Microbiología Industrial (Fermentaciones/Biotecnologi

a) y Biocatalisis

M.C. Ocampo Suarez

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE LA COSTA

INGENIERIA EN PROCESOS BIOTECNOLOGICOS

RETROALIMENTA

CIO

N

I. Microorganismos industriales, productos y formación de productos

1.1. Introducción

La microbiología industrial es la disciplina que utiliza los microorganismos,

generalmente cultivados a gran escala, para obtener productos comerciales.

Surgió de los procesos de fermentación alcohólica tales como los de fabricación

del vino y de la cerveza.

Con las herramientas de la microbiología se desarrollaron procesos para la producción:

•Antibióticos •Aditivos alimenticio•Enzimas •Compuestos químicos como butano y

ácidos orgánicos

Todos los procesos microbiológicos se basan en la potenciación de reacciones metabólicas que los microorganismos ya eran capaces de llevar a cabo, con el fin de aumentar la producción del compuesto de interés.

• En la actualidad además de la microbiología ha surgido una nueva era: la de la biotecnología microbiana.

• En biotecnología los métodos de manipulación de los genes ha dado lugar a nuevos productos microbianos, la mayoría de los cuales no los producen los microorganismos de forma natural. (mediante métodos de ingeniería genética se crean nuevos microorganismos que contienen nuevas dotaciones de genes que les permiten fabricar productos nuevos)

1.2.Microorganismos y productos industriales

• No todos los microorganismos tienen un uso industrial.

• Los principalmente usados en el proceso biocataliticos son hongos(levaduras y mohos) y algunos géneros de Streptoyces

• Los moo industrial son organismos que han sido seleccionado cuidadosamente para que produzcan uno o mas productos específicos

• La ultima fuente de todas las cepas industriales es el ambiente natural.

• La elevada especialización de las cepas industriales se debe a la manipulación genética con el objetivo de incrementar el rendimiento de un producto en particular.

• Los microorganismos con valor industrial se conservan en un laboratorio de microbiología o en grades colecciones nacionales de bancos de germoplasma ( estos están disponibles para fines docentes, de investigación e industriales)

• El ejemplo mas espectacular de tal mejora progresiva es el de la penicilina, el antibiótico producido por Penicillum chrysogenum

• Cuando se produjo por primera vez la penicilina a gran escala se obtuvieron rendimientos de 1-10 ug/ml.

• A lo largo de los años, como resultado de la mejora de la cepa acoplada a cambios en el medio y condiciones de cultivo, el rendimiento de la penicilina aumento hasta 50,000 mg/ml (manipulación y selección)

1.3. Propiedades de un microorganismo industrial

•Producir la sustancia de interés•Capaz de crecer y sintetizar el producto

en cultivo a gran escala.•La forma reproductiva del

microorganismo debe permitir que este sea fácilmente inoculado en grandes fermentadores.

•Crecer rápidamente y producir el metabolito en un periodo de tiempo relativamente corto.

• Capacidad de crecer en un medio liquido de fermentación relativamente barato (Licor de maceración de maíz, suero de leche, y otros materiales residuales con alto contenido en carbono orgánico.

• Un microorganismo industrial no debe ser patógeno.

• Un microorganismo debe ser susceptible a manipulación genética.

1.4. Ejemplos de Productos industriales

• Los productos microbianos industriales de interés pertenecen a varios tipos principalmente:

• - Incluyen a las propias células

• - Sustancias producidas por la célula. ( Enzimas, agentes farmacológicamente activos como antibióticos, esteroides, alcaloides, aditivos alimentarios como el aspartamo, edulcorantes, bebidas y productos químicos como etanol.

Figura 1. Productos de la microbiología industrial o biocatálisis

Contesta las siguientes preguntas en tu cuaderno de notas:

•A) Porque consideras que los microorganismos industriales deben ser genéticamente manipulable.

•B) Cita tres características de un microorganismo con valor de interés comercial.

2. Crecimiento y formación del producto

industrial

2.1. Las fases del crecimiento de microorganismos son:

•Fase de adaptación

•Fase exponencial

•Fase estacionaria

•Fase de muerte

Figura 2. Curva típica del crecimiento microbiano

A continuación se describirá el crecimiento microbiano y la formación del producto en un contexto industrial y nos preguntaremos entonces:

•¿Cuándo se produce el metabolito

industrialmente útil en el ciclo celular del microorganismo?

2.2. Metabolitos primarios y secundarios

•Un metabolito primario es un producto de las reacciones del metabolismo primario de un microorganismo y este se forma en la fase exponencial del crecimiento.

•Un metabolito secundario es el que se forma casi al final de la fase exponencial o en la fase estacionaria y no es indispensable para el crecimiento del microorganismo

Figura 3. Diferencias entre la producción de metabolitos primarios y secundarios (Formación de

alcohol y formación de penicilina)

Los metabolitos secundarios son los mas comunes e importantes desde el punto de vista industrial y tienen las siguientes características:

La relación entre el metabolismo primario y el

secundario radica en que los metabolitos

secundarios provienen del metabolismo

primario, porque las moléculas

precursoras para el metabolismo secundario se

forman en las rutas biosinteticas primarias.

Contesta las siguientes preguntas en tu cuaderno de notas:

•A) ¿ La Penicilina es un metabolito primario o secundario ? ¿Porqué?

•B) ¿ Qué tipo de metabolito puede sobre producirse mas fácilmente: el metabolito primario o secundario ? ¿Porqué?

3.Caracteristicas de las fermentaciones a gran escala

•El recipiente en el que se realiza el proceso industrial se denomina fermentadores.

•El tamaño de los fermentadores puede variar entre los pequeños de 5 a 10 litros a escala laboratorio y los enormes de hasta 500,000 litros a escala industrial.

3.1. El fermentador

Pequeño fermentado

r para investigaci

ón científica

Interior de un fermentador

que muestra las paletas y los serpentines

para enfriar y calentar

Esquema de un

fermentador que muestra

las construcción

y los dispositivos

que se utilizan ara la

aireación y para el

control del mismo

•El tamaño del fermentador utilizado depende del proceso y de cómo se va a operar.

•Los procesos que operan con medio no renovado, requieren fermentadores mas grandes que los procesos que funcionan de modo continuo o semicontinuo.

3.2. Control y monitorización del proceso de fermentación

•Debido al elevado costo de los procesos de fermentación es sumamente importante el monitoreo del mismo para garantizar que este transcurra de forma correcta.

•Medicion del crecimiento microbiano

•Formación del producto

•Control de parámetros ambientales: - Temperatura - Concentración de oxigeno - pH - Masa celular - Concentración de producto

Mediante sistemas, programas computacionales y modelos matemáticos se

puede monitorea y procesar datos para controlar

factores ambientales y nutricionales en el proceso

de fermentación

Tarea: Investigar en que consiste el

Proceso de escalado de la fermentación