También microbiología industrial

Presentación del tema: "También microbiología industrial"— Transcripción de la presentación:

1 También microbiología industrial
BIOTENOLOGÍA MICROBIANA También microbiología industrial

2 Biotecnología: Uso de microorganismos vivos o de sus productos en procesos industriales o ambientales a gran escala

3 Fases de la biotecnología microbiana:

4 Tecnología microbiana tradicional:
Tecnología microbiana con organismos alterados mediante procesos de ingeniería genética: Fabricación de hormonas Moduladores del sistema inmune Vacunas Tecnología microbiana tradicional: Fermentaciones alcohólicas Producción de productos farmacéuticos , aditivos alimentarios, enzimas y sustancias químicas industriales Biorremediación

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

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

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

8 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

9 Clases de productos industriales
Células microbianas Proteína unicelular: levaduras, algas, bacterias y hongos Células para la inoculación:bacterias fijadoras de nitrógeno, micorrizas, inóculos para la fermentación de lácteos y embutidos Metabolitos microbianos Alcohol Ácido acético Ácido láctico Aminoácidos Vitaminas Antibióticos Esteroides Alcaloides Enzimas Digestión de almidones, lípidos y proteínas Síntesis de antibióticos semisintéticos

10 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

11 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

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

13 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

14 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

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

16 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.

17 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

18 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

19 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

20 Moduladores inmunes: Vacunas: 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)

21 No todos los productos están en el mercado
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

22 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. El biofilm

23 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.

24 modifican las condiciones ambientales que lo rodean.
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.

25 Esquematización de la formación del biofilm P.Dirckx

26 Qué importancia tiene el biofilm para la industria?
Los biofilms microbianos sobre las superficies cuestan billones de pesos al año en equipo dañado, productos contaminantes, pérdida de energía e infecciones médicas. Biofilm en una membrana de ósmosis inversa

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

28 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).

29 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.

30 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.

31 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

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

33 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.

34 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.

35 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

36 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.

37 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

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

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

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

41 Azúcares, aminoácidos, péptidos
COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLES Azúcares, aminoácidos, péptidos COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPLEJOS Proteínas, carbohidratos y lípidos Hidólisis por exoenzimas de: bacterias fermentativas, Protozoos, levaduras y mohos ACIDOS GRASOS DE CADENA LARGA Propiónico, butírico .(volátiles); alcoholes, compuestos aromáticos (benzoato) Acidogénesis por exoenzimas de: bacterias fermentativas H2, CO2 Ácido acético (Acetato) Acetogénesis:bacterias acetogénicas CO2 Metanogénicas: Bacterias metanogénicas reductoras (autótrofos) Metanogénicas: Bacterias metanogénicas acetogénicas CH4

42 Digestores anaerobios
Líquido

43 CH4, CO2 Influente Efluente Filtro Gas

44 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.)

45 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/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.

46 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.

47 Procesos de tratamiento combinado en pequeña escala tipo Jokaso
Contact anaerobic room Combined Type Johkaso When effluent treatments are made in small-scale business establishments such as restaurants and hotels, it is necessary to treat what is called domestic effluent such as effluent generated in their kitchens, bathes, and washing rooms. The removal ratio of a combined type Jokaso is excellent: the quality of effluent is improved at 20 mg/l or less (BOD) The treatment methods are various like a rotating biological contactor,a contact aeration method et cetera as mentioned above, and so, they can be selected in accordance with treatment objects. A separated contact aeration process and an anaerobic filter aeration method are adapted to a small-scale combined type Jokaso that is used to treat effluent from 50 or fewer persons. (See Figure 3-12.) In each method, a sedimentation separation tank or an anaerobic filter tank is installed before a contact aeration tank, and thereof, pretreatment like a solid- liquid separation are made. Restaurantes y hoteles (50 personas) La calidad del efluente puede llegar a tener 20 mg/l omenos de DBO.

48 Método del filtro anaerobio y contacto aerobio
Besides, in treating effluent full of oil contents from restaurants and so forth, it is necessary to make preparation for an advanced treatment with oil separator installed. In operating a combined type Jokaso in a hospital, it is also necessary to make a special treatment of effluent containing hazardous substances from a clinical test section and the like It is essential to make a proper operation, maintenance, and check including cleaning. The Private Sewerage System Law provides the technical standards of the operation and maintenance, and such operation and maintenance are usually conducted by special traders concerned. Método del filtro anaerobio y contacto aerobio

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

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

51 Tratamientos Biológicos Aerobios
Gran parte de la materia orgánica disuelta se mineraliza a CO2, H2O y biomasa (sólidos que pueden ser removidos)

52 Posterior a un tratamiento de sedimentación primaria
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.

53 Tipos de tratamientos aerobios:
2. Biopelículas • Filtros de goteo (Zooglea ramigera) • Biodiscos (Filtros RBC): (Sphaerotilus, Beggiatoa, Nocardia, Oscillatoria, Desulfovibrio) Filtros aerobios sumergidos Reactores de lecho fluidizado 1. Crecimiento suspendido Lagunas de oxidación (disperso) •Lodos activados (agregados)

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

55 Lodos activados: Método de tratamiento continuo Tanque de aclimatación
Tanque de aireación Clarificador Efluente Criba Descarga de agua Exceso de lodo Deshidratador Tortas Tanque de concentración By this method, effluent is purified by microorganisms in suspension. Figure 3-7 shows a typical treatment flow. Since bacteria and protist inhabit and render their services to purify effluent in an aeration tank where organic matters are decomposed, it is necessary to establish proper conditions to keep stable balance among pollution loading amount, the degree of biological activity, and biomass. Therefore, attention is paid to water temperature, a pH value, toxicants, inorganic salts, and nutrient salts (nitrogen, phosphorus). Método de tratamiento continuo

56 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.

57 Filtros de flujo lento

58 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)

59 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)

60 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

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

62 (separación de microorganismos del efluente tratado).
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.

63 Capacidad de Clarificación: Capacidad de Compactación:
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]

64 Formaçión de espuma en los decantadores de lodos activados.
Los flóculos formados poseen poca densidad y suben a la superficie en vez de sedimentar. " BULKING" o entumecimiento del lodo:

65 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

66 Filtros de goteo Para efluentes con DBO baja y muy variable.
Sprinkling Filtration Process According to this method, effluent is sprinkled on a filter bed where crushed stones, plastic modules and so forth are injected, and then pollutants of it are oxidized and separated while it flows down through sticking (rooted, sessile) biofilm formed on the surface of a filter bed. (See Figure 3-9.) This method has merits such as power saving, easy control,tolerance to high concentration and to load variation, et cetera. In order to make self-purifying function sufficient, it is necessary to keep organic matter loading and water load proper. Notes It is necessary for the operation to be made in the condition of low effluent load, since concentrated organic matters of effluent in operation make the biofilm on a filtration bed thick and filter flies are easy to generate Para efluentes con DBO baja y muy variable.

67 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.

68 Biodiscos Rotating Biological Contactor (RBC)
(9) Rotating Biological Contactor (RBC) According to this method, pollutants are removed by biological purification made by biota growing and inhabiting on a rotating biodisk. The basic principle is the same as that of a sprinkling filtration process. While part of a rotating biodisk is soaked under the water, the biofilm contacts with pollutants in effluent. On the other hand, while the part is exposed to the air, it absorbs oxygen in the air. In the biodisk being rotated and contacting with the surface between water and air, oxygen supplied. There is also a devised rotating biodisk by which air is took into the biodisk and into water, and thereof aeration is made Figure 3-10 shows the model of a rotating biological contactor treatment system. Many rotating biodisks make of thin plastics are installed to a horizontal shaft. The strength of them is required that prevents them from being transformed by sticking sludge and others. Figure Rotating Biological Contactor 1) Types of business This process is adopted by the food manufacturing industry, food retail business, restaurant, hotels, and others whose pollution loading amount is little. 2) Treatment effect It is expected 75 to 90 % of BOD and 60 to 70 % of COD to be removed. 3) Treatment cost The equipment cost is relatively more expensive than an activated sludge method. The operation cost, however, is inexpensive since only the power cost for a rotating plate is needed. 4) Notes Although this process stands sharp load fluctuations as well as a sprinkling filtration process, it is necessary for a high organic load not to be made to occur, since such high load makes biofilm on a rotating plate thick and anaerobic, and thereof, bad smell given off due to hydrogen sulfide and others. The proper load is around 10 (unit plate area) in terms of BOD. For Inquiries or Information: Back to APEC-VC Consultar:

69 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 H2S y otros