Download Diapositiva 1 - MicroAgroalimunvime

Dra. María Cecilia Villa
Microbiología Industrial.UNViMe





Producción industrial de metabolitos primarios: ácidos orgánicos y
aminoácidos.
Ácidos orgánicos y aminoácidos. Funciones de los ácidos orgánicos en la
industria alimentaria. Producción industrial de ácidos orgánicos. Ácido
cítrico. Bioquímica de la producción del citrato por Aspergillus niger. Ácido
glucónico. Ácido láctico. Ácido acético. Ácido tartárico. Ácido fumárico.
Ácido málico. Aplicaciones de los aminoácidos en la industria alimentaria.
Métodos de producción industrial de aminoácidos. Ácido glutámico. Lisina.
Metionina.
Producción industrial de otros metabolitos primarios: alcoholes,
vitaminas, nucleótidos y nucleósidos.
Producción industrial de etanol. Microorganismos implicados. Esquema
del proceso: fermentación continua y discontínua. Condiciones de la
fermentación y optimización del proceso. Producción de vitaminas.
Vitamina B12. Riboflavina. Nucleótidos y nucleósidos. Aplicaciones en la
industria alimentaria. Métodos de producción.
Producción industrial de enzimas y polisacáridos microbianos.
Enzimas de interés comercial. Selección de microorganismos. Producción
industrial de enzimas. Amilasas.
Los productos microbianos con interés industrial
son de varios tipos principales.
Células propiamente
dichas, por ej.
Levaduras
Sustancias
producidas por las
células, por ej. Ác,
cítrico
Las células son
capaces de convertir
una sustancia
específica en otra
forma distinta
(Bioconversión)
METABOLITOS PRIMARIOS:
- Producidos durante la fase de crecimiento o trofofase.
- Moléculas de bajo peso molecular que intervienen como intermediarios o productos
finales de las rutas metabólicas.
- Aminoácidos, nucleótidos, vitaminas, ácidos orgánicos, alcoholes y enzimas.
METABOLITOS SECUNDARIOS:
-Moléculas sintetizadas por ciertos microorganismos en una fase activa de su crecimiento .
Idiofase.
-No relacionados directamente con la síntesis de material celular.
-Antibióticos, toxinas (micotoxinas), alcaloides (ác. lisérgico), factores de crecimiento
vegetal (giberelinas) y pigmentos.
•
El metabolismo intermediario incluye las reacciones que transforman los compuestos
de carbono y nitrógeno que entran a la célula en nuevo material celular o en productos
que son excretados. La síntesis de estos compuestos necesitan energía.
•
La superproducción de metabolitos primarios es evitada
por la mayoría de los microorganismos, puesto que son
procesos que consumen gran cantidad de energía, lo cual
hace que sean menos competitivos en los ambientes
naturales.
•
Las rutas productoras de energía o catabólicas generan
ATP y los coenzimas reducidos necesarios para las
diversas reacciones biosintéticas, e intermediarios
químicos utilizados como puntos de partida para las
reacciones de biosíntesis.
•
Alterando las condiciones del medio y/o por modificaciones genéticas (por ej.
alteración de la regulación por retroalimentación y la alteración de la permeabilidad),
incrementamos la superproducción del producto que nos interesa, por ej. a
bacteria Pseudomonas denitrificans produce 50.000 veces más vitamina B12.
1- Componentes esenciales y productos formados por los
microorganismos:
proteinas, acidos nucleicos, polisacaridos (dextranos, alginatos, gelanos, xantanos) y
poliesteres (PHB y plasticos), acidos grasos (saturados e insaturados), esteroles
(ergosterol)
2- Derivados del metabolismo intermedio:
azucares (fructosa, ribosa, sorbosa), ácidos organicos (gluconico, ácido láctico, cítrico,
acetico, propionico, succinico, fumarico), alcoholes (xilitol, etanol, glicerol, sorbitol,
butanol), aminoacidos (Lys, Thr, Glu, Trp, Phe), vitaminas (carotenos, B2, B12),
nucleotidos saborizantes (acidos inocinico y guanilico), polisacaridos y poliesteres de
reserva.
Microorganismos
hongos.
productores:
bacterias,
levaduras
y
•
No son necesarios para el crecimiento del microorganismo que los produce.
En estado natural, sus funciones se hallan ordenadas a la supervivencia de la
especie, pero en cultivo puro los metabolitos secundarios no desempeñan esa
misión.
•
Cada uno de estos productos es producido por un grupo muy reducido de
organismos.
•
La
producción
puede
perderse
fácilmente
por
mutación
espontánea (degeneración de la raza), por lo que son muy importantes las
técnicas de conservación de estos microorganismos.
•
De todos los productos tradicionales obtenidos por fermentación, los más
importantes para la salud humana son los metabolitos secundarios.
•
Entre los metabolitos secundarios se incluyen los antibióticos, ciertas toxinas
(micotoxinas), alcaloides (ácido lisérgico), factores de crecimiento vegetal
(giberelinas) y pigmentos.
•
•
Los metabolitos secundarios mejor conocidos son los antibióticos, de los que
se han descubierto más de 5000, cifra que aumenta a razón de una media
aproximada de 300 por año, aunque la mayoría carecen de utilidad pues son
tóxicos para los organismos vivos. Aproximadamente el 75% de los
antibióticos conocidos son producidos por actinomicetos.
•
Generalmente se producen como mezclas de
productos muy relacionados químicamente entre
sí. Por ejemplo, una única cepa del género
Streptomyces produce 32 antraciclinas diferentes
(Streptomyces gryseus produce al menos 40
antibióticos diferentes).
En el metabolismo secundario, la producción en cuestión puede no
derivarse del sustrato primario del crecimiento, sino a partir de un producto
que él mismo formó a partir del sustrato primario del crecimiento. Por tanto, el
metabolito secundario se produce, generalmente, a partir de varios productos
intermedios que se acumulan, bien en el medio de cultivo o bien en las células,
durante el metabolismo primario.
• Si nosotros queremos producir un metabolito secundario primero debemos
asegurar las condiciones apropiadas durante la trofofase para un buen
crecimiento y después, debemos alterar esas condiciones en el momento
adecuado para asegurar una excelente producción del metabolito secundario.
•
Este retraso en la formación de metabolitos
secundarios es uno de los principales
mecanismos
mediante
el
cual
los
microorganismos productores de antibióticos
evitan el suicidio, puesto que al comienzo de la
fase logarítmica de crecimiento son sensibles a
su propio antibiótico, para posteriormente,
durante la idiofase, volverse resistentes al
antibiótico que están produciendo.
•Una característica de los metabolitos secundarios es que las enzimas
implicadas en la producción del metabolito secundario están regulados
separadamente de las enzimas del metabolismo primario. En algunos casos se
han identificado inductores específicos de la producción de metabolitos
secundarios. Por ejemplo, se ha identificado un inductor específico de la
producción de estreptomicina, un compuesto denominado Factor A.
METABOLITOS PRIMARIOS
Productos del metabolismo general
Ampliamente distribuidos en plantas y
microorganismos
Muchos microorganismos producen un
mismo metabolito
Indispensables para la vida
Se producen como productos únicos
Ej. Aminoácidos, monosacáridos,
lípidos, ácidos derivados del ciclo de
los ácidos tricarboxílicos, glucósidos
METABOLITOS SECUNDARIOS
Productos del metabolismo especial
Producidos a partir del metabolismo
primario
Depende de las condiciones de
crecimiento
Distribución restringida a ciertas
plantas y microorganismos
Distribución taxonómica restringida (a
veces característico de un género dado
o de una especie)
No son indispensables para la vida
Ej. Antibióticos, toxinas, alcaloides,
terpenos, flavonoides, esteroides,
cumarinas




Las vitaminas se emplean como suplemento alimentario para
personas y animales.
Es el 2º fármaco más vendido (1.000 millones año).
La mayoría se producen por síntesis química.
La cobalamina y la riboflavina por fermentación.
En el hombre, una deficiencia de vitamina B12 produce anemia perniciosa,
caracterizada por la baja producción de glóbulos rojos y alteraciones en el
sistema nervioso.
ANEMIA PERNICIOSA
•
Es el compuesto parental de las flavinas FAD y FMN, coenzimas
que tienen importantes funciones en las enzimas implicadas en las
reacciones de óxido reducción de casi todos los organismos.
(Competencia económica)
FUNCIÓN DE LA VITAMINA B2
FUENTE: leche, granos y vegetales verdes
PROCESO DE PRODUCCIÓN
VITAMINA B12
BIOSÍNTESIS DE VITAMINA B12
RUTA METABÓLICA
•
Los aminoácidos tienen mucho uso en la industria alimentaria
como aditivos, en medicina y como precursores en la industria
química.
•
El aminoácido más importante es el áido glutámico que se usa
para aumentar el sabor (glutamato monosódico (MSG)).
•
Otros dos aminoácidos importantes son el ácido aspártico y la
fenilalanina, que son los ingredientes del edulcorante artificial
aspartamo.
•
La lisina es también un aminoácido esencial para el hombre y
algunos animales de granja, se utiliza como aditivo alimentario
•
Debido a que los microorganismos utilizan los aminoácidos para sintetizar
proteínas, su síntesis sigue una regulación celular estricta. Es necesario
evitar esos mecanismos regulatorios a fin de obtener una cepa que
sobreexprese dicho aminoácido sea capaz de producirlo en forma
económica.
• La
lisina
es
producida
por
Brevibacterium flavum, y se controla
bioquímicamente a nivel de la enzima
aspartoquinasa. Un exceso de lisina
retroinhibe esta enzima.
• Industrialmente se emplean mutantes
de Brevibacterium flavum resistentes a
lisina y a su análogo S-aminoetilcisteína;
cuyo
sitio
alostérico
de
la
aspartoquinasa no los reconoce y por lo
tanto la retroinhibición está muy
reducida. Producen hasta 60 g/l de
lisina.
•
Otro factor importante para una producción elevada de un aminoácido es
conseguir la excreción del mismo al medio de cultivo, porque en general
los microorganismos no excretan los metabolitos indispensables como los
aminoácidos.
•
Aumentando la excreción se podrían evitar concentraciones relativamente
altas en la célula que podrían ocasionar retroalimentación, aún en mutantes
resistentes.
•
El organismo
glutamicun.
•
La producción y excreción del ácido glutámico depende de la permeabilidad
celular. La producción será dependiente de la vitamina Biotina, factor
indispensable en la biosíntesis de lo ácidos grasos.
•
Por lo tanto, en una primera etapa se emplea un medio rico en biotina que me
asegure un buen crecimiento de Corynebacterium glutamicun y la producción
de ác. glutámico. y en una segunda etapa la deficiencia en biotina conduce a
un daño en la membrana y asegura la excreción del ác glutámico al medio.
productor
del
ácido
glutámico
es
Corynebacterium
•
Cada organismo produce una gran variedad de enzimas.
•
Algunas son producidas en cantidades mucho mas grandes por
algunos organismos (exoenzimas) y se excretan al medio.
•
Son capaces de digerir polímeros insolubles como la celulosa, las
proteínas y el almidón; posteriormente, los productos de digestión
son transportados al interior de las células donde se utilizan como
nutrientes para el crecimiento.
•
Algunas de estas exoenzimas se utilizan en las industrias
alimentaria, láctica, farmacéutica y textil, y se producen en
grandes cantidades por síntesis microbiana.
•
Las enzimas son biocatalizadores especialmente útiles porque a
menudo actúan en grupos funcionales químicos que son únicos,
distinguen fácilmente entre grupos funcionales similares de una
misma molécula y, en muchos casos, catalizan reacciones de una
forma estereoespecífica.
•
Las enzimas que más se producen comercialmente son las
proteasas, que se usan como aditivos en los detergentes para lavar
la ropa.
La mayoría de los detergentes que se utilizan actualmente contienen
proteasas, amilasas, lipasas, reductasas y otras enzimas.
Muchas de estas enzimas se aíslan de bacterias del género Bacillus.
•
Otras enzimas importantes fabricadas comercialmente son las
amilasas y glucoamilasas, que se emplean en la producción de
glucosa a partir de almidón.
La glucosa se convierte luego en fructosa (que es más dulce que la
glucosa y la sacarosa) por acción de la enzima glucosa isomerasa.
Este proceso lleva a la obtención de un edulcorante rico en fructosa
a partir de almidón de maíz, trigo o papa.
•
En la conversión del almidón de maíz en el producto llamado jarabe de
maíz rico en fructosa funcionan tres reacciones:
Cada una de ellas catalizada por una enzima microbiana diferente:
1- La enzima alfa-amilasa lleva a cabo el ataque inicial sobre el polisacárido
almidón, acortando la cadena y reduciendo la viscosidad del polímero. Esta
se llama reacción de adelgazamiento.
2-La enzima glucoamilasa produce monómeros de glucosa a partir de los
polisacáridos acortados, proceso llamado sacarificación.
3- La enzima glucosa isomerasa lleva a cabo la conversión final de la
glucosa en fructosa, proceso que recibe el nombre de isomerización.
•
Las tres enzimas se producen por fermentación microbiana.
El producto final de esta serie de reacciones es un jarabe que contiene
cantidades aproximadamente iguales de glucosa y fructosa, el cual se puede
adicionar directamente a bebidas refrescantes y a otros productos
alimenticios.
Esto permitió a Estados Unidos usar el almidón de maíz en lugar de importar
la sacarosa y ahorrar millones de dólares por años.
•
Enzimas de procariotas que viven en
ambientes extremos.
•
El término extremoenzimas se
refiere a enzimas que funcionan
en condiciones muy altas o muy
bajas
de
temperatura,
pH,
salinidad, etc.
•
Los organismos que las producen se
denominan extremófilos.
•
Algunos
procariotas
llamados
hipertermófilos,
tienen
un
crecimiento óptimo a temperaturas
muy altas y producen proteínas
termoestables que funcionan a altas
temperaturas.

Cuando una enzima se usa en un proceso biocatalítico a gran escala puede ser
conveniente inmovilizarla en un sustrato inerte.
La inmovilización no solo facilita la reacción enzimática en condiciones de
producción continua a gran escala, sino que también contribuye a la
estabilización de las enzimas evitando su desnaturalización.
Existen tres aproximaciones básicas para la inmovilización
de enzimas.
1- Polimerización (entrecruzamiento, cross-linkage) de las
moléculas de enzima. El enlace de unas moléculas de
enzima con otras se hace a través de una reacción química
con un agente bifuncional de entrecruzamiento como el
glutaraldehido.
2- Unión de la enzima a un soporte. La unión puede hacerse
por adsorción, enlace iónico, o enlace covalente. Los
soportes usados son celulosas modificadas, carbón
activado, arcillas minerales, óxido de aluminio y bolitas de
vidrio.
3- Inclusión enzimática, que comprende la inclusión de la
enzima en una membrana semipermeable. Las enzimas
pueden encerrarse en microcápsulas, geles, membranas
semipermeables de polímeros, o polímeros fibrosos como
el acetato de celulosa.

Células inmovilizadas
• En algunos casos no es necesario utilizar la enzima purificada.
• Se pueden utilizar células inmovilizadas para utilizarlas en procesos
industriales.
• En general se utilizan para procesos de flujo continuo.
• Se utilizan instalaciones mucho mas económicas.
• Un ejemplo es la utilización de células de Bacillus cuagulans
inmovilizadas para la conversión continua de jarabe de glucosa en
jarabe de fructosa. Este microorganismo es productor de glucosa
isomerasa, la enzima que convierte la glucosa en fructosa.
•
Se produce microbiológicamente por fermentación utilizando el hongo
Aspergillus niger.
•
Este hongo excreta grandes cantidades de ácido cítrico cuando el medio en el
fermentador es deficiente en hierro, ya que el hongo superproduce el ácido
cítrico como agente quelante para apoderarse del hierro.
•
El medio de partida para la obtención del ácido cítrico puede ser muy
variado:
almidón de papa, hidrolizados de almidón, jarabe de glucosa procedente de
almidón sacarizado, sacarosa, jarabe de caña de azúcar, melazas de caña de
azúcar y melazas de remolacha azucarera.
• Si se utiliza almidón, las amilasas formadas por el hongo la hidrolizan a
azúcares. Los azúcares se catabolizan a través de la vía glicolítica y entran en
el ciclo del ácido cítrico, en el que tiene lugar la producción de citrato.
•
El proceso es aeróbico y se realiza
en grandes fermentadores bien
aireados.
•
El ácido cítrico se produce de esta
forma como un metabolito típico
secundario.
•
Durante la fase de crecimiento, la
sacarosa se descompone en glucosa
mas fructosa y, en el momento que
se alcanza la fase estacionaria,
quedan grandes cantidades de estas
hexosas, que se convierten en ácido
cítrico para contrarrestar la falta del
hierro.
Cinética de la fermentación del
ácido cítrico
•
Los microorganismos pueden usarse para biocatalizar reacciones químicas
específicas. Este proceso se denomina bioconversión o biotransformación.
•
Implica el cultivo del microorganismo en fermentadores grandes, seguido de
la adición del compuesto químico que ha de ser convertido.
•
Después de un período de incubación, durante el cual el microorganismo
actúa sobre el compuesto químico, se extrae el caldo de fermentación y se
purifica el producto que se desee.
•
Si bien la bioconversión puede usarse para varios procesos, su principal
utilización industrial ha sido la producción de algunas hormonas esteroideas.
Producción de cortisona
utilizando Rhizopus
nigricans
•
El Etanol (alcohol etílico) es un hidrocarburo transparente e
inflamable que se obtiene principalmente de la fermentación
de materias primas ricas en azúcares.
•
Otra forma de obtenerla es a partir de celulosa previamente
hidrolizada.
•
El Etanol suele ser utilizado industrialmente como solvente,
bebestible y/o como combustible alternativo.
•
El Etanol se produce por la fermentación de granos, como por
ejemplo: trigo, cebada, maíz, madera y caña de azúcar, o por
residuos forestales y desechos sólidos como papel, alimento,
basura de patio, plásticos, maderas, llantas, etc.
•
Los biocombustibles se clasifican en distintas generaciones.
•
Biocombustibles de 1ª Generación:
Se caracteriza por el uso de biomasa que compite en parte con la alimentación. Se
les conoce como una energía de transición. Es decir, utilizan materias primas de
uso alimentario (como el maíz, la caña de azúcar o la soja) y tecnologías de
proceso como la fermentación (para el Etanol) y la transesterificación (para el
biodiesel).
La limitante para la producción de biocombustible de primera generación es la
superficie. Por una cuestión de costo-oportunidad, producir a partir de maíz, por
ejemplo, no tiene justificación económica. (Fuente: Rodrigo Vega - FIA)
•
Biocombustibles de 2ª Generación:
Es la que utiliza materia prima lignocelulósica como los rastrojos agrícolas de la
caña del maíz, paja de trigo y otros, pastos, hierbas y madera, especialmente
residuos de la industria forestal y desechos de la silvicultura, como podas y
raleos no comerciales.
Hoy se apunta al desarrollo de Etanol a partir de desechos agrícolas y
particularmente los de la industria forestal. Es decir, biocombustibles de
segunda generación.

•









Biocombustibles de 3ª Generación:
Son aquellos que utilizan métodos de producción similares en cultivos
bioenergéticos específicamente diseñados o «adaptados» (a menudo por medio
de técnicas de biología molecular) para mejorar la conversión de biomasa a
biocombustible. Un ejemplo es el desarrollo de los árboles «bajos en lignina»,
que reducen los costes de pretratamiento y mejoran la producción de Etanol, o
el maíz con celulosas integradas.
Otras fuentes se refieren a los biocombustibles de tercera generación como los
obtenidos de Biomasa y Producción de Biocombustibles a partir de Algas.
El proceso para crear este biocombustible (a partir de algas), absorbe una gran
cantidad de CO2, ayudando así a la lucha contra la contaminación atmosférica
y el cambio climático. El resultado provoca que cuanto más combustible se
produzca, menos se contamina. La tecnología utiliza las mismas enzimas que
se usan en la elaboración de la cerveza, el vino, bebidas energéticas, o en la
fermentación de los azúcares provenientes del maíz o la caña de azúcar para
producir Etanol.
Las algas verde azuladas producen Etanol de manera natural.
Biocombustibles de 4ª Generación:
Son aquellos que llevan la tercera generación un paso más allá. La clave es la
“captación y almacenamiento de carbono (CAC)”, tanto a nivel de la materia
prima como de la tecnología de proceso. Los biocombustibles de cuarta
generación encarnan el concepto de «bioenergía con almacenamiento de
carbono”.
El Etanol se extrae directamente de la materia prima en un proceso continuo. El
Etanol, como producto final, es único, independientemente del origen de la
materia prima.
En la producción de materias primas es necesario mencionar lo siguiente:
a) Cultivos tradicionales: Es necesaria la utilización de biotecnología, así se mejora el
rendimiento de las especies tradicionales empleadas para la generación para Etanol
b) Cultivos no tradicionales: Es necesaria la introducción de especies y variedades poco
utilizadas o inexistentes para la generación Etanol.
c) Cultivos de algas: Constituye una importante posibilidad de aprovechar el extenso litoral
y exposición solar que posee el país. Con cultivos experimentales de algas en piletas
ubicadas en zonas áridas y semiáridas, se han logrado producciones de hasta 20
m3/ha/año de biodiesel.
e) Gasificación anaeróbica de biomasa: Se obtiene metano por la descomposición
anaeróbica de biomasa para la coproducción de calor y energía eléctrica.
f) Gasificación de biomasa lignocelulósica: Desarrollo de biocombustibles de segunda
generación a partir de la biomasa lignocelulósica, denominado "Biomasa a Líquido"
(BTL).y biodiesel. Dicho proceso, denominado Fischer-Tropsch, se está aplicando en
Alemania y Canadá.
Bioetanol

a partir de algas
El bioetanol es un biocombustible producido a partir de la fermentación
de la biomasa y / o la fracción biodegradable de los residuos .
Bioetanol algas está hecho de la conversión de la celulosa y el almidón
por fermentación.

El uso de algas para este propósito es una tercera generación de etanol , la
primera es a partir de la caña de azúcar o maíz , y la segunda es a partir de
plantas de celulosa.

.
Las algas se puede utilizar para producir
bioetanol , ya que (en su mayoría
especies de algas marinas : Sargassum ,
Glacilaria , Prymnesium parvum y
Euglena gracilis ) son ricas en
polisacáridos ( tipos de hidratos de
carbono , tales como almidón y celulosa )
y tienen pared celular delgada .
•
La producción de etanol a partir de algas es principalmente por su fermentación de
azúcares .
•
Sigue los siguientes pasos: primero las especies cultivadas fueron mencionados por la
acuicultura, después de que se cosechan y se descomponen por romper las paredes
de las células y la liberación de polisacáridos. Se hizo la sacarificación de almidón y ,
finalmente , para utilizar microorganismos tales como levaduras y bacterias , para
llevar a cabo la fermentación de la descomposición de la biomasa . El etanol se
produce y se separa del resto de la solución.
•
El biodiesel es producido por el contenido de aceite de algas, se puede quitar primero
de los lípidos, mientras que los hidratos de carbono de biomasa restantes como el
almidón y la celulosa y la fermentación para producir etanol.
•
Se demostró que es necesario proporcionar , entre otras cosas , dióxido de carbono (
CO2) para realizar la fotosíntesis en el cultivo de las algas . Por lo tanto , también se
puede utilizar el CO2 producido durante la fermentación de la producción de
bioetanol para alimentar la biomasa.
•
.

Sin embargo , aún quedan algunos obstáculos que superar, entre ellos el
hecho de que otros productos de algas , como el colágeno y el agar -agar
tienen mayor valor que el bioetanol.
 .
Pero los beneficios también son inmensas :
* Se trata de un recurso renovable porque la reducción de la
contaminación atmosférica causada por las emisiones de CO2 ;
* Tiene una alta eficiencia, ya que las algas tienen un tipo de azúcar muy
concentrada , demostrando ser una biomasa rica
;
* Las algas prácticamente no se utilizan como alimento , al igual que con
la caña de azúcar , el maíz , la remolacha azucarera y el trigo
*Crecen rápido
;
* No necesita grandes cantidades de tierra para ser cultivada , a
diferencia de lo que ocurre con la caña y el maíz