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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