Download Biotecnología microbiana

También microbiología
industrial
Biotecnolo
gía:
• 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
 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
• Microorganismos
• El microorganismo
industriales son
es modificado antes
especialistas
de ingresar a la
metabólicos capaces
industria: se altera
de producir
genéticamente por
específicamente y con
mutación o por
un alto rendimiento,
recombinación
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
industriales
Metabolitos
Enzimas
microbianos Digestión de
•
•
•
•
•
•
•
•
Alcohol
Ácido acético
Ácido láctico
Aminoácidos
Vitaminas
Antibióticos
Esteroides
Alcaloides
almidones,
lípidos y
proteínas
Síntesis de
antibióticos
semisintéticos
Células microbianas
• Proteína unicelular:
levaduras, algas,
bacterias y hongos
• Células para la
inoculación:bacteri
as fijadoras de
nitrógeno,
micorrizas,
inóculos para la
fermentación de
lácteos y
embutidos
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
Sustrato para el
crecimiento
Células
Metabolito
primario
Metabolito
Secundario
Metabolito
primario
Sustrato para el
crecimiento
Células
Metabolito
secundario
Metabolito
primario
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.
• 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
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
COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPLEJOS
Proteínas, carbohidratos y lípidos
Hidólisis por exoenzimas de:
bacterias fermentativas, Protozoos,
levaduras y mohos
COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLES
Azúcares, aminoácidos, péptidos
Acidogénesis por exoenzimas de:
bacterias fermentativas
ACIDOS GRASOS DE CADENA LARGA
Propiónico, butírico .(volátiles); alcoholes, compuestos aromáticos (benzoato)
Acetogénesis:bacterias acetogénicas
Ácido acético
(Acetato)
H2, CO2
Metanogénicas:
Bacterias
metanogénicas
reductoras (autótrofos)
CO
CO
2
CH
4
2
Metanogénicas:
Bacterias
metanogénicas
acetogénicas
Digestores anaerobios
Líquido
Líquido
CH4, CO2
Gas
Efluente
Filtro
Influente
Factores que controlan
digestión anaerobia
1. Temperatura
2. Tiempo de retención hidrolítica (TRH o HRT,
hydrolic retention time)
3. pH
4. Composición del desperdicio
5. 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
Contact
anaerobic room
• Restaurantes y hoteles (50 personas)
• La calidad del efluente puede llegar a
tener 20 mg/l omenos de DBO.
• Método del filtro anaerobio y contacto aerobio
•
http://www.apec-vc.or.jp/co-op/s_pollution/index.htm
Pozo séptico
Pozo séptico
Conductos de
distribución
Línea de
drenaje
Trampa de
grasas
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
Cribado
Sedimentación
Lodo insoluble
Lodo soluble
Digestión
anaeróbica
Oxidación
Lodo digerido:
Desinfección
Incineración
Procesos no
biológicos
Procesos
biológicos
Efluente
tratado al río
 Lodos
activados
Filtros de
flujo lento
Lodos activados:
Tanque de
Criba aclimatación
Efluente
Tanque de Clarificador
aireación
Descarga
de agua
Exceso de lodo
Tortas
Tanque de concentración
Deshidratador
• Método de tratamiento continuo
Tratamiento con
lodos activados
• 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.
• Filtros de flujo
lento
Diversidad Microbiana de
los lodos activados:
Bacterias









Escherichia coli
Enterobacter
Pseudomonas
Achromobacter
Flavobacterium
Zooglea
Desulfovibrio
Sphaerotilus
Filamentosas:
Beggiatoa, Nocardia,
Oscillatoria
• Protozoarios
ciliados (Vorticella)
• Hongos y
levaduras ( Menor
densidad)
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 DBO
Alta rata:
• (A/M > 2): <80% remoción DBO
Sedimentación secundaria
Tiempo medio de residencia celular
(MCRT :Mean Cell Residence Time)
Floculación
biológica:
Crecimiento
disperso:
• Proceso natural
que ocurre bajo
condiciones
físico/química
específicas.
• No ocurre
floculación
• La sedimentación
sería imposible.
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:P
3.  Niveles de oxígeno disuelto
4. 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.
Biodiscos
Rotating 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