Producción industrial de Metabolitos primarios

Presentación del tema: "Producción industrial de Metabolitos primarios"— Transcripción de la presentación:

1 Producción industrial de Metabolitos primarios
Dra. María Cecilia Villa Microbiología Industrial.UNViMe

2 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.

3 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)

4 ¿Cuándo se produce el metabolito industrialmente útil en el ciclo celular?
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.

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6 Microorganismos y producción de metabolitos primarios
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 veces más vitamina B12.

7 Metabolitos primarios más importantes desde el punto de vista industrial son: 
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 productores: bacterias, levaduras y hongos. 

8 Metabolitos secundarios
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.

9 Metabolitos secundarios
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.

10 Metabolitos secundarios
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.

11 Metabolitos secundarios
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.

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13 METABOLITOS PRIMARIOS METABOLITOS SECUNDARIOS
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 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

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15 Producción industrial de vitaminas
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.

16 Cobalamina 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.

17 Cobalamina ANEMIA PERNICIOSA

18 Riboflavina 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

19 BIOSÍNTESIS DE VITAMINA B12
PROCESO DE PRODUCCIÓN VITAMINA B12 BIOSÍNTESIS DE VITAMINA B12 RUTA METABÓLICA

20 Aminoácidos 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

21 Lisina 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.

22 Retroinhibición enzimática
Inhibición enzimática por efector alostérico

23 Ácido Glutámico 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 productor del ácido glutámico es Corynebacterium 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.

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26 Enzimas 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.

27 Proteasas, amilasas 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.

28 Jarabe de maíz rico en fructosa
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.

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30 Extremoenzimas 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.

31 Inmovilización de enzimas
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.

32 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.

33 Ácido cítrico y otros compuestos orgánicos

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35 Ácido cítrico 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.

36 Glucolisis y Ciclo de Krebs
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.

37 Ácido Cítrico 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

38 Vías de síntesis de metabolitos primarios y secundarios

39 Bioconversión 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

40 Etanol 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.

41 Generaciones de biocombustible
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.

42 biocombustibles Biocombustibles de 3ª 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”.

43 Producción de biocombustibles
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.

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45 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 .

46 Producción de etanol 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. .

47 Bioetanol 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