INFORMACION DE LA CARRERA DE BIOTECNOLOGIA
skip to main |
skip to sidebar
en esta pagina damos a conocer i8nformacion basica de la carrera de biotecnologia. mostramos algunos documentos, y damos a conocer la INSTITUCION UNIVERSITARIA COLEGIO MAYOR DE ANTIOQUIA.
ASPESTOS GENERALES DE LOS PROCESOS DE FERMENTACION
Capítulo 2
ASPECTOS GENERALES
DE LOS PROCESOS DE FERMENTACION
Un proceso de fermentación típico es esencialmente un proceso que se lleva a
cabo en un recipiente llamado fermentador o en general, biorreactor, mediante el
cual determinados sustratos que componen el medio de cultivo son transforma
dos por acción microbiana en metabolitos y biomasa. El microorganismo va aumentando
en su concentración en el transcurso del proceso al mismo tiempo que
el medio se va modificando y se forman productos nuevos como consecuencia de
las actividades catabólicas y anabólicas. Los dos fenómenos crecimiento y formación
de producto, tienen lugar durante el desarrollo del proceso simultáneamente
o no según los casos.
Efectores internos y externos
El comportamiento de un microorganismo en crecimiento es el resultado de
la interacción que se produce entre el microorganismo y el medio ambiente en el
reactor, y que en rigor es el resultado de los llamaos efectores intra y extra celulares.
Los efectores internos están representados por la dotación genética intrínseca
del organismo considerado y por sus mecanismos de regulación metabólica.
Estos últimos pueden ser modificados por alteraciones del medio ambiente o más
precisamente por los efectores externos mientras que la existencia de un gen depende
de la especie del microorganismo considerado. Un gen está o no está, sólo
su expresión puede modificarse. Con el fin de mejorarla productividad de un proceso
de fermentación las cepas empleadas pueden someterse a tratamiento físico
o químico de mutación que al alterar algún sector del genoma logran aumentar
la producción de un metabolito aunque también pueden disminuirla o incluso suprimirla.
También se puede dotar a un microorganismo de una capacidad genética
nueva cuando se efectúa la inserción de sectores del genoma de una especie en
un microorganismo, haciéndose éste capaz de producir metabolitos que desde el
punto de vista genético de su especie no podría hacerlo. La obtención de mutantes
por el uso de agentes mutagénicos o por algún otro mecanismo bioquímico y
la construcción de cepas nuevas por ingeniería genética constituyen los recursos
de la genética microbiana, para mejorar la productividad de un microorganismo
dado o para dotarlo de una capacidad productiva nueva. Es decir que los efectores
internos pueden modificarse para lograr la optimización de un proceso fermentativo.
Todos estos aspectos serán considerados especialmente en el capítulo
siguiente, que corresponde al mejoramiento de los microorganismos de interés industrial.
El comportamiento o expresión fenotípica, o sea lo que realmente se observa
como respuesta del microorganismo al medio ambiente en el reactor es, además,
el resultado de la influencia de las variables de naturaleza física y química que
constituyen los efectores externos.
8
Los efectores externos de naturaleza física están vinculados con las condiciones
de operación que se utilizan en los reactores y son por ejemplo la temperatura,
la agitación, aireación, etc; es decir, están constituidos por las variables de
manipulación física que se fijan o se programan en el curso del proceso de producción.
La modificación de algunos de los efectores físicos como por ejemplo la temperatura,
tiene un efecto notable sobre un proceso. Si el valor utilizado no es adecuado
puede disminuir o aún impedir la formación de un metabolito determinado.
Además la temperatura puede modificar los requerimientos nutritivos de algunos
microorganismos, lo que significa que al modificarse el valor de un efector
puede cambiar los requerimientos de otro.
Los efectores externos de naturaleza química están representados por la presencia
de los componentes de los medios de fermentación, además del 0 2 que
puede considerarse un nutriente más. Los componentes de los medios deben
cumplir con todos los requerimientos nutricionales y además con los requerimientos
específicos que son indispensables para la formación de productos. Los
aspectos fundamentales de los medios, como su diseño y formulación, serán tratados
en el capítulo 4.
Los reactores están también estrechamente vinculados al manejo o manipulación
de los efectores externos, ya que además de la regulación de las variables
físicas permiten según el modo de operarlos fijar o regular la alimentación de
componentes de los medios que, como ya se dijo, constituyen los efectores químicos.
Tal es el caso cuando se operan los reactores en "batch" o en forma discontinua,
(todos los componentes son colocados desde un comienzo en el medio de producción)
o cuando se opera el reactor en "batch alimentado" donde la alimentación
de los componentes se realiza en forma controlada durante el proceso. Finalmente
cuando se opera el reactor en continuo, se alimenta medio completo a una
determinada velocidad al mismo tiempo que se deja salir con la misma velocidad
medio fermentado, lo que permite tratar a la velocidad de crecimiento específico
como variable independiente. Estos aspectos serán desarrollados especialmente
en el capítulo 7.
La influencia de los efectores internos y externos sobre el comportamiento de
una célula microbiana se puede representar esquemáticamente como lo muestra
la Fig. 1.
Figura 1. Influencia de los efectores internos y externos sobre la expresión celular.
9
Para comprender con claridad estos conceptos es conveniente citar algunos
ejemplos demostrativos. Supongamos una cepa de un microorganismo (B. subtilis)
que genéticamente está en condiciones de efectuar la biosíntesis de una enzima
(a-amilasa) y que es colocada en un medio de cultivo adecuado y en condiciones
de operación óptimas para la producción de esa enzima. Por medio adecuado
se entiende una fuente de carbono como el almidón o dextrina, además de fuente
orgánica de nitrógeno, y otras sales minerales. Por condiciones de operación óptimas
se consideran la temperatura de 30-37 °C, agitación, pH inicial 6.5-7.0. Supongamos
también que el proceso es de tipo "batch". Si en la composición del medio
utilizamos glucosa, por ejemplo, difícilmente tendremos un rendimiento normal
de a-amilasa mientras exista glucosa en el medio, debido a la influencia negativa
de ésta, ya que la misma actúa como represor catabólico de la biosíntesis
de la enzima. Este es un ejemplo negativo de un efector externo (glucosa) que no
permite la expresión del gen de la cepa. No solamente la glucosa tiene este efecto
sino en general cualquier otra fuente de carbono que sea de consumo rápido.
Si en cambio se opera el reactor como "batch" alimentado, con alimentación
programada de glucosa, la influencia negativa de ese efector externo desaparece,
porque su concentración se mantiene en límites muy bajos.
Otro efector externo de naturaleza química que inhibe la biosíntesis de otros
productos como muchos antibióticos es el anión fosfato. Por eso la producción industrial
de esos compuestos debe hacerse de manera tal que existan concentraciones
limitantes de fosfato inorgánico. Si éste esta en concentraciones de 0.3 a
300 mM generalmente se producen crecimientos celulares altos pero concentraciones
superiores a 10 mM suprimen la síntesis de muchos antibióticos.
La presencia de azúcares asimilables superiores a 0.16 g l -1 produce invariablemente
formación de alcohol en proceso de crecimiento de levadura de panificación
(Saccharomyces cerevisiae) aún en presencia de exceso de oxígeno. Es el de
nominado efecto Crabtree. Es por ello que la producción de levadura se debe llevar
a cabo con sistemas de "batch" alimentado con alimentación programada de
azúcares para maximizar la formación de biomasa e impedir la formación de alcohol.
Es otro ejemplo de la influencia de un efector externo o de naturaleza química
sobre la actividad metabólica de un microorganismo.
Para investigar adecuadamente la influencia de los efectores externos químicos,
es necesario el empleo de sistemas continuos, aspecto que será tratado en el
capítulo 7.
Esquema de un proceso industrial
En la Fig. 2 se presenta un esquema general de un proceso de fermentación.
Como puede verse existen 4 etapas bien diferenciadas, a saber: 1) Propagación de
cultivos, lo que se realiza en el laboratorio y que comienza generalmente en un
tubo de ensayo que contiene un repique reciente del microorganismo o un tubo
liofilizado o congelado donde se conserva la cepa de interés o de una colonia del
microorganismo previamente seleccionada. Este material microbiológico seleccionado
constituye el punto de partida con el cual se debe aumentar la cantidad del
mismo mediante sucesivos pasajes en frascos de volúmenes crecientes que son
generalmente operados en agitadores de vaivén o rotatorios en cámaras de cultivo.
2) Fermentación: con el material obtenido anteriormente, se siembra el tanque
de inoculo que puede tener un volumen de 50, 500 ó 1000 1 según la escala
industrial posterior. Del tanque de inoculo se pasa posteriormente al fermentador
industrial cuyo volumen, que varía de acuerdo al producto a obtener y a su
10
Figura 2. Esquema general de un proceso de fermentación.
concentración, está comprendido comúnmente entre 10,000 y 100,000 l. En algunos
casos especiales, como en la producción de proteína unicelular, los tanques de
fermentación pueden llegar hasta 1,000,000 l. Un proceso esencial ligado a la
producción es la preparación y esterilización de los medios que se lleva a cabo
también en esta etapa (previamente a la inoculación) ya sea en el tanque de
inóculo o en el reactor industrial. 3) Operaciones y proceso de separación y purifición
de los productos; estas etapas comprenden en forma general y sucesivamente:
a) separación de insolubles por filtración, centrifugación, o decantación; b) separaciones
primarias por extracción, absorción, adsorción, ultrafiltración; c) purificación
por extracción líquido-líquido, o extracción a dos fases acuosas, o cromatografía
de afinidad, y finalmente d) aislamiento del producto. 4) Tratamiento de
efluentes: si bien no tiene una relación directa con el producto, que es la razón de
ser de la industria de fermentación, representa una etapa imprescindible porque
es fundamental controlar la calidad del efluente que sale de la fábrica y que es
enviado generalmente a un curso de agua, sea un canal, arroyo, un río o al mar.
Es importante tener en cuenta que todas las etapas de un proceso de fermentación
deben estar íntimamente ligadas e integradas ya que es indispensable que
el proceso sea optimizado globalmente. Cada etapa debe considerar la importancia
e influencia de los procesos y operaciones anteriores y también de los siguientes
para poder cumplir con ese concepto de integración. La calidad de una cepa
de microorganismo debe estar supeditada a su real capacidad de producción en el
fermentador. Pero además es necesario que esa cepa, altamente productora, no
produzca, por ejemplo, dificultades en la etapa de separación y purificación como
es el caso de cepas de Penicillium chrysogenum que no pueden utilizarse porque
producen pigmentos que encarecen las etapas de purificación. Lo mismo sucede
con el uso de medios, basados en subproductos como el suero de queso, que pue-
11
den dar buenos rendimientos de un producto pero que representan un inconveniente
en la etapa de purificación.
Además, el reactor y las condicioines de operación deben ser tales que aseguren
la productividad máxima del proceso y la calidad del producto, que en algunos
casos depende de las condiciones de operación empleadas como sucede con algunos
preparados enzimáticos cuya composición es regulada según como se opere
en la etapa de la fermentación y en la correspondiente a la separación y purificación.
Lecturas recomendadas:
1.
A. Fiechter - Physical and chemical Parameters of Microbial Growth. Advances in Biochemical
Engineering Vol. 30, 7-60. Springer-Verlag, 1984.
12
AREAS DE APLICACION DE LA BIOTECNOLOGIA
Capítulo 1
DEFINICIONES Y AREAS DE APLICACION
Definiciones
La Microbiología Industrial puede definirse diciendo que es la parte de la Microbiología
que se ocupa de las aplicaciones industriales de los microorganismos.
Desde otro punto de vista puede decirse también que los procesos de la Microbiología
Industrial constituyen aquellos procesos industriales catalíticos basados en
el uso de microorganismos.
Con el notable impulso de la Biotecnología producido en los últimos años y la
inclusión y difusión de otros términos como biotecnología de avanzada, biotecnología
moderna, biotecnología de punta, biotecnología recombinante o tecnología
del DNA recombinante, biotecnología e ingeniería genética, biotecnología y microbiología
industrial, y hasta biotecnología negativa, etc., se ha complicado la
comunicación entre los distintos especialistas y la interpretación adecuada de los
términos empleados. Para poder clarificar esos términos pensamos que es conveniente
definir y delimitar los campos de la Biotecnología y de algunas disciplinas
que la integran.
La Biotecnología es una actividad multidisciplinaria que comprende la aplicación
de los principios científicos y de la Ingeniería al procesamiento de materiales
por agentes biológicos para proveer bienes y servicios. Los agentes biológicos
pueden ser células microbianas, animales, vegetales y enzimas. Se entiende
por bienes a cualquier producto industrial relacionado con alimentos, bebidas,
productos medicinales, etc., y por servicios a aquellos vinculados a la purificación
de aguas y tratamiento de efluentes. Esta definición que es la más conocida y
aceptada por la mayor parte de los paises fue propuesta por la Organización para
la Cooperación Económica y el Desarrollo (OECD).
La Microbiología Industrial se ocupa de producción de bienes y servicios con
células microbianas. Por lo tanto la Microbilogía Industrial representa una parte,
seguramente la más importante, de la Biotecnología.
La Ingeniería genética comprende una serie de técnicas que permiten obtener
un organismo recombinante, o sea portador de un gen extraño proveniente de
otras células, sean éstas microbianas, vegetales o animales. Es una disciplina de
rivada de la Biología molecular que está incluida en la Biotecnología como herramienta
fundamental para la obtención de microorganismos específicos a ser utilizados
en la producción de bienes y servicios. El término tecnología del DNA recombinante
puede considerarse sinónimo de Ingeniería genética.
Consideramos que los términos biotecnología de avanzada, biotecnología moderna,
no son adecuados. Cualquier tecnología o biotecnología avanza y se moderniza.
Si los términos se aplican a procesos con cepas de Ingeniería genética
únicamente o a transplante de embriones o a micropropagación vegetal por cultivos
de tejidos o a producción de especies vegetales mejoradas por cultivos de tejidos
o a producción de especies vegetales mejoradas por cultivos de anteras, cte.,
pueden confundirse mucho los conceptos cuando con toda justicia podemos incluir
también en la biotecnología de avanzada las nuevas tecnologías de producción
de alcohol, ya que son más modernas o de avanzada con respecto a las anteriores.
Si se desea hacer una diferencia, tal vez sería conveniente referirse a la
4
Tabla 1. Areas de aplicación y ejemplos de productos obtenidos por microorganismos.
5
Biotecnología tradicional o convencional para denominar a los procesos conocidos
con anterioridad al advenimiento de la Ingeniería genética, y no convencional a
los posteriores.
Areas de aplicación
Las áreas de aplicación de la Microbiología industrial son muy variadas y de
ellas surge ha i mportancia y el impacto que tiene esta disciplina en la actualidad.
Las áreas principales son: salud, alimentos, producción vegetal y animal, insumos
industriales, minería y servicios.
En primer lugar se debe destacar la importancia de la Microbiología Industrial
en el mantenimiento de la salud y tratamiento de enfermedades, fundamentalmente
por su aplicación en la producción de compuestos de actividad farmacológica
y vacunas.
En la industria de alimentos es también significativa la aplicación de la Microbiología
Industrial en la producción de bebidas, enzimas, saborizantes, productos
lácteos, etc.
La producción agropecuaria se ve también favorecida en sus aspectos de producción
vegetal y animal por un conjunto variado de procesos microbiológicos que
se han enriquecido notablemente en los últimos años (como ha sucedido con otras
áreas) con la utilización de técnicas de ingeniería genética.
El área de aplicación en minería está relacionada con la biolixiviación o sea
con la aplicación de microorganismos en la extracción de metales de minerales de
baja ley.
Finalmente el área de servicios se refiere fundamentalmente a la aplicación
de microorganismos en la purificación de efluentes, aspecto fundamental para el
mantenimiento de la calidad de vida.
Varios ejemplos de productos y microorganismos empleados en las distintas
áreas de aplicación de la Microbiología Industrial se pueden observar enla Tabla 1.
Símbolos y unidades
Es conveniente emplear símbolos y unidades correspondientes al sistema internacional,
pero es importante que sean aquellos que son utilizados por la mayoría
de los investigadores y profesionales relacionados. La Sección de Biotecnología
de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada estudió el problema y
encomendó a una serie de expertos de varios países la confección de una lista de
símbolos y unidades utilizadas. La lista fue sometida a la crítica de numerosos
especialistas y fue finalmente publicada en inglés como guía general sobre símbolos
y unidades en Biotecnología. Una traducción castellana adaptada a la nomenclatura
en español fue también preparada y publicada posteriormente.
En la tabla 2 se dan algunos símbolos y unidades, expresados en el sistema
internacional (SI) y también en unidades comunes en Microbiología Industrial, y
que son las que utilizamos en esta monografía. Corresponde ahora, después de
considerar los aspectos generales de los procesos fermentativos, tratar aquellos
esenciales que corresponden a los microorganismos de interés industrial.
6
Tabla 2. Algunos símbolos y unidades empleadas en Microbiología Industrial.
Descripción y/o definición Símbolo
Unidad S.I *
Unidades comunes
Lecturas recomendadas:
1.
Biotechnology. International Trends And Perspectives. A. Bull, G. Holt and M. Lilly.
OECD. Paris, 1982.
2.
Lista de Stntbolos con Unidades recomendadas para su entpleo en Biotecnologta. Traducción
castellana, R. Ertola. Rev. Latinoam. Ing. Qufm. Vol. 16, N° 2, 5-12 (1986), del
original inglés Pure and Appl. Chem. Vol. 54 N° 9, p. 1743-1745, (1982).
7
Datos personales
- BIOTECNOLOGÍA
- informacion biotecnologica
