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BIOTENOLOGÍA MICROBIANA. También microbiología industrial. Biotecnología:. Uso de microorganismos vivos o de sus productos en procesos industriales o ambientales a gran escala. Fases de la biotecnología microbiana:. Tecnología microbiana tradicional: Fermentaciones alcohólicas - PowerPoint PPT Presentation
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También microbiología industrial
Biotecnología:Biotecnología:
• Uso de microorganismos vivos o de sus productos en procesos industriales o ambientales a gran escala
Fases de la biotecnologí
a microbiana:
Tecnología microbiana tradicional: Fermentaciones
alcohólicas Producción de
productos farmacéuticos , aditivos alimentarios, enzimas y sustancias químicas industriales
Biorremediación
Tecnología microbiana con organismos alterados mediante procesos de ingeniería genética:
• Fabricación de hormonas
• Moduladores del sistema inmune
• Vacunas
Microorganismos industriales
• No todos los microorganismos tienen un uso industrial
• Microorganismos industriales producen uno o más productos específicos
• El microorganismo es modificado antes de ingresar a la industria: se altera genéticamente por mutación o por recombinación
• Microorganismos industriales son especialistas metabólicos capaces de producir específicamente y con un alto rendimiento, metabolitos particulares
• La fuente de todas las cepas industriales es el ambiente natural
• Las cepas industriales se depositan en colecciones de cultivos que sirven como almacén
Requisitos de un microorganismo industrial:• Producir la sustancia de interés• Crecer rápidamente en un medio de cultivo barato• Fabricar el producto en un período corto• Desarrollarse en cultivo puro y en gran escala• Ser estable genéticamente pero susceptible de
manipulación genética• Cultivos que se mantengan durante períodos largos
en laboratorio y en planta industrial• Facilidad para inocular en grandes fermentadores• No debe ser peligroso para el hombre o las plantas
y animales de interés económico• Posibilidad de retirar fácilmente las células del
cultivo
Clases de productos
industrialesMetabolitos microbianos
• Alcohol• Ácido acético• Ácido láctico• Aminoácidos• Vitaminas • Antibióticos• Esteroides• Alcaloides
Células microbianas• Proteína unicelular:
levaduras, algas, bacterias y hongos
• Células para la inoculación:bacterias fijadoras de nitrógeno, micorrizas, inóculos para la fermentación de lácteos y embutidos
EnzimasDigestión de almidones, lípidos y proteínasSíntesis de antibióticos semisintéticos
Clasificación de los productos industriales según su uso:
• Productos farmacéuticos de origen microbiano
• Biotecnología microbiana en agricultura
• Sustancias químicas y aditivos alimentarios
• Productos químicos comerciales y producción de energía
• Biorremediación
Productos farmacéuticos de origen microbiano
• Antibióticos• Hormonas esteroides• Insulina• Hormona del crecimiento• Linfocinas• Péptidos neuroactivos• Factores de coagulación sanguínea• Activador del plasminógeno tisular• Vacunas • Anticuerpos monoclonales para diagnóstico y terapia
Biotecnología microbiana en agricultura
• Productos farmacéuticos veterinarios de origen microbiano
• Inóculos radiculares• Ingeniería genética de
plantas mediada por microorganismos como portadores genéticos
Sustancias químicas y aditivos alimentarios
Sustancias especiales y aditivos alimentarios:• Aminoácidos:
– Glutamato: potenciar el sabor– Aspartato+alanina: modular el sabor de jugos de
frutas– glicina: mejorar el sabor de alimentos dulces– Aspartame: endulzar– Lisina y metionina: aditivos nutrivos– Cisteína antioxidante de jugos de frurtas– Triptofano + histidina: evita la rancidez de los
alimentos• Vitaminas: rivoflavina, vitamina B12, vitamina C
Productos químicos comerciales y producción de energía
Productos químicos comerciales de estructura sencilla y bajo valor monetarios
• Etanol (combustible para motores)
• Ácido acético• Ácido láctico • Glicerol
Crecimiento y formación de productos industriales
Sustrato para el crecimiento
Células Metabolito primario
Sustrato para el crecimiento
Células Metabolito primario
Metabolito secundario
Sustrato para el crecimiento
Células Metabolito primario
Metabolito Secundario
Fermentaciones• Para procesos industriales, se usan
fermentadores de hasta de 400.000 litros de capacidad
• Los fermentadores son construidos de acero inoxidable y tienen una camisa externa la cual puede ser esterilizada inicialmente y enfriadada durante la fermentación.
• Spargers e impellers en el vessel son usados para la aireación y revolver el contenido.
• The vessel may contain various devices for monitoring the environmental conditions within the culture, so that these factors can be controlled to obtain high product yields.
• El proceso puede ser aeróbico o anaeróbico.
• En general, mayor dificultas en procesos aeróbicos que necesitan una adecuada airreación del tanque que contiene altas concentraciones de biomasa
Producción de productos de mamíferos por microorganismos modificados por ingeniería genética
Desarrollo de un proceso biotecnológico:• Si el gen o los genes que codifican para la
producción de una proteína de mamífero se pueden clonar dentro de un microorganismo
• Si se obtiene una buena expresión de este gen
Productos biotecnológicos fabricados por DNA recombinante
Proteínas de sangre para:– Disolver coágulos– Promover la coagulación sanguínea– Desarrollar glóbulos rojos
Hormonas para: – Tratamiento de diabetes– Regulación del calcio– Alivio del dolor– Osteoporosis– Diuréticos y antihipertensivos
Moduladores inmunes:– Estimulantes de las células T– Activador de células B– Agentes antivirales, anticancerígenos,
antitumorales, antiinflamatorios– Tratamiento de infecciones
• Vacunas:– Prevención de infección– Hepatitis B– Sarampión– Cólera– Rabia– Sida (no en el mercado, sólo en experimentación)
• Antícuerpos monoclonales:– Proteínas específicas que
reconocen y se fijan a un solo antígeno
• Tratamiento de cáncer, deshacerse de sustancias químicas tóxicas de las células tumorales
• Tratamiento de enfermedades cardíacas: destruir coágulos de sangre catalizados por plaquetas
• Diagnóstico clínico: embarazo y enfermedades humanas y animales
No todos los productos están en el mercado
El biofilm• Se forma cuando en medio
acusoso las bacterias se adhieren a las superficies en ambientes acuosos y empiezan a excretar un limo:
• Una sustacia pegajosa que puede sujetarse a toda clase de material (metales, plástico, partículas de suelo, materiales de implemento médicos y tejidos.
• Un biofilm puede estar formado por una sola especie de bacteria
• Más a menudo consiste de muchas especies de bacterias, hongos, algas, protozoos, de residuos y productos de la corrosión.
• Aunque pegados a una superficie, los microorganismos del biofilm llevan a cabo una variedad de reacciones benéficas o perjudiciales, desde el punto de vista humano
modifican las
condiciones ambientales que lo
rodean.
• Esquematización de la formación del biofilm P.Dirckx
Qué importancia tiene el biofilm para la industria?
• Biofilm en una membrana de ósmosis inversa
Los biofilms microbianos sobre las superficies cuestan billones de pesos al año en equipo dañado, productos contaminantes, pérdida de energía e infecciones médicas.
• Los métodos convencionales para matar bacterias (antibióticos y desinfección) son a menudo inefectivos contra las bacterias del biofilm.
Las enormes dosis de agentes antimicrobianos requeridas para liberar los sistemas del biofilm:
• Son ambientalmente indeseables ( y quizás no permitidas por las regulaciones ambientales)
• Médicamente impracticables (aunque matan las bacterias del biofilm, también matan el paciente).
• Así nuevas estrategias basadas en un mejor conocimiento de cómo las bacterias se sujetan, crecen y se desprenden son una urgente necesidad para muchas industrias y para la bioremediación.
• Los procesos microbianos sobre superficies también ofrecen oportunidades por sus efectos industriales y ambientales positivos:– Bioremediación en sitios con
residuos peligrosos– Biofiltración industrial del agua– Biobarreras para proteger el suelo
y las aguas subterráneas de contaminación.
• La ubicuidad y el significado del fenómeno biofilm es confirmado por el interés de industrias:– Petróleo– Especialidades
químicas– Minas– Agua para bebida– Productos de limpieza– Empresas de
servicios públicos
Se necesitan investigación interdisciplinaria y educación para crear métodos de uso
industrial en desarrollo de productos y ayuda a quienes la necesiten.
Areas de Investigación Fundamental sobre biofilms:
• Entendimiento de porqué los microorganismos del biofilm son más dificultosos de matar en comparación con microorganismos suspendidos.
Características moleculares y genéticas de los microorganismos del biofilm.
Estructura y función de un biofilm. Fenómenos de sujetamiento de los
microorganismos del biofilm. Métodos analíticos del biofilm. • Modelación de la actividad del biofilm.
Ejemplo de necesidades de investigación en relación al biofilm:
Investigación y campos de aplicación de tecnologías para el control de microorganismos fermentadores en campos petroleros.
Investigación y evaluación de productos potenciales para control del biofilm en drenajes de fregaderos, inodoros, piscinas y otros ambientes domésticos.
Evaluación de coberturas anti-infectivas sobre vendas para heridas, catéteres, válvulas cardíacas y otras superficies relacionadas con la práctica médica.
Desarrollo de tecnologías de biobarreras y bioremediación.
Investigación sobre el impacto del crecimiento renovado del biofilm en los sistemas de distribución de agua potable
Desarrollo de tecnologías para el control del biofilm asociado a la corrosión
Investigación del impacto y el control de biofilm en membranas de tratamiento y desalinización del agua.
Evaluación de la penetración de biocidas dentro del biofilm.
Determinación del papel del biofilm en el origen del "agua azul" en sistemas de distribución de agua potable que usan tuberías de cobre.
Desarrollo de tecnologías bioeléctricas para el control o incremento del biofilm en aplicaciones médicas.
Biorremediación:
Aplicación industrial de la biotecnología ambiental:
• Biodegradación: Microorganismos para la degradación de sustancias químicas de desecho tóxicas o indeseables, xenobióticas no recalcitrantes
• Futuro: microorganismos modificados genéticamente para degradar recalcitrantes
Métodos de tratamiento
de aguas residuales
antes de su eliminación o reutilización
Tratamientos anaerobios
Se utilizan para:•Estabilización de lodos•Desperdicios sólidos en vertederos
•Tratamiento de agua industriales y domésticas con alta DBO
Proceso:• Requiere de interacciones sinérgicas
entre cuatro grupos microbianos:– I. Bacterias hidrolíticas– II. Bacterias fermentadoras– III. Bacterias acetogénicas– IV. Bacterias metanogénicas
Acetogénesis:bacterias acetogénicas
ACIDOS GRASOS DE CADENA LARGAPropiónico, butírico .(volátiles); alcoholes, compuestos aromáticos (benzoato)
Metanogénicas:Bacterias
metanogénicas reductoras (autótrofos)
Hidólisis por exoenzimas de: bacterias fermentativas, Protozoos, levaduras y mohos
COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLESAzúcares, aminoácidos, péptidos
Acidogénesis por exoenzimas de: bacterias fermentativas
H2, CO2Ácido acético
(Acetato)
CO2 CO2
CH4
Metanogénicas:Bacterias
metanogénicas acetogénicas
COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPLEJOSProteínas, carbohidratos y lípidos
Digestores anaerobios
Líquido
Líquido
CH4, CO2
Influente
Efluente
Filtro
GasGas
Factores que controlandigestión anaerobia
1. Temperatura2. Tiempo de retención hidrolítica (TRH o HRT,
hydrolic retention time)
3. pH 4. Composición del desperdicio5. Competencia con bacterias productoras de
sulfuro (respiradoras de azufre).
6. Tóxicos (oxígeno, amoníaco, solventes clorinados, benceno, formaldehído, ácidos volátiles, etc.)
Ventajas:1. No requiere oxígeno.2. Menos energía invertida en el proceso.3. Produce metano.4. Produce de 3-20 veces menos lodos que
tratamiento aerobio (20-150 vs. 400-600 kg biomasa/m3 DQO).
5. Eficiente a elevadas cargas de DBO.6. Preservación de actividad aun cuando el
sistema no operare por largos períodos de tiempo.
7. Remoción de hidrocarburos clorinados, co-metabolismo, etc.
Desventajas:
1. Más lento que tratamiento aerobio (requiere > tiempos de contacto o sea > tiempos de retención hidráulica).
2. Más sensitivo a choques tóxicos.3. Requiere mayor tiempo de aclimatación.
Procesos de tratamiento combinado en pequeña escala tipo Jokaso
• Restaurantes y hoteles (50 personas)• La calidad del efluente puede llegar a
tener 20 mg/l omenos de DBO.
Contact anaerobic room
• Método del filtro anaerobio y contacto aerobio• http://www.apec-vc.or.jp/co-op/s_pollution/index.htm
Pozo séptico
Línea de drenaje
Trampa de grasas
Pozo sépticoConductos de distribución
Campo de absorción
Trampa de grasas
Remueve entre:• 80 - 70% de materiales hidrofóbicos • 40 - 50% de grasa emulsionadas
Tratamientos Biológicos Aerobios
Gran parte de la materia orgánica disuelta se
mineraliza a CO2, H2O y biomasa (sólidos que
pueden ser removidos)
Tratamiento de aguas residuales:Trata. 1rio + Trata. 2rio = Remoción 80-90% DBO
Posterior a un tratamiento de sedimentación primaria
los desperdicios que contienen materia orgánica
disuelta son transferidos a un tanque aireado mecánicamente
Durante este proceso, las poblaciones
heterotróficas se desarrollan vigorosamente y predominan en el tanque.
Tipos de tratamientos aerobios:
1. Crecimiento suspendido – Lagunas de
oxidación (disperso)
– •Lodos activados (agregados)
2. Biopelículas– • Filtros de goteo (Zooglea
ramigera)– • Biodiscos (Filtros RBC):– (Sphaerotilus, Beggiatoa,
Nocardia, Oscillatoria, Desulfovibrio)
– Filtros aerobios sumergidos– Reactores de lecho
fluidizado
Tratamiento aeróbico secundario de aguas residuales:
Agua residual
Sedimentación
Cribado
Lodo insoluble
Digestión anaeróbica
Lodo digerido:Incineración
Lodo soluble
Oxidación
Desinfección
Efluente tratado al río
Procesos biológicos
Lodos activados
Filtros de flujo lento
Procesos no
biológicos
Lodos activados:
• Método de tratamiento continuo
EfluenteCriba
Tanque de aclimatación
Tanque de aireación
Descarga de agua
Exceso de lodo
DeshidratadorTortasTanque de concentración
Clarificador
• Se forman flocs de microbios en los cuales la materia orgánica es a la vez adsorbida y oxidada.
• Los flocs sedimentan en un tanque agujereado, y son incorporados a un digestor de lodos anaerobios, donde el material orgánico restante es es convertido en productos gaseosos.
Tratamiento con lodos activados
• Filtros de flujo lento
Diversidad Microbiana de los lodos activados:
• Protozoarios ciliados (Vorticella)
• Hongos y levaduras ( Menor densidad)
Bacterias Escherichia coli Enterobacter Pseudomonas Achromobacter Flavobacterium Zooglea Desulfovibrio Sphaerotilus Filamentosas: Beggiatoa, Nocardia,
Oscillatoria
Parámetros físico-químicos que afectan los lodos activados:
pH Temperatura Nutrientes Viscosidad Potencial redox Habitabilidad del ambiente
Relación alimento/ microorganismos A/M: importante parámetro de diseño A/M:
[DBO (kg/m3) x Flujo (m3/d)] [Sólidos Reactor (kg/m3) x Vol (m3)
• Remoción en diferentes tipos de aireación:
Aireación extendida: • (0.03 < A/M < 0.8): > 90% remoción DBO Convencional: • (0.8 < A/M < 2): 80-90% remoción DBOAlta rata: • (A/M > 2): <80% remoción DBO
Sedimentación secundaria Tiempo medio de residencia celular
(MCRT :Mean Cell Residence Time)
Crecimiento disperso:
• No ocurre floculación
• La sedimentación sería imposible.
Floculación biológica:
• Proceso natural que ocurre bajo condiciones físico/química específicas.
El tiempo medio de residencia de los
lodos es un importante
determinante de la floculación de la
biomasa por gravedad
(separación de microorganismos
del efluente tratado).
• Usualmente el tiempo de residencia es de al menos 3 días, pero menor de 15 días
• Por fuera de este rango disminuye la capacidad de compactación del lodo.
Capacidad de Clarificación:
• Un mayor crecimiento disperso influye en la calidad del efluente, pues determina mayor concentración de sólidos suspendidos y más dificultad para la clarificación.
Capacidad de Compactación:
• Es la taza de sedimentación de los lodos concentrados
• Determina la efectividad del clarificador
Grado de compactación =[volumen ocupado por 1 g
de lodo después de 30 min]
• " BULKING" o entumecimiento del lodo:
• Formaçión de espuma en los decantadores de lodos activados.
• Los flóculos formados poseen poca densidad y suben a la superficie en vez de sedimentar.
Problemas en la sedimentación (Bulking )
1. MCRT (tiempo de residencia)2. C:N & C:P3. Niveles de oxígeno disuelto4. Biológico: sobrecrecimiento de bacterias
filamentosas como Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiotrix, Bacillus, hongos filamentosos como Geotrichum, Cephalosporium, Cladosporium & Penicillum
Filtros de goteo
• Para efluentes con DBO baja y muy variable.
• Los filtros por goteo han sido adoptados por la industria alimentaria y tintorera
• Efecto del tratamiento: se espera entre un 75 - 80% de remoción de DNO y 60 - 70% de DQO
• Los costos de equipamiento y operación menos caros que los de lodos activados
• Flujos bajos para concentrar materia orgánica del efluente y permitir la formación del biofilm sobre el lecho filtrante.
BiodiscosRotating Biological Contactor (RBC)
Consultar:• http://www.state.sd.us/denr/DES/P&S/designcriteria/design-10.html• http://www.apec-vc.or.jp/co-op/s_pollution/docs/s3_9_1.htm
• Se espera que los biodiscos remuevan entre el:– 75 - 90 % de de DBO– 60 - 70 % de DQO.
• Costos: El equipo es más caro que el de los lodos activados. El costo de operación es bajo, sólo el que se necesita para la rotación de los discos
• Se necesita tiempo de aclimatación para que se forme el biofilm grueso y anaerobico
• Malos olores debido al H2S y otros