Embed Size (px)
Citation preview
TEMA: Producción biotecnológica con el uso
de microorganismos. Papel de la
microbiología en el tratamiento de residuales.
Textos Guías
Madigan M., Martinko, J. Parker J. 2007. Brock Biología de
los Microorganismos. ISBN: 84-486-0261-7. Pentice-Hall.
Madrid. España.
Prescott, Lansing M. Harley, John P. Klein, Donald A. . 2013.
Microbiology. Mc Graw Hill Interamericana. Madrid. España.
Bibliografía
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Los ácidos orgánicos se usan frecuentemente como
aditivos en la industria alimentaria, así como aditivos
químicos en piensos.
Todos los ácidos del ciclo de los ácidos tricarboxílicos
pueden ser producidos microbiológicamente con un
elevado rendimiento.
Otros ácidos orgánicos derivan directamente de la glucosa
como es el caso del glucónico, o se forman como productos
finales de fermentaciones a partir de piruvato o de etanol,
como el ácido láctico y el acético.
Excluyendo al ácido cítrico, producido exclusivamente por
fermentación, existe normalmente competencia entre los
métodos químicos y los biológicos.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido cítrico La producción de ácido cítrico es de
aproximadamente 750000 toneladas al año, de
las cuales actualmente el 99% se producen
por medios biológicos.
Los procesos de fermentación se hacen sobre la superficie de los
cultivos o en fermentadores de hasta 220 metros cúbicos.
El rendimiento de la fermentación es de entre 60 y el 70% del
rendimiento máximo, y el 40% de las materias primas pasan a ser ácido
cítrico. Se emplea en:
Industria alimentaria: aproximadamente 65%. Se usa
como potenciador o preservador del sabor.
Industria farmacológica: 10 – 15%. Se usa en
pomadas, pastillas y cosméticos.
Industria química: Se usa como agente
antiespumante, ablandador, y para el tratamiento de
tejidos. En la industria metalúrgica los metales puros
se producen a en forma de citratos metálicos.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido cítrico Las cepas productoras son cepas de Aspergillus niger y A. wentii,
altamente modificados.
El ácido cítrico es un producto del metabolismo primario, formado en el
TCA. En la trofofase, parte de la glucosa del sustrato se usa para la
producción de medio y pasa a ser CO2. En la idiofase la glucosa
restante pasa a ser ácido orgánico, excepto una pequeña parte que
pasa a CO2 por la respiración.
El sustrato para la producción de ácido cítrico suelen ser sustratos
azucarados.
Antes se usaban muchas
melazas. Ahora se usan
aguas sulfhídricas de
papeleras, que es un residuo
muy contaminante, o
sustratos más raros,
procedentes de la industria
alimentaria.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido cítrico El ácido cítrico se produce tanto en procesos en superficie como
sumergidos.
Los procesos en superficie puede ser divididos en función del
estado del medio de cultivo usado.
Medio sólido:
Plantas de baja producción, muy limitadas, unas 500 toneladas
al año.
Se usa sustrato sólido, como mollas de pan o pulpa de almidón.
El pH del medio se reduce hasta 4 o 5 antes de la esterilización.
Después se inocula con esporas, extendiéndolo sobre bandejas
en capas de 3 a 5 centímetros de grosor y se incuba a 28º C.
El proceso dura unas 90 horas, al final de las cuales la solución
entera se extrae con agua caliente para aislar el ácido cítrico.
En superficie
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido cítrico
Medio líquido
Es el método más antiguo de producción.
Actualmente se produce el 20% del total con este método.
Permanece en uso todavía debido a la baja inversión que requiere para
su funcionamiento, ya que la tecnología es sencilla, el coste en energía
para los sistemas de refrigerado es bajo.
El mayor costo viene por la mano de obra, más grande que en los
reactores sumergidos, pero es mano de obra no especializada.
En reactores sumergidos se requiere menos mano de obra, pero más
especializada.
En los sistemas modernos, el medio se esteriliza en continuo. La
solución nutritiva estéril fluye automáticamente por un sistema de
distribución sobre las bandeas.
La inoculación se hace en cámaras de inoculación a 30 – 40º C,
diseminando esporas secas o pulverizando una suspensión de
esporas.
En superficie
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido cítrico Sumergidos
80% de la producción mundial de ácido cítrico se hace mediante
procesos sumergidos. Aunque dura más días que los otros
métodos presenta varias ventajas.
Menor inversión en la construcción y menor inversión total. Es
necesaria menos mano de obra.
También presenta algunas desventajas con los anteriores
métodos. o Mayor coste de energía
La tecnología de control es más sofisticada, con lo que se
requiere un personal más cualificado.
Existen 3 factores especialmente importantes para la producción
en sumergido:
1. La calidad del material para construir el fermentador.
2. La estructura del micelio.
3. Suministro de O2.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido acético
La producción de ácido acético a partir de líquidos
alcohólicos es conocida desde hace tanto como la
producción de las bebidas alcohólicas. Es un subproducto de la industria del vino tan solo cuando el acético está
destinado para ser de uso industrial.
La producción anual es de entre 2 y 3 millones de toneladas, que van a
parar a la industria alimentaria y a la industria química, donde se usa para
la fabricación de plásticos. La producción de ácido acético no es más que la
oxidación incompleta del alcohol hasta ácido acético,
de manera que no es una fermentación en el sentido
microbiológico del término porque el poder reductor
se transfiere al oxígeno y el producto está más
oxidado que el sustrato.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido acético
Es llevada a cabo por bacterias del ácido acético. Existen de dos
tipos:
1. Infraoxidans: Gluconobacter. Tiene el TCA alterado y no va más allá
del Ac.
2. Supraoxidans: Acetobacter. Va lento, pero hace el proceso entero
Azúcar alcohol acético CO2
Gluconobacter
Acetobacter
Todos los métodos
requieren un sustrato inicial
con una concentración de
etanol baja, que no sea
superior al 5 – 6%
Las materias de partida serán vino, suero de la
leche, malta o sidra, que no requerirán ningún
componente adicional para ser una solución
completa de nutrientes.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido acético
Procesos en superficie
Pese al éxito de los procesos sumergidos, los procesos en superficie se
utilizan aún hoy en día de manera amplia en la producción de vinagre y
vinagres de lujo.
Existen dos métodos básicos de producción en superficie.
Método de Orleáns o método lento.
En este método, y al principio en todos, se
usa Acetobacter xulium, porque produce
celulosa que le permite flotar, a diferencia
que la mayoría de las bacterias que se
hunden.
después del crecimiento, la masa de
bacterias pesa demasiado y se hunde. En
este método, la madre del vinagre, la
masa de crecimiento, flota en la superficie
de una bota, en contacto con el vino y con
el aire.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido acético
Procesos en superficie
Generador de goteo o método alemán
Es un método tradicional también.
En este caso el biorreactor de madera tiene un
volumen total de 60 metros cúbicos y está lleno
de cenizas de haya.
El material de partida, el alcohol y el vinagre, se
deja sobre la superficie y desciende goteando a
través de las cenizas hasta el contenedor
situado en la base, donde se enfría y se vuelve
a verter en la parte superior. Del alcohol que se añade, cerca del 90% se convierte en acético durante
el proceso.
La temperatura del sistema es de 29º C en la parte superior y de 35º C en
la inferior.
El tiempo necesario para la producción de acético del 12% por este
sistema es de unos 3 días.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido acético
Procesos sumergidos
Los vinos de frutas, diferentes a la viña,
claro, y mezclas especiales con bajo
contenido alcohólico total fueron usadas
por primera vez en cultivos sumergidos.
Los tanques están hechos de acero
inoxidable y están agitados desde el
fondo.
La aireación es crítica, de manera que ha de estar muy regulada para que
el rendimiento sea elevado.
El vinagre de vinagre de boca (13% Ac.) se produce de forma discontinua
en un proceso totalmente automatizado, en condiciones de aireación y de
agitación continuas.
Se trabaja a partir de un sustrato que contenga de 7 a 10 g acético / 100
ml y con un 10 – 15% de etanol.
Se han descrito procesos totalmente continuos con rendimientos entre el
98% a 40º C.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido acético
Procesos sumergidos
Con la producción en cultivo sumergido, la
velocidad de producción por metro cúbico
es 10 veces superior que en
fermentaciones en superficie y
aproximadamente 5 veces superior que con
el generador de goteo.
Sus ventajas son:
1. Menor inversión por cantidad producida
2. La instalación solo requiere el 20% de la planta.
3. La capacidad de conversión de otros sustratos en bajo tiempo.
4. Bajo coste en personal debido a la producción automatizada.
La recuperación está facilitada por el hecho de que el ácido acético
cristaliza a temperaturas inferiores a 15º C, de manera que es fácil de
concentrar.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido láctico En teoría debería ser uno de los ácidos más
consumidos por la industria alimentaria, porque la
fermentación láctica interviene en la fabricación de
muchos alimentos.
Pero de hecho, debido a que en la mayoría de los
casos la fermentación láctica se hace sobre el
producto, y no se añade de manera adicional, el
ácido láctico es uno de los productos en los que
resulta más barato usar la síntesis química que la
biológica.
La fermentación para obtener litros de ácido láctico
no tiene mucho sentido, pero sí que lo tiene la
fermentación láctica para la fabricación de muchos
productos diferentes.
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido láctico Productos lácteos
Conservas cárnicas.
Embutidos.
Conservas vegetales. En teoría la conservación de los vegetales debería
hacer mediante la fermentación láctica, pero en la práctica se añade
simplemente vinagre y se pasteuriza. Se hace esto porque los
materiales de partida para hacer una fermentación láctica son muy
heterogéneos. Mediante el uso del vinagre se obtienen resultados más
seguro y homogéneos.
Fermentación málico – láctica del vino
Yogurt
Queso
• En el proceso de fabricación del yogurt consiste en la inoculación de la
leche con Lactobacillus bulgaricus y con Streptococcus termophillus en
una proporción similar. Al final del proceso la proporción de ambas
bacterias es también similar, pero existen fases de predominio de una u
otra bacteria.
Lactobacillus
bulgaricus
Streptococcus termophillus
PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS
Ácido láctico
PRODUCCIÓN DE AMINOÁCIDOS
Es un producto muy importante y que hace tiempo que se usa.
La producción se inició en los países orientales.
Primero se intentó realizar la síntesis química, pero se acabó
observando que algunas bacterias exudaban al medio glutamato.
Se realizó entonces la búsqueda de las bacterias y hacia 1950 tenían
listo un sistema a partir de Corynebacterium glutamicum.
La producción anual es de 750000
toneladas al año, dividida entre una
docena de empresas.
Como sustrato se suelen usar melazas o
almidón hidrolizado, aparte de una fuente
adecuada de nitrógeno, como pueden ser
sales amónicas.
Se han usado mutantes sensibles a la
temperatura para que la bacteria secrete
el glutámico al medio.
La producción es de 50 g de glutámico
por litro, con un rendimiento del 40% de
la glucosa transformada en glutamato.
PRODUCCIÓN DE AMINOÁCIDOS
Métodos de producción de aminoácidos
El segundo aminoácido más
producido es la lisina.
Aproximadamente el 65% de
los aminoácidos producidos
van a la industria alimentaria,
el 30% van a la formación de
piensos y el 5% restante se
destina a la industria química
para fabricar cosméticos.
Actualmente sería impensable
la industria alimentaria sin la
presencia de los aminoácidos.
Se ha dicho que el glutamato
es el quinto sabor, pero en
realidad es un potenciador de
los sabores. La lisina también
lo es, pero menos potente.
PRODUCCIÓN DE VITAMINAS La producción mundial de vitaminas se la dividen
básicamente entre 2 empresas: Roche y Ziba –
Henti.
Sólo existen 3 vitaminas diferentes, B12, vitamina c
y riboflavina, que se produzcan mediante métodos
microbiológicos a escala industrial, porque la
extracción de vitaminas de productos ricos o la
síntesis química suelen ser métodos más baratos.
Para la síntesis de vitamina B12, la 5’
desoxiadenosil cobalamina, se usan cepas de
Propionibacterium: P. freudenreichii y P. shermanii
P. freudenreichii
P. shermanii
PRODUCCIÓN DE VITAMINAS
PRODUCCIÓN DE ENZIMAS
El primer enzima producido industrialmente lo produjo Parker – Dans, un
laboratorio farmacéutico, en 1894.
En 1915 prácticamente todos los detergentes industriales en Estados
Unidos contenían proteasas, enzimas de síntesis microbiana.
Los detergentes lleva un siglo conteniendo enzimas.
La mayor parte de los enzimas producidos va a la industria alimentaria,
mientras que otro porcentaje va al campo analítico, pero se trata de
enzimas diferentes.
Existe un tercer campo muy reducido, pero de gran valor añadido, que
es el que busca las aplicaciones clínicas, por ejemplo en medicación,
como pueden ser lipasas, hialuronidasa, etc.
Dentro de la industria del almidón se
encuentran muchos tipos diferentes de
enzimas.
Dentro del porcentaje que representa la
industria de la alimentación encontramos
muchos enzimas diferentes, que se pueden
usar con diferentes finalidades, entre ellas las
de facilitar la decantación, etc.
PRODUCCIÓN DE BIOMASA
La levadura es el microorganismo más usado
en la industria.
Se usa principalmente en la panificación,
aunque también en la cervecería y en los
procesos de vinificación.
Se produce a partir de aquellos sustratos con
suficiente azúcar y nitrógeno como para
soportar el crecimiento de estos organismos.
El sustrato más típico serían las melazas,
pero cada vez más este sustrato se usa
menos, debido a que la industria azucarera
está en crisis, debido a la presencia de
edulcorantes.
El proceso se hace totalmente de manera
aerobia, para que todo el carbono que haya
en el sustrato inicial pase a ser biomasa
microbiana, ya que si no hubiese oxígeno,
haría fermentaciones, que no es lo que
buscamos en este caso.
PRODUCCIÓN DE BIOMASA
PRODUCCIÓN DE SCP (Single Cell Protein) Consiste en la producción de proteína de
microorganismos.
Dado que el mundo cada vez requiere más proteínas,
especialmente en los países desarrollados.
Cuando se empezó a ir un poco corto de proteínas,
cerca de los años 60, los fabricantes de soja vieron
que pronto no producirían lo suficiente para cubrir las
demandas, por lo que empezaron la investigación de
la SCP.
En este caso, los microorganismos están formados
por proteínas caras, asociadas a ácidos nucleicos.
Se usaban dos cepas que podían hidrolizarlos:
Candida tropicalis y Saccharomyces lypolitica.
Se intentó usar metanol para la producción de SCP, la
ICI. Se usaba Pseudomonas methylotrophus. No
salía a cuenta usar melazas y otros sustratos típicos,
además, la soja era cada vez más productiva. Se
pensó en producir SCP a partir del suero de la leche,
mediante el uso de Fusarium graminearum, pero no
salía a cuenta.
Proteína asociada a DNA
Hongo
2 – 5 %
Algas
4 – 6 %
Levadura 6 – 10 %
Bacteria
10 – 16 %
PRODUCCIÓN DE TOXINAS
Bioinsecticidas El segundo tipo de microorganismos
en importancia son aquellos que
tienen capacidades insecticidas.
Se han encontrado diferentes
organismos, pero los que se
producen principalmente son
diferentes cepas de Bacillus
thuringensis, aunque se probó
también con B. papillidae, B.
lentimorbus y Pseudomonas
aeruginosa, pero en todos los casos
con menos éxito.
B. thurigensis, durante la
esporulación, produce un cristal
piramidal que contiene una proteína
denominada δ - toxina, que es un
gran tóxico para los insectos.
PRODUCCIÓN DE BIOPOLÍMEROS
Se trata de un campo muy interesante para la industria. Los polímeros
de más interés actualmente son:
Dextranos
Scleroglucanos
Pululanos
Ácido algínico
Xantano
Los biopolímero se han usado siempre como estabilizadores de los
alimentos, e incluso para hacer plasma y sangre artificial.
El biopolímero más sintetizado actualmente es el xantano, del que se
producen aproximadamente 104 toneladas al año. Este producto es
fabricado por Xanthomonas. Los biopolímeros son mejores que los
polímeros químicos, porque son degradables.
Para que se forme el biopolímero es necesario que haya unas
condiciones de saturación de oxígeno, así como que la relación entre C
y N se decante hacia C, cuanto más mejor. La relación más adecuada
es de 10 a 1.
El medio se va espesando a medida que se produce polímero, con lo
que la producción bajará. Ha de haber una gran regulación del proceso.
PRODUCCIÓN DE BIOPOLÍMEROS
PREGUNTA ESCRITA
TEMA: TRATAMIENTO DE
RESIDUALES
CARACTERÍSTICAS DEL
PROCESO
ACCIÓN DE LAS CEPAS
MICROBIANAS EN EL PROCESO
