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22/10/2015
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}(Universidad Del Perú, DECANA DE AMÉRICA)
MICROOGANISMOS DE IMPORTANCIA AGROINDUSTRIAL
BlgoBlgoBlgoBlgo. José. José. José. José Manuel Bustamante AgredaManuel Bustamante AgredaManuel Bustamante AgredaManuel Bustamante Agreda
� Bioprocesos industriales
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� Bacterias y hongos de importancia industrial
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� Principales clases de productos
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Microbiología IndustrialDisciplina que utiliza los microorganismos, cultivadosa gran escala, para obtener productos con altorendimiento con valor comercial o realizarimportantes transformaciones químicas.
Desarrollo:
- Procesos de fermentación alcohólica
- Síntesis de productos farmacéuticos (antibióticos),aditivos alimentarios (aminoácidos), enzimas, yproductos químicos como butanol y ácido cítrico.
Biotecnología Microbiana
Microorganismos nativos Microorganismos sintéticos
Microbiología IndustrialTradicional Biotecnología Industrial
Evolución dirigida
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� Producir en grandes cantidades el producto de interés en un periodo relativamente corto.
� Crecer rápidamente sobre un medio de cultivo baratodisponible en grandes cantidades (Commodity chemicals)o a partir de residuos de la agroindustria (maceración delicores, suero de leche, restos de cosecha, etc.
� Reproducción a base de estructuras (esporas, célulasvegetativas) que facilite la inoculación.
� Ser susceptible a ser manipulado genética: ingenieríagenética y mantenerse estable en el tiempo.
� No ser patógeno del hombre, plantas ni animales.
Un microorganismos de uso industrial debe:
Metabolismo
AnabolismoCatabolismo
Moléculas simples comoglucosa, aminoácidos,glicerol y ácidos grasos.
Reacciones anabólicastransfieren energíadel ATP haciamoléculas complejas.
Moléculas complejascomo almidón,proteínas y lípidos.
Reacciones catabólicastransfieren energía demoléculas complejashacia el ATP.
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Metabolismo Microbiano
Respiración Celular
Respiración Anaeróbica
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1. Ruta Embden – Meyerhof (Glicolisis)
Respiración Celular
1. Ruta Embden– Meyerhof(Glicolisis)
Respiración Celular
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2. Ciclo de Krebs (ác. Tricarboxílicos)
Respiración Celular
Respiración Anaeróbica
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Respiración Anaeróbica
Respiración Láctica
Respiración Alcohólica
Integración del Metabolismo Microbiano
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Actividad enzimática
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Metabolitos Primarios y secundarios
Metabolitos Primarios: Precursores indispensables para la biosíntesis de aminoácidos, nucleótidos, vitaminas, azúcares, ácidos grasos.Metabolitos Secundarios: Antibióticos, micotoxinas, alcaloides, factores de crecimiento.
Producción de Metabolitos
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Metabolitos Primarios
�Moléculas de bajo PM.�Se forman durante la faseexponencial de crecimiento (productofinal o intermediario)� Esenciales para el crecimiento:metabolismo energético.�Producidos por todos los m.o.Ejm: Producción de etanol enlevaduras.
Ejemplos:Alcoholes: EtanolAminoácidos: ác. Glutámico, Lisina, ornitinaÁcidos orgánicos: acético, cítrico, glucónicoVitaminas: B12, riboflavinaPolioles: glicerolNucleótidos: purinas, pirimidinas
Metabolitos Secundarios
Ejemplos:Antibióticos: Penicilina, eritromicinaAlcaloidesToxinas
� Se forman al final de la fase decrecimiento o en fase estacionaria� No son esenciales para elcrecimiento ni sobrevivencia.� Dependen de las condiciones decultivo (composición del medio)� La sobreproducción generalmente es alcanzables.�Específicos de un grupo de m.o.
Relaciones entre los metabolitos primarios y secundarios
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Finalidades de las regulaciones del metabolismo microbiano
� Coordinación metabólica: desarrollo de procesos vitales. � Síntesis integrada de enzimas – uso racional de los nutrientes. � Evitar sobreproducción de metabolitos.
1. Inducción
Enzimas constitutivas Enzimas inducibles
Presentes en notable cantidad.Presentes en cualquier condición decrecimiento.Ejm. Glicólisis: Glucosa a Piruvato.
Generalmente inactivasNecesario la presencia del sustrato dela enzima.Ejm, Producción de amilasa porAspergillus sp o Rhizopus sp.
2. Represiones y Activaciones ligadas a la tasa de crecimiento
Crecimiento elevado Crecimiento lento o ausente
Metabolismo secundario reprimido Metabolismo secundarios activo.Ejem. Producción de penicilina porPenicillium sp. Alcaloides porhongos.
3. Regulación catabólica por las fuentes de carbono y nitrógeno
Fuente de carbono Fuente de nitrógeno
Síntesis de enzimas necesarios paradegradar el sustrato más asimilable.Después, actividad de otras enzimas.Ejm. Síntesis de celulasas porglucosa, almidón, celobiosa(Metabolismo secundario)
Represión de enzimas que actúansobre compuestos nitrogenados porelevadas concentraciones de NH4+ oaminoácidos.Ejm: Proteasas, nitrato reductasas,etc. Ciclo del ácido cítrico.
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4. Regulación por el fosfato
Concentraciones elevadas
Represión de algunas enzimas(ortofosfatos).Ejm. Biosíntesis de alcaloides
5. Regulación feedback
Inhibición Feedback Represión feedback
El metabolito final de una víabiosíntesis inhibe la acción de unaenzima precoz (la 1ra enzima).
El metabolito final reprime la síntesisde todas las enzimas de unasecuencia
Reducción en la síntesis del metabolismo secundario.
Biosíntesis del ÁC. Cítrico por Asperigullus
niger
Bajo Mn++
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Diagrama de las operaciones en el proceso de recuperación de un producto biológico a partir de un caldo fermentativo
Células, tejido en el fermentador/reactor
Separación del caldo
Liberación del producto o especies
indeseadas desde las células
Separadores/Purificación
Liberación del producto de fragmentos
Biomasa, producto o desechos
ConcentraciónSecado
Producto
En células, etc.
Producto en caldo
O fase acuosaReactorSeparador
Desintegración de células:MecánicaFísicaQuímicaEnzimática
PrecipitaciónExtracción por solventeIntercambio IónicoAbsorciónFiltración en gelMétodos de AfinidadDestilaciónMembranasElectroforesisCongelamiento diferencial
Bandeja, rodillo, Tambor, etc.Fluidizado: Secado en cama, Congelado-secado
Evaporación, MembranasPrecipitaciónAbsorción, intercambio iónico, afinidad, etc. Congelado-Descongelado, cristalización
Sedimentación
Filtración
Centrifugación
Lixiviación
ExtracelularIntracelular
Pureza requerida??Presencia de compuestos química y físicamente parecidos????
Extracción directa de células completas:Solvente/detergenteEtc.
Operaciones Unitarias de Recuperación
Mecánico QuímicoFiltración Absorción
Centrifugación Intercambio Iónico
Evaporación Cromatografía de columna
Cristalización Cromatografía de afinidad
Secado Extracción por solvente
Osmosis Reversa Electroforesis
Ultrafiltración Electrodiálisis
El caldo de fermentación puede ser tratado con los siguientesmétodos, que se divide en:
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I. Operaciones Mecánicas�Filtración
1er en el aislamiento del producto defermentación: Sólidos suspendidosseparados de la fase líquida.
2do. en el aislamiento. Sólidossuspendidos separados de la faselíquida por aumento del asentamientogravitacional.
�Centrifugación
Filtro
Filtro de algodónSoporte
Lodo líquido
Filtrado
Tiempo requerido paracompletar la remociónde partículas
Último paso en procesode separación. Remociónde la humedad o delsolvente de partículassólidas.
�Secado Remoción del solvente através de vaporización delmismo.
�Evaporación Cambio de solubilidad de unode los compuestos disueltos detal manera que deja la solucióncomo un sólido.Adecuado para aquellosproductos de fermentación quetienen una baja solubilidad enel solvente utilizado.
�Cristalización
Desventajas:
Daño o destrucción deproductos si son expuestosa temperaturas muy altasdurante largos periodos detiempo.
Ventajas:
Mínima pérdida deproductos térmicamentesensibles (Tto. a bajastemperaturas)
Remoción de lahumedad o del solventede partículas sólidas.
Desventajas:
Inactivación de materiales lábiles al calor.
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Procesos de separación a través de una membrana, barrera entre dos fluidos.La propiedad de la membrana es su permeabilidad o tasa de transferencia deun componente a través de ésta.
Método/Característica
Microfiltración Ultrafiltración Ósmosis Reversa
Tamaño del poro de nm 10 a 300 nm 1 a 1.25 nm 0.3 a 1 nm
Rango de presión hidrostática
1 atm. 1 a 10 atm. 10 a 100 atm.
�Microfiltración �Ultrafiltración �Ósmosis Reversa
Filtro
Filtro de algodónSoporte
Lodo líquido
Filtrado
Separación de un soluto de una solución forzando alsolvente a fluir a través de una membrana usandouna gradiente de presión hidráulica.
El soluto presentadimensiones dentrodel orden demagnitud de lasdimensiones delsolvente.
� Extracción por SolventesEquilibrio entre solventes inmiscibles usualmente agua y un líquido orgánico.
�ElectroforesisSeparación de moléculas cargadas o iones usando un campo eléctrico.
Migración diferencial de solutos en este medio (soluciones acuosas, suspensiones ogeles) debido a la fuerza eléctrica que separa los solutos. Mayor grado de resolución alincorporar un elemento de discontinuidad (gradiente de pH, membranas cargadas,geles)
Método/Característica
Electroforesis Electrodiálisis
Tipo de separación Acentúa pequeñas diferencias en lamovilidad iónica en un campoeléctrico usando un transportador defluido en movimiento.
Concentra componentessobre la base de laelectromigración a travésde membranas iónicas.
Pasos:(1) Mezcla íntima de los dos solventes hasta que el solutos esta distribuido en ambos líquidos (2) Separación de las dos fases.
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� Adsorción
Técnicas de separación en el cual los compuestos removidos o solutosestablecen un equilibrio en sitios de un material de fase sólida (columna)y la solución.
� Intercambio Iónico
� Cromatografía de columna
� Cromatografía de afinidad
Método/Característica
Adsorción IntercambioIónico
Cromatografíade columna
Cromatografía de
afinidad
Tipo de unión a la fase sólida
(columna)
Polaridad oUnión químicadébil
Intercambio deiones entre lafase líquida ysólida
Absorción,Intercambioiónico omaterial Sievemolecular .1ro. Unión a la columnadel material deseparación.2do. Elución enfracciones separadascolectadas
Unión conalto nivel deselectividad aligandoscovalentemente unidos a lamatriz sólida.
Principales productos de la Microbiología Industrial
Vitaminas
Vitamina B12 Riboflavina
Vitamina B12Producido por por: Propionibacterium y Pseudomonas (Cobalto)Importancia: Nutrición del Hombre y animales. Deficiencia produce anemia perniciosa (B12).RivoflavinaProducido por: Mohos, levaduras y bacterias Importancia: precursor del FAD y FMN (reacciones de oxido reducción)Medio de cultivo: Co regula la alta producción de B12.
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Aminoácidos
Aminoácidos de uso alimentario: aditivos alimentarios, en medicina, en la industria química. AA más importante: Ác. Glutámico (glutamato monosódico)Ac. Aspartico y fenilalanina: Edulcorante artificial de bebidas dietéticas Aspartamo. Lisina: AA esencial para el hombre y animales.
Ejm. AA lisina por Brevibacterium flavum
Cepas mutantes
X
Resitentes al análogo lisina S-aminoetil cisteína
Biotransformación microbiana
Uso de microorganismos como biocatalizadores de reacciones químicas a través de su cultivo en fermentadores donde actúa sobre un compuesto químico (esteroles).
Ejm. Producción de Hidroxiprogesterona por Rhizopus nigricans
Esteroides: Cortisona e Hidroxicortinosa
Purificación del caldo fermentativo
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Enzimas
Intracelulares Extracelulares
Presentes en interior celularAcción: Rx Anabólicas y Catabólicas
Presentes en el medio de cultivo.Medio de cultivo: Celulosa, Almidón,ProteínasIndustria: Alimentaria, láctica, téxtil,Farmacéutica, Agrícola
Proteasas, amilasas y glucosa isomerasa
Proteasas: Mayor producción industrial. Ejemplo detergentes (lipasas, amilasas, etc.).Microorganismos productores alcalófilos: Bacillus licheniformis (pH: 9 -10)
Amilasas y glucoamilasas: Producción de glucosa a partir del almidón.
Glucosa isomerasa: Producción de fructuosa a partir de glucosa (edulcorantes, jarabes)producción supera los 10000 millones de kilogramos anuales.
Enzimas
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Extremoenzimas: A partir de m.o. extremófilos
Ácidos orgánicos
Vinagre: Ác. AcéticoYogurt: Ác. Láctico
Ác. cítrico
Investigación:- PCR (Taq polimerasa)
Producción:- Proteasas, amilasas, celulasas, xilanasas, pululanasas
Vinagre
Conversión del etanol en ác. AcéticoPor bacterias del ácido acéticos:Acetobacter y Gluconobacter. Poseenla enzima Ubiquinona (quinonas).Proceso aeróbicoMateria prima: vino, cerveza, arrozfermentado, sidra
Ác. cítrico
A. nigerPrevio tratamiento con Sacarosa(Fructuosa + Glucosa)Materia: Melaza, jarabe de glucosa,hidrolizados de almidón, sacarosa,jarabe de caña de azúcar, remolachas.Proceso aeróbico
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Producción de Biomasa
Células de levadurasCondición aeróbicaProducción en fermentadoresSustrato: Melaza, ác. Fosfórico, sulfato de amonio
Industria del vino, pan
Alcohol
Fermentación alcohólicaCondición anaeróbica
Producción de etanol
Producción de Biomasa
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FERMENTACIONES INDUSTRIALES