biotecnología y alimentación iii. mejora de alimentos y...
TRANSCRIPT
www.ainia.es 1
BiotecnologBiotecnologíía y Alimentacia y Alimentacióónn
III. Mejora de alimentos III. Mejora de alimentos y procesos de producciy procesos de produccióónn
CURSO DE BIOTECNOLOGCURSO DE BIOTECNOLOGÍÍA EN LA EMPRESAA EN LA EMPRESAV EDICIV EDICIÓÓNN
David TomDavid Tomáás s FornFornéé[email protected]@ainia.es
www.ainia.es 2
Nuevos productos comerciales
www.ainia.es 3
Nuevos productos comerciales:
La realidad de la Bioproducción
1/20
http://www.youtube.com/user/labebidadelSigloXXI#p/u/4/PJs77FVHfnI
http://www.youtube.com/watch?v=BqI2Q4YkyQM&NR=1
La bebida del siglo XXI
www.ainia.es 41/20
Cultivos iniciadores para proceso fermentativo de aceituna de mesa
Nuevos productos comerciales:
La realidad de la Bioproducción
www.ainia.es 51/20
Biopesticidas y bioestimulantes de plantas
Nuevos productos comerciales:
La realidad de la Bioproducción
www.ainia.es 61/20
Ingredientes de nuevos alimentos que refuerzan el sistema inmunebasados en microalgas
Nuevos productos comerciales:
La realidad de la Bioproducción
www.ainia.es 7
Enhancement of the immune system from microalgae:
Bioproduction for novel green foods
www.ainia.es 81/20
Pigmentos a partir de levaduras y microalgas
Nuevos productos comerciales:
La realidad de la Bioproducción
www.ainia.es 91/20
“NUTRIALGAE: Bioproducción de principios activos (colorantes alimentarios, ácidos grasos poliinsaturados, polisacáridos, etc) a partir de microalgas con fines alimentarios
Nuevos productos comerciales:
La realidad de la Bioproducción
www.ainia.es 10
antioxidants tocoferol Palmaria palmatacarotenoids Dunaliella salinaclorofile Eisenia bicyclisphosfolípids Fucus spp.polifenols Chlamydomonas nivalisvitamine C Chlorella pyrenoidosaficocianine Spirulina platensis
antibiotics Acrilic acid Phaeocystisλ-linolenic acid Spirulina platensis
antivirals feoforbide Dunaliella primolecta
cianovirin Nostoc ellipsosporumCalcio-spirulan Spirulina platensis
anticoagulants λ-carragenate Phyllophora brodiaei
nutrients Fatty acids Nannochloropsis oculata
Proteins Chlorella sp.Polisacarides Chlamydomonas sp.
Functionality of different substances obtained
from different microalgae
www.ainia.es 11
Product /company Application Fuente
InstantAlgae ® Rotifer culture, Enrichment EPA, Green Water
Nannocloropsis (2-3 microm)
Earthrise dietary supplement Spirulina sp.
Zanthin ® dietary supplement Haematococcus Pluvialis
Formulaid ® Fatty acids (baby food additive) Microalgas marinas
Commercial products from microalgae
www.ainia.es 12
Obtaining polyunsaturated fatty acids from Spirulina platensis and Nannocloropsis oculata.
Example of a study of recovery oils using supercritical
CO2 microalgae
Polyunsaturated fatty acids ω-3 y ω-6 have beneficial health effects for humans:
• Regulation of cholesterol and triglycerides• Cardiovascular health• Protectors of brain
Family ω-6 Family ω-3Linoleic (C18:2 ω -6) Alfa linolenic (C18:3 ω -3)
Gamma-Linolenic (C18:3 ω -6)
Araquidonic (C20:4 ω -6) EPA. Eicosapentaenoic (C20:5 ω -3)
Docosapentaenoic (C22:5 ω -6) DHA. Docosahexaenoic (C22:6 ω -3)
• Natural sources of polyunsaturated fatty acids:
• vegetable oils (onagra, borraja, linaza, etc.): high content in ω-6• fish oils (salmón, bacalao, etc.)• algae and microalgae: desirable for their ratio ω-3 y ω-6
www.ainia.es 13
Spirulina platensis
High content in fatty acids: oleic 34%; palmitic 27%; linoleic, 12%
Produced industrially
Active principles:
Polysaccharides & phycocyanin: strengthening the immune system, detoxifying
GLA: inflammatory, rheumatism, PMS
Antioxidants: anti-aging
Beta-carotene: skin care
Calcium and magnesium: bone maintenance
OTHER EFFECTS
Blood pressure reduction
Cholesterol regulation (reduction and LDL / HDL ratio)
Improvement of intestinal functions
www.ainia.es 141/20
Bioproducción de biopolímeros biodegradables
Nuevos productos comerciales:
La realidad de la Bioproducción
www.ainia.es 15
Tendencias de consumo
-Horizonte 2020-Alimentación: Muy dirigida a grupos/sectores específicos sociedad-Medio ambiente: sostenibilidad, Biorefinery-Transversalidad vs innovación
www.ainia.es 16
> Tendencias de consumo
www.ainia.es 17
www.ainia.es 18
+ EUROSTARS + CIP emprendeduria e innovación
www.ainia.es 19
Personalización : la clave, la BIOPRODUCCIÓN
www.ainia.es 20
> A la carta: Personalización
www.ainia.es 21
Del plato al ingrediente y del ingrediente al plato
www.ainia.es 22
> Del plato al ingrediente
www.ainia.es 23
> Del plato al ingrediente
> Del ingrediente al platoDel ingrediente al plato
www.ainia.es 24
> De la botella al ingrediente
> > Del ingrediente a la botellaDel ingrediente a la botella
www.ainia.es 25
> Personalización: la clave, la BIOPRODUCCIÓN
DOWNSTREAM: RECUPERACIÓN DE PRODUCTO.PRUEBAS DE EXTRACCIÓN DE COMPUESTOS ALTO VALOR AÑADIDO
DOWNSTREAM: RECUPERACIÓN DE PRODUCTO.PRUEBAS DE EXTRACCIÓN DE COMPUESTOS ALTO VALOR AÑADIDO
UPSTREAM: ADECUACIÓN DE MATERIAS PRIMAS, SELECCIÓN DE MEDIOS DE CULTIVO DE BAJO COSTE
UPSTREAM: ADECUACIÓN DE MATERIAS PRIMAS, SELECCIÓN DE MEDIOS DE CULTIVO DE BAJO COSTE
CONCRECIÓN DEL PROCESOALTERNATIVAS DE BIOPROCESO A NIVEL INDUSTRIAL
CONCRECIÓN DEL PROCESOALTERNATIVAS DE BIOPROCESO A NIVEL INDUSTRIAL
ENSAYOS DE APTITUD DE INÓCULO A ESCALA DE LABORATORIO: SELECCIÓN VARIABLES INTENSIVAS
ENSAYOS DE APTITUD DE INÓCULO A ESCALA DE LABORATORIO: SELECCIÓN VARIABLES INTENSIVAS
ADECUACIÓN DE PARÁMETROS AL PROCESO: MODELIZACIÓN, ESCALADO Y VALIDACIÓN DE MODELOS
ADECUACIÓN DE PARÁMETROS AL PROCESO: MODELIZACIÓN, ESCALADO Y VALIDACIÓN DE MODELOS
VIA
BIL
IDA
D T
ÉC
NIC
O-E
CO
NÓ
MIC
AV
IAB
ILID
AD
TÉC
NIC
O-E
CO
NÓ
MIC
A
www.ainia.es 26
> Personalización: la clave, la BIOPRODUCCIÓN 1.
LEGA
L AN
D MA
RKET
EUR
OPEA
N RE
QUIR
EMEN
TS A
SSES
MENT
1. LE
GAL
AND
MARK
ET E
UROP
EAN
REQU
IREM
ENTS
ASS
ESME
NT
2. SCREENING FOR THE NATURAL RENEWABLE SOURCES SCREENING FOR THE NATURAL RENEWABLE SOURCES
3. DEVELOPMENT OF INTEGRATED BIOPRODUCTION PROCESSINTEGRATED BIOPRODUCTION PROCESS
5. CHARACTERIZATION OF FORMULATIONS
SEARCH FOR TARGETS OF APPLICATION
7. DEVELOPMENT OF NEW PROTOTYPESDEVELOPMENT OF NEW PROTOTYPES
6. BIOACTIVITY EVALUATIONBIOACTIVITY EVALUATION
9. PR
OJEC
T MA
NAGE
MENT
AND
COO
RDIN
ATIO
N 9.
PROJ
ECT
MANA
GEME
NT A
ND C
OORD
INAT
ION
8.DISSEMINATION AND EXPLOTATION BUSSINES PLAN
www.ainia.es 27
La producción de microalgas
www.ainia.es 28
Las microalgas son fuente de diferentes principios activos de valor:
• Proteína para alimentación humana y piensos para ganado
• Lípidos poliinsaturados
• Clorofila.
• Carotenoides:
• β-caroteno a partir de Dunaliella salina
• Luteína a partir de Scenedesmus almeriensis.
• Pigmentos (Ficobiliproteínas)
• Polisacáridos inmunoestimulantes: Chlorella y Spirulina spp.
• Péptidos antihipertensivos: Chlorella y Spirulina spp.
• Biomasa celular para acuicultura: Tetraselmis e Isochrysis spp.
Tecnologías de Bioproducción
Producción de microalgas
28/86
www.ainia.es 29
Tecnologías de Bioproducción
Aplicaciones de bioprocesos fermentativos
Fuente: GNPD (Global New Products Development).
Prospectiva tecnológica de productos enriquecidos con microalgas
29/86
www.ainia.es 30
La spirulina es la especie más explotada en su incorporación en los nuevos productos lanzados al mercado durante los cinco últimos años, seguida a amplia distancia de la chlorella, kelp, Dulse y la Alga roja
Fuente: GNPD (Global New Products Development).
Tecnologías de Bioproducción
Principales microalgas en el desarrollo de nuevos productos
30/86
www.ainia.es 31
INMUGAL
Fuente: GNPD (Global New Products Development).
Tecnologías de Bioproducción
Principales categorías donde se han desarrollado nuevos productos con Spirulina
Bebidas sin alcohol
Dulces, golosinas y gomas de mascar
Panadería
Snacks
Repostería de chocolate
31/86
www.ainia.es 32
INMUGAL
Fuente: GNPD (Global New Products Development).
Principales países donde se han desarrollado nuevos productos con Spirulina
Tecnologías de Bioproducción
Aplicaciones de bioprocesos fermentativos
32/86
www.ainia.es 33
INMUGALNuevos lanzamiento de productos en los cuales se ha incorporado Spirulina
Imagen Denominación PosicionamientoFecha
lanzamPaís de lanzam
.
Categoría productos
Paté ecológico de vegetales
marinos Ecológico Mayo 2009 España Untables
salados
Selección de bombones de chocolate puro
con pralinéincorporando la spirulina como
extracto vegetal
Calidad superior Oct 2008 Austria Repostería de chocolate
Barrita energética
natur’s plus ultra,
recomendado para diabéticos
por su bajo índice glicémico.
Rico en proteínasBajo IG
DiabéticoFortalecido con
vitaminas y minerales
Oct 2008 EE.UU. Snacks
Cereales de desayuno a la
miel “control de peso”.
Contienen spirulina que
ayuda a controlar el
hambre.
Control de peso Fortalecido en vitaminas y minerales
Octubre 2008 México Cereales de desayuno
Tecnologías de Bioproducción
33/86
www.ainia.es 34
…del laboratorio a la realidad industrial.
BIOPRODUCCIÓN
www.ainia.es 35
Some examples of industrial research
+ IBERDROLA, REPSOL, ENDESA, ACCIONA…
www.ainia.es 36
Water
Nutrients
Carbon dioxide
Wet biomass
Culture medium Photobioreactor
Sedimenter
Centrifuge
CO2capture
Main phases of microalgae production process
Oil or HVC extraction
Drying?
www.ainia.es 37
aquafeed.co making-biodiesel-books.com
www.naturalcooling.com ccresaquaponics.wordpress.com
Disadvantages of RACEWAYS stimulated new design concepts of closed photobioreactors.
www.ainia.es 38
Steps in microalgae production.CLOSED SYSTEMS PHOTOBIOREACTOR
Advantages:
• Precise control of the culture conditions.
• Culture of a single species.
• High biomass productivity.
• Not Contamination.
• High luminous efficiency.
The closed photobioreactors: Flat, Tubular, Column Bubbling and Stirred Tanks.
FLAT photobioreactors:
• High biomass density
• One point external gas injection
• High lighting area
• Good parameter control
• Need degassing systems
• Low agitation due to the pumping system
• Difficult scaleup.silentcenter.deviantart.com
www.ainia.es 39
asulightworks.com www.oilgae.com
esciencenews.comwww.innovativeindustry.net
www.ainia.es 40
Steps in microalgae production.
TUBULARS Photobioreactors
• Good ilumination area• Difficulty of scalup• High biomass densities• Multiple gas injection points• Maximum luminous efficiency• Low overheating• Good agitation using recirculation pumps and bubble• Nutrient good control• Cleaning by piston.• Problems with fouling of walls. Cleaning complex.• Expensive equipment.
www.ainia.es
www.everde.cl
www.ainia.es
www.ainia.es 41
www.sardi.sa.gov.au www.sciencedirect.com
energync.org novatev.com
www.ainia.es 42
Steps in microalgae production.
Column bubbling and stirred tank
• Easily scale up• Shadows and low luminous efficiency• Medium biomass densities• Possible mechanical stress• Heterogeneous distribution of nutrients and gases• Easy cleaning• Not very expensive equipment.
www.bbsrc.ac.uk
www.niot.res.in
www.algaeindustrymagazine.com
biofuels2010.blogspot.com www.flickr.com www.clubdarwin.net
www.ainia.es 43
Steps in microalgae production.
Comparing open and closed systems, it can be CONCLUDED that:
The closed photobioreactors are
• More productive• Easy control• Avoid contamination• But much more expensive
Processes developed in closed reactors are not yet profitable on a large scale.
Today, all industrial plants are using open lagoons
Figure shows the production of Nannochloropsis sp. commercial scale production of biodiesel by Seambiotics Company Ltd. (Israel) using open lagoons.
www.ainia.es 44
Aplicaciones industriales de los bioprocesos
www.ainia.es 45
Tecnologías de Bioproducción
Algunos ejemplos de microorganismos industriales:
• Levaduras vínicas, cerveceras, panaderas.
• Bacterias ácido-lácticas: probióticos.
• Cultivos iniciadores para alimentos cárnico-curados, encurtidos.
• MO de control biológico: bioinsecticidas, bioestimulantes del crecimiento…
MICROORGANISMO DE INTERÉS APLICACIÓN INDUSTRIAL
Sacharomices cerevisiae, Oenococcus oeni STARTERS VÍNICOS
Acetobacter aceti, gluconobacter oxydansSacharomyces carlsbengensisLactobacillus plantarumTotulaspora delbruekii
PRODUCCIÓN VINAGRES, CERVEZAS,
ENCURTIDOSLEVADURA PANADERA
Lactobacillus y Bifidobacterium PROBIÓTICOS
Penicillium spp. PRODUCCIÓN DE ANTIBIÓTICOS
Sacharomyces Cerevisiae, Leuconostoc spp, Zymomonas movilis
PRODUCCIÓN ETANOL
Trichoderma reesei PRODUCCIÓN DE CELULASASUSOS: HIDRÓLISIS DE
CELULOSA45/86
1. Obtención de microorganismos de interés industrial:
www.ainia.es 46
Tecnologías de Bioproducción
Algunos ejemplos de compuestos de interés:
• Ingredientes funcionales: sustancias prebióticas y probióticas.
• Lactatos para polimerización y fabricación de envases biodegradables y
envases activos.
• Ácidos orgánicos (ácido láctico, ácido cítrico, etc.).
• Péptidos bioactivos
• Etc.
Flavonoides:antocianidinas,
catequinas, flavononas, flavonas
Pre/Probióticos: fructo-oligosaáridos(FOS), lactobacilus
Carotenoides: alfa-caroteno, beta-caroteno, luteina, licopeno
Fibra dietética: fibra insoluble, beta-glucano, fibra soluble
Ácidos grasos: omega-3 -DHA/EPA,
conjugated ácido conjugadolinoleico (CLA)
Vitaminas liposolubles: vitamina A, D, E and K
Vitaminas hidrosolubles : vitamina C, complejo B
46/86
2. Obtención de compuestos de interés industrial a partir de melazas y
medios de bajo coste
EN LA ACTUALIDAD ALGUNAS EMPRESAS PRÓXIMAS YA HAN EMPEZADO A PRODUCIR BÁCTERIAS LÁCTICAS Y LEVADURAS PARA SU APLICACIÓN INDUSTRIAL
www.ainia.es 47
Tecnologías de Bioproducción
47/86Biomasa
Preparación de Inóculo
Preparación del Medio
Fermentación Recuperación de Caldo de Fermentación
Homogeneización
Extracción de producto
Recuperación de Caldo de Fermentación
Formulación del Medio
Esterilización del Medio
BIOMASA
SOBRENADANTE
PRODUCTO PURIFICADO
Envasado
Tratamiento de Efluentes
Envasado
Diagrama de Proceso de Fermentación Industrial
Fuente: “Principles of Fermentation Tecnology. Stanbury P.F. 1998. BH
www.ainia.es 48
Tecnologías de Bioproducción
48/86Biomasa
Equipos Industriales
Tres aspectos muy importantes a tener en cuenta
• Automatización• Sistemas CIP• Normas GMP
www.ainia.es 49
Tecnologías de Bioproducción
49/86Biomasa
Equipos Industriales