También microbiología industrial

1. 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: 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

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

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

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. 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:bacterias fijadoras de nitrógeno, micorrizas, inóculos para la fermentación de lácteos y embutidos Clases de productos industriales 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. Sustrato para el crecimiento Sustrato para el crecimiento Células Metabolito primario Sustrato para el crecimiento Células Metabolito primario Células Metabolito primario Metabolito secundario Metabolito Secundario Crecimiento y formación de productos industriales

16. 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. • 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: • 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. 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. 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.

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. 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. Son ambientalmente indeseables ( y quizás no permitidas por las regulaciones ambientales) Médicamente impracticables (aunque matan las bacterias del biofilm, también matan el paciente). Las enormes dosis de agentes antimicrobianos requeridas para liberar los sistemas del biofilm:

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 conalta DBO

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

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

42. Líquido Líquido Digestores anaerobios

43. Gas Efluente Filtro Influente CH4, CO2

44. 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.) Factores que controlandigestión anaerobia

45. 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. Ventajas:

46. 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. Desventajas:

47. 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

48. Método del filtro anaerobio y contacto aerobio • http://www.apec-vc.or.jp/co-op/s_pollution/index.htm

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

50. Trampa de grasas Remueve entre: 80 - 70% de materiales hidrofóbicos 40 - 50% de grasa emulsionadas