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También microbiología industrial Biotecnolo gía: Uso de microorganismos vivos o de sus productos en procesos industriales o ambientales a gran escala.

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Presentación del tema: "También microbiología industrial Biotecnolo gía: Uso de microorganismos vivos o de sus productos en procesos industriales o ambientales a gran escala."— Transcripción de la presentación:

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2 También microbiología industrial

3 Biotecnolo gía: Uso de microorganismos vivos o de sus productos en procesos industriales o ambientales a gran escala

4 Fases de la biotecnología microbiana:

5 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

6 Microorganismos industriales No todos los microorganismos tienen un uso industrial Microorganismos industriales producen uno o más productos específicos

7 El microorganismo es modificado antes de ingresar a la industria: se altera genéticamente por mutación o por recombinación Microorganismos industriales son especialistas metabólicos capaces de producir específicamente y con un alto rendimiento, metabolitos particulares

8 La fuente de todas las cepas industriales es el ambiente natural Las cepas industriales se depositan en colecciones de cultivos que sirven como almacén

9 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

10 Clases de productos industriales Metabolitos microbianos Alcohol Ácido acético Ácido láctico Aminoácidos Vitaminas Antibióticos Esteroides Alcaloides 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 Enzimas Digestión de almidones, lípidos y proteínas Síntesis de antibióticos semisintéticos

11 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

12 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

13 Biotecnología microbiana en agricultura Productos farmacéuticos veterinarios de origen microbiano Inóculos radiculares Ingeniería genética de plantas mediada por microorganismos como portadores genéticos

14 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 B 12, vitamina C

15 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

16 Crecimiento y formación de productos industriales Sustrato para el crecimiento CélulasMetabolito primario Sustrato para el crecimiento Células Metabolito primario Metabolito secundario Sustrato para el crecimiento CélulasMetabolito primario Metabolito Secundario

17 Fermentaciones Para procesos industriales, se usan fermentadores de hasta de 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. Spargers e impellers en el vessel son usados para la aireación y revolver el contenido. The vessel may contain various devices for monitoring the environmental conditions within the culture, so that these factors can be controlled to obtain high product yields.

18 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

19 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

20 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

21 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)

22 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

23 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.

24 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.

25 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.

26 Esquematización de la formación del biofilm P.Dirckx

27 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.

28 Los métodos convencionales para matar bacterias (antibióticos y desinfección) son a menudo inefectivos contra las bacterias del biofilm.

29 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).

30 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.

31 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.

32 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

33 Se necesitan investigación interdisciplinaria y educación para crear métodos de uso industrial en desarrollo de productos y ayuda a quienes la necesiten.

34 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.

35 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.

36 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

37 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.

38 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

39 Métodos de tratamiento de aguas residuales antes de su eliminación o reutilización

40 Tratamientos anaerobios Se utilizan para: Estabilización de lodos Desperdicios sólidos en vertederos Tratamiento de agua industriales y domésticas con alta DBO

41 Proceso: Requiere de interacciones sinérgicas entre cuatro grupos microbianos: –I. Bacterias hidrolíticas –II. Bacterias fermentadoras –III. Bacterias acetogénicas –IV. Bacterias metanogénicas

42 Acetogénesis:bacterias acetogénicas ACIDOS GRASOS DE CADENA LARGA Propiónico, butírico.(volátiles); alcoholes, compuestos aromáticos (benzoato) Metanogénicas: Bacterias metanogénicas reductoras (autótrofos) Hidólisis por exoenzimas de: bacterias fermentativas, Protozoos, levaduras y mohos COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLES Azúcares, aminoácidos, péptidos Acidogénesis por exoenzimas de: bacterias fermentativas H 2, CO 2 Ácido acético (Acetato ) CO 2 CH 4 Metanogénicas: Bacterias metanogénicas acetogénicas COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPLEJOS Proteínas, carbohidratos y lípidos

43 Digestores anaerobios Líquido

44 CH 4, CO 2 Influente Efluente Filtro Gas

45 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.)

46 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 ( vs kg biomasa/m 3 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.

47 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.

48 Procesos de tratamiento combinado en pequeña escala tipo Jokaso Restaurantes y hoteles (50 personas) La calidad del efluente puede llegar a tener 20 mg/l omenos de DBO. Contact anaerobic room

49 Método del filtro anaerobio y contacto aerobio

50 Pozo séptico Línea de drenaje Trampa de grasas Pozo séptico Conductos de distribución Campo de absorción

51 Trampa de grasas Remueve entre: % de materiales hidrofóbicos % de grasa emulsionadas

52 Tratamientos Biológicos Aerobios Gran parte de la materia orgánica disuelta se mineraliza a CO 2, H 2 O y biomasa (sólidos que pueden ser removidos)

53 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.

54 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

55 Tratamiento aeróbico secundario de aguas residuales: Agua residual SedimentaciónCribado Lodo insoluble Digestión anaeróbica Lodo digerido: Incineración Lodo soluble Oxidación Desinfección Efluente tratado al río Procesos biológicos Lodos activados Filtros de flujo lento Procesos no biológicos

56 Lodos activados: Método de tratamiento continuo Efluente Criba Tanque de aclimatación Tanque de aireación Descarga de agua Exceso de lodo Deshidratador Tortas Tanque de concentración Clarificador

57 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. Tratamiento con lodos activados

58 Filtros de flujo lento

59 Diversidad Microbiana de los lodos activados: Protozoarios ciliados (Vorticella) Hongos y levaduras ( Menor densidad) Bacterias Escherichia coli Enterobacter Pseudomonas Achromobacter Flavobacterium Zooglea Desulfovibrio Sphaerotilus Filamentosas: Beggiatoa, Nocardia, Oscillatoria

60 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/m 3 ) x Flujo (m 3 /d)] [Sólidos Reactor (kg/m 3 ) x Vol (m 3 )

61 Remoción en diferentes tipos de aireación: Aireación extendida: ( % remoción DBO Convencional: (0.8 < A/M < 2): 80-90% remoción DBO Alta rata: (A/M > 2): <80% remoción DBO

62 Sedimentación secundaria Tiempo medio de residencia celular (MCRT :Mean Cell Residence Time) Crecimiento disperso: No ocurre floculación La sedimentación sería imposible. Floculación biológica: Proceso natural que ocurre bajo condiciones físico/química específicas.

63 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.

64 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]

65 " 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.

66 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

67 Filtros de goteo Para efluentes con DBO baja y muy variable.

68 Los filtros por goteo han sido adoptados por la industria alimentaria y tintorera Efecto del tratamiento: se espera entre un % de remoción de DNO y % 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.

69 Biodiscos Rotating Biological Contactor (RBC) Consultar:

70 Se espera que los biodiscos remuevan entre el: – % de de DBO – % 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 H 2 S y otros


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