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TEMA 29. UTILIZACIÓN INDUSTRIAL DE MICROORGANISMOS
Bioquímica: Oxidación de la materia orgánica: energía liberada en forma de ATP. Los e- liberados son aceptados por:
- Aceptores exógenos: respiración
- Aerobia
- Anaerobia NADH F 0 E 0NAD+
- Aceptores endógenos: fermentación Aceptor e-: piruvato Fosforilación a nivel sustrato
Microbiología industrial: Fermentación: significado distinto al bioquímico: Proceso microbiano a gran escala, sea aerobio o anaerobio (cultivo de microorganismos en masa)
Propiedades de un microorganismo industrial :
- Deben poder crecer en cultivos puros
- Genéticamente estables
- Debe crecer a gran escala
- Debe crecer en medio líquido y barato (por ejemplo, sustancias de desecho de industrias, subproductos de industria cervecera o lechera)
- Crecimiento rápido
- Preferible con esporas , para facilitar la inoculación en los fermentadores
- No ser dañino para personas ni animales
- Eliminación fácil de las células microbianas
• Susceptible de manipulación genética
Metabolitos primarios: se forman durante la fase primaria de crecimiento Son necesarios para el crecimiento del microorganismo Son producidos por todos los microorganismos (son universales) La producción no se pierde fácilmente por mutación espontánea Son moléculas de bajo peso molecular que intervienen, como productos finales o intermediarios, en las distintas rutas anabólicas y catabólicas Aminoácidos, vitaminas, nucleótidos, alcoholes, ácidos orgánicos
Metabolitos secundarios: se forman cerca de la fase estacionaria Lo forman relativamente pocos organismos No son esenciales para el crecimiento y la reproducción La formación de metabolitos secundarios es extremadamente dependiente de las condiciones de crecimiento. Con frecuencia, se produce la represión de la formación del metabolito secundario Con frecuencia, los metabolitos secundarios se producen como un grupo de estructuras estrechamente relacionadas Superproducción Antibióticos, antitumorales, inmunosupresores
Biorreactores Fermentadores Es crucial el control de la agitación, Tª, pH, oxigenación Estos factores no deben limitar el crecimiento microbiano Alimentación continua: se añade un componente crítico (fuente de carbono) de manera que no haya exceso de sustrato. Si hay exceso de glucosa, se puede catabolizar y formar etanol, que se volatiliza
Escalado:
- Matraz de laboratorio
- Fermentador de laboratorio (5-10 l)
- Planta piloto (300-3000 l)
- Fermentador comercial (10.000-500.000 l)
Diferencias de escala:
- Mezclado y aireación
- Aumento del tamaño: cambia la proporción superficie-volumen, mayor volumen, mezclado más difícil
- La transferencia de oxígeno es crucial: en equipos a gran escala es difícil
Quimiostato
- Eliminan la necesidad de agitadores
- Los microorganismos se asocian con superficies inertes formando biofilms
- Se mantiene una fina capa de agua superficial donde crecen los microorganismos
- Los metabolitos tóxicos o productos finales fluyen fuera del cultivo, mientras que el sustrato difunde hacia el cultivo
Control de:
- Densidad celular (células/ml) : mediante la concentración del nutriente limitante.
- Velocidad de crecimiento : depende de la velocidad de entrada del medio. Si la velocidad de salida es excesiva, la población es “lavada”. Si es demasiado baja, el cultivo muere por falta de alimento
- Tasa de dilución (D): D=f (ml/h)/Vol (ml)
Tamaño del fermentador (litros) F 0 E 0Producto 1-20.000 F 0 E 0Enzimas para diagnóstico, sustancias para biología molecular 40-80.000 F 0 E 0Algunas enzimas antibióticas 100-150.000 F 0 E 0Penicilina, antibióticos aminoglicosídicos, proteasas, amilasas, transformación de esteroides, aminoácidos 200.000-500.000 F 0 E 0Aminoácidos (ácido glutámico)
TEMA 30. Fermentación
Fermentación alcohólica en levaduras y bacterias Cepas naturales Uso de levaduras autóctonas: proceden de la zona vitivinícola donde se van a utilizar, están adaptadas a las condiciones climáticas de la zona y a la materia prima, y aportan propiedades específicas al vino Es frecuente el uso de cepas mejoradas mediante mutación y selección, mutagénesis dirigida, transgénesis…
Tipos: Espontánea (tradicional) Resultados imprevisibles Riesgos de ralentización y/o paradas fermentativas
Inoculada o dirigida (industrial) Calidad uniforme, repetitividad Evita problemas de arranque, ralentización y/o paradas de fermentación.
Elaboración del vino Microorganismos implicados: Levaduras: Saccharomyces cerevisiae Bacterias:
- Bacterias lácticas: fermentación maloláctica: ácido málico F 0 E 0ácido láctico + CO2 Lactobacillus, Pediococcus, Leuconostoc
- Bacterias del ácido acético: producen ácido acético por oxidación del alcohol: etanol + O2 F 0 E 0 ácido acético + H2O
Resistencia al etanol:
- Levaduras silvestres: 4%
- Mejoradas: hasta el 14% Normalmente se eliminan las levaduras naturales de la uva con SO Se añade S. ellipsoideus como iniciador Al principio crece en aerobiosis, después se produce anoxia y fermentación
Otros productos:
- CAVA: segunda fermentación en botella
- Licores: destilación
Fabricación de pan Harina: tiene bajo contenido en azúcares fermentables, pero tiene sistemas enzimáticos que hidrolizan macromoléculas Las cepas de S. cerevisiae producen maltasa, invertasa y zimasa Condiciones aerobias: + CO2 (sube la masa), - etanol (se volatiliza con la cocción)
Producción de levadura Aerobiosis: las levaduras se multiplican y producen abundante biomasa (1g lev/4g azúcares) Anaerobiosis: realizan la fermentación y producen poca biomasa (1g lev/100g azúcares) Por tanto, la producción de levadura se lleva a cabo en aerobiosis Se utilizan molasas, ácido fosfórico (fuente de P) y sulfato amónico (fuente de S y de N)
Usos industriales: Producción de células de levadura
- Levadura de panadería para fabricación de pan
- Levadura desecada como suplemento alimenticio
- Levadura desecada para piensos animales
Productos de la levadura
- Extracto de levadura para medios de cultivo
- Vitaminas B, Vitamina D
- Enzimas para la industria alimentaria; invertasa, galactosidasa
- Productos para investigación bioquímica; ATP, NAD+, RNA.
Productos de fermentación de la levadura: etanol para alcohol industrial F 0 E 0Glicerol, Bebidas alcohólicas, Cerveza, Vino
Bebidas destiladas: Whisky, Brandy, Vodka, Ron
- Riboflavina: Ashbya gossypii
Ácidos orgánicos Ácido cítrico:
- Fermentación aerobia en un medio deficiente en hierro
- Proceso sumergido. Aspergillus niger es aerobio, por tanto es necesario aireación
- Fuente de C: almidón, jarabe de glucosa, molasas…
Ácido láctico: usado en la industria como acidificante de alimentos y bebidas. Lactobacillus delbrueckii
Enzimas Algunos microorganismos producen enzimas en grandes cantidades y las excretan Muchos procesos industriales funcionan mejor a Tª elevada Las extremozimas procedentes de termófilos pueden ser biocatalizadores idóneos Proteasas
- Son las enzimas microbianas que se producen en mayor cantidad
- Aditivos de detergentes
- Las enzimas son activas al pH alcalino de las soluciones de detergentes
Amilasas
- Se usan para producir glucosa a partir de almidón de maíz, trigo o patata. A continuación la glucosa se transforma en fructosa (glucosa isomerasa) y se usa como edulcorante
Ambas producidas por Bacillus
Inmovilización de enzimas Pasar una enzima soluble a un estado en el que quede inmovilizada:
- Facilita la reacción a gran escala
- Impide la desnaturalización Fijación:
- Unión de la enzima a un soporte (carbón activado, arcilla…).
- La unión puede ser covalente o por adsorción Inclusión: incluir la enzima en microcápsulas, membranas semipermeables… Entrecruzamiento: se unen entre sí las moléculas de la enzima mediante un agente formador de enlaces transversales, como el glutaraldehído Si no es necesario usar la enzima purificada, se puede inmovilizar el microorganismo entero: por ejemplo, las células de Bacillus que producen glucosa isomerasa
Bioconversión microbiana Uso de microorganismos para llevar a cabo reacciones químicas
- Se crece el microorganismo en fermentadores
- Se añade el producto que se va a convertir
- El microorganismo transforma el producto
- Se extrae el caldo de fermentación y se purifica el producto
Los microorganismos actúan como biocatalizadores Su principal uso ha sido la producción de hormonas esteroideas R. nigricans se utiliza para hidroxilar la progesterona
Biopolímeros Polímeros (principalmente polisacáridos) producidos por microorganismos F 0 E 0Dextranos, ciclodextrina, xantano… Usos:
- En la industria alimentaria: para mantener la textura de alimentos congelados que están sujetos a cambios drásticos de Tª; como espesantes; estabilizantes…
- En industria: aditivos de pinturas; plásticos; absorbentes…
TEMA 32. Biodegradación de compuestos xenobióticos Compuestos xenobióticos :
- Compuestos químicos sintéticos, no existen de manera natural
- No son biodegradables, o si lo son, muy lentamente ( recalcitrantes) F 0 E 0 plaguicidas (herbicidas, insecticidas y fungicidas)
- Algunos son susceptibles de ataque microbiano: hay Pseudomonas que pueden degradar plaguicidas recalcitrantes
- Pueden funcionar como fuentes de carbono y como donadores de electrones para muchos microorganismos del suelo, y pueden ser oxidados completamente a CO 2
- Otros pueden ser sólo parcialmente degradados. En ocasiones, pueden producir compuestos más tóxicos que el original.
Cometabolismo Transformación de un compuesto orgánico por un microorganismo que no usa ese compuesto como fuente de energía ni como elemento nutritivo (no obtiene beneficio nutricional). P seudomonas methanica: oxida etano pero no lo usa como fuente de C.
Las enzimas que inician una ruta (por ejemplo, las oxigenasas implicadas en el metabolismo aerobio de los hidrocarburos) pueden ser inespecíficas y degradar distintos compuestos, por lo que un microorganismo podría iniciar la degradación de un compuesto que no sirve para su crecimiento. Muchos compuestos xenobióticos son degradados mediante cometabolismo. La adición de materia orgánica de fácil degradación puede aumentar la degradación de compuestos recalcitrantes por cometabolismo.
Deshalogenación Los plaguicidas clorados se pueden degradar mediante deshalogenación (declorinación) reductiva en condiciones anóxicas Donador de electrones: materia orgánica o H Microorganismos: Desulfomonile, Dehalobacter
Biodisponibilidad : muchos compuestos no pueden ser degradados porque no son biodisponibles: compuestos insolubles, tóxicos, en muy bajas concentraciones
Biorremediación Utilización de microorganismos para transformar contaminantes tóxicos y peligrosos en productos no tóxicos. Contaminantes de suelos y aguas: percloroetileno (PCE), tricloroetileno (TCE), bifenilos policlorados (PCB), pesticidas organoclorados. Tipos: Natural o intrínseca : la llevan a cabo los microorganismos autóctonos del medio afectado. Puede ser aerobia o anaerobia. Las comunidades naturales pueden degradar los compuestos a velocidades demasiado bajas por limitación de nutrientes (oxígeno, nitrógeno, fósforo…)
Bioestimulación : introducción de modificaciones en el medio (aireación, aporte de nutrientes…) para potenciar la biorremediación natural. Puede ser suficiente aportar aceptores de electrones (oxígeno, nitratos…) pero puede ser necesario añadir nutrientes (N, P), modificar el pH, aportar cometabolitos, etc. Ejemplo: añadir nutrientes que favorezcan el desarrollo de poblaciones autóctonas capaces de degradar petróleo de un vertido en el suelo
Bioaumentación : introducción de microorganismos especializados al medio para potenciar la remediación. Ejemplo: añadir microorganismos capaces de degradar petróleo de un vertido en el mar.
Sistema de biorremediación de diseño subterráneo Chakrabarty produjo en 1972 un “supermicrobio”, ( Pseudomonas ) genéticamente mejorado capaz de degradar hidrocarburos muy eficientemente en el laboratorio Degradaba octano, hexano, xileno, tolueno, alcanfor y naftaleno Se creyó erróneamente que propiedades del microorganismo perdurarían en su localización real, el suelo Causas del fracaso:
- Los depredadores del suelo
- Incapacidad del microorganismo de contactar con los contaminantes
- Incapacidad del microorganismo de competir con los microorganismos autóctonos
Biodegradación del petróleo En condiciones aerobias el petróleo es fácilmente atacado por los microorganismos El petróleo se puede eliminar mediante biorremediación Hay bacterias (incuyendo cianobacterias), hongos y algas verdes oxidadores de hidrocarburos que descomponen el petróleo. En sistemas acuáticos predominan bacterias ( Pseudomonas , Corynebacterium …) y levaduras Las bacterias oxidadoras de hidroc arburos se concentran en la interfase petróleo-agua, pero no penetran en el interior de las gotas.
Degradación de vertidos de hidrocarburos en el océano:
- Debe mantenerse el contacto entre el contaminante, los microorganismos y los nutrientes F 0 E 0nutrientes en preparaciones oleofílicas
- Aumenta la degradación un 30-40% en mareas negras Botryococcus braunii , una microalga colonial verde, produce enormes cantidades de hidrocarburo líquido que pueden ser rápidamente convertidos en combustible aprovechable. Biolixivación Uso de microorganismos para recuperar minerales. Se usan microorganismos que producen ácidos a partir de compuestos reducidos del azufre, para crear ambientes ácidos que solubilizan los metales que se desea recuperar. Leptospirillum, Thiobacillus thiooxidans
Bioinsecticidas Alternativa biológica a los pesticidas. Durante la esporulación produce unos cristales paraesporales tóxicos para varios órdenes de insectos, principalmente lepidópteros. Bacillus thuringiensis
Fitorremediación Consiste en el empleo de plantas para la eliminación, degradación o contención de contaminantes en suelos, sedimentos y aguas. Las plantas extraen del suelo y de las aguas los contaminantes a través de la adsorción o absorción directa de sus raíces o mediante mecanismos de acción combinada con microorganismos asociados que viven en las raíces de las plantas (fitoestabilización, fitofiltración). A veces, posteriormente se almacenan en raíces, tallos y hojas (fitoextracción), se transforman en otros compuestos propios de cada planta (fitodegradación) o son volatilizados a la atmósfera por transpiración (fitovolatilización).
