PROCESO DE BIOTECNOLOGÍA

¿Qué es la biotecnología? La biotecnología se

define como “la utilización de los seres vivos o de sus procesos biológicos, para la obtención o modificación de un producto, mejorar una especie vegetal o animal o la obtención de un servicio”. Otra definición sería “aplicación de procedimientos científicos para la transformación de materias por agentes biológicos para producir bienes y servicios”.

Disciplinas que aportan contenidos a la biotecnología

Son las disciplinas que aportan contenidos a la biotecnología, como la microbiología, química, ingeniería industrial, informática se piensa que esta ultima puede ser el futuro de la biotecnología.

La biotecnología tiene aplicaciones en múltiples sectores, como son:

Sanidad y Medicina : Obtención de nuevas vacunas, terapia génica, obtención de medicamentos en OMG

Industrias alimentarias: obtención de alimentos transgénicos y SCP (pienso)

Agricultura y ganadería: obtención de plantas y animales transgénicos y clónicos.

Medio ambiente: tratamiento de aguas, biorremediación.

Industrias: Producción de enzimas para detergentes, biocombustibles

Otras: Estudios filogenéticos, huella genética (criminología, derecho), recuperación de especies extinguidas

BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

Algunos microorganismos son capaces de transformar ciertas sustancias en productos de utilidad para el hombre como el pan, yogurt y bebidas alcohólicas. Se han utilizado desde las primeras civilizaciones aunque sin saber su existencia ni su modo de acción.

Dichas transformaciones son oxidaciones incompletas del producto inicial en ausencia de oxígeno, y son convertidos en moléculas orgánicas más sencillas que están todavía reducidas. Es decir, hacen fermentaciones. Sin embargo, la mayor parte de los procesos a nivel industrial son aerobios, aunque reciban la denominación de fermentaciones.

Para hacer las fermentaciones, se utilizan levaduras y bacterias. Sólo unas pocas especies tienen interés industrial. Las levaduras más importantes son Saccharomyces cerevisiae y Saccharomyces ellypsoideus, que se ha empleado para fabricar pan, vino, sake, alcohol y cerveza. Sólo pueden fermentar hexosas, por lo que si se le suministra disacáridos o polisacáridos previamente hay que hidrolizarlos. Otras levaduras utilizadas son Saccharomyces uvarum (vino), Saccharomyces cidrii (sidra).

Dentro de las bacterias destacan los Lactococcus, Lactobacillus, Acetobacter y Streptococcus.

La biotecnología en la actualidad FERMENTACIÓN

ALCOHÓLICA O ETÍLICA:

El etanol es un disolvente empleado en la industria química y componente fundamental de las bebidas alcohólicas. La fermentación es realizada por levaduras del género Saccharomyces que transforman líquidos ricos en azúcar en un medio anaerobio.

Dependiendo de la levadura se obtiene distinto tipo de bebidas: para el vino, ron, coñac, whisky, cerveza, champán se utiliza Saccharomyces cerevisiae, y a veces Saccharomyces uvarum (para el vino), para la sidra Saccharomyces cidrii.

Usos en la industria alimentaria

La biotecnología en la actualidad PRODUCCIÓN DEL PAN :  

El pan también es obtenido por fermentación alcohólica. Se utiliza también Saccharomyces cerevisiae, y hasta el siglo XIX se conseguía de las fábricas de cerveza. Hace una fermentación alcohólica sobre los azúcares de la harina del trigo.

Usos en la industria alimentaria

● Primera hay que disponer de LEVADURA SECA, al hacer crecer en un medio rico en oxígeno.

● La mezcla se centrifuga para separar la levadura. Esta levadura es la que se añade a la mezcla de harina, agua y sal.

● Primero hay que dejarla en reposo unas horas. El almidón es degradado a glucosa por enzimas (amilasas) de la propia harina, y la glucosa liberada es atacada por la levadura dando lugar a CO2 (burbujas u ojos del pan),y etanol.

● El CO2 desprendido esponja el pan y aumenta de tamaño. La masa fermentada se mete en el horno, y con el calor de la cocción se pierde el alcohol, el CO2 y las levadura muere.

La biotecnología en la actualidad FERMENTACIÓN

LÁCTICA

Usos en la industria alimentaria

Él ácido láctico tiene varios usos. Los lactatos de hierro se emplean en el tratamiento de anemias, los de calcio para aumentar el nivel de calcio y los de sodio en la industria del plástico.

 Los microorganismos que llevan a cabo esta

fermentación se denominan "fermentos lácticos" o "bacterias del ácido láctico", que se encuentran de forma natural en la leche como los géneros Lactococcus, Lactobacillus (L. bulgaricus, L. acidophilus) es heterofermetador, y Streptococcus (S. lactis, S. termophilus y S. cremoris) es homofermentador y a veces Leuconostoc (heterofermentador). Son cocos o bacilos móviles, anaerobios facultativos. El proceso de esterilización de la leche (altas temperaturas) los elimina.

En esta fermentación estas bacterias convierten la lactosa (azúcar de la leche) primero en galactosa y glucosa, y estas después en ácido láctico . 

Estas bacterias son las responsables del agriamiento espontáneo de la leche (leche cortada), al formarse el ácido láctico, baja el pH y se coagulan (desnaturalización) las proteínas lácteas adquiriendo una textura más o menos sólida. Están presentes en la leche de forma natural. Esta fermentación se utiliza para obtener derivados lácteos como

 1. Leches fermentadas o agrias

(yogurt, kéfir, kuomis), por Streptococcus, Lactobacillus, Leuconostoc. Típicas de Rumania, Bulgaria, Turquía, etc

2. Mantequilla, por Streptococcus lactis y Streptococcus diacetalis

3. Quesos. La textura final de cada tipo de queso depende de hongos que actúan tras la fermentación.

La biotecnología en la actualidad

Usos en la industria alimentaria

La biotecnología en la actualidad FERMENTACIÓN ACÉTICA

La realizan las "bacterias del vinagre" o "bacterias del ácido acético", como Acetobacter aceti, Acetobacter oxydans o Gluconobacter, que son Gram- flagelados. Degradan parcialmente el etanol hasta ácido acético.

Este proceso es aerobio, y el O2 es el aceptor final de los electrones que pierde el etanol, por lo que NO es una fermentación en sentido estricto. Se la denomina fermentación porque la oxidación es incompleta.

El sustrato inicial que contiene etanol puede ser el vino (agriamiento del vino), una disolución de etanol, etc. Dura varias semanas, ya que en el tonel la difusión del aire en el tonel es lenta.

Usos en la industria alimentaria

La biotecnología en la actualidad

BIOTECNOLOGÍA Y LA INDUSTRIA FARMACEÚTICA

La industria farmacéutica incorporó la utilización de microorganismos en los década de 1940. En los últimos años está utilizando la tecnología del ADN recombinante e ingeniería genética, lo que ha supuesto una revolución en las perspectivas de la medicina. Los microorganismos se utilizan para la obtención de una gran número de sustancias, como por ejemplo:

• Producción de antibióticos• Producción de vacunas (antígenos bacterianos y víricos), sueros y anticuerpos monoclonales• Producción de hormonas (insulina, del crecimiento, esteroides)• Producción de vitaminas, aminoácidos, enzimas, factores de coagulación• Antifúngicos y antitumorales (interferón)

La biotecnología en la actualidad

 Uno de los problemas ambientales más importantes en los países industrializados es la enorme cantidad de residuos generados, como son:

Urbanos (RSU y aguas residuales)

Industriales, muy contaminantes, como los vertidos de metales pesados

Agrícolas, como los purines, fertilizantes, insecticidas, restos de cosechas

BIOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE

Dada la capacidad descomponedora y transformadora de los microorganismos sobre la materia (recordar su papel en los ciclos biogeoquímicos), esta se puede aprovechar para la eliminación de residuos producidos en distintas actividades humanas, muchos de ellos con enorme poder contaminante, contribuyendo a la conservación del medio natural. Esta capacidad es natural (bacterias que comen hidrocarburos) y también es diseñada por el hombre (bacterias transgénicas que comen explosivos). Se denomina BIORREMEDIACIÓN a la utilización de los microbios para la descontaminación del medio ambiente (suelos o aguas). Si se utilizan plantas se habla de FITORREMEDIACIÓN. Algunos ejemplos son:

Se denomina BIORREMEDIACIÓN a la utilización de los microbios para la descontaminación del medio ambiente (suelos o aguas). Si se utilizan plantas se habla de FITORREMEDIACIÓN. Algunos ejemplos son:

Bacterias que comen metales pesados del agua y suelo. (Doñana, minas). La contaminación por metales pesados es el principal problema medioambiental a nivel mundial.

Tratamiento de los residuos por los microorganismos.

Depuración de aguas residuales

Eliminación de RSU, RI y R. Agrarios (fabricación de compost)

Bacterias que comen explosivos

Bacterias que comen hidrocarburos y aceites. Pseudomonas y Nocardia comen petróleo, y se utiliza en las mareas negras y limpieza de conductos petrolíferos, tanques de petroleros.

Eliminación de COMPUESTOS XENOBIÓTICOS. Pseudomonas come herbicidas e insecticidas.

Producción de compuestos biodegradables. BIOPLÁSTICOS. Uno de los residuos más problemáticos son los plásticos, ya que no son biodegradables. Sólo unas bacterias (Alcaligenes eutrophus) pueden fabricar unos compuestos, los polibetahidroxialcanos (PHA) o bioplásticos. Son casi iguales que los plásticos basados en el petróleo. Tiene la ventaja de ser biodegradables y se ha fabricado envases con ellos.

BIO

RR

EA

CTO

RES

BIORREACTORES

Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico. Estos biorreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados en acero inoxidable.

¿ Que es un biorreactor?

Los criterios básicos de diseño de un biorreactor son:

Características bioquímicas del cultivo a realizar.

Características hidrodinámicas del reactor: es necesario minimizar los fenómenos de transporte en el reactor, para evitar gradientes de nutrientes, temperatura.

Cinética de crecimiento y producción del microorganismo.

Asegurar la estabilidad genética del microorganismo, impidiendo que se estimulen mutaciones.

Esterilización lo más barata posible, hasta el punto de que, a pesar de su importancia, y según el proceso, se llega a obviar.

Control de las condiciones ambientales.

biorreactor batch

Diseño y modo de operación.

Potencial para el escalado creciente de producción.

Inclusión de sistemas de oxigenación adecuados a las exigencias del microorganismo.

Sistemas de muestreo para determinar las condiciones internas del biorreactor.

Adopción de refrigeradores, para mantener constantes las condiciones de temperatura (la actividad microbiana genera una gran cantidad de calor, que puede afectar negativamente a la producción).

Materiales no tóxicos (ni para el microorganismo ni para el consumo).

Capacidad para soportar altas presiones.

Resistencia a la corrosión.

Los criterios básicos de diseño de un biorreactor son:

Tipos de biorreactores De lecho fijo o

empaquetado. Los microorganismos se encuentran en una matriz empaquetada. Por lo general, la alimentación se produce de forma vertical en sentido ascendente.

En columna de burbujas. El sustrato es el medio líquido en el que están inmersas las células, aportándose éste por la parte inferior del reactor. Se insufla gas comprimido por la parte inferior que, junto con una serie de bucles externos, permite homogeneizar el interior del reactor, suprimiendo posibles gradientes.

De lecho fluidizado. No son muy corrientes, dados su alto coste y complejidad. El microorganismo permanece suspendido (debido a burbujeo continuo, lo que no es fácil de conseguir) en el fermentador, como consecuencia del sustrato líquido ascendente.

De lecho de goteo. Son los más tradicionales (similares a los de lecho fijo). El sustrato se hace pasar lentamente por la matriz empaquetada que contiene al microorganismo (un proceso semicontinuo, aunque permiten trabajar también en discontinuo), lo que supone la consideración de un tiempo de residencia en dicha matriz.

De enzimas o células inmovilizadas. Son los más interesantes y novedosos. Los de enzimas presentan grandes ventajas, pero es difícil aislar la enzima que nos interesa. Permiten reutilizar continuamente el biocatalizador, disminuyendo los costes. Dicha inmovilización puede efectuarse por medios físicos (adsorción, el más usado, o atrapamiento mecánico en matriz o membrana) o químicos (enlaces covalentes). Presentan el inconveniente de que, dado que las células pueden participar en varios procesos fermentativos, aumenta la inestabilidad genética.

Escalado de

bioprocesos

Escalado de bioprocesos Los bioprocesos se desarrollan e implementan de diferentes maneras, en sus escalas de laboratorio, piloto, y manufactura

El escalado puede definirse como el procedimiento para diseñar y construir un sistema de GRAN ESCALA base de los resultados de experimentos con equipamiento de PEQUEÑA ESCALA

El desempeño de los bioprocesos es afectado por varios parámetros:

El diseño geométrico

Las variables de operación

Propiedades del fluido

Procesos de transporte

Cinética de los organismos

El diseño de un prototipo optimizado para lograr la mayor producción debe ser trasladado a gran escala, considerando toda esta complejidad de parámetros

Efectos que puede tener el cambio de escala:

Disminución del rendimiento

Cambio de cinética

Efecto de la esterilización

Efecto del inóculo

Problemas de transporte (homogenización)

La información sobre la cinética referido al metabolismo del cultivo o microorganismo obtenido a pequeña escala es independiente de la escala (pH, temperatura, medio de cultivo, calidad de las materias primas) y no es necesario tenerlas en cuenta para determinar la estrategia de escalado (de hecho, los fenómenos de transporte son los únicos fenómenos que son dependientes del escalado)

•Las reglas generales para el escalado son una extensión de las utilizadas en los reactores químicos, y están basados en aquellos parámetros que se pueden mantener constantes •(números adimensionales y correlaciones empíricas)

Criterios de escalado Mantener constante la potencia por volumen

utilizada, P/V

Mantener constante el coeficiente volumétrico de transferencia de masa, kLa

Mantener constante la velocidad de la punta de las paletas del agitador.

Mantener constante el tiempo de mezclado

Mantener constante el número de Reynolds, Re

En los casos de procesos donde el producto es muy viscoso (plásticos, polisacáridos) o el crecimiento es filamentoso, la limitación la plantea la relación P/V (o la agitación) del fluido

En general en el caso de procesos aeróbicos (como producción de amino ácidos, levaduras de panificación y antibióticos) se debe mantener constante la transferencia de oxigeno (kLa) como objetivo del escalado

Producción biotecnológica de hidrogeno

Criterios de escalado Se estima que un tercio de los

proyectos de producción emplean la regla de mantener P/V, aprox 20% usan la velocidad de la punta del agitador, otro 20% de las plantas industriales realiza sus escalados en base al tiempo de mezclado. El resto de los escalados utiliza la concentración de sustrato o producto limitante o inhibitorio, más comunmente sobre la base de la concentración del oxígeno disuelto

Igual consumo de potenciaBasado en la historia práctica del escalado, la mayoría de los procesos fermentativos para la producción de alcohol y ácidos orgánicos han seguido el concepto de la similitud geométrica y mantener constante la relación de potencia por volumen

Ejemplo de cultivo de micro algas para generar hidrogeno.

Bibliografía: Fári, M. G. y Kralovánszky, U. P. (2006) The founding father of

biotechnology: Károly (Karl) Ereky Orsós Ottó Laboratory, University of Debrecen, Centre of Agricultural Sciences, Department of Vegetable. Publicado en International Journal of Horticultural Science. Con acceso el 2008-01-15

Cronología de la biotecnología vegetal en usinfo.state.gov. Con acceso el 2008-01-15

Artículo 2 de Convenio sobre diversidad biológica. Secretaría del Convenio sobre la Diversidad Biológica. Río de Janeiro, 1992.

a b c d e La biotecnología en la alimentación y la agricultura FAO

Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología del Convenio sobre la Diversidad Biológica Secretaría del Convenio sobre la Diversidad Biológica. Montreal, 2000

Ochave, José María (mayo 2003). eASEAN Task Force, PNUD, APDIP (ed.): «Genes, technology and policy». Consultado el 15/11/2007.

Xu, Feng (2005). «Applications of oxidoreductases: Recent progress». Industrial Biotechnology 1 (1): pp. 38-50. doi:10.1089/ind.2005.1.38. Consultado el 15/11/07.

Frazzetto, Giovanni (2003). «White biotechnology». EMBO reports 4 (9): pp. 835-837. Consultado el 15/11/07.