micro industrial uno
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Microbiología IndustrialMicrobiología Industrial
Dr. Jorge Welti Chanes
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1. De la Microbiología1. De la Microbiología
Industrial a la BiotecnologíaIndustrial a la Biotecnología
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BIOTECNOLOGÍA
Diagnósticos
médicos
Industriafarmacéutica
Industria alimentaria
Y forrajera
Ingenieríade procesos
Industria de lafermentación
Ambiente yenergía
Industria química
Bioquímica
Biología celularBiología molecular
Genéticamolecular Microbiología
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PRODUCT OS TIPICOS ENPRODUCT OS TIPICOS EN
INGENIERIA BIOQUIMICAINGENIERIA BIOQUIMICAÁcidos orgánicos
Alcoholes y solventes
AntibióticosProteí na unicelular
Esteroides
Otros
Aminoácidos
Vitaminas
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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
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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
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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
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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
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FermentaciónFermentación
Del latín fervere = ebullir
Acción de las levadurassobre extractos defrutas o granos
Apariencia de producción deebullición CO2
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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Producción comercial de masaProducción comercial de masa
microbianamicrobiana
1
.P
roducción de levaduras para laindustria panificadora
1
.P
roducción de células microbianas(proteína unicelular) utilizada comoalimento humano o para animal
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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
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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
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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
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Enzimas de uso común en la industriaEnzimas de uso común en la industria(cont.)(cont.)
ENZIMAENZIMA FUENTEFUENTE USOSUSOS
GlucoamilasaAspergillus niger
Rhizopus sp.
Producción de mieles
de glucosa
Glucosa IsomerasaActinoplanesmissouriensis
S
trptomicetes sp.
Isomerización de
glucosa en mieles
Lactasa Sacharomices sp.Hidrólisis de lactosa
en leche y suero
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Enzimas de uso común en la industriaEnzimas de uso común en la industria(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 Bacillusamiloliquenfaciens Panadería y cervecería
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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
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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
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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
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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
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METABOLISMO SECUNDARIOMETABOLISMO SECUNDARIO No todos los microorganismos lo
presentan Común entre bacterias filamentosas,
hongos y bacterias esporulantes No se presenta en enterobacterias
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Propiedades de productosPropiedades de productos
secundarios:secundarios: Actividad antimicrobiana
Inhibición específica de enzimas
Promotores de crecimiento
Propiedades farmacológicas
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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
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d) Procesos de transformaciónd) Procesos de transformación
Se utilizan células microbianas paraconvertir un compuesto en otroestructuralmente relacionado pero demayor valor
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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
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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
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Ejemplos de procesos deEjemplos de procesos de
transformación:transformación:
Producción de vinagre
Producción de esteroides
Producción de antibióticos
Producción de prostaglandinas
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Problema de los procesos deProblema de los procesos de
transformación:transformación:
Se tiene que producir una
gran masa microbiana paracatalizar la reacción
ENZIMAS
o
CELULAS INMOVILIZADAS
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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)
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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
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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.
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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
BICOS
yANAEROBICOS.
Durante la Segunda Guerra Mundial:producción de penicilina
Durante la post-guerra: Se presentó unretroceso debido al crecimiento de laindustria petroquímica
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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
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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
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Calendario de eventosCalendario de eventos
(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
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Calendario de eventosCalendario de eventos
(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)
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Calendario de eventosCalendario de eventos
(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)
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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
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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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