Ingenieria de FermentacionesIngenieria de Fermentaciones

Universidad Tecnológica de la Universidad Tecnológica de la costacosta

Exámenes parcialesExámenes parciales

29 de enero26 de febrero1 de abril29 de abril

1. De la Microbiología 1. De la Microbiología Industrial a la Industrial a la BiotecnologíaBiotecnología

BIOTECNOLOGÍA

Diagnósticosmédicos

Industria farmacéutica

Industria alimentariaY forrajera

Ingenieríade procesos

Industria de lafermentación

Ambiente yenergía

Industria química

Bioquímica

Biología celular

Biología molecular

Genética molecular Microbiología

PRODUCTOS TIPICOS EN PRODUCTOS TIPICOS EN INGENIERIA BIOQUIMICAINGENIERIA BIOQUIMICA

Ácidos orgánicos

Alcoholes y solventes

AntibióticosProteína unicelular

Esteroides

Otros

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, -caroteno, rivoflavina

Otros: alcaloides, enzimas, insectici-das biológicos, metano, nucleótidos, polisacáridos

Principales productos de la Principales productos de la biotecnología comercializados:biotecnología comercializados:

Bebidas alcohólicas Quesos Antibióticos Alcohol Reactivos de diagnóstico Jarabes de alto contenido en

fructosa Aminoácidos Levadura para panificación Esteroides

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

Tendencias de la Tendencias de la Tecnología a FuturoTecnología a Futuro

Fuente: The Futurist, Nov.-Dic. 1997

FermentaciónFermentación

Del latín fervere = ebullir

Acción de las levaduras sobre extractos de frutas o granos

Apariencia de producción de ebullición CO2

FermentaciónFermentación

Significado para bioquímicos:generación de energía por el

catabolismo de compuestos orgánicos

Significado para microbiólogos industriales:

Es mucho más amplio. Cualquier proceso para la generación de un producto mediante el cultivo másico de un microorganismo

AZÚCARESAZÚCARES

NUCLEÓTIDOSDE PIRIDINAREDUCIDOS

La oxidación de nucleótidos reducidos acoplada con la

reducción de un compuesto orgánico

Transferencia de electronesvía sistema citocromoactuando el O2 como

aceptor terminal de electrones

CONDICIONESAERÓBICAS

CONDICIONESANAERÓBICAS

PROCESOOXIDATIVO

CATABOLISMO

Productos de la fermentación Productos de la fermentación bacteriana del piruvatobacteriana del piruvato (Dawes y Large, 1982) (Dawes y Large, 1982)

A: bacterias ácido lácticas (Streptococcus, Lactobacillus)

B: Clostridium propionicum C: Levaduras, Acetobacter, Zymomonas,

Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora E: Clostridia F: Klebsiella G: Levaduras H: Clostridia (organismos butíricos y

butílicos) I: Bacterias ácido propiónicas

1.1. Tipos de procesos 1.1. Tipos de procesos biotecnológicosbiotecnológicos

a) Aquellos que producen células microbianas (biomasa) como producto

b) Aquellos que producen enzimas microbianas

c) Aquellos que producen metabolitos microbianos

d) Aquellos que modifican algún compuesto, el cual se ha adicionado a la fermentación (proceso de transformación)

Ejemplos de productos de diferentes Ejemplos 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

Productos biosintéticos

Antibióticos, vitaminas, aminoácidos, ácidos orgánicos

Ejemplos de productos de diferentes Ejemplos de productos de diferentes categorías en la biotecnologíacategorías en la biotecnología

(Cooney, 1983)(Cooney, 1983)

Productos catabólicos

Etanol, metano, ácido láctico

Bioconversión

Jarabe de maíz rico en fructosa, ácido 6-amino penicilánico

Tratamiento de desechos

Lodo activado, digestión anaerobia

a) Procesos para la a) Procesos para la producción de biomasaproducción de biomasa

Proceso de fabricación relacionado con el crecimiento

CONDICIONES ÓPTIMAS

MAYOR CRECIMIENTO De acuerdo al sustrato que utilizan

se clasifican en: Sustratos naturales y Sustratos preparados a partir de productos químicos puros

Sustratos naturalesSustratos naturales

Preparados a partir de productos o subproductos naturales, ejem: mostos

Complejidad y poca versatilidad de los sustratos

Requieren de investigación ingenieríl previa muy profunda, para determinar condiciones óptimas de proceso

Sustratos preparados a partir de Sustratos 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 (como metanol)

Sustrato conocido y fácil de seguir en su reacción

Producción comercial de Producción comercial de masa microbianamasa microbiana

1. Producción de levaduras para la industria panificadora

2. Producción de células microbianas (proteína unicelular) utilizada como alimento humano o para animal

TIEMPOS TÍPICOS DE DUPLICACIÓN TIEMPOS TÍPICOS DE DUPLICACIÓN PARA MICROORGANISMOS, PLANTAS PARA MICROORGANISMOS, PLANTAS

Y ANIMALESY ANIMALES

Organismo Tiempo de duplicación (h)

Bacterias, hongos y levaduras

0.3 – 2

Algas 2 – 50

Pastizales 170 – 340

Aves 340 – 680

Cerdos 680 – 1,000

Ganado 680 – 13,600

b) Enzimas microbianasb) Enzimas microbianas

Se producen a partir de fuentes vegetales, animales y microbianas

Ventaja de enzimas microbianas: se producen en grandes cantidades mediante técnicas de fermentación perfectamente establecidas

Se utilizan principalmente en el área de alimentos e industrias relacionadas

Enzimas de uso común en la Enzimas de uso común en la industriaindustria

ENZIMAENZIMA FUENTEFUENTE USOSUSOS

- Amilasa Aspergillus oryzalBacillus amyloliquefaciensBacillus licheniformis

Hidrólisis de almidón (mieles, cervecería), Textiles y papel

Celulasas Aspergillus sp.Trichoderma ruseiPenicilliun sp.

Procesamiento de frutas y hortalizas

-Glucanasa Bacillus subtilisAspergillus niger

Hidrólisis (-glucanos) en cervecería

Enzimas de uso común en la Enzimas de uso común en la industriaindustria(cont.)(cont.)

ENZIMAENZIMA FUENTEFUENTE USOSUSOS

Glucoamilasa

Aspergillus nigerRhizopus sp.

Producción de mieles de glucosa

Glucosa Isomerasa

Actinoplanes missouriensisStrptomicetes sp.

Isomerización de glucosa en mieles

Lactasa Sacharomices sp. Hidrólisis de lactosa en leche y suero

Enzimas de uso común en la Enzimas de uso común en la industriaindustria(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 Bacillus amiloliquenfaciens

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 logarítmicaFase estacionariaFase de muerte

Comportamiento de cultivo de acuerdo a los productos obtenidos en cada etapa:

Fase logarítmica (TROFOFASE): Los productos generados son esenciales para el crecimiento de las células (aminoácidos, nucleótidos, proteínas, ácidos nucleícos, lípidos, carbohidratos, etc.) PRODUCTOS PRIMARIOS del metabolismo

Fase estacionaria (IDIOFASE): Compuestos que no tienen una función obvia en el metabolismo microbiano PRODUCTOS SECUNDARIOS

PRODUCTOS DEL METABOLISMO PRODUCTOS DEL METABOLISMO PRIMARIOPRIMARIO

Metabolito Metabolito PrimarioPrimario

Importancia ComercialImportancia Comercial

Etanol “Ingrediente activo” en bebidas alcohólicas. Combustible en motores mezclado con petróleo

Ácido cítrico Diversos usos en la industria de alimentos

Acetona y butanol Solventes

Ácido glutámico Potenciador de sabor

PRODUCTOS DEL METABOLISMO PRODUCTOS DEL METABOLISMO PRIMARIO (cont.)PRIMARIO (cont.)

Metabolito Metabolito PrimarioPrimario

Importancia ComercialImportancia Comercial

Lisina Suplemento alimenticio

Nucleótidos Potenciador de sabor

Polisacáridos Diversas 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 productos Propiedades de productos secundarios:secundarios:

Actividad antimicrobiana

Inhibición específica de enzimas

Promotores de crecimiento

Propiedades farmacológicas

Relación entre metabolismo Relación entre metabolismo primario y secundarioprimario y secundario(Turner, 1971)(Turner, 1971)

Las rutas del catabolismo primario se muestran en la siguiente figura en líneas obscuras

Los productos secundarios se identifican con letra itálica

d) Procesos de d) Procesos de transformacióntransformación

Se utilizan células microbianas para convertir un compuesto en otro estructuralmente relacionado pero de mayor valor

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

Deshidrogenación Oxidación Hidroxilación Deshidratación y condensación Descarboxilación Aminación Desaminación Isomerización

Ventajas de los procesos Ventajas de los procesos microbianos sobre los puramente microbianos sobre los puramente químicos:químicos:

Son muy específicos

Operan a bajas temperaturas

No requieren de metales pesados como catalizadores

Ejemplos de procesos de Ejemplos de procesos de transformación:transformación:

Producción de vinagre

Producción de esteroides

Producción de antibióticos

Producción de prostaglandinas

Problema de los procesos de Problema de los procesos de transformación:transformación:

Se tiene que producir una gran masa microbiana para catalizar la reacción

ENZIMAS

o

CELULAS INMOVILIZADAS

1.2. Historia de la 1.2. Historia de la Microbiología IndustrialMicrobiología Industrial

1. Período de ignorancia (antes de 1800)

2. Período de descubrimiento(1800 – 1900)

3. Período de desarrollo industrial(posterior a 1900)

Período de ignoranciaPeríodo de ignoranciaCavernícolas: almacenaban carne para mejorar su sabor, producían bebidas intoxicantes a partir de frutas y granos

Período a. C.: Diversas civilizaciones producían queso, yogurt y salsas de leguminosas

Año 4000 a. C.: pan, vino y cerveza

Período de descubrimientoPeríodo de descubrimiento

Siglo XVIII: desarrollo del microscopio y descubrimiento de los microorganismos. THENARD sugiere que los m.o. producen el alcohol del vino

Siglo XIX: Pasteur demostró que eran correctas las ideas de Thenard. Hansen aisló y propagó cultivos de levadura (cervecería Carlsberg).Se descubre que algunas enfermedades son causadas por m.o. Emmerich y Low aislaron de bacterias la FIOCIANASA (primer antibiótico)1ros pasos para tratar aguas residuales con m.o.

Período de desarrollo Período de desarrollo industrialindustrial

1900 - 1950: desarrollo procesos fermentativos industriales: fermentaciones alcohólicas, producción de ácidos acético, láctico, cítrico y glucónico, acetona, butanol y glicerol. Procesos AEROBICOS y ANAEROBICOS.

Durante la Segunda Guerra Mundial: producción de penicilina

Durante la post-guerra: Se presentó un retroceso debido al crecimiento de la industria petroquímica

Período de desarrollo Período de desarrollo industrialindustrial

Años 60’s: Avance importante debido a la investigación para la producción de masa microbiana como fuente de proteína, por parte de compañías multinacionales

Última fase de desarrollo: inicia con el desarrollo de las manipulaciones genéticas de m.o. IN VITRO, dando origen a la INGENIERIA GENETICA

Calendario de eventos Calendario de eventos (según Houwink, 1984)(según Houwink, 1984)

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, glicerol Ácidos orgánicos (ácido cítrico) Tratamiento aerobio de agua residuales

Calendario de eventos Calendario de eventos (según Houwink, 1984)(según Houwink, 1984)

La era de los antibióticos (1940-1960):Penicilinas: tecnología de la

fermentación sumergidaGran variedad de antibióticosTecnología de la estructura de la célula

animal: vacunas contra virus Transformaciones microbiológicas de

esteroides

Calendario de eventos Calendario de eventos (según Houwink, 1984)(según Houwink, 1984)

La era de los post-antibióticos (1960-1975): Aminoácidos Proteína celular Enzimas (detergentes) Tecnología de las células y las enzimas

inmovilizadas (glucosa isomerasa) Tratamiento anaerobio de aguas de desecho Polisacáridos bacterianos (goma de xantán) Gasohol

Calendario de eventos Calendario de eventos (según Houwink, 1984)(según Houwink, 1984)

La era de la nueva biotecnología (1975 -):Tecnología de los hibridomas:

anticuerpos monoclonalesPruebas diagnósticas con anticuerpos

monoclonales (1980)Ingeniería genética (1974)Vacunas de origen animal contra la

diarrea (1982)Insulina humana (1982)

1.3. Elementos de un proceso 1.3. Elementos de un proceso biotecnológicobiotecnológico

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

equipo de apoyoiii. Producción de un cultivo activo y puroiv. Crecimiento del m.o. en el bioreactor

bajo condiciones óptimas para la formación del producto

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

proceso

DESARROLLO DE INÓCULO

Cultivo

stock

Biorreactorde

siembra

Biorreactorde

producción

Constituyentes del medio

FORMULACIÓN DEL MEDIO

ESTERILIZACIÓN DEL MEDIO

Cultivo(fluido)

Biomasa

SEPARACIONDE

CELULAS

Sobrenadante

EXTRACCIÓN DEL

PRODUCTO

TRATAMIENTO DE

EFLUENTES

PURIFICACIÓN

EMPAQUE