesidad urgente.
Bloqueo marítimo británico cortó importación de aceites vegetales (materia prima tradicional en la producción de glicerol.)
Carl Neuberg (bioquímico alemán):
Considera que la fermentación alcohólica origina pequeñas cantidades de glicerol
(fermentación gliceropirúvica -----> lágrima del vino)
Descubre que bisulfito sódico favorecía la producción de glicerol a expensas de alcohol.
Este descubrimiento fué desarrollado rápidamente en fermentación industrial con producción de 1000 toneladas de glicerol al mes.
EL PROCESO BUTANOL - ACETONA PARA FABRICACIÓN DE MUNICIONES
• Los ingleses tenían escasez de acetona parala fabricación de municiones
Padre de la fermentación industrial Weismann, Chain 1874 - 1952
Chain Weizmann (químico ruso) afronta esta dificultad. Desarrolló la fermentación butanol-acetona con Clostridium acetobutylicum. Proceso determinante en el desarrollo de la guerra. Al termino, rehusó todos los honores del gobierno Británico. Sin embargo, influenció al gobierno Británico establecer
el estado Judío en Palestina. En 1949, Weizmann fué elegido el primer presidente de Israel.
• El proceso alemán de obtención de glicerol desapareció de la escena al final del conflicto.
• El proceso butanol-acetona persistió como fuente de acetona durante muchos años; a principio del 50 fue desplazado por procesos a base del petróleo.
LA PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO POR MICROORGANISMOS
• Su origen : primera guerra mundial.
• Extracción: cítricos, siendo Italia el mayor productor.
• Al estallar la guerra, los hombres fueron llamados a filas, los cultivos se desatendieron y al final del conflicto la industria cítrica estaba en ruina aumentando el precio.
• Esto favoreció la introducción (1923) del proceso microbiano para
obtención de ácido cítrico.
• Microorganismo: Aspergillus niger, hongo aerobio obligado,cultivado
en presencia de oxígeno, contrario al Clostridium acetobutylicum.
• Método desarrollado: cultivo en superficie para mantener al microorganismo en contacto con el aire.
EL DESCUBRIMIENTO DELA PENICILINA
En 1928,En 1928, Alexander FlemingAlexander Fleming
• Observó que el hongo Penicillium notatum matada cultivos de Staphylococcus aureus.
– Cultivó el hongo en medio líquido, separó las células y
encontró que el líquido celular podía inhibir el crecimiento
de especies bacterianas.
– Llamó penicilina al ingrediente activo del líquido.
– No aisló y ni purificó porque no poseía conocimientos químicos (era médico).
• En la década de 1930, químicos británicos intentaron aislar la penicilina.
Pero fracasaron debido a su inestabilidad.
• En En 19391939 (Universidad de Oxford, Howard Florey, Ernst Chain y colab.), condujo a la preparación con éxito de una forma estable de penicilina y a la demostración de su impresionante actividad antibacteriana, primero en cobayas y después en el hombre.
EL PRIMER ENSAYO CLÍNICO EL PRIMER ENSAYO CLÍNICO
CON UNA PREPARACIÓN DE PENICILINACON UNA PREPARACIÓN DE PENICILINA
• Se llevó a cabo el 12 de Febrero de 1941. • El paciente era un policía de Oxford que estaba muriendo por infección con Staphylococcus (septicemia)
• Al administrarle penicilina se observó un mejoramiento espectacular, pero 5 días después, al agotarse la penicilina, la infección volvió a emerger y el paciente murió.
• Este ensayo clínico falló porque no se podía obtener una producción a gran escala.
LA PRODUCCIÓN ALA PRODUCCIÓN A
GRAN ESCALA DE GRAN ESCALA DE PPENICILINAENICILINA
Cápsulas con agar-agar en las cuales Fleming cultivó el moho "Penicillium". Cápsulas con agar-agar en las cuales Fleming cultivó el moho "Penicillium".
Nótese qué pronto crece el moho. En el primer vaso el moho tiene cinco días, Nótese qué pronto crece el moho. En el primer vaso el moho tiene cinco días,
en el segundo tiene siete días y en el tercero diez díasen el segundo tiene siete días y en el tercero diez días. .
Tanque de siembraTanque de siembra Tanque de Tanque de fermentaciónfermentación
• (1940-1941), los británicos estaban inmersos en la II guerra mundial.• Florey y su colega Heatley consideran que las condiciones de
Inglaterra en guerra no eran adecuadas para desarrollar el proceso industrial del antibiótico.
• En 1941, se trasladan a Estados Unidos, en busca de apoyo. • En 1942, fué posible la producción a gran escala de penicilina. con
apoyo del Departamento de Agricultura, Compañías farmacéuticas y Universidades
EL DESARROLLO DE LOS FERMENTADORES CON AGITACIÓN
• Penicillium notatum: es aerobio obligado
y debía crecer en cultivos en superficie.
• Esto favorecía la contaminación y disminuía el
rendimiento de penicilina.
• La necesidad de utilizar técnicas asépticas llevó al desarrollo de los fermentadores con agitación
• Actualmente son los utilizados para cultivar microorganismos a gran escala
• Las condiciones asépticas se conseguían esterilizando el equipo con vapor antes de la inoculación y manteniendo la presión interior del fermentador superior a la atmosférica.
• El oxígeno se introducía como aire estéril y se distribuía en el medio por agitación.
EL DESARROLLO DE LAS TÉCNICAS DE MEJORA Y SELECCIÓN DE CEPAS
• Es otra contribución al desarrollo de la biotecnología moderna dentro del programa de la penicilina.
• El Penicillium notatum original producía 2 mg de penicilina / litro de cultivo.
• El muestreo de diferentes Penicillium llevó a la identificación de una cepa superproductora de penicilina, Penicillium chrysogenum.
• Para incrementar su rendimiento, se sometió en forma sistemática a variedad de agentes mutágenos.
• Los supervivientes superproductores se seleccionaban y sometían a otra ronda de mutaciones.
• Hoy en día el rendimiento se ha incrementado hasta los 20 g/L. combinando las mejoras en la fermentación con el uso de mutantes.
EL ADVENIMIENTO DE LA PENICILINA SEÑALÓ EL COMIENZO DE LA ERA DE LOS ANTIBIÓTICOS
• Selman Waksman: aisló Streptomyces gryseus que produce estreptomicina
• Muestreo de gran número de aislamientos del suelo.• Obtención de numerosos antibióticos• Principalmente de Actinomicetos
ETAPAS EN EL DESARROLLO DE LA
MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL
1. EVOLUCION CRONOLOGICA
SUS INICIOS:
• La Microbiología Industrial data de tiempo inmemorial.
• El hombre la aplica desde mucho antes del descubrimiento de los microorganismos,sin saber que existían.
– Antes 6000 a.C. La cerveza era conocida por Sumerios y Babilonios.
– Antes 4000 a.C. El pan es conocido– Antes 2000 a.C. El vino es también muy antiguo, ya existía
evidencia de su producción en Egipto y China– Antes 1700 a.C. El vinagre se producía– En 1700 a.C. La cerveza, en el antiguo Egipto ya existía
verdadera producción
Un análisis cronológico fija 4 grandes etapas::
1) ------ Hasta 19002) 1900 - 19453) 1945 - 19794) 1979 - hasta el presente
Hasta 1900
1900 – 1945
AA partir de 1900
hHasta 1945
11945 – 1979
11
1979 - Hasta el presente
Hasta INICIOS del siglo XX existe muy poco o ningún control de los procesos de elaboración de productos o alimentos. Etapa de producción de una serie de productos nuevos que se suman a los de la antigüedad: levadura de cerveza, glicerol, ácido láctico, acetona, butanol y etanol.
Poco se esperaba del futuro de la Microbiología Industrial. Sólo unos pocos productos eran fabricados con microorganismos u obtenidos por otras vías más económicas: etanol, ácido láctico o acetona butanol.
Advenimiento de la Penicilina y necesidad de producción: se produce un impacto formidable. Producción a gran escala con operaciones complejas para separación y purificación. Estos avances producen gran número de nuevos productos: Antibióticos, aminoácidos, esteroides, enzimas, biomasa para alimentación animal y humana (proteínas unicelulares), nucleótidos, etc.
Surge un nuevo y notable impulso con las posibilidades que ofrece la Ingeniería Genética en la producción de la insulina, hormona del crecimiento, interferón y otros muy recientes en el área de la salud.
Etapas en el desarrollo de la Microbiología Industrial
2. EVOLUCION DE CONCEPTOS
ASPECTO EVOLUCIONADO AVANCES
MICROORGANISMOS DE INTERES INDUSTRIAL
SELECCIÓN, MANTENIMIENTO Y MEJORAMIENTO
MEDIOS DE PRODUCCION
BIOQUIMICA Y
FISIOLOGIA MICROBIANA
ESTUDIOS DE PROFUNDIZACIONESTUDIOS DE PROFUNDIZACION:
ASPECTOS MICROBIOLOGICOS Y REQUERIMIENTOS PARA APLICACIONES INDUSTRIALES.
METODOLOGIA GENERAL
PRODUCTOS DE INTERES
AUMENTO DE LA PRODUCTIVIDAD.
CONSIDERACIONES ECONOMICAS Y MICROBIOLOGICAS
APORTES FUNDAMENTALES AL CONOCIMIENTOAPORTES FUNDAMENTALES AL CONOCIMIENTO::
RUTAS METABOLICAS.
CINETICA ENZIMATICA
MECANISMOS DE REGULACION
EFECTO DEL MEDIOAMBIENTE SOBRE PRODUCTIVIDAD.
EN EL ASPECTO MICROBIOLOGICOEN EL ASPECTO MICROBIOLOGICO
ASPECTO EVOLUCIONADO AVANCESAVANCES
CUBAS CLASICAS DE FERMENTACION
BIORREACTORES
FENOMENO DE
TRANSPORTE
QUIMICA
CONSTRUCCION DE MATERIAL DIVERSO
POCA INSTRUMENTACION
CONSTRUCION DE ACERO INOXIDABLE
CONOCIMIENTOS FUNDAMENTALES:
–TRANSFERENCIA DE MATERIA Y CALOR–CANTIDAD MOVIMIENTO–CAMBIO DE ESCALA
CONCEPTO DE TERMODINAMICA Y ESTEQUIOMETRIA
CINETICA ENZIMATICA
CINETICA MICROBIANO :
EN EL ASPECTO TECNOLOGICOEN EL ASPECTO TECNOLOGICO
CONSTRUCCION DE LAS BASES DE LA MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL
MICROBIOLOGIA
QUIMICA
CONCEPTOSBIOQUIMICA
TECNOLOGIA
BASES DE LA
MICROBIOLOGIA
INDUSTRIAL
SELECCIÓN – MANTENIMIENTO – MEJORAMIENTO
DISEÑO – FORMULACION DE MEDIOS
ESTEQUIOMETRIA MICROBIANA
CINETICA DEL CRECIMIENTO Y FORMACION DE PRODUCTOS
MODOS DE OPERACIÓN DE REACTORES.
AREAS DE COMPETENCIA
1. AREAS DE PRODUCCION
2. AREAS DE APLICACION
• La producción de metabolitos: antibióticos, enzimas, ácidos orgánicos, aminoácidos, vitaminas, grasas, esteroides transformados, nucleótidos, etc.
La producción de biomasa microbiana: levadura de panificación, proteína monocelular, inóculos microbianos (fermentos lácteos, cárnicos y otros iniciadores de fermentaciones), biofertilizantes, bioinsecticidas (entomopatógenos), bioplaguicidas.
El tratamiento de desechos orgánicos e inorgánicos: de distinto origen (municipal, doméstico y agroindustrial) con producción de alimento animal, bioabono (biofertilizante), biogás (metano); y control de la contaminación ambiental.
El control del deterioro de productos alimenticios e industriales: microorganismos causan deterioro de productos farmacológicos, medicinales, alimenticios, industria textil, maderera, pinturas y combustibles.
La evaluación analítica de compuestos: vitaminas, aminoácidos y otros. Cultivos microbianos y/o enzimas actúan como indicadores (Biosensores)
La lixiviación bacteriana de metales: extracción de metales aplicando la actividad metabólica de bacterias (Gén.Thiobacillus). Métodos químicos son contaminantes y no son rentables.
1. AREAS DE PRODUCCION
2. AREAS DE APLICACIÓN (Sectores Económicos, OEA, 1990)
SECTOR
SALUD
ALIMENTARIO
AGROPECUARIO
INDUSTRIA
MINERIA
ENERGIA
AMBIENTAL
AREA
Salud Humana
Alimentos
Producción Vegetal
Producción Animal
Insumos Industriales
Minería
Energía
Servicios
PRODUCTOS
Sistemas de Diagnóstico. Anticuerpos monoclonales. Vacunas.
Producción de alimentos
Sistemas de Diagnóstico. Biopesticidas. Biofertilizantes. Absorción de Nutrientes.Sistemas de Diagnóstico. Anticuerpos monoclonales, Vacunas.
Alcohol. Solventes. Ácidos Orgánicos.
Extracción de Minerales
Producción de Bio-energía (biogas)
Saneamiento Ambiental (Tratamiento de Desechos Domésticos e Industriales: Efluentes. Emisiones. Residuos)
RELACIONES INTERDISCIPLINARIAS
RELACIONES INTERDISCIPLINARIAS Para un mejor entendimiento de los procesos microbianos industriales debe tomarse en
consideración la influencia de otras disciplinas básicas y aplicadas.
Disciplinas Básicas
MICROBIOLOGIAMICROBIOLOGIAINDUSTRIALINDUSTRIAL
Biología MolecularBioquímica MicrobianaCitología MicrobianaFisiología MicrobianaGenética MicrobianaBacteriologíaMicologíaVirologíaInmunologíaMicrobiología AmbientalMicrobiología del SueloMicrobiología AcuáticaMicrobiología AlimentosMicrobiología AgrícolaMicrobiología Médica
Bio-MatemáticasBio-EstadísticaQuímica InorgánicaQuímica OrgánicaFísico-QuímicaQuímica AnalíticaBioquímicaIngenieríaMedicinaEconomíaDerecho
MICROBIOLOGIAMICROBIOLOGIACiencia que estudia los microorganismos y sus interacciones con otros
organismos y con el medio ambiente.
Microbiología IndustrialIngeniería Bioquímica y Biotecnología
Microbiología Industrial
Bioquímica
Genética Microbiana
Ingeniería Química
Ingeniería Bioquímica
Biotecnología
Microbiología Industrial
Estudia las células microbianas con fines de producción de bienes y servicios.
Representa una parte, importante de la Biotecnología.
Estudia todo los aspectos de los microorganismos que tienen una aplicación industrial:
En la transformación de productos empleados en la alimentación.En la producción de sustancias: antibióticos, vitaminas, enzimas, masa
microbiana (proteína unicelular, vacunas, fertilizantes microbianos, biopesticidas).
Ingeniería Bioquímica
Interviene en:
La producción a gran escala y preservación de productos biológicos;
La operación de los reactores bioquímicos (Biorreactor o fermentador).
Biotecnología
Actividad multidisciplinaria que se ocupa de:
La explotación de la Biología: Biotecnología Microbiana, Biotecnología Animal y
Biotecnología Vegetal.
La utilización de las propiedades del mundo viviente con fines productivos e industriales
La aplicación de los principios científicos y
de ingeniería al procesamiento o tratamiento de
materiales por agentes biológicos para proveer
bienes y/o servicios.
Biotecnología Molecular
Aplicación de las técnicas del DNA recombinante en los seres vivos para la obtención de productos de
interés industrial.
Agentes biológicos : células microbianas, animales,
vegetales y enzimas.
Bienes cualquier producto industrial relacionado con alimentos,
bebidas, medicinas, químicos, etc.
Servicios aquellos vinculados a la purificación de aguas y
tratamiento de efluentes. (Organización para la
Cooperación Económica y el Desarrollo OECD)
Biotecnología
PAPEL DEL MICROBIOLOGO INDUSTRIAL
Juega papel importante y constante en toda fase del proceso industrial donde participan microorganismos.
MICROORGANISMO1. Aíslamiento, caracterización e identificación microorganismo con propósitos
industriales.2. Selección del microorganismo con los mejores atributos industriales3. Mantenimiento y/o conservación microorganismo de interés industrial 4. Cultivo del microorganismo optimizando las condiciones ideales.5. Mejoramiento de las cepas industriales.
MEDIO DE FERMENTACIÓN1. Diseño, formulación y optimización del medio de fermentación a escala de
laboratorio, piloto e industrial.
PROCESO 1. Elige las condiciones de cultivo adecuadas (aireación, agitación, pH,
temperatura, tiempo, etc) para el crecimiento y producción de metabolitos.2. Prueba el proceso a escala de laboratorio antes de emplearlo a escala piloto y
escala industrial. 3. Ejerce control en todo el proceso de elaboración, para asegurar la economía de
materiales y tiempo, así como la calidad uniforme y elevada del producto.
ULTIMOS AVANCES NOTABLES
TECNOLOGIAS APLICACIONES
• SISTEMAS INMOBILIZADOS
• BIOREACTORES DE MEMBRANA
• BIOSENSORES ENZIMATICOS / CELULAS INMOBILIZADAS.
• DNA RECOMBINANTE
• PERFECCCIONAMIENTO DE ANTIGUOS PROCEDIMIENTOS.
• TECNICAS QUIMICAS DE PURIFICACION: REFINADO, TECNICAS CROMATOGRAFICAS
• ANTICUERPOS MONOCLONALES
• TECNICAS DE CULTIVO CELULAS VEGETALES Y ANIMALES.
•ETANOL – L – AMINOACIDOS
•BIOTRANSFORMACIONES CONTINUAS.
•SENSORES EN MEDICINA Y ANALISSIS
•PROTEINAS INTERES FARMACOLOGICO / ENZIMAS / AMINOACIDOS.
•OBTENCION DE ACIDOS ORGANICOS – ALCOHOL – ALDEHIDOS – AROMATICOS.
•PRODUCCION DE METABOLITOS.
•DIAGNOSTICO
•SEPARAR SUSTANCIAS CON ACTIVIDAD BIOLOGICA (DNA – PROTEINAS)
PERSPECTIVAS FUTURAS
• NUEVAS CEPAS• MATERIAS PRIMAS NO TRADICIONALES• NUEVOS METABOLITOS• COMPETENCIA CON LA PETROQUIMICA EN LA PRODUCCION
DE COMPUESTOS SIMPLES.• ALTA ESPECIFICIDAD DE TRANSFORMACIONES • SISTEMAS DE PRODUCCION NO TRADICIONALES.• CULTIVOS DE CELULAS ANIMALES Y VEGETALES: : EMPLEO DE
METODOLOGIAS TECNOLOGICAS