informe
DESCRIPTION
schoolrelatedTRANSCRIPT
B I O R R E A C T O R E S
INFORME
Unidad UNO
Alumno: Salazar García Natalie
No. Control: 10040610
Profesor: Soto Cruz Nicolás
Fecha de entrega:
17 de Septiembre de 2013
UNIDAD UNO: INTRODUCCION
1.1 Principales productos de fermentación en el mercado mundial
Desde un punto de vista bioquímico, la fermentación puede definirse como un conjunto
de reacciones químicas efectuadas por elementos vivos o no vivos mediante las cuales un
compuesto orgánico se oxida parcialmente en ausencia de oxígeno para la obtención de
energía química; entendiendo por oxidación parcial cuando todos los átomos de carbono del
compuesto son oxidados hasta CO2.
De acuerdo a esta definición las fermentaciones se clasifican con base a los productos
que se obtienen por la transferencia del poder reductor a los compuestos orgánicos:
Ahora, hablando de fermentación desde un punto de vista industrial, esta puede ser
definida como un proceso verificado en biorreactores por medio del cual determinados
sustratos se transforman en productos y en biomasa en presencia o en ausencia de oxígeno,
mediante el cultivo masivo de microorganismos, de células en suspensión o de enzimas
inmovilizadas. Los sustratos pueden ser parte del medio de cultivo o elementos contaminantes
del medio ambiente.
Algunas de las aplicaciones de fermentación a nivel industrial se reflejan en industrias
como las alimentarias, vinos, alcoholes, producción de antibióticos, de vitaminas, producción
de jarabes de alta fructosa, elaboración de detergentes, entre otros.
La fermentación en alimentos se considera de gran importancia ya que gracias a ella
se han podido conservar alimentos por largos períodos de tiempo debido a que esta actividad
de fermentación permite que los alimentos modifiquen su sabor al mismo tiempo que
aumentan su vida útil.
En la actualidad consumimos una gran variedad de alimentos que han sufrido un
proceso de fermentación y que son familiares, ejemplos de ello son: el vino, la cerveza, la salsa
de soja, el vinagre, los quesos, el yogurt y el pan.
Uno de los productos de fermentación de mayor importancia en el mercado, además
de los alimentos, son sin duda las bebidas fermentadas, obtenidas gracias a diferentes
procesos de fermentación alcohólica.
La ruta enzimática de la glucólisis (degradación de glucosa por vía aerobia) y de la
fermentación alcohólica fue aclarada en el transcurso de muchos años de investigación a
finales del siglo XIX y en la primera mitad del XX.
Las observaciones fundamentales efectuadas con los extractos de levadura y el
descubrimiento posterior de que los extractos musculares pueden catalizar la glucólisis hasta
lactato, sirvieron para realizar investigaciones más intensas. La secuencia de reacciones entre
la glucosa y el piruvato se conoce por el nombre de ruta de EmbdenMeyerhof, o también de
Embden-Meyerhof-Parnas,en honor a sus descubridores.
Los sustratos más comúnmente usados para la fermentación son los azúcares, en
especial la D-glucosa. Una clase de fermentación importante de la glucosa es la fermentación
alcohólica. Para muchas levaduras en un medio adecuado, la fermentación significa la
conversión de hexosas, principalmente glucosa, fructosa, manosa y galactosa, en ausencia de
aire, en los siguientes productos finales:
Glucosa + 2 Pi + 2 ADP →⎯⎯⎯ 2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2
Alrededor del 70 % de la energía es liberada como calor; el resto es preservado en dos
enlaces fosfatos terminales de ATP (trifosfato de Adenosina), para usarlo en las reacciones de
transferencia, tales como la activación de la glucosa (fosforilación) y de aminoácidos antes de
las polimerización.
Los principales productos de la fermentación alcohólica son:
- Alcoholes: etanol, metanol, alcoholes alifáticos con más de 2 átomos de C, y alcoholes
superiores (isobutanol, alcohol isoamílico, amílico, llamados genéricamente aceite de
fusel)
- Aldehídos: primordialmente acetaldehido, Ésteres: acetato de isobutilo y acetato de
isoamilo
- Ácidos orgánicos: Ácidos volátiles: fórmico, acético, propiónico, butírico y láctico y
trazas de otros ácidos grasos. Ácidos tartárico y málico
- Dióxido de Carbono
Las levaduras son los microorganismos más utilizados para la producción de
etanol por la vía fermentativa, debido a su alta productividad en la conversión de azúcares a
bioetanol y a que se separan mejor después de la fermentación. Además, la producción de
toxinas es muy inferior a la de otros microorganismos. Entre las especies más utilizadas están:
Saccharomyces cerevisiae, S. ellipsoideus, S. anamensisi,Candida seudotropicalis, S.
carlsbergensis, Kluyveromyces marxianus, Candida bytyrii,Pichia stipatis,
Schizosaccharomyces pombe y Pichia membranaefaciens.
Cabe señalar que en la actualidad, se está considerando la producción de etanol
(también llamado bioetanol) como combustible debido a la elevación en los precios del
petróleo y sus derivados. Para ello se esta se trabajando en la búsqueda de materias primas
baratas, que sustituyan a las tradicionales materias azucaradas, para alcanzar mayor
eficiencia en los procesos de fermentación, recuperación y purificación de alcohol producido.
Por otro lado, la mayoría de los países latinoamericanos, entre ellos los
productores de azúcar, están en la búsqueda de una estrategia para la reconversión de sus
economías productivas para dar respuesta con ello a la apertura de nuevos mercados y a la
integración regional. Una estrategia de diversificación es necesaria para lograr una explotación
más amplia de la caña de azúcar que permita, junto a la producción de azúcar, la producción
de un mayor número de derivados que beneficien la economía global de estas producciones.
En 1963, al inaugurar el Instituto Cubano de Industrias Derivadas de la Caña de
Azúcar (ICIDCA) el Ché predijo que los derivados llegarían a ser más importantes que la propia
producción de azúcar, situación a la cual nos acercamos.
A nivel mundial el etanol ha adquirido un gran valor por la posibilidad de su uso
como combustible, ya sea mezclado con gasolina o con petróleo y sobre todo porque es una
fuente renovable de energía. Su mezcla con los productos anteriores proporciona un
combustible de mejor calidad, más limpio.
1.2 Perspectivas de la bioingeniería
La Bioingeniería, también conocida como ingeniería biomédica, es un campo
multidisciplinario que ataca problemas de biología y de medicina con las herramientas y los
métodos que se usan en varias áreas de ingeniería. Esta nueva disciplina promete un
importante avance en la solución de los problemas médicos y biológicos al enfocar sus
soluciones mediante técnicas que han tenido un éxito probado en las ingenierías, con un claro
beneficio en el diagnóstico, la prevención y el tratamiento de varias enfermedades que
aquejan a los seres humanos.
Como ejemplos de las áreas de estudio que comprende la bioingeniería
podemos citar las siguientes: electrónica biomédica, bioinstrumentación, biomecánica,
biomateriales, biomecatrónica, ingeniería clínica, imagenología médica, bioingeniería
ortopédica, ingeniería rehabilitatoria, bionanotecnología, biosensores, ingeniería biónica,
ingeniería genética e ingeniería neuronal, entre otras. Como es común en las nuevas
disciplinas que surgen de la unión de otras, el beneficio es en ambas direcciones. Por ejemplo
la biónica, que etimológicamente viene del griego "bios"; que significa vida y el sufijo "´-ico"
que significa "relativo a" es la aplicación de soluciones que se han dado en sistemas biológicos
a la arquitectura, ingeniería y tecnología modernas.
Un artículo interesante revela que la biotecnología puede ser una solución a la
crisis alimentaria que se vive en la actuliadad a nivel mundial, en su mayoría en los países más
pobres:
<<Las organizaciones internacionales lanzan señales de alerta, los analistas y expertos
buscan las causas, sin embargo, ante esta coyuntura difícil el punto clave reside en encontrar
soluciones sostenibles.
Aumentar la productividad agrícola, frenar el cambio climático y mejorar la calidad nutricional
de los alimentos son los principales retos y, al mismo tiempo, los aspectos en los cuales la
biotecnología y los cultivos GM pueden aportar.
Las causas de la alarma alimentaria son claras: alta demanda de alimento, escasez de
suministros alimenticios, incremento del precio del petróleo y un creciente cambio climático.
Según Banki Moon, secretario de la ONU, ahora es el momento de que la comunidad
internacional defina estrategias a largo plazo tendientes a dar un fuerte impulso a la
producción de alimentos, pues no sólo se trata de tomar medidas a corto plazo que resulten
paliativas frente a esta grave crisis . >>
Fuente: Cultivos GM: Los primeros 10 años- Impacto socio-económico y ambiental. Graham
Brookes y Peter Barfoot. Reino Unido, 2006.
Un ejemplo de las contribuciones que pudiese tener la biotecnología en el
ámbito de los alimentos a nivel mundial es en la solución a los problemas ocasionados por las
sequias:
<< Las sequías, las inundaciones y las variaciones térmicas son cada vez más frecuentes y
severas. Estos factores anualmente generan grandes pérdidas a los agricultores a nivel
mundial y reducen la frontera agrícola explotable y, por lo tanto, la capacidad de incrementar
la producción mundial de alimentos.
Solución: Acelerar el mejoramiento y aprobación de cultivos que se adapten adecuadamente
a los cambios de las condiciones climáticas.
A través de la investigación y aplicación de la biotecnología moderna se han obtenido, en
centros de investigación públicos y privados, cultivos GM resistentes a la sequía, a la salinidad
y a las altas temperaturas. Los cultivos con estas tecnologías están en alistamiento para su
aplicación y se encuentran en espera de una luz verde para la aprobación de su uso
comercial. >>
Fuente: Cultivos GM: Los primeros 10 años- Impacto socio-económico y ambiental. Graham
Brookes y Peter Barfoot. Reino Unido, 2006.
En cuanto al impacto ambiental que el uso de la biotecnología pueda tener
sobre el medio ambiente, se ha encontrado que los cultivos transgénicos ya están
contribuyendo a reducir las emisiones de gases invernadero pues al sembrarlos se reduce el
uso de maquinaria y combustibles y se aplica la cultura de labranza mínima lo que ayuda a la
retención de carbono en el suelo.
De acuerdo con el estudio “Cultivos GM: Los primeros 10 años- Impacto socio-
económico y ambiental”, desarrollado por investigadores del Reino Unido, en el periodo 1996-
2005, en campos con cultivos GM, se reportó una reducción del 15% en el impacto ambiental.
En este mismo periodo, la reducción en la emisión de gases invernadero fue de 4613 millones
de Kg, lo que equivale a sacar de circulación el 8.5% de los carros matriculados en el Reino
Unido o 2 millones de vehículos, por lo que puede concluirse que son mayores las
aportaciones que los efectos dañinos que la bioingeniería puede causar ya sea a corto o largo
plazo.
1.3 Estequiometria y cinética de crecimiento microbiano y formación de productos
A partir de 1979 la Microbiología Industrial recibe un nuevo y notable impulso que se
suma al anterior cuando se concretan a nivel de procedimientos prácticos las posibilidades
que ofrece la ingeniería genética, disciplina surgida como consecuencia del avance de la
Biología Molecular. Este nuevo impulso posibilita la producción industrial, basada en la
utilización de microorganismos recombinantes, de sustancias nuevas nunca producidas antes
por esa vía como la insulina, hormona de crecimiento, interferón y otras de muy reciente
aparición en el de productos relacionados con el área de la salud.
El desarrollo de los procesos en los reactores y la interacción microorganismo-medio
que en los mismos requirió aportes fundamentales de la Bioquímica y Fisiología Microbiana,
como el conocimiento de las rutas metabólicas, cinética enzimática, mecanismos de
regulación y estudios acerca de la influencia del medio ambiente sobre la productividad del
proceso. Con respecto a la Tecnología se incorporaron conocimientos fundamentales de
fenómenos de transporte como transferencia de materia, calor y cantidad de movimiento y
criterios de cambio de escala.
Por otra parte, y como consecuencia de la contribución de otras disciplinas básicas
como la Química, se fueron incorporando también conceptos de termodinámica y
estequiometria que se integraron con los de la cinética enzimática para ser aplicados al
crecimiento microbiano y a la formación de productos. Con todos esos conceptos emanados
de la Microbiología, Química, Bioquímica y Tecnología, se constituyeron las bases de la
Microbiología Industrial actual.
Estequiometria
La conversión microbiológica de carbohidratos para obtener biomasa y productos de
interés industrial es tema de constante actualidad debido a la creciente dependencia de los
recursos renovables.
Los rendimientos alcanzados en biomasa y productos son de relevancia significativa
debido a que, generalmente, el valor de los sustitutos empleados en la formulación de medios
de cultivo tiene una importancia sustancial en el costo de operación de las plantas
industriales. El grado en que un microorganismo puede transformar los componentes del
medio de cultivo en nueva biomasa y productos juega un papel fundamental, a punto tal que
puede llegar a ser factor determinante de la viabilidad de un proceso en gran escala. Desde
este punto de vista, resulta de sumo interés poder llegar a determinar, estimar o predecir
rendimientos que den cuenta de las transformaciones que se están llevando a cabo en un
biorreactor. Los balances de materia y energía resultan a tal fin de suma utilidad y su empleo
se ha extendido ampliamente en ciencias básicas y aplicadas.
En primer lugar se ha encontrado que la composición elemental de un importante
número de microorganismos, cultivados bajo diferentes condiciones, se mantiene
prácticamente constante; así podemos definir un “microorganismo promedio” (composición
estándar) como aquel cuya composición es (% p/p): C = 46,5; H = 6,94; 0 = 31,0 y N = 10,85,
donde el aproximadamente 5 % restante está representado por sales.Es importante recalcar
que si bien la composición elemental promedio de la biomasa se mantiene prácticamente
constante, la concentración intracelular de proteínas, RNA y demás constituyentes celulares
puede variar sensiblemente entre diferentes especies e incluso entre diferentes estadíos del
cultivo de un mismo microorganismo.
Teniendo en cuenta esta composición media, podemos escribir lo que sería la “fórmula
mínima” de nuestro m.o. promedio como C H1,79O0,5N0,2 (en la que está representada el 95%
p/p de la biomasa) y con fines netamente prácticos definir “1 C-mol de biomasa” como la
cantidad de biomasa que contiene 1 átomo gramo de C. Así pues tenemos que:
1 C - mol de biomasa = x x
= 25,8 g12 1 79 16 0 5 14 0 2
0 95
, , ,
,
Para conocer la cantidad de biomasa que corresponde a n C-moles de biomasa
debemos conocer su composición elemental y en base a dicha composición, el peso de 1
cmol. En términos generales la masa resulta ser: n . Pcmol g de biomasa.
De forma análoga a como lo hicimos con la biomasa, podemos definir 1 C-mol de
sustrato (entiéndase por sustrato fuente de carbono y energía, FCE), 1 C-mol de fuente de N,
etc. Como ejemplo, para la glucosa: C6H12O6, 1 C-mol de glucosa estará representado por CH2O
y pesará 30 g, y para el etanol, 1 C-mol de etanol (CH3O0,5) pesará 23 g.
Cinética del crecimiento microbiano
La cinética de crecimiento microbiano puede definirse como un incremento ordenado
de todos los componentes de un microorganismo, teniendo como consecuencia el aumento
del tamaño (biomasa celular) y el incremento del número de individuos (biomasa poblacional).
Este tipo de crecimiento puede darse de dos formas:
- Crecimiento equilibrado.-incremento constante en tamaño y número de individuos en
un medio hasta que se agota uno de los factores del crecimiento.
- Crecimiento no equilibrado.- alteración del crecimiento debido al control efectuado en
ambientes humanos (uso de antisépticos, desinfectantes, antibióticos, etc.).
Los requisitos para el crecimiento microbiano son: Inóculo viable, Fuente de energía,
Medio de cultivo con los nutrientes necesarios, Ausencia de inhibidores y Condiciones
ambientales apropiadas.
Así también existe una curva que define este tipo de crecimiento y lo divide en varias fases
o etapas:
Dónde:
A. Durante la fase de adaptación, las bacterias se adaptan a las condiciones de
crecimiento. Es el período en el que las bacterias individuales están madurando y no tienen
aún la posibilidad de dividirse. Durante la fase de adaptación del ciclo de crecimiento de las
bacterias, se produce la síntesis de ARN, enzimas y otras moléculas. Así que en esta fase los
microorganismos no están latentes.
B. La fase exponencial (a veces llamada fase logarítmica) es un período caracterizado
por la duplicación celular.5 El número de nuevas bacterias que aparecen por unidad de tiempo
es proporcional a la población actual. Si el crecimiento no se limita, la duplicación continuará a
un ritmo constante, por lo tanto el número de células y la tasa de crecimiento de la población
se duplica con cada período de tiempo consecutivo. Para este tipo de crecimiento exponencial,
representando el logaritmo natural del número de células frente al tiempo se obtiene una línea
recta. La pendiente de esta línea es la tasa de crecimiento específica del organismo, que es
una medida del número de divisiones por célula y por unidad de tiempo.5 La tasa real de este
crecimiento (es decir, la pendiente de la recta en la figura) depende de las condiciones de
crecimiento, que afecta a la frecuencia de los eventos de división celular y a la probabilidad de
que ambas células hijas sobrevivan. Bajo condiciones controladas, las cianobacterias pueden
duplicar su población cuatro veces al día.6 El crecimiento exponencial no puede continuar
indefinidamente, sin embargo, porque el medio llega pronto al agotamiento de nutrientes
mientras se acumulan los desechos.
C. Durante la fase estacionaria, la tasa de crecimiento disminuye como consecuencia
del agotamiento de nutrientes y la acumulación de productos tóxicos. Esta fase se alcanza
cuando las bacterias empiezan a agotar los recursos que están disponibles para ellas. Esta
fase se caracteriza por un valor constante del número de bacterias a medida que la tasa de
crecimiento de las bacterias se iguala con la tasa de muerte bacteriana.
D. En la fase de declive o muerte, las bacterias se quedan sin nutrientes y mueren.
Este modelo de crecimiento del cultivo básico en lotes se mantiene y pone su énfasis en los
aspectos de la proliferación de bacterias que pueden diferir de las del crecimiento de la
macrofauna. Se hace hincapié en clonalidad, división asexual binaria, el breve tiempo de
desarrollo en relación con la replicación en sí, la tasa de mortalidad aparentemente baja, la
necesidad de pasar de un estado inactivo a un estado reproductivo y, por último, la tendencia
de cepas adaptadas de laboratorio para agotar sus nutrientes.
Formación de productos
La diversidad de productos formados por los distintos tipos de microorganismos es
sumamente amplia, desde moléculas muy simples como el etanol hasta las muy complejas
como pueden serlo una enzima o un antígeno. Formalmente se puede entonces clasificar los
productos como:
1. Productos de bajo peso molecular: Estos incluyen a alcoholes, ácidos carboxílicos,
aminoácidos, nucleótidos, antibióticos, etc.
2. Productos de alto peso molecular: Los que a su vez pueden dividirse en:
a) Componentes estructurales: Polisacáridos, proteínas, antígenos, etc.
b) Enzimas: Pudiendo ser intra o extracelulares.
La industria química "compite con los microorganismos" tan sólo en la obtención de
algunos productos de bajo peso molecular como por ejemplo el etanol o el butanol, siendo los
demás de dominio exclusivo de los microorganismos y, por otra parte, la única fuente
disponible para el hombre.
Cualquiera sea el producto que se desee obtener, son varios los aspectos que deben
considerarse. Estos según Pirt, pueden resumirse como:
I. Selección de una cepa microbiana apropiada.
II. Determinación de los valores óptimos de temperatura, pH, presión osmótica.
En procesos aerobios, además, es de fundamental importancia conocer el
requerimiento de oxígeno a fin de poder satisfacerlo.
III. Determinación y optimización de los requerimientos nutricionales y de la concentración de
biomasa.
IV. Modificación del genoma tendiente a incrementar la formación del producto deseado.
Comentarios y/o observaciones personales:
De acuerdo a los temas vistos en esta unidad, se puede mencionar que gracias a la
biotecnología se pueden obtener nuevas o mejores cepas microbianas o de producción
llagando a desarrollar nuevas tecnologías biológicas.
La biotecnología no puede llevarse a cabo si no existe la bioingeniería, la cual apoyada
en ciencias como la biología molecular, la microbiología, química, ecología, bioquímica entre
otras, desarrolla nuevos productos que contribuyen en áreas esenciales para el hombre tales
como la medicina, la economía asi como en la alimentación.
Sin duda alguna, uno de los procesos más utilizados en la industria alimenticia es la
fermentación, dando origen a productos como quesos, yogurt, vinagre, pan, así como en una
gran cantidad de bebidas ya sea destiladas o no destiladas.
La fermentación también se aplica en procesos para la producción de medicamentos,
hormonas, antibióticos, anticuerpos, vacunas, enzimas, combustibles, así como aditivos y
ácidos orgánicos utilizados en la industria.
En lo que respecta al último subtema de esta unidad, me llamo la atención el
crecimiento microbiano. En clase pudimos observar que este es un proceso complejo que
resulta de miles de reacciones intracelulares. El crecimiento se ve afectado por la calidad del
medio de cultivo y por condiciones ambientales tales como pH, temperatura, entre otros, así
como por la termodinámica.
Cabe señalar que existen varios métodos para la estimación del crecimiento basados en 8
medidas, tales como:
Masa
Volumen
Densidad óptica
Cuentas celulares
Tasas metabólicas
Tinción
Masa de un componente celular
Masa de un producto
Para elegir un método adecuado de estimación de crecimiento se deben tomar en cuenta
diversos factores muy importantes como las propiedades de la biomasa, propiedades del
medio de cultivo, la sensibilidad requerida, confiabilidad del método así como su velocidad.
En cuanto a la composición microbiana, es muy importante destacar que cada molécula se
compone de diversos macronutrientes, que en general son: Carbono, Hidrogeno, Oxigeno,
Nitrógeno Fosforo y Azufre, destacando como componente mayoritario el carbono con un 50%
b.s.
El objetivo principal de conocer todas las características así como los componentes de los
microorganismos es el de formular un medio de cultivo apto para que este se desarrolle de
forma adecuada en una mezcla equilibrada de los nutrientes requeridos con concentraciones
aptas.
Las cantidades y naturaleza de los constituyentes de un medio de cultivo están
determinadas por los rendimientos de crecimiento, de los productos y de la tasa de
crecimiento requerida. Es ahí donde entra la estequiometria, la cual a través de ecuaciones
resueltas por balances elementales, nos refleja cual fue el resultado de nuestra reacción así
como la relación entre los productos y sustratos consumidos para que esta se lleve a cabo.
Ejemplo: Ecuaciones y balances estequiométricos en una reacción.
Un análisis detallado de la fermentación alcohólica que lleva a cabo Saccharomyces
cerevisiae (CH1.81O0.5N0.2) muestra que, a pesar de ser un proceso denominado anaerobio,
sí se requiere una muy pequeña cantidad de oxígeno. Durante el proceso, se consume la
glucosa como fuente de carbono, oxígeno y amoniaco como fuente de nitrógeno, para
obtener una mezcla de etanol (CH3O1/2), glicerol (CH8/3O), ácido succínico (CH3/2O),
ácido acético (CH2O), ácido pirúvico (CH4/3O); CO2 y agua, con los siguientes rendimientos
Biomasa, 0.104 (C-mol biomasa/C-mol glucosa).
Etanol, 0.497 (C-mol etanol/C-mol glucosa).
Glicerol, 0.109 (C-mol glicerol/C-mol glucosa).
Ácido succínico, 0.002 (C-mol ácido succínico/C-mol glucosa).
Ácido acético, 0.010 (C-mol ácido acético/C-mol glucosa).
Ácido pirúvico, 0.004 (C-mol ácido pirúvico/C-mol glucosa).
Calcula los coeficientes estequiométricos desconocidos y escribe la ecuación estequiométrica
balanceada.
